Möglichkeiten und Grenzen der Fischwanderung an Wasserkraftanlagen

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1 Möglichkeiten und Grenzen der Fischwanderung an Wasserkraftanlagen Roger Pfammatter Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband Vortrag Rheinverband, Landquart, 20. April 2016 Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 1 [Bachforellen vor Leitrechen am VAW-Modell, Quelle: Eawag, 2015]

2 Kurzporträt SWV (1/2) SWV = Fach- und Interessenverband der Wasserwirtschaft Gegründet: 1910; Fokus: Wasserkraft und Hochwasserschutz, finanziert v.a. durch Mitglieder, primär mittlere und grosse Wasserkraftproduzenten (~ 90% Produktion) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 2

3 Kurzporträt SWV (2/2) Fachzeitschrift «Wasser Energie Luft» Webseite Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 3

4 Inhalt Möglichkeiten und Grenzen der Fischwanderung an Wasserkraftanlagen I. Bedeutung der Wasserkraft in der Schweiz II. Anforderungen Fischschutz/-wanderung III. Überblick technische Möglichkeiten IV. Forschungsprojekt Fischabstieg V. Fazit Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 4

5 Wasserkraft: Rückgrat der Stromversorgung CH Einheimische Wasserkraft deckt mehr als die Hälfte des Landesverbrauchs Wasserkraft bis ca mit 100%, heute immer noch rund 56%-Anteil an der CH- Stromproduktion (Rest im Wesentlichen: Kernkraft plus andere Thermische) 56% Entwicklung Stromverbrauch und Produktionsanteile [Quelle: Elektrizitätsstatistik 2014, BFE 2015) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 5

6 Wasserkraft: 90/10-Regel des Kraftwerkparks Wenige grosse Anlagen liefern fast die gesamte Produktion/Leistung 90% Produktion und 94% Leistung stammen von 14% Anlagen (185 Zentralen > 10 MW) [98 % Produktion und 99% Leistung stammen von 30% Anlagen (411 Zentralen > 1 MW)] Die Wasserkraftzentralen > 10 MW Leistung in der Schweiz [Karte: eigene Darstellung SWV, Zahlen Stand ] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 6

7 Wasserkraft: Beste Klima- und Umweltbilanz Beste Gesamtumweltbilanz Bspl.: Kumulierter Energieaufwand pro kwh für verschiedene Stromerzeugungen Geringste Treibhausgase Emissionen CO 2 -eq. pro produzierte kwh für verschiedene Stromerzeugungen [Quelle: Studie ESU Services / PSI, BFE 2013) [Quelle: Studie ESU Services / PSI, BFE 2013) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 7

8 Inhalt Möglichkeiten und Grenzen der Fischwanderung an Wasserkraftanlagen I. Bedeutung der Wasserkraft in der Schweiz II. Anforderungen Fischschutz/-wanderung III. Überblick technische Möglichkeiten IV. Forschungsprojekt Fischabstieg V. Fazit Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 8

9 Gesetzliche Anforderungen: BGF BGF (1991) Art. 9 Massnahmen für Neuanlagen 1 Die zur Erteilung der fischereirechtlichen Bewilligung zuständigen Behörden haben unter Berücksichtigung der natürlichen Gegebenheiten und allfälliger anderer Interessen alle Massnahmen vorzuschreiben, die geeignet sind: a. günstige Lebensbedingungen für die Wassertiere zu schaffen [...] b. die freie Fischwanderung sicherzustellen; c. die natürliche Fortpflanzung zu ermöglichen; d. zu verhindern, dass Fische [...] durch bauliche Anlagen oder Maschinen getötet oder verletzt werden 2 Lassen sich bei den vorgesehenen Eingriffen [...] keine Massnahmen finden, die schwerwiegende Beeinträchtigungen von Interessen der Fischerei im Sinne von Artikel 1 verhindern können, so muss nach der Abwägung der Gesamtinteressenlage entschieden werden. [...] Art. 10 Massnahmen für bestehende Anlagen Die Kantone sorgen dafür, dass bei bestehenden Anlagen Massnahmen nach Artikel 9 Absatz 1 getroffen werden, soweit sie wirtschaftlich tragbar sind. Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 9

