Auf dem Weg zu fischfreundlichen Wasserkraftwerken
Im EU-Projekt «FIThydro» untersuchten Forschungs- und Industriepartner die ökologischen Auswirkungen der Wasserkraft. Die Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) der ETH Zürich entwickelte ein Schutz- und Leitsystem, das wandernde Fische an der Turbine vorbei lenkt.
Wasserkraftanlagen (WKA) greifen mitunter stark in die Umwelt ein. Sie stauen Flüsse auf, verändern den aquatischen Lebensraum und behindern wandernde Fische, die sich an Turbinen, Rechen oder Hochwasserentlastungsanlagen tödlich verletzen können.
Das Schweizer Gewässerschutzgesetz und die Europäische Wasserrahmenrichtlinie wollen solche negativen Auswirkungen mildern. Doch gerade ältere WKA erfüllen die neuen Anforderungen oft nicht – sie müssen nachgerüstet werden. Welche Massnahmen im konkreten Fall zielführend sind, muss jedes Kraftwerk individuell bestimmen.
«Es ist wichtig, regionalspezifische Konzepte für die Fischpassage einzubeziehen, welche die Bedürfnisse der lokalen Arten, die standortspezifischen hydraulischen Bedingungen und die Auslegung jedes Kraftwerks berücksichtigen», erklärt Robert Boes, Professor für Wasserbau und Leiter der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) an der ETH Zürich.
Wasserkraftwerke in ganz Europa untersucht
Die VAW beteiligte sich am vierjährigen Horizon-2020-Projekt «FIThydro» des Europäischen Forschungsrats. Ein Projektteam aus 26 europäischen Forschungsinstitutionen und Unternehmen erforschte an 17 Standorten in acht Ländern, wie sich WKA auf das Ökosystem Fluss und insbesondere auf Fische auswirken. Die VAW trug mehrere Labor- und Feldstudien bei, die sie teilweise mit regionalen Partnern durchführte.
Zunächst untersuchte die VAW an den Flusskraftwerken Schiffmühle an der Limmat und Bannwil an der Aare sowie im Labor bestehende Methoden und Ansätze, um die Umweltwirkung von WKA und Sanierungsmassnahmen zu beurteilen. «Wir wollten Wissenslücken schliessen und herausfinden, wie wir die aktuelle Situation und die bisherigen Massnahmen verbessern können», sagt Boes.
Fische wandern flussauf- und flussabwärts
So wusste man zum Beispiel nicht genau, welche Fischaufstiegs- und -abstiegsanlagen bei Kraftwerken für welche Arten geeignet sind und unter welchen Bedingungen Fische sie finden können. Forschende der VAW und ihre Partner haben an der WKA Schiffmühle die Strömungen (Hydraulik) untersucht und Fische mit passiven Transponder-Tags markiert, um ihre Wanderrouten im Bereich des Kraftwerks zu beobachten. Das Monitoring zeigt, dass viele Fischarten in der Limmat die technischen und naturnahen Fischpässe effektiv nutzen, um sich flussaufwärts zu bewegen.
Flussabwärts wandernde Fische müssen bei Wasserkraftwerken durch die Turbinen schwimmen, sofern keine alternativen Abstiegsmöglichkeiten bestehen. Dabei können sich die Fische an den Turbinenschaufeln verletzen. Zudem sind sie stark schwankendem Druck ausgesetzt. An der WKA Bannwil haben die Projektpartner die Passage von Fischen flussabwärts durch die Turbinen sowie über das Wehr mittels Hightech-Sensoren, Monitoring-Technik und Modellen genauer studiert.
Dabei zeigte sich, dass die Passage an Wasserkraftanlagen für die Fische nicht nur wegen der Turbinen gefährlich sein kann: Auch beim Abstieg über Wehre können sie sich im Tosbecken durch die starken Strömungen verletzen oder die Orientierung verlieren, womit sie für Räuber leichte Beute werden. «Unsere Ergebnisse können etwa helfen, fischverträgliche Turbinen zu entwickeln, den Kraftwerksbetrieb während der Fischwanderungszeiten anzupassen und den sicheren Fischabstieg über das Wehr zu ermöglichen», erklärt Ismail Albayrak, Senior Scientist und Projektleiter an der VAW.
Ein neues Leitsystem für Fische
Des Weiteren führten die VAW-Forschenden im Labor umfangreiche hydraulische Versuche mit Rechen durch, um das Verhalten lokaler Fischarten bei turbulenten Strömungen besser zu verstehen. Auf dieser Basis entwickelten sie ein neuartiges Schutz- und Leitsystem für stromabwärts wandernde Fische, genannt Curved-Bar-Rack-Bypass-System (CBR-BS).
Kernstück des CBR-BS ist ein vertikaler Rechen mit speziell geformten Stäben. Diese erzeugen starke lokale Wirbel, welche die Fische vom Rechen weg und zu einem Bypass lenken. So kann der Rechen eine Vielzahl von Fischarten verschiedener Grösse sicher an der Turbine vorbei leiten. Gleichzeitig ist das Schutzsystem so konzipiert, dass es den Betrieb der WKA nur geringfügig beeinträchtigt.
«FIThydro» wurde Ende 2020 offiziell abgeschlossen. Dennoch gibt es in Europa insbesondere für grosse WKA noch keine in der Praxis erprobten Lösungen für den Fischschutz und Fischabstieg, betonen die Wissenschaftler. Für Boes und Albayrak ist denn auch klar, ihre Forschung weiterzuführen. «Der nächste logische Schritt ist eine Pilot- und Demonstrationsanlage, in der wir ein CBR-Bypass-System unter Realbedingungen testen wollen», sagt der Wasserbau-Professor.
Frei zugängliche Werkzeuge und Wiki
Das FIThydro-Konsortium hat neben zahlreichen Fallstudien zu WKA in ganz Europa auch neue Bewertungsmethoden und Werkzeuge erarbeitet, die nun frei verfügbar sind. Darunter ein Index zur Gefährdung von Fischpopulationen, Simulationen zur Fischmigration sowie ein Entscheidungshilfe-Tool für die Planung von Massnahmen. Weiter bietet ein Wiki detaillierten Einblick in die Resultate der Fallstudien sowie in bestehende und neu entwickelte Lösungen für Fischpässe.
Literaturhinweis
Beck, C. (2020).
Fish protection and fish guidance at water intakes using innovative curved-bar rack bypass systems.
VAW-Mitteilung 257 (R.M. Boes, ed.). Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology, ETH Zurich, Switzerland.
Meister, J. (2020).
Fish protection and guidance at water intakes with horizontal bar rack bypass systems.
VAW-Mitteilung 258 (R.M. Boes, ed.). Laboratory of Hydraulics, Hydrology and Glaciology, ETH Zurich, Switzerland.
Weitere Informationen
Am Horizon-2020-Projekt «FIThydro» nahmen 13 europäische Forschungseinrichtungen und 13 Unternehmen teil. Die VAW der ETH Zürich beteiligte sich mit Labor- und Feldstudien zusammen mit den Schweizer Partnern AFRY Switzerland AG, BKW AG, Fish Consulting GmbH und Limmatkraftwerke AG.
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