Energieeffiziente, Wasser sparende Verstärkung der Leitströmung an Fischaufstiegsanlagen

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1 Energieeffiziente, Wasser sparende Verstärkung der Leitströmung an Fischaufstiegsanlagen Dr.-Ing. Reinhard Hassinger Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau, Univ. Kassel Kurt-Wolters-Straße 3, Kassel Tel.: ; Fax: ; 1 Problemstellung Die Funktionalität von Fischaufstiegsanlagen hängt von der Durchwanderbarkeit, jedoch auch entscheidend von der Auffindbarkeit für die Fische ab. Die Auffindbarkeit ist einerseits geprägt durch die Anordnung zum Hauptstrom, andererseits aber auch in hohem Maße von den Durchflussverhältnissen und der Ausbildung einer Leit- oder Lockströmung. Deshalb wird von den Fischerei- und Wasserbehörden in der Regel ein Durchfluss durch eine Fischaufstiegsanlage gefordert, der gegenüber der konkurrierenden Strömung z.b. aus der Wasserkraftanlage heraus nicht nur von total untergeordneter Bedeutung ist. Typische Forderungen für diese Durchflüsse liegen bei einigen Prozent des Ausbaudurchflusses. Der für einen starken und von den Fischen gut spürbaren Leitstrom nötige Durchfluss wird jedoch innerhalb der eigentlichen Fischpassanlage nicht benötigt, denn die für den Aufstieg günstigen hydraulischen Verhältnisse sind in der Regel mit kleineren Durchflüssen sicherzustellen. Nun ist der Durchfluss für die Größe einer Fischaufstiegsanlage ein entscheidender Faktor, denn als ein maßgebender Bemessungsparameter ist die so genannte Leistungsdichte, eine auf das Beckenvolumen bezogene hydraulische Leistung, einzuhalten. Wenn in den Fischpassbecken eine bestimmte Leistungsdichte (z.b. 100 W/m 3 ) nicht überschritten werden darf, nimmt das benötigte Volumen der Becken linear mit dem Durchfluss zu. Bild 1: Herkömmliche Fischpassanlage

2 2 Somit entsteht das Dilemma, dass die Fischpassanlage für einen Durchfluss groß auszulegen ist, der innerhalb der Anlage gar nicht benötigt wird. Lediglich am Auslauf (Einstieg für die Fische) ist der große Durchfluss zur Sicherstellung der Leitströmung vonnöten. Ein zweiter gravierender Nachteil dieser herkömmlichen Lösung ist die Tatsache, dass das durch den Fischpass abfließende, jedoch dort nicht benötigte Wasser, energetisch nicht genutzt wird und damit erzeugte elektrische Leistung verloren geht. Als eine Reaktion auf diese misslichen Zusammenhänge werden immer häufiger so genannte Dotationsleitungen neben den Fischpass gelegt, die den Fischpass von Durchfluss entlasten und die Aufgabe haben, im Einstiegsbereich den Lockstrom zu verstärken. Die zielführende Beileitung dieses Lockstroms ist jedoch höchst problematisch, denn der austretende Strahl soll zwar die Fische anlocken, darf jedoch keine zu hohe Turbulenz erzeugen, die bestimmte Fischarten wiederum abschreckt. Es gibt deshalb die Regel, dass dieser Lockstrom dem letzten Becken der Fischpassanlage beizugeben ist. Die Umsetzung dieser Regel hat jedoch auch ihre Tücken, denn mit dem Lockstrom wird dem letzten Becken eine erhebliche hydraulische Leistung zugeführt. Wenn man konsequenter Weise für dieses Becken auch die oben erwähnte maximale Leistungsdichte einhält, ergeben sich recht große Becken, die einen entsprechenden Kostenaufwand nach sich ziehen. Bild 2: Fischpass mit Lockstromleitung Daneben entsteht noch das gravierende Problem, dass der letzte Schlitz für den gesamten Durchfluss auszulegen ist und damit sehr breit wird. Wenn nun die Anlage ohne oder mit stark verringerter Zusatzdotation gefahren werden soll, reduziert sich die Austrittsgeschwindigkeit an diesem vergrößerten Schlitz drastisch, so dass von einem Leitstrom nicht mehr die Rede sein kann. Die Lösung mit der parallel verlegten Dota-

