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Wunder(bares) Wasser

09.04.2020

Die kostbare Ressource Wasser ist so viel mehr als Erfrischung im Sommer: Sie ist für uns Menschen lebensnotwendig, erzeugt und speichert Energie, kann schaden und helfen. Und sie ist bedroht.

"Wenn ich konsequent das beachten würde, was ich weiß, sollte ich etwas anders leben", sagt Dirk Muschalla und muss selbst schmunzeln, als sein Blick auf die PET-Flaschen auf seinem Schreibtisch fällt - Eistee und Orangensaft. "Wir sind in Österreich in der privilegierten Situation, dass unser Leitungswasser qualitativ besser ist als alles, was wir im Supermarkt kaufen können. Trinkwasser ist ein hochwertiges Lebensmittel und es ist nur Bequemlichkeit, Getränke in Plastikflaschen zu kaufen. Ganz abgesehen von den nicht abgeschlossenen Diskussionen über Mikrokunststoff in PET-Flaschen und dem eventuellen Übergang anderer Substanzen aus PET, wie beispielsweise Acetaldehyd." Muschalla, Leiter des Instituts für Siedlungswasserwirtschaft und Landschaftswasserbau, ist einer von vielen Forschenden, die sich an der TU Graz mit der kostbaren Ressource Wasser beschäftigen. Sein Thema: Die Wasserver- und -entsorgung in besiedelten Gebieten und jene Stoffe, die über das Abwasser wieder in die Umwelt gelangen.

Klimawandel als großer Unsicherheitsfaktor

"Der Klimawandel stellt uns vor große Herausforderungen, die wir heute teilweise noch gar nicht abschätzen können", erklärt er, was die Wissenschaft derzeit antreibt. Gemeinsam mit seinem Team untersucht Muschalla beispielsweise, wie sich die Erderwärmung und damit einhergehende Naturereignisse wie Hochwasser auf die Stadt Graz auswirken könnten. Basis für die Arbeit sind globale Prognosen von Klimaforschenden. Urbane Überflutungen - wie zum Beispiel jene im April 2018 im Grazer Einkaufszentrum Citypark - werden vermutlich zunehmen. Dazu braucht es in Zukunft auch gar keine Flüsse, die über die Ufer treten oder Kanäle, die überlastet sind. Zunehmend starke Niederschläge reichen. "Weil unsere Städte immer dichter besiedelt und die Böden immer kompakter versiegelt sind, kann das Wasser nicht mehr vor Ort versickern oder zurückgehalten werden", erklärt Muschalla. "Deshalb kommt es aufgrund der zunehmend stärkeren Regenfällen bereits zu Überflutungen, obwohl das Kanalsystem teilweise noch gar nicht voll ist. Das Wasser kommt gar nicht mehr bis dorthin, sondern verursacht bereits vorher Schäden." Schon heute ist zu beobachten, dass die Gewittersaison ungewöhnlich früh im Jahr beginnt und erst spät im Oktober endet. Die starken Niederschläge sorgen für gesättigte Böden. Überschwemmungen sind die Folge. Andererseits sind die Sommermonate von langen Hitzeperioden geprägt - Niederschläge werden selten, weil auf Grund der unverhältnismäßigen Hitze kein Wasser mehr im Boden gespeichert ist, das verdunsten könnte.

Im Projekt STRATUS - Spatial Rainfall Variability of Storms in Urban Runoff Simulation wollen Forschende am Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Landschaftswasserbau der TU Graz besiedelte Gebiete vor urbanen Überschwemmungen schützen. Sie arbeiten an Simulationswerkzeugen, die die Auswirkungen von extremen Niederschlagsereignisse darstellen können und so dazu beitragen, Risiken frühzeitig zu erkennen. Die Daten kommen unter anderem aus dem EU-Projekt RAINMAN, wo europaweit in definierten Einzugsgebieten langfristig der Niederschlag und das Abflussverhalten gemessen wurde.

