Projekt 16321/01

Entwicklung und Erprobung eines Feinstrechens für Wasserkraftanlagen

Projektdurchführung

Ingenieurbüro Floecksmühle GmbH und Floecksmühle Energietechnik GmbH
Bachstr. 62 - 64
52066 Aachen

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Wasserkraftanlagen sind eine bedeutende regenerative Energiequelle, die jedoch negative Auswirkungen auf die Gewässerökologie haben können. Wesentliche Probleme sind u.a. die Behinderung der flussabwärtsgerichteten Fischwanderung und Schäden an Fischen bei der Passage von Turbinen und Rechenanlagen. Für den weiteren Ausbau der Wasserkraft ist es gerade im Sinn der EG-Wasserrahmenrichtlinie erforderlich, für diese Probleme technische Lösungen zu finden. Da alle bisher entwickelten Techniken, Fische durch Scheuchanlagen von Wasserkraftwerken fern zu halten, keinen Erfolg hatten, bleibt als eine Maßnahme der Einsatz eines mechanischen Schutzsystems gegen das Eindringen von Fischen in die Turbinen. Die bisher bereits vorhandenen Turbinenrechen sind auf das im Gewässer mitgeführte Geschwemmsel ausgelegt und haben in Bezug auf den Fischschutz zu große lichte Stababstände. Die Zielsetzung des Vorhabens ist die Entwicklung eines Feinstrechen mit sehr kleinen Stababständen und dessen Erprobung an einer kleinen Wasserkraftanlage.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenDas Vorhaben teilte sich in folgende Arbeitsschritte auf:
· Grundlegende Zusammenstellung möglicher Techniken für den Aufbau und die Anordnung eines Feinstrechen
· Erprobung des Verhaltens von Fischen in Bezug auf die ausgewählten Anordnungen in einer hydraulischen Versuchshalle, Ermittlung der hydraulischen Verluste
· Erster Test eines Feinstrechen an einer kleinen Wasserkraftanlage als Voraussetzung für die konstruktiven Arbeiten
· Konstruktive Ausarbeitung des Feinstrechen und der erforderlichen Rechenreinigungsmaschinen
· Bau des Feinstrechen und der Rechenreinigungsanlage, Installation an der Wasserkraftanlage
· Testbetrieb in Bezug auf die technischen Einrichtungen, Einstellung der Steuerung· Ermittlung des Verhaltens von Fischen an der installierten Anlage mittels Reusenbefischung im Bypass oberhalb und seitlich des Feinstrechen
· Messung der hydraulischen Verluste im laufenden Betrieb über 1 Jahr
· Zusammenstellung und Auswertung der Ergebnisse
· Auf der Basis der gewonnenen Betriebserfahrungen in technischer und fischbiologischer Hinsicht wurden die künftige Einsatzfähigkeit des Systems bewertet und dargestellt. Abschließend erfolgte die Benennung nächster Schritte zur breiteren Anwendung des Systems und die Veröffentlichung der Ergebnisse.


