Forschungsprojekte

Gebirgsbäche können Fein- und Grobsedimente transportieren, die bei der Planung, dem Betrieb und dem Unterhalt von Laufwasserkraftwerken eine Herausforderung darstellen. Grössere Sedimentpartikel (Steine, Kies und Sand) werden an Wasserfassungen und in Entsanderbecken ausgeschieden. Feinere Sedimentpartikel (Silt und Ton) verbleiben jedoch im Turbinierwasser und verursachen Hydroabrasiv-Verschleiss an Turbinenteilen. Kleinwasserkraftwerke mit grossen Fallhöhen sind aufgrund der hohen Geschwindigkeiten in Peltonturbinen besonders betroffen. Hydroabrasiv-Verschleiss reduziert den Turbinenwirkungsgrad und damit die Produktion. Zusammen mit erhöhten Kosten für Reparaturen und Ersatzteilen kann die Energieeffizienz und die Wirtschaftlichkeit von Kleinwasserkraftwerken stark beeinträchtigt werden.

Hydroabrasiv-Verschleiss kann durch Erhöhung des Widerstands der Turbinen durch Hartbeschichtungen und/oder durch Reduktion der Sedimentbelastung im Turbinenwasser gemindert werden. Für Letzteres sind eine geeignete Auslegung und effizienter Betrieb der Entsander sowie eine Überwachung des Sedimentaufkommens in Echtzeit wichtig. Diese Themen werden in einer Fallstudie am Kleinwasserkraftwerk Susasca im Kanton Graubünden, Schweiz, untersucht.

Zur Quantifizierung der Sedimentfracht wird die Schwebstoffkonzentration im Fluss- und Turbinenwasser mit mehreren Instrumenten kontinuierlich gemessen. Beim Entsander werden das Strömungsfeld, die Sedimentabscheidung, die Spülungen und dessen Wirksamkeit untersucht. Im Kraftwerk wird die Erosion an den Pelton-Laufrädern periodisch quantifiziert. Die Abnahme des Turbinenwirkungsgrades wird aus Betriebsdaten ausgewertet. Basierend auf dem gesammelten Datensatz werden die Beziehungen zwischen Sedimentbelastung, Turbinenerosion und Wirkungsgrad¬reduktion analysiert, um zur Entwicklung von Vorhersagemodellen beizutragen. Weiter werden Massnahmen zur Verbesserung der Entsanderwirkung und des Betriebs von Kleinwasserkraftanlagen betreffend die Turbinenerosion und deren Folgen weiterentwickelt.

In Kombination mit Untersuchungen an anderen Wasserkraftanlagen trägt dieses Projekt dazu bei, die Wirtschaftlichkeit und die Energieeffizienz von Hoch- und Mitteldruck-Wasserkraftanlagen zu verbessern. Damit trägt dieses Projekt zur "Energiestrategie 2050" der Schweiz bei.

Wasserkraftwerke (WKWs) und andere Barrieren unterbrechen die Längsvernetzung in Flüssen, was u.a. die Fischwanderung stromabwärts behindert und bei der Passage durch Turbinen oder über Wehre zu schweren oder sogar tödlichen Verletzungen führen kann. Für eine effiziente Sanierung der Gewässer wurden im Jahr 2000 das revidierte Schweizer Gewässerschutzgesetz (GSchG) und 2011 die Gewässerschutzverordnung (GSchV) eingeführt. Bis 2030 müssen in der Schweiz für fast 700 Wasserkraftwerke Fischabstiegshilfen nachgerüstet oder neu errichtet werden. Eine vielversprechende Lösung für den Fischabstieg besteht darin, herkömmliche Hochwasserentlastungen und Wehre zu nutzen, z.B. während Phasen ausgeprägten Fischabstiegs. Allerdings ist das Wissen über Fischverletzungen und Mortalität während des Wehrüberfalls sowie über die hydraulischen Bedingungen in den dazugehörigen Tosbecken recht begrenzt.

Wehrüberfall führt zum Eintrag von Luft, welche sich unter Druck im Wasser löst. Eine zu hohe Sättigung des Wassers mit gelöster Luft kann zu Gasblasenkrankheit bei Fischen führen. Sowohl Gasübersättigung als auch starke Druckschwankungen können potenziell zu Fischsterblichkeit führen. Daher ist es das Ziel dieses Projekts, die Sicherheit der Wehrpassage von Fischen am Fallbeispiel des Laufwasserkraftwerks Bannwil hydraulisch zu untersuchen. Zu diesem Zweck werden Gesamtkonzentrationen der gelösten Gase, Druckschwankungen und Fliessgeschwindigkeiten im Tosbecken und im Unterwasser des untersuchten WKWs gemessen und kartiert. Dieses Projekt dient als Grundlage für weitere Folgestudien an verschiedenen WKWs und Wehren und soll zur Entwicklung neuer Hochwasserentlastungs-/Wehrkonstruktionen für verschiedene Fischarten beitragen.

