Vortrag Wasserkraftnutzung und der Schutz von Fischbeständen

Wasserkraftnutzung und der Schutz von Fischbeständen

WasserkraftanlageUnsere Wasserkraft ist ein Garant für umweltfreundliche Stromerzeugung. Aber gilt diese Umweltfreundlichkeit auch in Bezug auf die Gewässerökosysteme, in welche die Kraftwerke eingebettet sind? Wissenschaftler konnten einen Schwund der Fischbestände in vielen deutschen Gewässern nachweisen – aber ist dies auch eine Folge der Wasserkraftnutzung? Fakt ist, Wasserkraftwerke sind heute fischschonender als jemals zuvor. Wir möchten den aktuellen Stand der Forschung darlegen, wegweisende Fischschutzsysteme vorstellen und zeigen, wie sich die Wasserkraft kontinuierlich, für Mensch und Umwelt, verbessert. Die Wissenschaft beschäftigt sich schon lange mit Wechselwirkungen von Gewässern und menschlichen Eingriffen. Die Bandbreite reicht von theoretischer Ursachenforschung bis hin zu konkreten Schutzmaßnahmen. Vor allem Fische benötigen einen besonderen Schutz. Der Erhalt der Fischpopulationen ist ein wichtiges vitales Merkmal gesunder Gewässerökosysteme.

Ein Verbund unterschiedlicher Faktoren steht im Verdacht, den nachgewiesenen Schwund des Fischbestandes und seiner Artenvielfalt hervorzurufen. Externe Effekte der Landwirtschaft, Schifffahrt, Freizeitnutzung, Industrie und der Hochwasserschutz sind nur einige Variablen in dieser Rechnung. Es wäre daher gänzlich falsch anzunehmen, man könne das Problem nur über die Optimierung von Wasserkraftwerken lösen. Nur wenn alle menschlichen Eingriffe in Gewässerökosysteme aus gutem Grund und mit Bedacht geschehen, kann dies gelingen. Natürlich muss auch in der Wasserkraftnutzung das Möglichste getan werden, um Fischpopulationen zu schützen.

Während § 35 des WHG (Wasserhaushaltsgesetz) Wasserkraftnutzer im gesetzlichen Rahmen zum Schutz der Fischbestände verpflichtet, lassen sich hieraus natürlich noch keine Handlungsanweisungen für die Praxis beziehen. Um wirklich effiziente Lösungen entwickeln und etablieren zu können, bezieht man sich daher schon lange auf die Forschungsergebnisse von Gewässerökologen und Fischbiologen. Nur aus empirisch wissenschaftlichen Untersuchungen können sinnvolle und realitätsnahe Schutzmaßnahmen abgeleitet werden.

Welche Gefahren bergen Wasserkraftwerke für Fische?

Fische müssen unter Umständen Wasserkraftwerke bei ihrem Auf- als auch Abstieg durch Gewässer passieren. Gerade der Durchgang beim Abstieg birgt mehrere Gefahrenstellen. Die Fische müssen zunächst Stauanlagen überwindenEventuelle Vorrichtungen zur Wasserentnahme und der Rechen können ebenfalls gefährlich sein. Der Rechen selbst hält groben Schmutz sowie Fische vom Eindringen ab. Abhängig vom lichten Stababstand, Anströmgeschwindigkeit und der Neigung des Rechens kann dieser die Fische gut schützen oder, je nach Art, auch benachteiligen. Bestimmte Aale beispielsweise können mitunter passieren und sich dabei verletzen. Der größte Treiber der Mortalitätsrate ist jedoch die Passage der Turbine. Der Kontakt mit Turbinenschaufeln ist dabei nicht die einzige Gefahr. Im Wasserverlauf können Druckschwankungen entstehen oder ebenso bedrohliche Kavitationen (im Wasser entstehende, mit Dampf gefüllte Hohlräume) durch die Turbinenrotationen.

Maßnahmen für einen sicheren Fischabstieg

Fischfreundliche Turbinen für eine sichere Passage

Tatsächlich führen fischfreundliche Schaufeln und Drehzahlanpassungen zu einer Senkung der Mortalitätsrate. Hierzu wurden wissenschaftliche Modelle erstellt, um die Verletzungswahrscheinlichkeit zu bestimmen. Diese wird von der Turbinengeometrie, Fischart sowie durch die Größe der Fische bestimmt. Bisher konnte nachgewiesen werden, dass die Mortalitätsrate sich erhöht, wenn die Fische größer oder die Turbinen kleiner sind.