3 3 tionsleitung hat weiterhin noch den entscheidenden Nachteil, dass der Lockstrom aus dem Oberwasser genommen wird und die in ihm enthaltende hydraulische Leistung nicht nur ungenutzt bleibt, sondern mit Aufwand unschädlich umgewandelt werden muss. Es gibt Beispiele, dass diese Leistung in kleinen speziellen Turbinenanlagen nutzbringend in elektrische Energie umgewandelt wird, aber es ist kaum vorstellbar, dass eine solche Anlage wirtschaftlich sein kann, wenn dieses Wasser dem daneben liegenden Wasserkraftwerk weggenommen wird. Damit kann diese Lösung nur als höchst unbefriedigend angesehen werden. 2 Lösungsidee Die Grundidee der hier vorzustellenden Lockstromverstärkung besteht darin, die hydraulische Leistung des Lockstroms dazu zu nutzen, den Durchfluss im Auslauf der Anlage, und nur dort, auf den benötigten Wert anzuheben. Damit stellt sich die Aufgabe, mit einem kleinen, aber energiereichen Teilstrom aus dem Oberwasser einen großen Wasserstrom in Bewegung zu setzen, der aus dem Unterwasser genommen und nur auf mäßige, ökologisch notwendige Geschwindigkeiten gebracht wird. Das hydraulische Grundprinzip zur Lösung dieser Aufgabe ist altbekannt - die Impulsübertragung an einem Freistrahl -, womit man von einer Wasserstrahl-Wasserpumpe sprechen kann. Schieber Lockstromleitung Bild 3: Längsschnitt durch eine Lockstrompumpe Diese Wasserpumpe soll im folgenden Lockstrompumpe genannt werden. Fischpassauslauf Sie besteht aus einer Freist rahl Lockstromleitung mit Düse, wobei die Düse axial Düse vor dem eigentlichen Pumpenbauwerk angeordnet ist, welches wiederum die Form einer Venturi-Düse hat. Der Strahl tritt aus der Düse aus und reißt das umgebende Wasser mit, wodurch er langsamer wird. Der Strahl mitsamt dem mitgerissenen Wasser durchströmt die Engstelle des Venturi- Durchlasses und wird dann durch die allmähliche Aufweitung auf kurzer Strecke auf verträgliche Geschwindigkeiten verzögert. Die Venturi-Düse ist zur Steigerung der

4 4 Effektivität und zur Absperrung dieses Querschnittes unbedingt nötig, denn die Fische sollen diesen Fließweg nicht durchschwimmen können. In Bild 4 ist eine typische Anordnung der Anlage zur Verstärkung der Lockströmung skizziert. Der Durchfluss des Leitstroms stammt zum größten Teil aus dem Auslauf der Turbine und wird durch die Lockstrompumpen in den Fischpassauslauf gefördert. Der Fischpassauslauf wird so gestaltet, dass die Geschwindigkeiten nicht zu groß sind, die Fische den eigentlichen Fischpass gut finden und sich am Übergang zum Gewässer der gewünschte Ausflussstrahl mit dem richtigen Winkel einstellt, der die eigentliche Lockwirkung ausübt. Bild 4: Fischpass mit Lockstromverstärkung Die Lockstrompumpe weist natürlich eine Kennlinie auf, die zur Bemessung benötigt wird. Die Kennlinie verläuft recht flach, was bedeutet, dass der Durchfluss stark von der Förderhöhe, also dem Gegendruck aus dem Fischpassauslauf abhängt. Um den Wirkungsgrad hoch zu halten, ist es deshalb nötig, den Fließweg im Fischpassauslauf strömungsgünstig zu gestalten. Der Einsatz von Störsteinen in diesem Bereich oder die Anordnung eines weiteren Schlitzes wäre deshalb kontraproduktiv. Zur Schaffung einer Bemessungsbasis wurden Versuche im Maßstab ca. 1:2-1:4 (je nach Größe des Prototyps) im Labor der Versuchsanstalt und Prüfstelle für Umwelttechnik und Wasserbau an der Universität Kassel durchgeführt. Maßgeblicher Parameter war dabei die Förderhöhe (Höhendifferenz vor und hinter der Lockstrompumpe) in Relation zur Geschwindigkeitshöhe des Düsenstrahls. Das erreichbare Durchflussverhältnis ist in Bild 5 grob angegeben: In realen Situationen wird der Bereich zwischen einem Durchflussverhältnis von 5:1 (bei gut 1% Gegendruck) über 10:1 bei 0,65 % Gegendruck bis hin zu 22 :1 bei null Gegendruck zur Anwendung kommen.