Beim Kraftwerk Bannwil handelt es sich um ein Laufwasserkraftwerk in Blockbauweise an der Aare (Schweiz). Die nutzbare Fallhöhe beträgt je nach Unter- und Oberwasserständen 5.5 - 8.5 m bei einem Ausbauwasserdurchfluss von 450 m³/s. Die drei installierten Kaplan Rohrturbinen besitzen eine maximale Leistung von 28.5 MW und erzeugen jährlich im Mittel 150 GWh. Flussabwärts des Kraftwerks befinden sich entlang der Aare neun weitere Wasserkraftwerke und zwei Kernkraftwerke mit Kühlwasserentnah-men, welche das Flussregime stark prägen.

Die Zielfischarten der Aare sind Lachs und Barbe. Das Kraftwerk verfügt über einen Fischaufstieg (Beckenpass), dessen Sanierung bis 2020 geplant ist. Der Fischabstieg erfolgt über den Triebwasserweg oder bei Hochwasser über das Wehr. Die Sanierung des Fischabstiegs wurde bis 2025 angesetzt.

Im Rahmen des FIThydro-Projektes werden 250 Fische mit radiotelemetrischen Tags ausgestattet und ihre Routen im Bereich des Kraftwerks während 2 Jahren beobachtet. Zudem wird das Fischverhalten mit einem Sonarkamerasystem lokal beobachtet, z.B. vor den Einlaufrechen. Ausserdem werden betriebliche Massnahmen für einen schonenden Fischabstieg geprüft. Die VAW führt dazu Feldmessungen des Geschwindigkeitsfeldes mittels ADCP durch und erstellt ein numerisches 3D-Modell, um verschiedene Varianten vergleichend zu untersuchen. Zusätzlich wird die Installation eines vertikalen Fischleitrechens mit anschliessendem Bypass geprüft.

Wasserkraftwerke und andere Barrieren unterbrechen die Längsvernetzung in Flüssen, was u.a. die Fischwanderung stromabwärts behindert und bei der Passage durch Turbinen oder über Wehre zu schweren oder sogar tödlichen Verletzungen führen kann. Neben anderen Faktoren hat dies zu einem Rückgang der Fischbestände geführt. Für eine effiziente Sanierung der Gewässer wurden verschiedene rechtliche Bestimmungen eingeführt, darunter die Europäische Wasserrahmenrichtlinie sowie das revidierte Schweizer Gewässerschutzgesetz und die Gewässerschutzverordnung. Bis 2030 müssen in der Schweiz für fast 700 Wasserkraftwerke Fischabstiegshilfen nachgerüstet oder neu errichtet werden.

Für bestimmte Fischarten sind Fischleitrechen mit anschliessendem Bypass-System (BS) wirksame Leitsysteme für einen sicheren Fischabstieg an Wasserkraftwerken und -fassungen. Insbesondere beim Bypass gibt es jedoch offene Fragestellungen hinsichtlich dessen Gestaltung und Betriebs. Das Ziel dieses Projekts ist, die Fischleiteffizienz solcher Systeme für wichtige europäische Schlüsselfischarten durch die systematische Untersuchung bestehender sowie innovativer Bypass-Bauformen zu verbessern. Mit letzteren soll zudem die Wasserkraftproduktion möglichst wenig beeinträchtigt werden, indem der Bypassdurchfluss minimiert und/oder ein Teil davon für die Stromerzeugung genutzt wird. Die wichtigsten untersuchten Fischarten sind der Atlantische Lachs, der Europäische Aal, die Barbe, die Europäische Äsche und die Bachforelle. Um die Projektziele zu erreichen, werden an der VAW zunächst numerische Simulationen verschiedener BS und anschließend ethohydraulische Experimente für optimale Bauformen durchgeführt. Darüber hinaus werden die Auswirkungen von Sedimenten und Treibgut auf den Betrieb von Leitrechen-BS bewertet und technische Lösungen entwickelt, um negativen betrieblichen Auswirkungen entgegenzuwirken.

Parallel zur Untersuchung der BS wird die hydraulische und biologische Wirkung eines modifizierten Bar Racks (MBR) unter realen Bedingungen am Wasserkraftwerk Laudal in Norwegen für den Atlantischen Lachs bewertet. Dazu werden detaillierte Fischbeobachtungen und Geschwindigkeitsmessungen kombiniert. Die Ergebnisse werden wichtige Informationen zum Fischverhalten unter natürlichen Bedingungen bei der Annäherung und Nutzung von Leitrechen während der Abwanderung liefern.

