Forschung(sbedarf) rund um die Wasserkraft

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1 Forschung(sbedarf) rund um die Wasserkraft Dr.-Ing. Michael Detering Dr.-Ing. Sebastian Roger 43. IWASA Wasser als Energieträger RWTH Aachen, 10./11. Januar 2013 RWE Innogy ICH-AN SEITE 1

2 Inhalt Einleitung Themen 1. Fischaufstiegsanlagen 2. Feinrechen 3. Bypass-Systeme 4. Feststofftransport 5. Mindestwasserführung 6. Überblick/Status und Empfehlungen SEITE 2

3 Einleitung Wasserkraftbetreiber und die WRRL Entwicklung der EU-WRRL erfolgte in vielen Mitgliedsstaaten mit nur geringer Einbindung der Wasserkraft Starke Lobby im Bereich Umweltschutz und Fischerei WHG = nationale Konkretisierung Nationale Regulierung/Forderungen basieren auf vielen Annahmen Die Energiewirtschaft war mit der Marktöffnung beschäftigt. Viele Betreiber halten bestimmte Maßnahmen derzeit für unangemessen, sind sich ihrer ökologischen Mit-Verantwortung jedoch durchaus bewusst. Wirklich sachlicher Dialog findet erst seit kurzem statt. Grünstromvermarktung: Reputation/Glaubwürdigkeit von Wasserkraftbetreibern Anreizwirkung/Wirtschaftlichkeit von Maßnahmen SEITE 3

4 Forschungsfelder 1. Fischaufstiegsanlagen 2. Feinrechen 3. Bypass-Systeme 4. Feststofftransport 5. Mindestwasserführung 6. Weiteres SEITE 4

5 1. Fischaufstiegsanlagen (FAA) FAA-Konstruktionstypen sind vielfältig und funktionieren auch mehr oder weniger gut Bildquelle: Gieseke, Mosonyi, Heimerl; Deutsche Bundesstiftung Umwelt SEITE 5

6 1. FAA: Konstruktionstyp Schlitzpass Dimensionierung (Geometrie, Hydraulik): Auslegung nach Leitfischart Schlitzbreite = 3 x D Fish Schlitzhöhe = 3 x H Fish Beckenlänge = 3 x L Fish Beckenbreite/Abmessungen je nach erforderlicher Energiedissipation (Beckendifferenz h ca cm) Vorgaben für Anordnung und Leitströmung zu beachten: wissenschaftlich noch nicht überprüft, aber mangels Alternativen praktisch bereits angewandt Monitoring weist nach ob eine FAA funktioniert - oder nicht Schlitzpässe Bildquelle: MKULNV NRW, Land Rheinland-Pfalz SEITE 6

7 1. FAA: Konstruktionstyp Schlitzpass Dimensionierung mag passen oder nicht noch keine abschließende Aussage möglich Fischaufstiegsanlage in Geesthacht an der Elbe Leitfischart: Atlantischer Stör (mit einer Länge bis zu 3 m) Kostenumfang (2010): ca. 20 Mio SEITE 7

8 2. Feinrechen Annahmen: Fische werden entlang der Rechenebene bis zur Spülrinne geführt. Normalgeschwindigkeit bis zu 0,5 m/s sind für die Tiere beherrschbar. v 0, 5 m s SEITE 8

9 2. Feinrechen In der Praxis werden die horizontalen Dimensionen oftmals enorm Begrenzung auf Durchflüsse bis 50 m³/s (theoretisch 100 m³/s) Pilot-/ Versuchsanlage Unkelmühle/Sieg SEITE 9

10 2. Feinrechen bisherige Studien zeigen z. T. fragwürdige Ergebnisse nicht die Rechenstabweite sondern die Hydraulik scheint entscheidend starke Lobby für Feinrechen bei der Fischerei und bei einigen Behörden in Deutschland Bildquelle: Forum Fischschutz, Verband Hessischer Fischer e.v SEITE 10

