Ethohydraulische und hydronumerische Untersuchungen an Rechen und Kaplanturbinen als Beitrag zur Reduktion der Aalschädigung an Laufwasserkraftanlagen

Klopries, Elena-Maria; Schüttrumpf, Holger (Thesis advisor); Lehmann, Boris (Thesis advisor)

Aachen : Shaker (2018, 2019)
Buch, Doktorarbeit

In: Mitteilungen des Lehrstuhls und Instituts für Wasserbau und Wasserwirtschaft 173
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource (XXVII, 269 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Die Reduktion der Schädigung abwärts wandernder Fische an Laufwasserkraftanlagen ist eine der größten Herausforderungen in Hinblick auf die ökonomisch und ökologisch vorteilhafte Nutzung von Wasserkraft. Vor allem für Fischarten wie den Europäischen Aal, die auf die freie Durchwanderbarkeit von Fließgewässern angewiesen und in ihrem Bestand gefährdet sind, ist die Erarbeitung wirksamer und umsetzbarer Schutzmaßnahmen unerlässlich. Dies gilt besonders für Stauhaltungsketten wie etwa an der Mosel, wo mehrere Wasserkraftanlagen hintereinandergeschaltet sind und sich der negative Effekt für die Fische akkumulieren kann. Rechen-Bypass-Systeme vor dem Turbineneinlauf und fischangepasste Steuerungsweisen der Turbinen stellen zwei mögliche Maßnahmen für den Fischschutz dar. Die optimale Ausführung und Wirksamkeit beider Maßnahmen sind vor allem für große Bestandsanlagen bisher nicht ausreichend untersucht. Diese Arbeit stellt ein probabilistisches Modell des longitudinalen Wanderwegs eines Blankaals durch einen Rechen und eine Turbine auf, welches die Wahrscheinlichkeit abbildet, mit der der Blankaal auf diesem Weg geschädigt wird. Ein Modell zur Filterwirkung von Rechen wird mit Hilfe von Literaturdaten aufgestellt und mit eigenen ethohydraulischen Untersuchungen validiert. Es zeigt, dass das Verhältnis der minimalen Körperbreite von Blankaalen zum Stababstand und der vertikale sowie horizontale Neigungswinkel des Rechens den maßgeblichen Einfluss auf die Wahrscheinlichkeit haben, dass ein Fisch durch den Rechen in die Turbine schwimmt. Anhand hydronumerischer Untersuchungen wird ein Schädigungsmodell einer Turbine entwickelt. Es ermöglicht durch Abbildung der physikalischen Prozesse innerhalb der Turbine und des Fischdurchgangs die Bestimmung der hydraulischen Belastungen, die ein Fisch bei der Turbinenpassage erfährt. Kombiniert mit der Vulnerabilität der Fische gegenüber diesen Belastungen ergibt sich so für unterschiedliche Betriebszustände ein Mortalitätsrisiko für die Fische. Werden die Schädigungsmechanismen betrachtet, treten die maßgeblichen Belastungen durch Scherereignisse und Druckdifferenzen vor allem im Leitapparat auf, für Kollisionen hingegen abgesehen von geringen Turbinendurchflüssen im Laufrad. Die ermittelten Einflussfaktoren auf die drei Schädigungsmechanismen tragen zur Verbesserung des Verständnisses der Wirkungszusammenhänge und Schädigungsprozesse innerhalb einer Turbine bei. Angewendet werden die Modelle der Filterwirkung und Turbinen-schädigung auf die Stauhaltungskette der Mosel, um den Effekt unterschiedlicher baulicher und betrieblicher Maßnahmen auf die Aalpopulation zu bestimmen. Die Optimierung des kombinierten Einsatzes von Rechen-Bypass-Systemen und fischangepassten Steuerungsweisen von Turbinen hängt von einer Vielzahl von Parametern ab und muss auf Grundlage der Analyse der tatsächlich ablaufenden Prozesse durchgeführt werden. Die durchgeführten ethohydraulischen und hydronumerischen Untersuchungen zeigen, dass die Erstellung von Bestimmungsgleichungen und die phänomenologische Beschreibung von Schädigungsprozessen und Parameterzusammenhängen für konkrete Wasserkraftanlagen möglich sind und zur Verbesserung des Fischschutzes beitragen können.

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