10 Gesetzliche Anforderungen: GSchG / EnG GSchG (1991, Stand ) Art. 83a Sanierungsmassnahmen Die Inhaber bestehender Wasserkraftwerke und anderer Anlagen an Gewässern sind verpflichtet, innert 20 Jahren nach Inkrafttreten dieser Bestimmung [1. Jan. 2011] die geeigneten Sanierungsmassnahmen nach den Vorgaben der Artikel 39a und 43a zu treffen. Art. 83b Planung und Berichterstattung 1 Die Kantone planen die Massnahmen nach Artikel 83a und legen die Fristen zu deren Umsetzung fest. Die Planung umfasst auch die Massnahmen [...] nach Artikel 10 BGF [...] die von den Inhabern von Wasserkraftwerken zu treffen sind. EnG (1998, Stand ) Art. 15a bis Entschädigung des Konzessionärs 1 Die nationale Netzgesellschaft erstattet dem Konzessionär nach dessen Anhörung sowie im Einvernehmen mit dem Bundesamt für Umwelt und dem betroffenen Kanton die vollständigen Kosten für die Massnahmen nach Artikel 83a GSchG vom 24. Januar 1991 oder nach Artikel 10 BGF. Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 10

11 Rote Liste Schweiz: 33 von 71 Fischarten gefährdet 9 von 71 ausgestorben 6 von 71 vom Aussterben bedroht 5 von 71 stark gefährdet Die ausgestorbenen oder gefährdeten Fischarten der Schweiz, insgesamt sind Tier- und Pflanzenarten auf der Liste [Quelle: mit Verweis auf BAFU-Daten, 2016] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart von 71 verletzlich

12 Erhalt Fischpopulationen: Viele Einflussfaktoren Einflussfaktoren auf Fischpopulationen [Quelle: Forum Fischschutz und Fischabstieg, 2014] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 12

13 Wasserkraftwerke als Hindernisse Neu erstelltes Vorzeigekraftwerk Rheinfelden: Umgehungsgewässer mit Laichmöglichkeiten (2012), Vertical-Slot-Fischpass beim Maschinenhaus (2010), Raugerinne-Beckenpass beim Stauwehr (D) (2005) [Quelle: Energiedienst 2014, eigene Ergänzungen] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 13

14 Sanierungsbedarf gemäss Planungen 2015 (I) Handlungsbedarf Sanierungen Fischwanderhindernisse gemäss Strategischen Planungen der Kantone, Stand 2015 ; insgesamt sind ca. 1/3 aller kraftwerksbedingter Hindernisse zu sanieren [Quelle: BAFU-Präsentation an Tagung WA21, 2015] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 14

15 Sanierungsbedarf gemäss Planungen 2015 (II) Sanierungsbedarf Aufstieg Sanierungsbedarf Abstieg Handlungsbedarf Sanierungen Fischwanderhindernisse gemäss Strategischen Planungen der Kantone, Stand 2015 ; von insgesamt 2075 kraftwerksbedingten Hindernissen sind 677 für den Aufstieg und 724 für den Abstieg zu sanieren [Quelle: Bericht «Renaturierung Schweizer Gewässer», BAFU, 2015] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 15

16 71 Fischarten, sehr unterschiedliche Ansprüche! Groppe Bachneunauge Schmerle Elritze Strömer Nase Trüsche Gründling Schneider Alet Hasel Rotfeder Egli Aal Nase Blicke Rotauge Rotfeder Alet Hecht Aal Karpfen Flunder Meeräsche Stör Die 71 Fischarten der Schweiz [Quelle: WWF/SFV] Fischregionen und Präferenzen [Quelle: KOHS-Kurs 2014] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 16

17 71 Fischarten, unterschiedliche Lebenszyklen Typischer Lebenszyklus der Forelle Typischer Lebenszyklus der Bach- und Seeforelle [Quelle: FIBER, ] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 17

18 71 Fischarten, sehr unterschiedliches Wanderverhalten! Typische Wanderdistanzen und mobile Anteile Wanderdistanzen und mobiler Anteil verschiedener Fischarten; mobiler Anteil bei potamodromen Arten ca. 40 % vs. bei diadromen Arten 100 %; Distanzen auch bei typischen «Wanderfischen» potamodromer Art meist weniger als 10 km (Barbe 2 bis 11 km, Äsche: 1 bis 4 km, Nase: 3 bis 9 km) vs. bei diadromen Arten 500 bis 1000 km [Quelle: Forum Fischschutz, 2014] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 18

19 Inhalt Möglichkeiten und Grenzen der Fischwanderung an Wasserkraftanlagen I. Bedeutung der Wasserkraft in der Schweiz II. Anforderungen Fischschutz/-wanderung III. Überblick technische Möglichkeiten IV. Forschungsprojekt Fischabstieg V. Fazit Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 19

20 Technische Möglichkeiten: Aufstieg (1/3) Naturnahe Umgehungsgewässer Umgehungsgewässer Kraftwerk Rupperswil-Auenstein an der Aare [Quelle: SWV] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 20

