Auf dem Weg zur fischfreundlichen Wasserkraft SP DURCHGÄNGIGKEIT

Um die ökologische Durchgängigkeit für Fische und andere aquatische Lebewesen zu ermöglichen, stehen Planern und Betreibern von Wasserkraftwerken vielfältige technische Mittel zur Verfügung.

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AUF DEM WEG ZUR FISCHFREUNDLICHEN WASSERKRAFT: INNOVATIVE METHODEN UND EIN PRAKTISCHES ONLINE-TOOL

In dem europaweiten Projekt „FIThydro“ unter der Leitung der Technischen Universität München (TUM) haben Forscherinnen und Forscher in Zusammenarbeit mit Industriepartnern bestehende Wasserkraftwerke untersucht. Diese Ergebnisse nutzten sie, um neue Methoden und Technologien zu entwickeln. Dazu gehören ein Gefährdungsindex für Fischarten, Simulationen der Fischwanderung und ein frei verfügbares Onlinetool für die Kraftwerksplanung. Ebenfalls an der TUM wurde im Auftrag des Bayerischen Staatsministeriums für Umwelt und Verbraucherschutz ein Pilotprojekt initiiert, das verschiedene Wasserkrafttechnologien in punkto ökologische Durchgängigkeit miteinander vergleicht.

Wasserkraft ist eine der wichtigsten und meistgenutzten regenerativen Energiequellen weltweit. Der große Vorteil: Anders als Windkraft und Sonnenenergie unterliegt sie nur geringen wetterbedingten Schwankungen. Allerdings ist der Einsatz von Wasserkraftwerken auch mit großen Eingriffen in die Umwelt verbunden. Flüsse werden aufgestaut, die aquatischen Lebensräume verändert, und Fische können durch die Turbinen, das Überfallwehr oder Gitter tödlich verletzt werden. Dafür dass diese negativen ökologischen Effekte so gering wie möglich ausfallen, soll unter anderem die Europäische Wasserrahmenrichtlinie sorgen. Allerdings erfüllen vor allem ältere Wasserkraftwerke die neuen Anforderungen oft nicht und müssen für eine erneute Zertifizierung nachgerüstet werden. Mit welchen Maßnahmen dies auch ökonomisch zu bewältigen ist, muss für jedes Kraftwerk individuell entschieden werden. „Es ist wichtig, existierende Lösungen an die standortspezifischen Gegebenheiten jedes Kraftwerks anzupassen“, erklärt Prof. Peter Rutschmann vom Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft an der Technischen Universität München (TUM).

EUROPAWEITE UNTERSUCHUNGEN AN KRAFTWERKEN

Eine Arbeitsgruppe aus 26 europäischen Forschungseinrichtungen und Unternehmen hat in dem vierjährigen EU-Projekt „FIThydro, Fishfriendly Innovative Technologies for Hydropower“, kurz „FIThydro“, die Auswirkung der Wasserkraftwerke auf die Ökosysteme und besonders auf Fische an 17 Standorten in acht Ländern untersucht. „Uns war wichtig, dass diese Standorte die Vielfalt der geografischen, hydromorphologischen und klimatischen Bedingungen widerspiegeln, damit unsere Ergebnisse auf unterschiedliche Wasserkraftwerke in Europa anwendbar sind“, erklärt Rutschmann. Die Projektpartner untersuchten an den Teststandorten und in Laboren zunächst existierende Methoden, Technologien und Ansätze zur Bewertung von Auswirkungen der Kraftwerke sowie mögliche Schutzmaßnahmen. „Wir wollten feststellen, wo es noch Wissenslücken gibt und wie wir diese Werkzeuge weiterentwickeln können“, sagt Rutschmann.

GEFÄHRDUNGSINDEX FÜR FISCHPOPULATIONEN Ein Beispiel ist der Gefährdungsindex für europäische Fischarten durch die Wasserkraftnutzung, den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des TUM-Lehrstuhls für Aquatische Systembiologie gemeinsam mit dem Leibniz-Institut für Gewässerökologie und Binnenfischerei entwickelten. Sie sammelten zunächst Daten wie Lebensdauer, Re-

Querschnitt eines Schachtkraftwerks (oben) und eines typischen Buchtenkraftwerks

Durch ein unabhängiges, staatlich finanziertes Monitoring werden die Fischverträglichkeit der VLH-Turbine sowie die ökologischen Auswirkungen der Wasserkraftanlage Sulzberg-Au auf die umliegenden Habitate überwacht und geprüft. Die „Very Low Head“ (VLH)-Turbine des französichen Herstelles MJ2 Technologies kommt beim Kraftwerk Sulzberg-Au in der Nähe der Stadt Kempten seit 2015 weltweit zum ersten Mal an einem alpinen Gewässer in Kombination mit einem Schlauchwehr zum Einsatz. Zwei Jahre später folgte der Standort Baierbrunn an der Isar bei München.