5 5 h/(v D ²/2g) [%] 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Die verschiedenen Kurven repräsentieren unterschiedliche geometrische Verhältnisse. h = h u - h o Q D = Durchfluss Düse v D = Ausflussgeschwindigkeit an der Düse Bild 5: Erzielbare Durchflussverhältnisse in Abhängigkeit von der relativen Gegendruckhöhe 0, ,1-0,2-0,3-0,4-0,5 Q ges /Q D 3 Pilotprojekt: Fischwanderhilfe am Draukraftwerk Villach Am Draukraftwerk Villach wurde für eine Fischpassanlage ein Abfluss von mehreren Kubikmetern je Sek. gefordert, was angesichts eines Ausbaudurchflusses von ca. 300 m 3 /s nicht verwundert. Ein Fischpass für einen solch großen Durchfluss hätte bei einer Fallhöhe von 10 m gigantische Abmessungen mit entsprechenden Kosten angenommen. Zudem wäre ein nicht vernachlässigbarer Verlust an elektrischer Leistung entstanden. Das vorgestellte Konzept der Lockstromverstärkung mit Lockstrompumpen hat dazu beigetragen, diese Problematik zu entschärfen. Der eigentliche Fischpass besteht im oberen Teil aus einer Folge von vertical slot - Becken aus Betonfertigteilen, an die sich ein bestehender Bach als Raugerinne- Beckenpass anschließt. Der Bemessungsdurchfluss für diesen Fischpass beträgt 275 l/s zuzüglich Abfluss im Bach von ca. 25 l/s, was als Leitströmung gegenüber dem Abfluss in der Drau keinesfalls ausreicht. Um diese zu verstärken, wurde eine Anordnung von 7 Lockstrompumpen vorgesehen, die gemäß Auslegung zusammen einen Durchfluss von ca. 120 l/s aus dem Oberwasser entnehmen (Bild 6). Bild 6: Lockstrompumpen-Batterie nach Einbau

6 6 Die Düsen werden über eine PE-Leitung mit DN 300 mit Wasser versorgt. Im Unterwasser ist der Gegendruck an den Lockstrompumpen aus hydraulischen Gründen etwas höher ist als normal notwendig (wenige cm statt < 1 cm). Unter diesen Bedingungen kann wegen der großen Fallhöhe und der damit großen Strahlgeschwindigkeit mit einem Durchflussverhältnis an der Lockstrompumpe von ca. 10:1 gerechnet werden. Bei Messungen ergab sich ein Düsendurchfluss von 116 l/s und ein geförderter Gesamtdurchfluss von ca l/s, was einem Verhältnis von 11:1 entspricht. Zusammen mit dem Abfluss von Fischpass und Bach von 300 l/s strömen damit ca l/s aus der Anlage heraus. Damit beträgt der tatsächliche gesamte Wasserbedarf der Fischwanderhilfe nur 405 l/s bei einem Ausstrom von 1580 l/s. Insgesamt ergibt sich eine Wasserersparnis von ca. 75 %. Schon bald waren in dem von den Lockstrompumpen dotierten Fischpassauslauf kleine Fischschwärme zu sehen, was auf die Attraktivität dieses künstlichen Gewässers hindeutet. In Bild 7 ist rechts die aus der Drau ankommende Strömung und links ein Stück des dotierten Fischpass-Unterwassers zu sehen. Bild 7: Lockstrompumpen in Betrieb

7 7 4 Zusammenfassung Die Verhandlungen um Genehmigungen zur Errichtung und zum Betrieb von Wasserkraftanlagen sind in vielen Fällen durch heftige Diskussionen um Restabflüsse und Fischpassdotationen geprägt. Dabei wird der geforderte Durchfluss meist nicht innerhalb der gesamten Fischpassanlage gebraucht, sondern nur an deren Auslauf, wo große Durchflüsse erheblich zur Auffindbarkeit beitragen. Die Durchwanderbarkeit zum Oberwasser ist insbesondere bei technischen Anlagen mit kleineren Abflüssen gut sicherzustellen. Folgerichtig lässt sich der Konflikt um das Wasser entschärfen, wenn der im Auslauf benötigte höhere Durchfluss nicht vollständig aus dem Oberwasser genommen wird (wie bei herkömmlichen Zusatzdotationen), sondern wenn ein kleiner, energiereicher Teilstrom aus dem Oberwasser mittels einer Lockstrompumpe einen großen Durchfluss aus dem Unterwasser in Bewegung setzt und dem Fischpass zuleitet. Dabei arbeitet die Lockstrompumpe nach dem Prinzip der Wasserstrahl-Wasserpumpe, enthält keine beweglichen Teile und ist damit nur sehr geringem Verschleiß unterworfen. Die damit mögliche Wasserersparnis hängt davon ab, um wieviel der im Auslauf nötige Durchfluss größer ist als der Durchfluss des reinen Fischpasses. Von dieser Differenz werden je nach örtlichen Verhältnissen nur zwischen 5 und 20% zur Lockstromverstärkung benötigt. Die Wirtschaftlichkeit dieses Konzeptes ergibt sich aus geringeren Kosten für den Fischaufstieg selber, wesentlich kleinerer Lockstromleitung, vermiedener Energieumwandlung für den Zusatzstrom sowie aus der permanenten Wasserersparnis, da der Großteil des Lockstroms (75%) nicht aus dem Oberwasser, sondern aus dem Unterwasser entnommen wird. 5 Schlussbemerkung Die Lockstrompumpe ist zum Patent angemeldet. Sie wird im Raum Österreich, Süddeutschland und angrenzenden Ländern von der Firma SW Umwelttechnik, Klagenfurt ( vertrieben. Im übrigen deutschen Raum sowie in angrenzenden Ländern wird sie von der Firma Klawa, Gudensberg angeboten (