Bedenklicher Substanzen-Cocktail im Abwasser

Eine zusätzliche Herausforderung für die Zukunft ist die veränderte Demografie - die Menschen werden immer älter. "Wenn eine Gesellschaft älter wird, dann braucht sie auch mehr Medikamente", sagt Muschalla. Die Rückstände dieser Substanzen finden sich im Abwasser wieder. "Wir wissen heute noch nicht vollständig, wie all diese Substanzen miteinander wechselwirken und wie effektive unsere Kläranlagen diese aus dem Wasser entfernen können." Muschallas Institut untersucht deshalb auch, welche Stoffe im Wasser unserer Kanalsysteme vorhanden sind und mit dem Abwasser entsorgt werden. Aber nicht nur Medikamentenrückstände landen im Abwasser: Vor allem auch andere Stoffe, die der Regen von den Böden abschwemmt, sind problematisch. "Regenwasser ist kein reines Wasser, wenn es auf der Oberfläche abfließt. Chemikalien aus Hausfassaden, der Reifenabrieb auf der Straße, Schwermetalle von Kupferdächern und viele weitere Quellen ergeben eine bedenkliche Mischung", so Muschalla.

Auch Stoffe, die zum Beispiel durch übermäßige Düngung in den Boden eingedrungen sind, werden in Zukunft eventuell Grundwasservorkommen in Österreich gefährden. Zwar brauchen die Stoffe teilweise Jahrzehnte, um das Grundwasser zu erreichen, aber: "Wenn sie bereits im Boden sind können wir nicht verhindern, dass sie früher oder später Teile unseres Grundwassers erreichen", so Muschalla. "Wir können heute aber dafür sorgen, dass nicht noch mehr Substanzen nachkommen, um die gute Qualität unseres Grundwasser in weiten Bereichen auch für die Zukunft zu sichern."

Das Wasser in der Stadt Graz speist sich übrigens aus drei Grundwasserfeldern: Eines davon liegt im Grazer Bezirk Andritz, eines im Süden von Graz und eines am Hochschwab. Die Systeme sind so ausgerichtet, dass die Wasserversorgung in Graz praktisch ausfallsicher ist: Kann eine Ressource nicht genutzt werden, können eine oder beide anderen übernehmen.

Abwasserentsorgung im Mischwassersystem

Graz hat, wie viele andere Großstädte, ein Mischwassersystem. Das heißt, dass Abwasser aus den Grazer Haushalten und Betrieben in einem Rohrsystem gemeinsam mit dem Regenwasser abgeführt wird. Während Trockenzeiten und kleineren Regenereignissen hat das einen großen Vorteil: Auch verunreinigtes Regenwasser wird in der Kläranlage im Süden von Graz gereinigt, bevor es in die steirischen Flüsse fließt. Problematisch kann es bei stärkeren Regenfällen werden. Die Kanalisation kann die großen Wassermengen systembedingt nicht vollständig zwischenspeichern und bis zur Kläranlage abführen. Das überschüssige Wasser muss über geregelte Entlastungen (quasi Notüberläufe) in die Mur und andere Wasserläufe in Graz eingeleitet werden. Dabei kann das Gemisch aus Regen- und Abwasser zwar nicht vollständig gereinigt werden, wird aber zumindest nur sehr stark verdünnt in die Gewässer eingeleitet. Eine gewisse Belastung der Gewässer ist während Regenzeiten dabei leider unvermeidlich. Projekte, wie der gerade im Bau befindliche Zentrale Sammelkanal in Graz, tragen aber dazu bei, die Gewässerbelastung in Zukunft weiter zu reduzieren.

Die Errichtung der Kanalsysteme in den meisten großen Städten Europas begann zwischen 1850 und 1900. Zentrale Teile des Grazer Kanalnetzes wurden in der Zeit um 1925 errichtet. In Erweiterungsgebieten unserer Siedlungen ist das Kanalnetz jünger. Ähnliches gilt auch für die Trinkwasserversorgung. "Wir arbeiten in mehreren Projekten an Prognosesystemen, die uns rechtzeitig sagen, wann die in die Jahre gekommene Infrastruktur erneuert oder repariert werden muss", erklärt Muschalla. Damit könne man in Zukunft Bau- und Sanierungsarbeiten besser koordinieren und kombinieren.