produktionszahl und Wanderverhalten der Fische sowie deren Anforderungen an den Lebensraum, wie zum Beispiel die Temperatur und Fließgeschwindigkeit des Gewässers. Mit Hilfe dieser Daten wurden Toleranzschwellen für die Auswirkungen von Wasserkraftwerken auf einzelne Fischarten ermittelt. Diese können von Wasserkraftwerksbetreibern dazu genutzt werden, Schutzmaßnahmen zu evaluieren und zu planen. Auch was den Fischaufstieg und -abstieg betrifft, existieren noch Wissenslücken. Etwa welche Fischtreppe für welche Arten geeignet ist oder welche Bedingungen dazu beitragen, dass die Fische den Einstieg finden. Schwimmen sie beim Fischabstieg durch die Turbinen, können sie nicht nur durch die Turbinenblätter verletzt werden, es wirkt auch ein enormer Druckabfall auf sie. High-Tech-Sensoren, die von der Tallinn University of Technology entwickelt wurden, und neue Simulationsmodelle ermöglichen nun die genaue Untersuchung dieser Faktoren. Mithilfe dieser Ergebnisse kann etwa der Betrieb von Wasserkraftwerken während der Fischwanderung angepasst werden.

ENTSCHEIDUNGSHILFEN FÜR WASSERKRAFTWERKSBETREIBER

Mehr über FIThydro

Am Forschungsprojekt „Fishfriendly Innovative Technologies for hydropower (FIThydro)“ sind 13 Forschungseinrichtungen und 13 Unternehmen in Deutschland, Belgien, Estland, Frankreich, Großbritannien, Norwegen, Österreich, Portugal, der Schweiz und Spanien beteiligt. Koordiniert wird es am Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft der Technischen Universität München (TUM). An der TUM sind außerdem der Lehrstuhl für Aquatische Systembiologie und der Lehrstuhl für Produktions- und Ressourcenökonomie beteiligt. Das Projekt wird mit 7,2 Millionen Euro vom EU-Forschungs- und Innovationsprogramm „Horizon 2020“ und vom Schweizerischen Nationalfonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (SNF) gefördert.

VERGLEICH INNOVATIVER WASSERKRAFTTECHNIK

Ein umfangreicher Vergleich fischfreundlicher Wasserkrafttechnik wurde in einem Pilotprojekt zur Untersuchung der Auswirkungen innovativer Wasserkraftanlagen auf Fließgewässer und ihre Lebensgemeinschaften vom Lehrstuhl für Aquatische Systembiologie der TU München im Auftrag des Bayerischen Staatsministeriums für Umwelt und Verbraucherschutz (StMUV) durchgeführt. Zu diesen innovativen Anlagetypen zählen Kraftwerke mit VLH-Turbinen, Wasserkraftschnecken, bewegliche Kraftwerke sowie Schachtkraftwerke. Als Untersuchungsstandorte wurden verschiedene Pilotanlagen in Bayern ausgewählt, die nachgerüstete Bestandsanlagen sind oder sich derzeit in der Planungs- bzw. Bauphase befinden. Dort wurden zwischen

Der zweite Teil des Projekts beschäftigte sich mit möglichen Maßnahmen, die Kraftwerke nachzurüsten – und mit Entscheidungshilfen für die Betreiberinnen und Betreiber alter sowie Planerinnen und Planer neuer Wasserkraftwerke. „Diese Entscheidungen sind sehr komplex“, sagt Rutschmann. „Das Kraftwerk und die standortspezifischen Bedingungen spielen eine Rolle, aber es müssen auch die gesetzlichen Vorgaben auf nationaler und EU-Ebene eingehalten werden. Für die Betreiber ist es natürlich wichtig, dass die Maßnahmen effektiv und kosteneffizient sind.“ Die Lehrstühle für Produktions- und Ressourcenökonomie und für Aquatische Systembiologie der TUM haben in Zusammenarbeit mit der norwegischen Forschungsorganisation SINTEF daher eine systematische Kostenanalyse erstellt. Die Kostenübersicht beinhaltet unter anderem Daten zur Fließgewässerrenaturierung, Fischwanderhilfen, Fischschutzeinrichtungen sowie dem Sedimentmanagement. Diese Übersicht hilft dabei, die bestmöglichen und kostengünstigsten Lösungen zur Minimierung der Auswirkungen eines Wasserkraftwerkes zu finden.

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BEWEGLICHES KRAFTWERK

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2014 und 2019 die Auswirkungen verschiedener neuartiger Anlagentypen und Techniken auf die Gewässerökologie untersucht. Zusätzlich sind drei mit Fischschutz- und Fischabstiegseinrichtungen nachgerüstete konventionelle Wasserkraftanlagen mit Kaplan-Turbinen Gegenstand des Forschungsprojekts.