11 2. Feinrechen RWE beteiligt sich an einem Pilotprojekt Monitoring-Zeitraum /15 Bildquellen: eigen, Forum Fischschutz SEITE 11

12 3. Bypass-Systeme Bypass-Systeme für den Fischabstieg sind vielfältig (technische und/oder naturnaher Ausführung) Naturnahes Umgehungsgerinne am WKW RADAG Effizienz von Bypässen muss weiter untersucht/optimiert werden. Modellversuche technischer Bypässe (Klawa) Bildquelle: Klawa Anlagenbau, RADAG SEITE 12

13 Fischverhalten Problem: große ethohydraulische Bandbreite wegen artspezifischen Verhaltens: rheophile/limnophile Gilden Positiv rheotaktisches Verhalten: ufer-, sohlen-, oberflächennah Verdriftung mit der Hauptströmung diadrome/potamodrome Wanderungen Schwimmgeschwindigkeiten Ausdauer, Sprungverhalten, Sprintvermögen Akkumulation, Synchronisation, Schwarmfische Derzeitige Erkenntnisse: Wenn möglich, vermeiden Fische zu starke Turbulenzen und Rechen (Ausnahme: Aal). Fische müssen einen alternativen Wanderweg angeboten bekommen und wahrnehmen Bildquelle: MKULNV NRW SEITE 13

14 Wissenschaftliche Empfehlungen: 1. Fische verhalten sich nicht unbedingt so, wie Menschen dies erwarten. Wir brauchen fachlich fundierte ethohydraulische Forschung. 2. In-situ-Forschung kann durch Störeffekte komplett überlagert und dann unbrauchbar sein. 3. Modellversuche im kleinen Labormaßstab sind aufgrund von Skaleneffekten nicht uneingeschränkt auf Naturabmessungen übertragbar Passende ethohydraulische Versuchseinrichtungen und breites Expertenwissen erforderlich Bildquelle: Vattenfall Europe SEITE 14

15 Fischverhalten aus Betreibersicht großer Forschungsbedarf Zielrichtung: Auslegung von Fischwanderhilfen, die funktionieren und möglichst kosteneffizient sind. Ein Ansatz ist das RWE Innogy-Projekt EtWas : - Automatisches Fischerkennungs- und Beobachtungssystem - Grundlagenforschung für Bypassdesign/ - anordnung/-betrieb, Rechendesign und/oder Turbinenpassage - viel Rechenarbeit erforderlich - Laufzeit Durchführung an zwei benachbarten Anlagen Didson-Sonar Endergebnisse noch offen/erweiterung möglich Projektdurchführung am Kw Hamm-Uentrop Bildquelle: Büro Dr. Hoffmann SEITE 15

16 4. Feststoffe Stauseen verändern die Gewässermorphologie erheblich Sedimentation/Erosion ist nicht nur ökologische, sondern auch betrieblicher relevant Entnahme/Entsorgung von Sediment wie auch Sedimentzugaben sind kostspielig. Sperrwerk (CO 2, CH 4 ) Stausee Sediment Wasser Gewässerbett Sohl- und Ufererosion im Unterwasser Kolkbildung Nur geringer Feststofftransport Sedimentierung/ Verlandung im Stausee SEITE 16

17 Verlandung von Stauseen Entwicklung und Dimension verbleibendes Volumen nominales Volumen Verlandung weltweit Weltweit existieren mehr als Stauseen, davon mehr als Großstaudämme Volumen weltweit [Mrd. m³] Jahr Weltbank: Last century was used to build reservoirs. This one will be used to solve sediment problems. Quellen: DB Sediments; Jolanda Jenzer, Giovanni De Cesare: Möglichkeiten und Anwendung einer Datenbank bezüglich der Stauraumverlandung von alpinen Speichern, Wasser Energie Luft, 2006, Heft SEITE 17

