Ethohydraulische und hydronumerische Untersuchungen an Rechen und Kaplanturbinen

Transkript

1 Ethohydraulische und hydronumerische Untersuchungen an Rechen und Kaplanturbinen Dr.-Ing. Elena-Maria Klopries In Zusammenarbeit der RWTH Aachen University und der Aalschutz-Initiative Rheinland-Pfalz / innogy SE Mainzer Arbeitstage Foto: Hartl

2 Veranlassung Aspekte des Fischschutzes bei der Nutzung von Wasserkraft Wasserkraft - Eckpunkte Erneuerbare und konstante Energiequelle Unterbrechung der Durchgängigkeit und Wanderkorridore Turbinenpassage kann tödlich für Fische sein U.a. fischangepasste Betriebsweise als Fischschutzmaßnahme einsetzbar Zielgröße: Anteil Aale, die die Passage unbeschadet überstehen? % 2

3 Inhalt Veranlassung und Zielsetzung Wirkung von Rechen Prozesse in der Turbine Zusammenfassung und Ausblick? % 3

4 Wirkung von Rechen Filterwirkung als Hauptparameter für die Wirksamkeit von Rechen Wirksamkeit von Rechen Filterwirkung FW = Fische ohne Rechenpassage Fische, die Rechen anschwimmen Studie vorhandener Literatur zur Filterwirkung von Rechen für Blankaale Verhältnis Körperbreite zu Stababstand und horizontaler und vertikaler Neigungswinkel maßgebend 4

5 Wirkung von Rechen Filterwirkung als Hauptparameter für die Wirksamkeit von Rechen Wirksamkeit von Rechen Filterwirkung Keine Passage = FW = Fische ohne Rechenpassage Fische, die Rechen anschwimmen Studie vorhandener Literatur zur Filterwirkung von Rechen für Blankaale Verhältnis Körperbreite zu Stababstand und horizontaler und vertikaler Neigungswinkel signifikante Einflussparameter Alle passieren = 5

6 Wirkung von Rechen Ethohydraulische Versuche an Rechen Ethohydraulik = Verhaltensbeobachtung von Fischen in der Strömung Versuchsdurchführung Variantenstudie der Rechenparameter Durchgänge durch den Rechen aufgenommen Verhaltensweisen realistisch 6

7 Wirkung von Rechen Ethohydraulische Versuche an Rechen Ethohydraulik = Verhaltensbeobachtung von Fischen in der Strömung Versuchsdurchführung Variantenstudie der Rechenparameter Durchgänge durch den Rechen aufgenommen Keine Passage = Verhaltensweisen realistisch Alle passieren = Aufgenommene Filterwirkung innerhalb der Vorhersagegrenzen OVeR 7

8 Wirkung von Rechen Ethohydraulische Versuche an Rechen Möglichkeiten und Grenzen der Ethohydraulik Systematische Untersuchungen und Replikate möglich Variantenstudien möglich Kontrolle aller Randbedingungen Modelleffekte bei der Übertragbarkeit auf das Freiland berücksichtigen Vereinfachung der Randbedingungen (geometrisch, biologisch, chemisch) Handling der Fische Versuchsdauer 8

9 Wirkung von Rechen Anwendung Filterwirkung auf Mosel Ist-Zustand Stababstand 100 mm, 70 Neigung, min. Fischlänge 61 cm Berechnete Filterwirkung: 12% Langfristig Filterwirkung 0 % aufgrund fehlenden Bypasses 9

10 Wirkung von Rechen Anwendung Filterwirkung auf Mosel Ist-Zustand Stababstand 100 mm, 70 Neigung, min. Fischlänge 61 cm Berechnete Filterwirkung: 12% Langfristig Filterwirkung 0 % aufgrund fehlenden Bypasses Variante Stababstand 40 mm, 70 Neigung, min. Fischlänge 61 cm Berechnete Filterwirkung: 30% Funktionierender Bypass erforderlich Großer baulicher Aufwand Praxiswerkzeug basierend auf Forschungsergebnissen 10

