Projekt 03968/01

Sauerstoffanreicherung in Wasserkraftanlagen

Projektträger

Universität KasselFachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft
Kurt-Wolters-Str. 3
34125 Kassel
Telefon: 0561/804-2749

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Der Sauerstoffgehalt eines Gew√§ssers ist ein zentraler √∂kologischer Faktor, der f√ľr die Lebensf√§higkeit des aquatischen Systems entscheidend ist. Tal- und Flusssperren ver√§ndern die gesamten √∂kologischen Bedingungen eines Gew√§ssers. Gegenstand des Forschungsvorhabens ist es, die Folgen des Eingriffs mit Hilfe der Turbinenbel√ľftung als technische Umweltschutzma√ünahme an vorhandenen Staus zu minimieren und allgemeine Regeln f√ľr den Einsatz der Turbinenbel√ľftung zur Verbesserung des Sauerstoffgehalts im Unterwasser als Planungs- und Betriebshilfe aus den Versuchen abzuleiten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenZur Untersuchung des Sauerstoffeintragverm√∂gens der verschiedenen Anlagen und Turbinentypen werden in situ Messungen an Tal- und Flusssperren durchgef√ľhrt. Die Messperioden m√ľssen dabei immer im Zeitraum der Sauerstoffunters√§ttigungen liegen. Bei Talsperren ist das w√§hrend der Sommerstagnation und bei Fl√ľssen in den Zeiten besonderer organischer Belastung, z.B. Sto√übelastung nach einem Gewitterregen, der Fall.
Zur Bestimmung des Eintragverm√∂gens wird zum einen bei geschlossener Bel√ľftungseinrichtung an mehreren den topographischen Bedingungen angepassten Punkten (Gitternetz) im Unter- und Oberwasser der Stauanlage ein Referenzzustand gemessen. Im direkten Anschluss daran wird unter sonst gleichen √§u√üeren Bedingungen eine Messreihe mit teilweise oder voll ge√∂ffneter Bel√ľftungseinrichtung durchgef√ľhrt. Aus dem Vergleich der beiden Messungen lassen sich der Sauerstoffeintrag be-rechnen und R√ľckschl√ľsse auf die Ausbreitung der angereicherten Wasserfahne im Unterwasser ziehen. Nach diesem Muster werden die Messungen f√ľr verschiedene Durchfl√ľsse im Betriebsbereich der Wasserkraftanlagen durchgef√ľhrt.
In einem weiteren Schritt werden aus den gewonnenen Messdaten Berechnungshinweise entwickelt, die es den Planern und Betreibern von Wasserkraftanlagen ermöglichen sollen, den Betrieb in bezug auf Stromerzeugung und Sauerstoffanreicherung auf eine wissenschaftlich fundierte Basis zu stellen.


