Projekt 03968/01

Sauerstoffanreicherung in Wasserkraftanlagen

Projektträger

Universität KasselFachgebiet Wasserbau und Wasserwirtschaft
Kurt-Wolters-Str. 3
34125 KasselZielsetzung 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 erm√∂glichen 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 l√§sst 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 l√§sst 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 F√§llen ausreichend, so dass zus√§tzliche Ma√ünahmen erforderlich sind. ¬∑ Der eingebrachte Sauerstoff l√§sst 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 ver√∂ffentlicht. Weiterhin ist eine Publikation in einer einschl√§gigen 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.

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0561/804-2749

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96.327,39 ‚ā¨

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12.07.1994 - 05.06.1998