Schutzmaßnahmen gegen Wassermassen

Oft gefordert werden Gründächer, um die Wassermassen bei Regenfällen auffangen zu können. Das sei auch eine sehr gute Idee, so Muschalla: "Gründächer können Wasser speichern und im Sommer wieder verdunsten. So lässt sich die Stadt auch gleichzeitig kühlen." Ausreichen würde das aber nicht. "Es braucht eine Kombination aus mehreren dezentralen und zentralen Maßnahmen." Eine davon ist der Zentrale Speicherkanal, der aktuell in der Grazer Innenstadt entlang der Mur gebaut wird. Er soll in Zukunft Mischwasser zwischenspeichern und langsam an die Kläranlage abgeben. Damit wären einige Überläufe im zentralen Grazer Stadtgebiet nicht mehr notwendig und die Mur ein Stückchen sauberer.

Wasserkraft als nachhaltiger Energielieferant der Gegenwart und Zukunft

Gemeinsam mit dem Zentralen Speicherkanal entlang der Mur wurde ein Flußwasserkraftwerk errichtet - das Murkraftwerk Graz. Mit dem Bau, dem Betrieb und der Instandhaltung von Kraftwerken, Dämmen und Staumauern beschäftigt sich an der TU Graz das Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft. Die Forschenden waren und sind an zahlreichen namhaften Kraftwerks- und Dammprojekten in Österreich und mit nationalen und internationalen Partner weltweit beteiligt. "Speicherbecken mit deren Absperrbauwerken sind nicht nur ein wichtiges Mittel, um Wasserkraft für die Stromerzeugung zu nutzen", erklärt Gerald Zenz, Leiter des Instituts. "Sie sind auch ein wichtiges Mittel, um Siedlungen vor Hochwasser zu schützen. Sie können Hochwasserzuflüsse zwischenspeichern und nach dem Hochwasserereignis nach und nach wieder abgeben." Hinter dem hellen Besprechungstisch, an dem der Forscher von seiner Arbeit erzählt, ist eine Grafik auf einem großen Bildschirm zu sehen: alle bereits durch die Landeswasserbauverwaltung umgesetzten und in Umsetzung befindlichen Hochwasserschutzprojekte entlang der steirischen Flusslandschaft - und es sind viele.

Als Energielieferant deckt die Wasserkraft derzeit rund 70 Prozent des Österreichischen Strombedarfs ab. "Wasserkraft ist für mich die nachhaltigste Energieform und bereitet die wirtschaftlichste Möglichkeit elektrische Energie aus erneuerbarer Quelle zu speichern - sie hat eine lange Tradition und exzellente Zukunft", erklärt Zenz. Deshalb sei es auch so wichtig, junge Bauingenieurinnen und -ingenieure für die Wasserwirtschaft zu begeistern. "Es stimmt schon, dass die großen Wasserkraftwerke und Staudämme bereits gebaut sind, aber es besteht noch großes Potential weltweit und auch in Österreich. Darüber hinaus müssen die Anlagen auch in Stand gehalten und optimiert werden, damit sie auch in Zukunft zuverlässige Energielieferanten bleiben. Dazu ist höchstes Know-how in allen Bereichen der Bauingenieurwissenschaften gefragt."