Ergebnisse und Diskussion

Folgende Punkte wurden untersucht:
¬∑ Zu welchen Jahreszeiten ist eine Bel√ľftung erforderlich?
¬∑ Welche Eintragsleistungen k√∂nnen mit den vorhandenen Bel√ľftungseinrichtungen erreicht werden?
· Welcher Energieverlust wird dadurch verursacht?
· Wie weit lässt sich die mit Sauerstoff angereicherte Wasserfahne im Unterwasser nachweisen?
¬∑ Sind andere Verfahren, insbesondere der Wehr√ľberfall oder die Bel√ľftung durch Grundabl√§sse, wirtschaftlicher zu betreiben?¬∑ Treten Probleme mit dem Turbinenbetrieb bez√ľglich Kavitation oder Laufverhalten auf?
¬∑ K√∂nnen allgemeine Regeln zum Einsatz der Turbinenbel√ľftung entwickelt werden?
Die Untersuchungen erfolgten zum einen an der Wasserkraftanlage der Twistetalsperre, die √ľber eine Turbinenbel√ľftung nach Wagner-Voith verf√ľgt, zum anderen an der Wasserkraftanlage Hemfurth I der Edertalsperre, die mit einem Bel√ľftungssystem zur Stabilisierung der Druckschwankungen im Saugrohr und der Reduzierung der Kavitation an den Laufradschaufeln ausger√ľstet ist. Au√üerdem wurden um-fangreiche Messungen in der Fulda durchgef√ľhrt, um die punktuell vorhandenen Daten der Gew√§sserg√ľtemessstation bei km 93,4 durch Messwerte in einem gr√∂√üeren Bereich bei verschiedenen Zust√§nden zu erweitern. Die vorgefundene Sauerstoffsituation, die immer oberhalb von 75 % S√§ttigung lag, lie√ü Messungen zum Sauerstoffeintrag an der Wasserkraftanlage Wahnhausen nicht zu.
Als Ergebnis der Untersuchungen lässt sich festhalten:
¬∑ Im Unterwasser von eutrophen, planktonreichen Talsperren, denen das Turbinentriebwasser unterhalb der Sprungschicht entnommen wird, besteht w√§hrend der Sommerstagnation ein permanenter Bel√ľftungsbedarf.
¬∑ In staugeregelten Flussabschnitten treten kritische Sauerstoffdefizite nur selten oder gar nicht mehr auf. Problematisch sind dagegen die durch Photosyntheseleistung hervorgerufenen hohen Sauerstoff√ľbers√§ttigungen und die Schwankungen der Tagesganglinie.
¬∑ Die Turbinenbel√ľftung ist unter entsprechenden Randbedingungen wirtschaftlich einsetzbar.
· Der erzielbare Sauerstoffeintrag der untersuchten Anlagen ist nicht in allen Fällen ausreichend, so dass zusätzliche Maßnahmen erforderlich sind.
· Der eingebrachte Sauerstoff lässt sich auf weite Strecken im Unterwasser nachweisen.
¬∑ Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der Twisteseeanlage zeigt f√ľr unterschiedliche Szenarien exemplarisch die Bereiche der wirtschaftlichsten Bel√ľftungsvarianten.
¬∑ An den untersuchten Anlagen traten keinerlei Betriebsprobleme bei Einsatz der Turbinenbel√ľftung auf, es ist eher eine Verbesserung der Laufeigenschaften festzustellen.
¬∑ Aus den Ergebnissen lie√ü sich ein Entscheidungsbaum zur Bel√ľftungsstrategie entwickeln. In diesen sind √∂kologisch begr√ľndete aber noch nicht gesetzlich festgelegte Qualit√§tsziele als Empfehlung eingearbeitet.
¬∑ Die Turbinenbel√ľftung k√∂nnte, wie andere Verfahren zur Sauerstoffanreicherung, auch zum Abbau von sch√§dlichen Sauerstoff√ľbers√§ttigungen eingesetzt werden.
¬∑ Bez√ľglich der Sauerstoff√ľbers√§ttigung in Flie√ügew√§ssern besteht Handlungsbedarf, besonders im Hinblick auf das Projekt Lachs 2000.
Durch Probleme mit den Genehmigungsbeh√∂rden im ersten Jahr und der f√ľr das Vorhaben √§u√üerst ungeeigneten Witterungslage im zweiten Jahr konnte das Projekt leider nicht in dem geplanten Umfang durchgef√ľhrt werden. Die erzielten Ergebnisse sind jedoch ausreichend, so dass fundierte Aussagen getroffen werden konnten. In einigen Punkten besteht weiterhin Forschungsbedarf, insbesondere im Hinblick auf den Abbau von Sauerstoff√ľbers√§ttigungen durch geeignete Ma√ünahmen.


√Ėffentlichkeitsarbeit und Pr√§sentation

Der Abschlussbericht wird in der Schriftenreihe des Fachgebiets als Materialienband veröffentlicht. Weiterhin ist eine Publikation in einer einschlägigen Fachzeitschrift geplant.


Fazit

Die Turbinenbel√ľftung kann eine guten Beitrag zur Verbesserung des Sauerstoffhaushalts liefern. Sie ist dabei in weiten Bereichen wirtschaftlicher einsetzbar als andere Verfahren. Bei den untersuchten Anlagen ist die Bel√ľftungsleistung jedoch nicht in allen denkbaren F√§llen ausreichend, so dass teilweise zus√§tzliche Ma√ünahmen erforderlich sind. Au√üerdem muss der Problematik der Sauerstoff√ľbers√§ttigung mehr Beachtung geschenkt werden.

√úbersicht

Fördersumme

96.327,39 ‚ā¨

Förderzeitraum

12.07.1994 - 05.06.1998

Bundesland

Hessen

Schlagwörter

Klimaschutz
Naturschutz
Ressourcenschonung
Umweltforschung
Umwelttechnik