VERY-LOW-HEAD TURBINE

Die technischen Konzepte unterscheiden sich beim Fischschutz erheblich. So ist bei der Very-Low-Head (VLH)-Turbine vorgesehen, dass die Fische möglichst unversehrt durch das Kraftwerk abwandern können. Die großen Abmessungen von bis zu fünf Metern Laufraddurchmesser und die sehr langsamen, variablen Drehzahlen von etwa 20 bis 60 Umdrehungen pro Minute bieten dafür sehr gute Voraussetzungen. Ein Grobrechen dient lediglich dem Maschinenschutz. Jedoch stößt diese Technik bei Fallhöhen über drei Metern an ihre Grenzen. Durch die einfache Konstruktion des Bauwerks ist auch das Umrüsten von Bestandsanlagen denkbar.

Seit dem Frühjahr 2017 ist das Dumba-Wehr im niederösterreichischen Tattendorf mit einer Restwasserschnecke samt Fischaufstiegsschnecke des Systems Rehart/Strasser ausgestattet. Durch die ummantelte Rohrschnecke gelangen die Fische sicher und komfortabel ins Oberwasser.

Bewegliche Wasserkraftwerke sind im Betrieb komplett von Wasser umströmt.

Beim beweglichen Kraftwerk handelt es sich um eine schwenkbare, über- und unterströmbare Wasserkraftanlage, durch die Fischabstieg, Geschiebetransport und Hochwasserentlastung gleichzeitig realisiert werden sollen. Fische können sowohl über- als auch unterhalb des Kraftwerks ins Unterwasser gelangen. Das bewegliche Kraftwerk ist mit einer axial durchströmten, durch bewegliche Leit- und Laufradschaufeln doppelt regulierten Kaplan-Rohrturbine ausgestattet und ist für Standorte mit bis zu 8 m Fallhöhe geeignet. In den ersten Untersuchungen zum beweglichen Kraftwerk an der Kinzig in Offenburg und Gengenbach konnte mit Netzfängen und Sonaruntersuchungen bestätigt werden, dass Fische erfolgreich über das Kraftwerk absteigen. 94 Prozent der Smolts und 65 Prozent der Aale mit einer geschätzten Mortalität von 3 bis 6 Prozent (Smolts) bzw. 0 Prozent (Aale) über das Kraftwerk ab.

SCHACHTKRAFTWERK

Ein weiterer innovativer Anlagentyp ist das vom Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU München entwickelte Schachtkraftwerk, bei dem die Maschineneinheit vollständig unter Wasser liegt. Eine Einheit aus Turbine und Generator wird in einem Schacht mit einer horizontalen Einlaufebene installiert, der vor dem Wehr in die Oberwassersohle integriert ist. Der Abfluss wird über einen den Schacht bedeckenden Horizontalrechen

WASSERKRAFTSCHNECKE

Die Wasserkraftschnecke basiert auf der energetischen Umkehr der bereits seit der Antike bekannten „archimedischen Schraube“ und findet in Deutschland seit der Jahrtausendwende Anwendung in der Kleinwasserkraft. Der Durchmesser der Schnecke beträgt in der Regel 1,5 bis 3,5 m und der Neigungswinkel der Schnecke 20 bis 30 Grad. Die Wasserkraftschnecke wurde für Fallhöhen von maximal 10 Metern konstruiert. Aufgrund der geringen Drehzahlen, Druckunterschiede und Scherkräfte gilt die Wasserkraftschnecke als fischverträgliche Technologie. Verletzungen an Fischen können dennoch durch scharfkantige Strukturen am Schneckengewinde, im Spalt zwischen Schnecke und Trog, durch Kollisionen der Fische mit der Eintrittskante des Schneckengewindes und durch die starken hydraulischen Impulskräfte im Schneckenaustrittsprofil entstehen. Die aus mehreren Studien zum Thema Schädigung von Fischen an Wasserkraftschnecken zusammengefassten Ergebnisse zur Schädigungsrate liegen zwischen 0 und 33 Prozent und gehen damit sehr weit auseinander. In der internationalen wissenschaftlichen Literatur (mit Peer-Review System) konnte nur eine Studie zur Schädigung von Neunaugen an einer Wasserkraftschnecke in England gefunden werden, in der eine Schädigungsrate von 1,5 Prozent ermittelt wurde. Darüber hinaus ist aus einer Studie an einer Aufstiegsschnecke in den USA für Königslachse eine Schädigungsrate von 1 bis 1,7 Prozent bekannt.