Neben Flusskraftwerken sind vor allem Pumpspeicherkraftwerke wichtige Energiespeicher. Sie liefern zu Spitzenzeiten schnelle, saubere Energie und können so die natürlichen Schwankungen ausgleichen, denen andere nachhaltige Energielieferanten wie die Sonne oder der Wind unterliegen. "Pumpspeicherkraftwerke nutzen das in Speicherseen gespeicherte Wasser, um bei Bedarf Energie zu erzeugen", erklärt Wolfgang Richter, Forscher am Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft. "Wird mehr Energie erzeugt, als die Gesellschaft braucht, dann nutzen wir sie, um Wasser in den höher gelegenen Speichersee zu pumpen. Wird mehr Energie gebraucht als erzeugt werden kann, dann wird das Wasser durch ein Rohrsystem durch Turbinen geleitet, die Strom erzeugen." Neueste Überlegungen werden dahingehend angestellt, sowohl Wasserspeicher als auch Rohrsystem und Auffangbecken unterirdisch zu bauen. Oder die unterirdischen Speicher mit einem Wärmespeicher zu kombinieren. "Deshalb sind wir überzeugt, dass neue zusätzliche Hochdruckpumpspeicher wesentlich zur Energieinnovation für die Zukunft beitragen werden", so Zenz.

Von Pumpen und Turbinen - die Herzstücke des Kraftwerks

"Wasser ist heute die einzige großtechnische Möglichkeit, Energie speichern zu können", erklärt auch Helmut Jaberg, Leiter des Instituts für Hydraulische Strömungsmaschinen. Er arbeitet mit seinem Team an Turbinen, die "dem Wasser die Energie entziehen" und an Pumpen, die es transportieren. Anwendungsgebiete sind natürlich unterschiedliche Kraftwerke, aber auch der Transport von Trink- und Abwasser.

Auch aus seiner Sicht hat die Wasserkraft einen wichtigen Stellenwert in der Gewinnung von nachhaltiger Energie. Als Produzentin, aber vor allem auch als Regelungssystem. Sie kann innerhalb kürzester Zeit die Energieschwankungen im Netz ausgleichen, die wegen der zunehmenden Einspeisung von Sonnen- und Windenergie entstehen. Wasserkraftwerke können enorm schnell reagieren, wie Jaberg anhand des vor zehn Jahren in Betrieb gegangenen Kraftwerks Kops in Vorarlberg, an dem das Institut zentral beteiligt war, erklärt. "Das Kraftwerk kann innerhalb von 20 Sekunden von 500 Kilowatt Pumpleistung auf 500 Kilowatt Turbinenleistung umschalten. Also innerhalb von zehn Sekunden 80 Kubikmeter Wasser pro Sekunde abstoppen und innerhalb der nächsten zehn Sekunden in die andere Richtung beschleunigen. Das ist weltweit einzigartig." Natürlich bringt diese zunehmende Notwendigkeit, den Betrieb zu ändern, auch größeren Verschleiß mit sich - und ein neues Forschungsfeld für die Wissenschaft.

Lebensverlängernde Maßnahmen für Pumpen und Turbinen

Ebenfalls sieht man anhand dieses Beispiels, worum es Jaberg und seinem Team geht: Turbinen effizient zu betreiben, die maximale Leistung kostengünstig und schnell zu erreichen und vor allem die Lebensdauer der Maschinen zu erhöhen. "Das Hauptproblem ist die Kavitation", erklärt der Wissenschafter. "Sie sorgt dafür, dass Turbinen und Pumpen ihr Potential nicht ausschöpfen können und schneller repariert werden müssen." Unter Kavitation versteht man, dass Wasser auch im kalten Zustand verdampft. Dann nämlich, wenn der Druck ausreichend tief gesenkt wird. Bei einem Umgebungsdruck von einem bar - wie er in unserer Umgebung herrscht - verdampft Wasser bei 100° Celsius. Ist der Druck niedriger, verdampft es bei niedrigeren Temperaturen - bei einem Druck von 0,0234 bar zum Beispiel bei bereits 20° Celsius. Und das passiere in Turbinen sehr schnell, wie Jaberg erklärt: "Wenn Turbinen das Wasser in Bewegung setzen, bilden sich kleine Dampfblasen. Nimmt der Umgebungsdruck wieder zu und die Blasen verformen sich, dann entsteht in ihrem Inneren ein Druck von mehreren tausend bar. Zwangsläufig implodieren die Dampfblasen und die so entstehenden Mikrojets treffen mit einer wahnwitzigen Geschwindigkeit auf die umliegenden Wände und Turbinenblätter und beschädigen sie." Diesem Phänomen gilt es, wissenschaftlich entgegenzutreten.