21 Technische Möglichkeiten: Aufstieg (2/3) Technische Beckenpässe Rauhgerinne-Beckenpässe an Stauwehren Wyhlen (links) und Rheinfelden (rechts) am Hochrhein (zvg, 2016) Vertical Slot Schitzpass beim Kraftwerk Wettingen an der Limmat, mit 570 m Länge Europarekord (SWV, 2015) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 21

22 Technische Möglichkeiten: Aufstieg (3/3) Fischlifte Impressionen des Fischlifts beim Ausgleichsbecken Fuhren der Kraftwerke Oberhasli im Gadmental, 750 kchf [KWO, 2013] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 22

23 Technische Möglichkeiten: Abstieg (1/3) nur kleine Anlagen! Wasserkraftschnecken Wasserkraftschnecke am Kraftwerk Hausen an der Wiese (Neuanlage 2011), Ausbauabfluss: 11 m³/s, MQ Wiese: 11,4 m³/s, Fischpass 0,35 m³/s, Inst. Leistung: 470 kw, Produktion: 1,9 GWh, als schonender Fischabstieg akzeptiert (Quelle: ED) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 23

24 Technische Möglichkeiten: Abstieg (2/3) nur kleine Anlagen! Wedge-Wire-Screen / Coanda-Rechen für Fassungen Wedge-Wire-Screen und Coanda-Rechen als Option für Fassungen, v.a. im Gebirge; sehr kleine Stababstände von bis 1mm ermöglichen die Entnahme von Wasser bei Durchgleiten von Lebewesen und Geschwemmsel [Quellen: BAFU, 2012; HTW Chur, 2016] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 24

25 Technische Möglichkeiten: Abstieg (3/3) nur kleine Anlagen! Vertikal- oder Horizontalrechen mit Bypass Fischabstiegsanlage Kraftwerk Fahrnau mit Horizontalrechen, Bypassgerinne und Abschwemmrinne an der Wiese/D (Ausführung 2013), Ausbauabfluss: 9 m³/s, MQ Wiese: 11,4 m³/s, Bypass: 0,15-0,2 m³/s, Fischpass 0,20 m³/s, Inst. Leistung 400 kw, Produktion: 1,4 GWh [Quelle: ED] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 25

26 Technische Möglichkeiten: Abstieg (3/3) nur kleine Anlagen! Horizontalrechen mit Bypass Horizontalrechen (links) mit Reinigungsmaschine (Mitte) sowie Bypass und Abschwemmrinne (rechts) beim Kraftwerk Fahrnau an der Wiese [Quelle: SWV/Pfa, 2014] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 26

27 Technische Möglichkeiten: Abstieg bei grossen Anlagen?? Wehrfelder und Maschinenhaus am Kraftwerk Laufenburg am Hochrhein [Quelle: Energiedienst] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 27

28 Randbedingungen Flusskraftwerke (I): Schwemmholz! Schwemmholzentnahme am Kraftwerk Ruppoldingen an der Aare während Juli-Hochwasser 2014 [Quelle: Alpiq] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 28

29 Randbedingungen Flusskraftwerke (II): Hochwasser! Wehrüberfall beim Hochwasser am Kraftwerk Augst-Wyhlen (32 MW, 750 m3/s) am Hochrhein (Quelle: SWV) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 29

30 Abstieg bei grossen Anlagen: Turbinenpassage (I) Gute Überlebensraten >> 90% bei grossen Kaplanturbinen Je nach Turbinentyp: Anzahl Turbinenschaufeln Turbinendurchmesser Turbinendrehzahl Spaltmass Schaufel/Mantel Druckverhältnisse etc. Je nach Fischart: Fischlänge Fischform Schwimmblasentyp etc. Schnitte durch vertikalachsige Kaplanturbine (oben) und horizontalachsige Rohr-Kaplanturbinen (unten) als typische Turbinen an grossen Flusskraftwerken im Schweizerischen Mittelland [Zeichnungen: Andritz Hydro AG] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 30

31 Abstieg bei grossen Anlagen: Turbinenpassage (II) Schädigungsrate bei Turbinenpassage in Funktion der Fischlänge und Überlebensrate kumuliert über Kraftwerksstufen Berechnete Mortalitätsraten für stromlinienförmige Fische bei Passage durch alte und neue Kaplanturbinen beim Kraftwerk Hagneck in Funktion der Fischlänge; bei 20 cm vorher: 16%, nachher: 8% (links); und kumulierte Überlebensraten bei Passage mehrerer Kraftwerke je nach Mortalitätsrate pro Kraftwerk (rechts) [Quellen: BKW AG] Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 31