Ergebnisse und Diskussion

Die Verhaltensbeobachtungen im Modellgerinne und die Prototypanlage des Feinstrechen in Ochtendung (Rheinland-Pfalz) mit einem Durchfluss von 1,7 m3/s haben den Nachweis erbracht, dass mit dieser Einrichtung das Eindringen von Fischen in die Turbine der Wasserkraftanlage verhindert werden kann und darüber hinaus die Fische über einen Bypass ohne Schädigung ins Unterwasser abgeleitet werden können.
Die Feinstrechenanlage in Ochtendung mit einem lichten Stababstand von dR =5,3 mm wird nach den bisherigen Betriebserfahrungen charakterisiert durch:
· Hydraulischer Verlust bei sauberem Rechen und vollem Durchfluss: 35- 40 mm,
· Durchschnittlicher Betriebs-Rechenverlust: 70 bis 95 mm.
Die hydraulische Funktionstüchtigkeit der Anlage konnte (auch unter der Einschränkung einer langer Niedrigwasserperiode) nachgewiesen werden.
Der hydraulische Rechenverlust reduziert die nutzbare Fallhöhe der Turbine und daher auch die Energieerzeugung. Bei einer Anströmgeschwindigkeit von 0,55 m/s wurde im sauberen Zustand ein Rechenverlust von 35 mm und bei mittlerem bis starkem Schwemmgutanfall ein durchschnittlicher Betriebsverlust von 50 bis 95 mm ermittelt. Beim angegebenen Betriebs-Rechenverlust von 70 bis 95 mm und einer Fallhöhe von h = 2,80 m liegt die Leistungseinbuße bei 2,5 bis 3,5%. Der Rechenverlust von 40 mm ver-ursacht bei einer Fallhöhe von 2,50 m eine Leistungseinbuße von 1,4%.
Der Leistungsbedarf der Rechenreinigungsmaschine setzt sich zusammen aus einer Grundlast für die Steuerung ca. 170 W und dem Antrieb, der zwischen 1,9 - 3,0 kW schwankt.
Der Feinstrechen ist aufgrund seiner Konstruktion weniger anfällig für die sogenannte Dauerverlegung. Er lässt sich gut reinigen und der Energieaufwand für die Reinigung liegt bei 4,5 bis 11 kWh/Tag. Dies entspricht bei voller Leistung der Anlage maximal 2,0% der Gesamtenergieerzeugung. Im jährlichen Durchschnitt können 0,75 - 1% angesetzt werden. Aus der Zahl der Reinigungstakte kann geschlossen werden, dass der Energieaufwand für das Reinigen eines Feinstrechens jährlich ca. 50% höher liegt als im Fall eines 20 mm-Rechens.
Der Einsatz eines Feinstrechen benötigt eine erheblich größere Fläche als die üblichen Flachstabrechen. Daher ist für seinen Einsatz an bestehenden Anlagen in der Regel eine Umgestaltung der Rechenbauwerke erforderlich, einhergehend mit dem Umbau oder einer Anpassung an die größere Rechenfläche vorhandener Rechenreinigungsmaschinen. An Standorten mit Anströmgeschwindigkeiten von über 0,6 m/s können Feinstrechen nicht zum Einsatz kommen.
Entgegen der in Fachkreisen vorherrschenden Meinung konnte die Wasserkraftanlage unter allen Betriebsbedingungen ordnungsgemäß arbeiten. Es wurden keine außergewöhnlichen Erzeugungsverluste festgestellt. Allerdings beinhaltet dies nicht harte Frostperioden, da diese am Standort der Anlage während des Beobachtungszeitraums nicht auftraten.
Ein Feinstrechen kann als Fischschutzeinrichtung für diadrome Arten dienen, wenn die Anströmgeschwindigkeit im Kanal nicht höher als 0,5 m/s ist. Dieser Wert gilt im übrigen auch für einen 20 mm-Rechen, wenn dieser als Schutz für potamodrome Arten wirken soll. Nach den Erfahrungen des Projekts kann die hydraulische Funktionstüchtigkeit von dR =5,3 mm erreicht werden, wenn die Rechenoberfläche ausreichend groß dimensioniert ist. Der entscheidende Wert ist dabei eine maximale Normalgeschwindigkeit von ca. 0,2 m/s (dies ist die senkrecht zu dem Rechen wirkende Geschwindigkeitskomponente). Diese Werte können beim Neubau von kleinen Wasserkraftanlagen in der Regel ohne wesentlich höhere Bauwerkskosten realisiert werden. Bei bestehenden Anlagen kann eine Umrüstung erhebliche Aufwen-dungen erfordern, die von den jeweiligen Bedingungen abhängen.
Die Kostensteigerungen beim Bau eines Feinstrechen mit dR =5,3 mm können im Vergleich zu einem 20 mm-Rechen wie folgt abgeschätzt werden (bezogen auf die jeweilige Anlageteile, nicht auf die gesamte WKA):
· Planungskosten: ca. + 25%.
· Umbaukosten bei vorhandenen Anlagen: Standortbezogen, nicht allgemein bezifferbar.
· Kosten für Feinstrechen inkl. Stützkonstruktion: ca. 2 - 3fach höher.
· Kosten Rechenreinigungsmaschine: ca. + 30 bis 50%.
· Kosten für nachgeschaltete Einrichtungen (Rechengutabfuhr etc.): bei Weiterleitung des Rechenguts kostengleich.
· Kosten für Bypässe: Standortbezogen, z. B. bei Skim-Rinnen und Rechengutabfuhr in das Unterwasser: keine Mehrkosten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

· Im Frühjahr 2003 besichtigte eine Delegation der OVB (Organisatie ter Verbetering van de Binnenvisserij) aus den Niederlanden zusammen mit einem TV-Team die Anlage.
· Am 28.10.2003 Besichtigung mit Vertretern des Ministeriums für Umwelt, Naturschutz, Landwirtschaft und Verbraucherschutz NRW und der Fachbehörden (Wasserwirtschaft und Fischerei).
· Am 20.11.2003 führten wir eine Informationsveranstaltung mit ca. 60 Besuchern aus den Wasserwirtschaftsverwaltungen, Fachverbänden von NRW, Rheinland Pfalz, Hessen und Baden-Württemberg (vgl. auch hierzu unsere Einladung an die DBU) durch.


Fazit

Das vorliegende DBU-Projekt Entwicklung und Erprobung eines Feinstrechen für Wasserkraftanlagen ist ein erster Schritt zur Realisierung mechanischer Fischschutzeinrichtungen an kleinen Wasserkraftanlagen. Es konnte der Nachweis zur fischbiologischen und hydraulischen Funktionstüchtigkeit der Pilotanlage eines Feinstrechen unter einem Rechenabstand von 5,3 mm an einer kleinen Wasserkraftanlage erbracht werden. Somit steht nunmehr für kleinere WKA mit einem Ausbaudurchfluss bis ca. 5 - 10 m3/s eine Bauweise für eine Rechenanlage zur Verfügung, die einen effektiven Fischschutz gewährleistet. Der an der Pilotanlage gewonnene Erkenntnisstand lässt sich nicht auf WKA mit einem Ausbaudurch-fluss >10 m3/s übertragen. Dazu sind weitere Entwicklungsarbeiten notwendig.