Foto: Bayerische Landeskraftwerke GmbH

Mittels Fischmonitoring kann detailliert nachvollzogen werden, welche und wie viele Fische den Lift nutzen. Hier zu sehen: eine 45 cm große Regenbogenforelle. 10,8 Höhenmeter überwinden die Fische mithilfe des Fischlifts beim Kraftwerk Gmunden und können so ohne Probleme ihre Reise flussaufwärts der Traun fortsetzen.

Foto: Energie AG

der Turbine zugeführt und über das Saugrohr durch den Wehrkörper in das Unterwasser geleitet. Es sollen beim Schachtkraftwerk auch geringe Rechenstababstände von 15 mm ohne gravierende hydraulische Verluste umgesetzt werden können. Ein schadloser Fischabstieg soll dadurch erreicht werden, dass die Anströmgeschwindigkeiten in der Rechenebene 0,5 m/s nicht überschreiten, wodurch die Fische sich aus eigener Kraft vom Rechenbereich entfernen und über einen Kronenausschnitt im Wehr beziehungsweise einen temporär geöffneten sohlenbündigen Grundablass ins Unterwasser absteigen können.

FISCHSCHUTZEINRICHTUNGEN AN KONVENTIONELLEN KRAFTWERKSANLAGEN

Um die flussabwärtsgerichtete Durchgängigkeit wiederherzustellen und den Fischschutz an konventionellen Wasserkraftanlagen zu verbessern, wurde in der Vergangenheit eine Vielzahl baulicher Lösungen entwickelt, die dazu dienen, alte Anlagentypen nachzurüsten und die Fischverträglichkeit zu steigern. Dazu zählen unter anderem zur Sohle und seitlich geneigte Feinrechen mit Vertikal- beziehungsweise Horizontalrechen und verschiedene Bypasssysteme, wie zum Beispiel Spülklappen, Bypassrohre, technische Fischpässe und naturnahe Umgehungsgewässer. Die horizontale Stabausrichtung hat im Vergleich zur vertikalen möglicherweise eine bessere Schutzwirkung, da die meisten Fischarten einen seitlich abgeflachten Körper haben (Körperhöhe > Körperbreite). Spülklappen bzw. Spülrinnen können als Korridor ebenfalls von abstiegswilligen Fischen genutzt werden. Neben dem oberflächlichen Ablass verfügen Spülklappen oft zusätzlich über einen Grundablass. Bei diesem besteht die Möglichkeit ihn speziell für grundnah wandernde Fische während ihrer Hauptwanderungszeiten zu öffnen. Dass Fische Spülklappen und Spülrinnen grundsätzlich als Abstiegskorridor nutzen, ist insbesondere für den Aal bekannt. Neben Spülklappen können Fische vom Rechen in verschiedene andere Bypasssysteme abgeleitet werden. Dazu zählen technische Fischpässe, spezielle Bypassrohre oder naturnahe Umgehungsgewässer. Letztere können sowohl als Wanderkorridor als auch als Habitat für rheophile Fische fungieren Diese Habitatfunktion wurde insbesondere auch für frühe Lebensstadien rheophiler Fische nachgewiesen. Der Nachteil naturnaher Umgehungsgewässer besteht in dem relativ großen Flächenbedarf, der an den meisten konventionellen Wasserkraftanlagen nicht mehr zur Verfügung steht.

Wurzelstöcke entlang der naturnah gestalteten Bachstrecke beim Kraftwerk Marchtrenk bieten den wanderwilligen Lebewesen der Traun ideale Rückzugsgelegenheiten. Foto: Energie AG/Wakolbinger

ÖFFENTLICH ZUGÄNGLICHE ONLINETOOLS

Eines der Hauptergebnisse des Projekts „FIThydro“ ist das „FIThydro Decision Support System“, das bei der Planung und Beurteilung von Wasserkraftwerken eingesetzt werden kann. In das Onlinetool können Angaben über den Typ des Kraftwerks, seinen Standort, die Fische, die in den Gewässern leben und andere Besonderheiten eingegeben werden. Unter Berücksichtigung der umweltpolitischen Vorgaben und internationalen Richtlinien errechnet die Software mit diesen Daten den Grad der Umwelt- und Fischgefährdung und empfiehlt Verbesserungsmaßnahmen. Auch ein Wiki zu dem Projekt ist entstanden. „Es gibt in jedem Land andere Vorgaben, aber die Vernetzung ist noch nicht optimal“, sagt Rutschmann. „So ist zum Beispiel oft nicht bekannt, dass es bereits Maßnahmen gibt, die woanders erprobt wurden und als effizient gelten. Wir hoffen, durch das Wiki die Wissensvernetzung zu unterstützen.“

Der erste Abschnitt der Fischwanderhilfe in Bad Goisern wurde als „Vertical-Slot-Pass“ ausgeführt.

Foto: zek Foto: Energie AG