Im Zuge der aktuellen Energiewende und der Abkehr von fossilen Energieträgern ist die Erforschung neuer Systeme zur Energiewandlung sehr wichtig. Dabei ist besonders die Energiegewinnung aus Sonnenstrahlung von großem Interesse. Die Arbeitsgruppe engagiert sich schon seit mehreren Jahren wissenschaftlichen bei der Entwicklung von so genannten Aufwindkraftwerken, die insbesondere in sonnenreichen Erdregionen eingesetzt werden können. Das Kraftwerk besteht grundsätzlich aus einem sehr großen Stahlbetonschornstein von bis zu 1500m Höhe, der von einem mehrere Quadratkilometer großen Glasdach umgeben ist. Die Luft unter dem Glasdach erwärmt sich aufgrund der Sonneneinstrahlung und strömt zum Schornstein, in dessen Fußbereich sich Turbinen befinden, die dann die kinetische Energie des Luftstroms wandeln. Trotz schon fortgeschrittenen Planungen und Berechnungen auf theoretischer Basis sind noch viele bau- und betriebspraktische Aspekte eines solchen Kraftwerkes unerforscht. Im Rahmen eines deutsch-ägyptischen Projektes ist nun unter Federführung durch die Bergische Universität Wuppertal, Lehrstuhl für Statik und Dynamik der Tragwerke, Prof. Dr.-Ing. R. Harte, und in einer Kooperation mit der Universität Aswan, Ägypten, seit 2013 ein Forschungskraftwerk in einem kleineren Maßstab in Ägypten, nahe der Stadt Aswan, geplant und gebaut worden. Der Kraftwerksstandort ist in Bild 1 zu sehen und mit etwa 4000 Sonnenstunden pro Jahr und einer mittleren Temperatur von 40°C über mehr als das halbe Jahr eine der sonnenreichsten und wärmsten Regionen weltweit.
Der Schornstein des Forschungskraftwerkes ist 20,1 m hoch und aus Stahl. Dieser ist über eine räumlich ausgesteifte Stahlrahmenkonstruktion mit einem achteckigen, 80cm dicken Betonfundament verbunden, wie in Bild 2 dargestellt. Umgeben ist der Turmfuß von einem quadratischen Glaskollektor mit einer Kantenlänge von jeweils 20m und einer Höhe über Boden von 1,25m. Das gesamte Forschungskraftwerk in Bild 3 abgebildet.
Aufgabe des Projektpartners WiSt an der Ruhr-Universität Bochum ist die Abschätzung der Bauwerkslebensdauer sowie eine tragwerkssicherheitsbasierte Lebenszyklusüberwachung. Dazu werden das Ensemble ausgewählter mechanischer Reaktionen sowie detektierbare Schädigungen der Struktur durch Messungen von Spannungen und Beschleunigungen mit Dehnungsmesseinrichtungen und Beschleunigungssensoren (s. Bild 4) am Schornstein in verschiedenen Höhen aufgezeichnet. Die dadurch mögliche, frühe Vorhersage von Schädigungsentstehung oder -zuwachs beeinflusst die Instandsetzungskosten und auch die Lebensdauer des Bauwerkes. Haupteinwirkungen sind Wind und Temperaturlastfälle sowie Lasten aus Turbinenbetrieb. Grundsätzlich können auch seismische Einwirkungen erfasst werden.
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt, welcher beim Projektpartner WiSt an der Ruhr-Universität Bochum liegt, ist die Betrachtung der Staub- und Sandablagerung auf dem Kollektordach. In dem sehr ariden Gebiet werden durch den Wind Partikel verschiedenster Größen fortbewegt und lagern sich auf dem Kollektor ab, insbesondere in Zonen niedrigere Windgeschwindigkeiten. Diese Deposition von Material auf dem Kollektor kann die Effizienz des Kraftwerks durch Reduzierung der Transluzenz als Folge der Außenflächenverschmutzung bis hin zur Verschattung stark beeinflussen und auch zu Schädigungen der Kollektoroberfläche führen. Die Reinigung des Glasdaches ist ein Kostenfaktor der von der Stärke der Ablagerung abhängt. Es werden Geschwindigkeitsmessungen der Windströmung in direkter Bauwerksnähe und Staubmessungen mithilfe von Sammelbehältern nach VDI 4320-2 durchgeführt. Zusätzliche Fotos des Kollektors von oben sollen sie Entstehung und Entwicklung der Ablagerungen auf dem Glasdach dokumentieren. Begleitend werden numerische Berechnungen mithilfe der Finite-Volumen-Methode (CFD) und Messungen von bauwerksnahen Geschwindigkeitsfeldern im Bochumer Grenzschichtwindkanal durchgeführt. Die im Großversuch am Forschungskraftwerk in Aswan erhaltenen Daten können somit außerdem zur Validierung der Berechnungen sowie auch der Experimente im Grenzschichtwindkanal herangezogen werden.
Dieser Text ist erschienen im Newsletter 2016-1. Der gesamte Newsletter kann auf der Homepage der Fakultät für Bau- und Umweltingenieurwissenschaften heruntergeladen werden.
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Letzte Änderung: 05. Apr. 2023