Insgesamt wird dieses Projekt einen Beitrag zur Weiterentwicklung von Fischschutz- und -leitsystemen leisten. Zum einen können die Ergebnisse der Studie genutzt werden, um konkrete Empfehlungen für die optimale Gestaltung von Fischschutzanlagen zu ergänzen und damit einen Beitrag zur Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen zu leisten. Zum anderen werden die grundlegenden Kenntnisse über die Schwimmfähigkeit und das Schwimmverhalten verschiedener Fischarten in Bezug auf die Hydrodynamik in Fliessgewässern und Leitrechen-BS erweitert.

Das mit einer Kegelradrohrturbine ausgestattete Dotierkraftwerk Schiffmühle nutzt eine Bruttofallhöhe von 2.97 m und einen Ausbaudurchfluss von 14 m³/s. Mit einer installierten Leistung von 285 kW und einer Jahresproduktion von 1.9 GWh können ca. 430 Haushalte mit erneuerbarem Strom versorgt werden. Die Restwasserstrecke mit einem parallel zum Oberwasserkanal des Hauptkraftwerks verlaufendem Streichwehr ist ungefähr 400 m lang. Die Wasserkraftanlage verfügt sowohl über ein natürliches Umgehungsgerinne sowie eine technische Fischaufstiegshilfe (vertical slot / Schlitzpass) für den Aufstieg als auch über eine Fischabstiegsanlage.

Das Kraftwerk wurde 2013 mit einem horizontalen Leitrechen ausgestattet. Dieser wurde parallel zur Hauptströmung als Seitenentnahme angeordnet. Bei den Rechenstäben handelt es sich um Rechteckprofile mit einem lichten Abstand von 20 mm. Die Anströmgeschwindigkeit bei Ausbaudurchfluss beträgt 0.5 m/s. Am Ende des Rechens befindet sich ein Bypass mit 3 Einstiegsöffnungen in einen Vertikalschacht in unterschiedlichen Wassertiefen (bodennah, mittig und oberflächennah). Durch den an den Schacht angeschlossenen Rohrbypass haben Fische die Möglichkeit, in die Restwasserstrecke abzuwandern.

Im Rahmen des FIThydro-Projekts wird das Geschwindigkeitsfeld vor der Wasserkraftanlage in hydraulischen Untersuchungen mittels ADCP-Messungen aufgenommen. Der Geschiebehaushalt wird mit Geschiebemessungen in der Wirbelröhre, welche den Kraftwerkskanal mit dem Restwasserkanal verbindet, quantifiziert. Zusätzlich werden sowohl die Abflussbedingungen als auch die aquatischen Lebensräume numerisch modelliert. Für die Erfolgskontrolle der Fischwanderung werden 2017-2018 sowohl die Auf- als auch die Abstiegskorridore mit RFID-Antennen ausgestattet und mehrere tausend Fische mit PIT-Tags markiert.

Rutschmassen wie Felsstürze, Lawinen oder Gletscherabbrüche können Impulswellen in Stauseen verursachen. Insbesondere bei Anlagen im periglazialen Umfeld ist aufgrund veränderter klimatischer Bedingungen mit einem vermehrten Auftreten solcher Ereignisse zu rechnen. Es wird daher notwendig, die Wellen infolge kleinerer, häufiger Rutschungen bei der Freiborddimensionierung für den Betrieb zu berücksichtigen. Das Projekt umfasst die Untersuchung von Impulswellen im hydraulischen Modellversuch und die Ableitung geeigneter Dimensionierungsgrundlagen.

Das Projekt setzt die folgenden Ziele:

• Experimentelle Untersuchung der hydraulischen Prozesse des Auflaufens von Impulswellenzügen an steilen Ebenen in einem Laborkanal mit einem Fokus auf kleine relative Wellenhöhen (Stokes-ähnliche Wellen).
• Quantifizierung der Auflaufhöhen anhand der hydraulischen Eigenschaften von Impulswellenzügen.
• Entwicklung eines empirisch-basierten Berechnungsansatzes zur Reduktion von Planungsunsicherheiten bei der Freiborddimensionierung für den allgemeinen Talsperrenbetrieb.

Die wichtigsten Untersuchungsergebnisse umfassen neue Kriterien zur Vorhersage des Brechertyps auflaufender Wellen. Zudem wurde ein neuer Ansatz zur Abschätzung der Auflaufhöhen für die ersten fünf Wellen von Impulswellenzügen entwickelt. Details zum Projekt und den Ergebnissen können der untenstehenden Publikation entnommen werden.