11 Inhalt Veranlassung und Zielsetzung Wirkung von Rechen Prozesse in der Turbine Zusammenfassung und Ausblick 11

12 Prozesse in der Turbine Kollisionen, Druckänderungen und Scherkräfte schädigen Aale Fische werden in der Turbine geschädigt Kollision mit Laufrad oder anderen Turbinenteilen Barotrauma durch Druckabfall in der Turbine Abschürfungen durch Scherkräfte Genauer funktionaler Zusammenhang kaum bekannt Foto: Kroll 12

13 Prozesse in der Turbine Hydronumerik erlaubt Blick in die Turbine Hydronumerisches Modell Turbine 13

14 Prozesse in der Turbine Hydronumerik erlaubt Blick in die Turbine Hydronumerisches Modell Turbine Modul 1: Strömung Frei zugängliches Softwarepaket OpenFOAM (v ) Dreidimensionales Berechnungsnetz RANS-Modellierung mit k-ω-sst Turbulenzmodell 14

15 Prozesse in der Turbine Hydronumerik erlaubt Blick in die Turbine Hydronumerisches Modell Turbine Modul 1: Strömung Modul 2: Drehung Instationäre Berechnung mit physisch rotierendem Laufrad 15

16 Prozesse in der Turbine Hydronumerik erlaubt Blick in die Turbine Hydronumerisches Modell Turbine Modul 1: Strömung Modul 2: Drehung Modul 3: Schwimmbahnen Annahme: Aale lassen sich in der Turbine mit der Strömung verdriften Annahme: keine Beeinflussung der Strömung durch Fische Partikelbahn = Schwimmweg Aal 16

17 Prozesse in der Turbine Partikelbahnen stellen Schwimmbahnen der Fisch dar Partikelbahnen = Stromlinien Keine bestimmte Länge eines Fisches modelliert, sondern Annahme, dass kritischster Punkt des Fisches abgebildet wird Strömungsgrößen auf den Stromlinien entsprechen den hydraulischen Belastungen der Fische 17

18 Mortalitätsrisiko [-] Eintrittswahrscheinlihckeit [-] Mortalitätswahrscheinlichkeit [-] Prozesse in der Turbine Mortalitätsrisiko = Belastung * Dosis-Wirkungs-Beziehung Aus der Numerik ergibt sich die hydraulische Belastung (=Dosis) der Fische 0,6 Belastung Belastung 1 0,8 Vulnerabilität Dosis-Wirkung Verknüpfung der Belastung und sog. Dosis-Wirkungs-Beziehungen (artspezifisch) ergibt Mortalitätsrisiko 0,4 0,6 0,4 0,2 0, ,4 80 0, , ,6 2002, ,4 80 0, , ,6 2002,0 maßgebliche Druckdifferenz [bar] maßgebliche Druckdifferenz [bar] Mortalitätsrisiko = Risiko, dass ein abwandernder Aal bei einem bestimmten Betriebszustand der Turbine getötet wird 0,2 0,1 Mortalitätsrisiko M=0,19 (Beispiel) ,4 80 0, , ,6 2002,0 maßgebliche Druckdifferenz [bar] 18

19 Prozesse in der Turbine Hydraulische Belastungen sind Kenngrößen für Schädigung Zuordnung der Belastungen zu Schädigungsmechanismen Kollisionen Scherkräfte Mortalitätsrisiko [-] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 0,37 0,51 0,14 0,18 0,12 0,22 0,34 0,04 0,12 0,24 0,36 0,01 0,22 0,30 0,23 0,31 0,31 0,37 0,08 0,00 0,07 0,01 0,07 0, Turbinenbeaufschlagung [m³/s] Druckänderung Scherereignis Kollision Kumuliert Kollision und Scherereignis Druckdifferenz Klopries & Schüttrumpf (2019) i.v. Ort der Belastungen Einflussgrößen der Belastungen Szenarienbetrachtung für beliebige Betriebszustände möglich! 19