Und zusätzlich kümmern sich die Forschenden um die Druckstöße, die insbesondere bei Pumpspeicherkraftwerken ein Problem darstellen. Wird der Betriebspunkt, also der Wasserstrom, zum Beispiel eines Kraftwerks schnell geändert, weil das elektrische Netz ausgeregelt werden muss, dann verursachen diese Änderungen enorme Druckstöße, dem die Bauwerke standhalten müssen. "Wir kümmern uns um die Ursache der Druckstöße - die Pumpen, Turbinen und Armaturen - und versuchen, sie möglichst zu unterdrücken oder gering zu halten", erklärt Jaberg "Und die Kolleginnen und Kollegen vom Wasserbau kümmern sich darum, dass die Bauwerke Stand halten, wenn Druckstöße unvermeidlich sind." Denn: "Von einem Kraftwerk darf nie und in keinem Fall Gefahr für die Mitarbeitenden und natürlich auch nicht für die Umgebung ausgehen."

Klimaschutz und Ressourcenschonung

Aufgrund von Geografie und Geologie ist Österreich im Vergleich zu anderen Weltregionen immer noch begünstigt, wenn es um die Versorgung mit sauberem Wasser geht. Aber auch, weil Österreich seine Wasserressourcen effektiv schützt. Und das manchmal auf Kosten anderer Nationen. "Österreich importiert Wasser nicht direkt, aber über Waren wie Avocados, die unter hohem Wasserverbrauch in Südamerika angebaut werden", erklärt Muschalla. Und Zenz ergänzt: "Man sieht bei uns nur ein Kraftwerk, das im Verhältnis zu einer Tankstelle natürlich groß ist und Naturlandschaft beansprucht. Was man aber nicht sieht, sind die Erdölfelder, aus denen fossile Energieträger gewonnen werden - die bei uns als importierte Energielieferanten genutzt werden - große Auswirkungen auf Klima und Natur haben und mit hohen nicht einkalkulierten externalisierten Kosten verbunden sind."

Natürlich seien auch Fluss- und Pumpspeicherkraftwerke ein Eingriff in die Natur, ergänzt Jaberg: "Dazu muss auch jede Ingenieurin und jeder Ingenieur stehen." Aber: "Ich glaube, dass die Wasserkraft ein unverzichtbarer Faktor sein wird - wegen ihrer schnellen Reaktionszeit und der hohen Speicherkapazität. Ich fürchte jedoch, dass wir in Europa nicht so viele Pumpspeicherkraftwerke bauen werden können, wie eine vollständige Umstellung auf erneuerbare Energiegewinnung notwendig machen würde. Hier steht die Technik vor sehr großen Herausforderungen - in allen Bereichen."

Studienangebot an der TU Graz zum Thema Wasser:

Bachelorstudien
Bauingenieurwissenschaften und Wirtschaftsingenieurwissenschaften
Umweltsystemwissenschaften / Naturwissenschafts-Technologie
Geowissenschaften

Masterstudien
Geotechnical and Hydraulic Engineering
Geosciences
Environmental System Sciences / Climate Change and Environmental Technology
Bauingenieurwissenschaften - Infrastruktur

Universitätslehrgang
Wasserbau

Kontakt
Dirk MUSCHALLA | Institut für Siedlungswasserwirtschaft und Landschaftswasserbau
Univ.-Prof. Dr.-Ing.
d.muschalla@tugraz.at

Gerald ZENZ | Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
gerald.zenz@tugraz.at

Helmut JABERG | Institut für Hydraulische Strömungsmaschinen
O.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn.
helmut.jaberg@tugraz.at
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