Rutschmassen wie Felsstürze, Lawinen oder Gletscherabbrüche können Impulswellen in Stauseen erzeugen. Zur Abschätzung der Auswirkungen von Impulswellenereignissen in Stauseen wurde von der VAW ein Leitfaden erarbeitet. In der Anwendungspraxis wurde dabei die untere experimentelle Parameterlimitation des Rutscheintauchwinkels von 30° als zu steil bei der Beurteilung einzelner Gefahrenszenarien identifiziert. Dieses Projekt zielt daher auf eine Erweiterung des Parameterbereichs auf flachere Eintauchwinkel ab 15° sowohl für felssturz- als auch lawinenähnliche Rutschungen ab. Durch die Erweiterung des experimentellen Parameterbereichs werden die Anwendungsgrenzen des Impulswellenleitfadens und damit dessen Nutzen für die Praxis erweitert. Die Projektergebnisse tragen zu einem verbesserten Umgang mit dem Gefahrenszenario Impulswellen im Kontext der Stauanlagensicherheit bei.

Das Projekt setzt die folgenden Ziele: (i) Experimentelle Untersuchung der hydraulischen Prozesse der Impulswellenerzeugung und -ausbreitung in einem Laborkanal bei flachen Eintauchwinkel ab 15°; (ii) Quantifizierung u.a. der Wellenamplituden anhand der Rutscheigenschaften; (iii) Vergleich mit bestehenden Berechnungsansätzen und gegebenenfalls Entwicklung neuer Ansätze.

Die Speicherwasserkraft ist seit Jahrzehnten von grosser Bedeutung für die Stromversorgung im Alpenraum und angrenzenden Regionen. Einerseits dient sie der Erzeugung von elektrischer Energie, andererseits ermöglichen Stauseen die Speicherung von Energie. Angesichts des zunehmenden Risikos von Versorgungsengpässen im Winter und der Anforderungen an das zukünftige Energiesystem besteht eine hohe Notwendigkeit, die Wasserkraftkapazitäten zu erhalten und auszubauen. Jedoch werden jedes Jahr große Mengen an Sedimenten in Stauseen transportiert und lagern sich dort ab (Abb. 1). Die Verlandung von Stauräumen führt zu einem Verlust an Speicherkapazität und beeinträchtigt die Funktionsfähigkeit und Betriebssicherheit der Ein- und Auslaufbauwerke der Wasserkraftwerke.

Eine Strategie, um der Verlandung von Stauseen entgegenzuwirken, ist die bisher selten angewandte systematische Weiterleitung von Feinsedimenten über den Triebwasserweg von Wasserkraftwerken. Dadurch werden Produktionsverluste und hohe Schwebstoffkonzentrationen, wie sie typischerweise bei der Spülung auftreten, vermieden. Die erhöhte Feinsedimentfracht stellt jedoch eine Herausforderung in Form von hydroabrasiver Erosion an den Turbinen dar, was deren Effizienz verringert und zu einer geringeren Energieproduktion führt. Die Kosten der Weiterleitung von Feinsedimenten hängen unter anderem von der maximalen Partikelgröße und der jeweiligen Wartungsstrategie ab. Diese Themen werden in einer Fallstudie am Stausee Bolgenach und dem angeschlossenen Wasserkraftwerk Langenegg in Vorarlberg, Österreich behandelt.

Im Rahmen des neuen Sedimentmanagementsystems (Abb. 2) werden die im Stausee Bolgenach abgelagerten Sedimente ausgebaggert und an Bord eines Schiffes nach Grösse sortiert. Feine Sedimente werden zum Einlauf gepumpt und durch den Triebwasserweg geleitet, über welchen sie in den Flussabschnitt unterstrom des Krafthauses gelangen. Grobe Partikel werden mit einer Seilbahn zum Fuss der Staumauer transportiert, wo sie zur Sedimentanreicherung in der Restwasserstrecke und damit zur ökologischen Verbesserung dienen.

Die Feinsedimentbelastung der Turbinen wird durch die Echtzeit-Messung der Partikelkonzentrationen sowie der Partikeleigenschaften wie Größe, Härte und Form quantifiziert. Parallel dazu werden die hydroabrasive Erosion an den Francis-Turbinen des Wasserkraftwerks und deren Effizienz überwacht. Ziel der Studie ist es, den Sedimentweiterleitungsprozess unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu optimieren und dabei die Umweltauflagen einzuhalten. Darüber hinaus soll das Turbinenerosionsmodell nach IEC 62346 weiter kalibriert und validiert werden. Mit Hilfe dieses Modells und auf Grundlage der Betriebserfahrungen soll die Management- und Wartungsstrategie verbessert werden.

Zusätzliches Wissen bezüglich der Weiterleitung von Feinsedimenten über die Triebwasserwege von Wasserkraftwerken trägt zur nachhaltigen Nutzung des Wasserkraftpotenzials bei und ermöglicht es, die Sedimentbelastung an Stauseen unter Berücksichtigung des Klimawandels in Zukunft besser zu bewältigen.