18 4. Sedimenttransfer Sediment wird ähnlich einem Saugbaggerverfahren beständig in kleinen Mengen aufgenommen, innerhalb des Gewässers weiter transportiert und vor den Abflussorganen wieder abgelagert. Dort werden die gelockerten Sedimente mit dem Abfluss in naturnahen Mengen wieder ausgetragen. Der Sedimenttransport wird auf den Anlagenbetrieb angepasst. Ökologische Verbesserung stromab bereits nach 4 Wochen Absetzbereich kontinuierlich operierende Arbeitsplattform Winde Arbeitsplattform Zugseil zum Abflussorgan Pumpeinheit Wasser Abfluss Transport durch Erosion Sediment Sediment Spül-/Saugkopf Gewässerboden Gewässerboden Bildquelle: DB Sediments SEITE 18

19 4. Geschiebe In Planung: Umbau auf Schlauchwehr zur Geschiebeabfuhr WKA in Frankreich SEITE 19

20 4. Feststoffe Forschungsthemen: Einfluss von Geschiebe und Feinsedimenten auf - Gewässermorphologie (in Bearbeitung) - Substratwirkung für Benthos / Fische Klimagas-Emissionen: Bewertung und Verringerung Umgang mit kontaminierten Altsedimenten (auch natürliche Sedimente enthalten üblicherweise Schadstoffe) Wegen der umfangreichen Maßnahmen zur Erosionsbehebung / Sedimentzugaben sollten auch Betreiber (Stauseen, Fließgewässer) Lösungsfindungen anschieben. Hydro-toxische Versuche im Kreisgerinne am IWW der RWTH Aachen Bildquelle: IWW, RWTH Aachen SEITE 20

21 5. Mindestwasserführung Fisch im Flachwasser Das Mindestwasser soll den Wanderkorridor im Mutterbett garantieren, aber: Hohe Erzeugungsverluste im Widerspruch zu EU-Renewables- Directive. Eine Vielzahl der Restwasserkriterien basiert auf Annahmen. statische Mindestwasserabgaben versus kurze Wanderintervalle Kriterien für eine Dynamisierung des Mindestwassers sind noch offen. Die Höhe des sinnvollen Mindestwassers ist aus wissenschaftlicher Sicht noch unklar. Bedarf an Grundlagenermittlung. Bildquelle: Deneki SEITE 21

22 6. Sonstiges Belüftung/Sauerstoffhaushalt Bedeutung von Auengebieten Uferbefestigung Laichgebiete nicht im Rahmen dieser Präsentation SEITE 22

23 Technische/betriebliche Empfehlungen heute: 1. Dimensionierung von Fischaufstiegen aktuelle Richtwerte zur Orientierung nutzen Forschung zur Bestätigung oder Korrektur erforderlich 2. Feinrechen pauschale Anwendung derzeit fragwürdig, z. Z. widersprüchliche Ergebnisse noch kein Stand der Technik, breite Verwendung erst nach fundierter Klärung 3. Technische Bypass-Systeme vielversprechende Ansätze weitere Forschung dringend empfohlen 4. Feststofftransport Sedimenttransfer lohnt sich oft auch wirtschaftlich für Betreiber/Gewässerunterhaltung. Das Thema wird in der Fischerei bisweilen noch nicht voll verstanden. 5. Mindestwasserführung Start mit Untergrenze ( Stufenplan ) Bestätigung oder Anpassung entsprechend Monitoring oder Erkenntnissen Dringender Forschungsbedarf. Auswahl geeigneter Maßnahmen in Zusammenarbeit mit Behörden Engagieren Sie sich in Forschung und Informationsaustausch SEITE 23

24 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr.-Ing. Michael Detering Dr.-Ing. Sebastian Roger RWE Innogy GmbH Asset Management Hydro Essen, Germany RWE Innogy ICH-AN SEITE 24