20 Durchfluss Q [m³/s] Prozesse in der Turbine Erkenntnisse für untersuchte Kaplanturbine Vorteilhaftester Bereich für Fischpassage nicht beim Maximaldurchfluss, sondern bei 70% bis 85% Bereich des höchsten Wirkungsgrads bei etwa 85 % der Vollbeaufschlagung Außerhalb des optimalen Bereichs entstehen am Auslauf des Laufrads Verwirbelungen und Turbulenzen Energieverluste Beim Betrieb außerhalb der Normgrenzen kann es zu Kavitation kommen Wirkungsgradoptimierung und Fischschutz haben vergleichbare Zielgrößen Bereich des höchsten Wirkungsgrads Wintrich Muschelkennfeld (berechnet aus Trier) Fallhöhe H [m] Fischfreundlichster Bereich 20

21 Prozesse in der Turbine Erkenntnisse für untersuchte Kaplanturbine Vorteilhaftester Bereich für Fischpassage nicht beim Maximaldurchfluss, sondern bei 70% bis 85% Bereich des höchsten Wirkungsgrads bei etwa 85 % der Vollbeaufschlagung Durchfluss Q [m³/s] Wintrich Muschelkennfeld (berechnet aus Trier) Außerhalb des optimalen Bereichs bleiben am Auslauf des Laufrads Verwirbelungen und Turbulenzen Energieverluste Beim Betrieb außerhalb der Normgrenzen kann es zu Kavitation kommen Wirkungsgradoptimierung und Fischschutz haben vergleichbare Zielgrößen Fallhöhe H [m] Theoretische Grundlage für einen opt. fischangepassten Betrieb, der den identifizierten Bereich ausnutzt statt Vollbeaufschlagung Ohne Tierversuche! 21

22 Prozesse in der Turbine Validierung der entwickelten Methodik Numerik Berechnete hydraulische Belastungen Abbildung des Fischdurchgangs Sensorfisch: Wanapum Dam (USA) Numerik: Lehmen (Dtl.) 22

23 Prozesse in der Turbine Validierung der entwickelten Methodik Numerik Berechnete hydraulische Belastungen Abbildung des Fischdurchgangs Berechnungsschema Mortalitätsrisiko 23

24 Prozess in der Turbine Bewertung der entwickelten Methodik Anwendungshorizont der Methodik Nicht nur für Ist-Zustand einsetzbar, sondern auch ganz neue Betriebszustände untersuchbar Vorteile: Keine konstruktive Umsetzung nötig Keine Tierversuche nötig Erkenntnisgewinn durch Prozessdarstellung Weiterentwicklungsmöglichkeiten Freilandmessungen der hydraul. Belastung Dosis-Wirkungs-Beziehung für Aale Numerische Abbildung des Fischdurchgangs Deng et al (2017) 24

25 Inhalt Veranlassung und Zielsetzung Wirkung von Rechen Prozesse in der Turbine Zusammenfassung und Ausblick 25

26 Zusammenfassung Mortalität kann mit Numerik prozessbasiert beschrieben werden Bestimmungsgleichung der Filterwirkung zur Abschätzung des Anteils der Aale, die in die Turbine schwimmen Verbesserung des Verständnisses der Schädigungsprozesse in einer Turbine durch Numerik Berechnung Mortalitätsrisiko und Abschätzung für verschiedene Betriebszustände Validierung mit Freilandmessungen ergibt sehr gute Übereinstimmung? % 26

27 Ausblick Weiterentwicklungsmöglichkeiten vorhanden Optimierter fischangepasster Betrieb Umschaltpunkte anpassen? Alternative zu Vollbeaufschlagung Beste Bereiche raussuchen Validierung der Numerik und Dosis-Wirkungs-Beziehungen mit Freilanddaten 27

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! : Ethohydraulische und hydronumerische Untersuchungen an Rechen und Kaplanturbinen als Beitrag zur Reduktion der Aalschädigung an Laufwasserkraftanlagen. Dissertationsschrift. (Mitteilungen des Lehrstuhls und Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft der RWTH Aachen, 173). ISBN Das Forschungsvorhaben Orientierungs- und Suchverhalten von Fischen vor Rechenanlagen von Wasserkraftanlagen (OVeR) wurde von innogy SE finanziert und finanziell von der Bezirksregierung Köln und dem Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur-und Verbraucherschutz (MULNV) des Landes NRW im Rahmen des Programms Lebendige Gewässer in NRW unterstützt. Foto: Klopries