32 Inhalt Möglichkeiten und Grenzen der Fischwanderung an Wasserkraftanlagen I. Bedeutung der Wasserkraft in der Schweiz II. Anforderungen Fischschutz/-wanderung III. Überblick technische Möglichkeiten IV. Forschungsprojekt Fischabstieg V. Fazit Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 32

33 VAR-Forschungsprojekt Fischabstieg (I) Generelle Massnahmentypen Massnahmentypen für Fischschutz bei Abwärtswanderung (an Wasserkraftwerken (Quelle: Kriewitz et al. 2015) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 33

34 VAR-Forschungsprojekt Fischabstieg (II) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 34

35 VAR-Forschungsprojekt Fischabstieg (III) Physikalische Modelle Physikalisches Modell eines typischen Flusskraftwerks an der Versuchsanlage der VAW-ETHZ (Quelle: VAW 2015) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 35

36 VAR-Forschungsprojekt Fischabstieg (IV) Versuchsanlage ETHZ Versuchsanlage an der VAW-ETHZ mit 30 m langem Versuchskanal (Quelle: VAW) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 36

37 VAR-Forschungsprojekt Fischabstieg (IV) Numerische Modelle Grossräumie Kraftwerksanströmung mit Louver (oben) und modifiziertem Bar-Rack (unten), jeweils a) Longitudinal- Geschwindigkeit b) Transversalgeschwindigkeit (Quelle: Kriewitz, 2015) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 37

38 VAR-Forschungsprojekt Fischabstieg (V) Etohydraulische Versuche Barben vor dem Leitrechen an der Versuchsanlage der VAW-ETHZ (Quelle: Eawag, 2015) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 38

39 Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 39

40 VAR-Forschungsprojekt Fischabstieg Anforderungen an Massnahmen 1) Nachgewiesene ökologische Notwendigkeit und Wirksamkeit (Definition Zielarten, Erforschung Wanderverhalten, Beachtung der bestehenden Wanderwege) 2) Keine Schmälerung der Verfügbarkeit und Einsatzsicherheit der Kraftwerke auch bei schwierigen betrieblichen Verhältnissen (Hochwasser, Schwemmholz) 3) Möglichst keine oder geringe Energieverluste (Fallhöhenverluste, Störung des Strömungsfeldes) 4) Verhältnismässige Investitionskosten und möglichst geringe Betriebskosten sowie Sicherstellung gesetzlich vorgesehene Finanzierung der vollständigen Kosten 5) Hohe Planungssicherheit mit ausgereiftem Stand der Technik (keine Experimente). Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 40

41 Inhalt Möglichkeiten und Grenzen der Fischwanderung an Wasserkraftanlagen I. Bedeutung der Wasserkraft in der Schweiz II. Anforderungen Fischschutz/-wanderung III. Überblick technische Möglichkeiten IV. Forschungsprojekt Fischabstieg V. Fazit Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 41

42 Fazit 1/2 1) Für Aufstieg bei allen Abflüssen und für Abstieg bis ca. 50 m 3 /s existieren technische Lösungen und sind vielerorts in Betrieb. 2) Der schonende Abstieg bei Grossanlagen ist deutlich schwieriger; die Turbinenpassage oder betriebliche Massnahmen sind je nach Situation brauchbare Wege. 3) Lösungen müssen verhältnismässig sein; das «Fuder» darf nicht überladen und die Wasserkraft als erneuerbarer, klimaschonender Trumpf nicht gefährdet werden. 4) Lösungen müssen Wirkung zeigen, d.h. art-, gewässer- und anlagenspezifisch sein; das bedingt: Gute Kenntnisse des Fischverhaltens (Wanderverhalten, Wanderkorridore, Wanderzeiten, Nutzung und Wirkung bestehende Wanderwege) Priorisierung mit Zielvorstellungen pro Gewässer/Anlage (Wieviel ist genug? Fokus auf wenige Arten, bei denen Wanderung essentiell für Erhalt) Betrachtung der Gesamtwirkung verschiedener Wanderkorridore (Pro Staustufe und kumuliert über Kraftwerksketten für Langdistanzwanderer) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 42

43 Fazit 2/2 Gesamtwirkung = Summe der Wirkungen verschiedener Wege Gesamtwirkung aus einzelnen Abwanderwegen am Beispiel Königslachs (Chinook Salmon) am McNary-Dam, USA (Hockersmith, 2013) Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 43

44 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit! Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 44 [Bachforellen vor Leitrechen am VAW-Modell, Quelle: Eawag, 2015]

45 Kontaktadresse Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband SWV Webseite: Roger Pfammatter Geschäftsführer Schweizerischer Wasserwirtschaftsverband SWV SWV Rütistrasse 3a 5401 Baden Tel.: Fax: Vortrag Rheinverband, 20. April 2016, Landquart 45