Werden Turbinen nicht unter voller Last betrieben, wirkt sich dies nach Überprüfungen ebenfalls negativ auf die Sterberate aus. Moderne Turbinen konnten durch diese Beobachtung ein hohes Maß an Optimierung erfahren und sind mittlerweile in der Lage, über 95 % aller Fische sicher passieren zu lassen. Jedoch sollte die Verringerung von Fischschäden während der Passage nicht die einzige Schutzmaßnahme bleiben. Tatsächlich bildet die Abschirmung und Umleitung von Fischen den wichtigsten Teil des Fischschutzes. Effiziente Rechen und Bypass-Systeme können den Kontakt zur Turbinenpassage auf einen minimalen Anteil aller passierenden Fische reduzieren.

Fischwanderhilfen

Abschirmung und Umleitung - Königsdisziplinen des Fischschutzes

Über die Jahre haben sich unterschiedliche Barriere-Typen zur Umleitung und Abschirmung bewährt. Mechanische Barrieren schließen das Eindringen von Fischen in Gefahrenbereiche gänzlich aus, während sogenannte Verhaltensbarrieren sich die natürlichen Reaktionen der Fische (z. B. Flucht und Abstoßung) zu Nutze machen. Alle Umleitungsmaßnahmen erfordern jedoch einen alternativen Bypass-Weg, welcher leicht auffindbar ist, um die Fische keinem zusätzlichem Druck auszusetzen. Tatsächlich muss aber eine ganze Reihe von Faktoren berücksichtigt werden, um sich für das richtige Abschirmungssystem zu entscheiden.

Berücksichtigt werden müssen unter anderem:

  • Prüfung, ob Maßnahmen in Bezug auf das Projekt durchführbar sind
  • Flexible Gestaltung bzw. Modularisierung von Anlagenteilen, um zukünftige Fischschutzmaßnahmen integrieren zu können
  • Standortbesonderheiten (z. B. häufiger Schwemmholz- oder Sedimentendurchgang)
  • Einbeziehen von Fischerei- und Umweltverbänden
  • Einrichtung von Zählmöglichkeiten zur Bewertung der Fischschutzmaßnahmen

Mechanische Barrieren zum Umleiten der Fische

Der bereits erwähnte Rechen findet sich als Schutz für Fische in vielen Wasserkraftwerken wieder. Er ist eine klassische mechanische Barriere, die die Fische am physischen Eindringen hindern soll. Je nach Bauweise und Anordnung im Gerinne nehmen die Fische dann einen sicheren Weg zum weiteren Flussverlauf. Rechen mit vertikaler Neigung werden überströmt und bieten den Fischen über eine ca. 1 Meter große Öffnung einen Zugang zu einer Abstiegsrinne, um das Kraftwerk zu umgehen. Dadurch werden die Fische aber nahe zur Oberfläche gebracht, wogegen sich einige Fischarten grundsätzlich wehren. Diese Lösung ist also nur dann zu wählen, wenn es die lokalen Fischarten zulassen. Alternativ kann der Rechen auch schräg im Flussbett angebracht werden, um Fische zu einem Abstiegskanal zu drängen, welcher sie dann sicher passieren lässt (sogenannter Bypass). Die Bypass-Gestaltung trägt weiterhin zur Sicherheit der Fische bei. Optimaler Weise wird eine Trichterform gewählt und die Entstehung von Turbulenzen baubedingt vermieden. Die Trichterform soll im Einklang mit dem Fluchtverhalten der Fische das Auffinden des Bypasses begünstigen. Wichtig ist zudem die korrekte Dimensionierung des Bypass-Einlasses. Ist er zu klein, kann dies zur Fluchtreaktion der Fische führen.

Louver und Bar Racks - Sonderform des Rechens

Bei Louver und Bar Racks (zu deutsch etwa Jalousie und Gitter) handelt es sich um schräg angeströmte Barrieren. Bei Bar Racks trifft die Strömung im 45°-Winkel auf versetzte Rechenbarrieren, beim Louver trifft die Strömung in voller Breitseite im 90°-Winkel auf. Durch diese Form des Auftreffens der Strömung entsteht vor der Barriere eine abweisende Welle, welche aufgrund der hydraulischen Orientierung der Fische diese nun zum Bypass navigiert. Die Systeme basieren also auf der Funktion der Fischleitwirkung und lassen die Strömung als Barriere wirken. Vorteil dieser Systeme ist, dass diese nicht nur den Gefahrenbereich abschirmen sondern auch den Fischen helfen, weiter zu kommen. Wichtigster Unterschied jedoch ist, dass Louver und Bar Racks Systeme auch bei sehr hohen Anströmgeschwindigkeiten die Fische schonen können – gleichzeitig aber auch ein Mindestmaß an Anströmgeschwindigkeit benötigen, um effizient zu funktionieren.

Sensorische Verhaltensbarrieren für einen sicheren Fischabstieg

Sensorische Verhaltensbarrieren sollen über abschreckende oder anlockende Reize die Fische sicher an der Gefahrenzone vorbeileiten. Zur Stimulierung der Fische können Licht, Druck oder Schall sowie Elektrizität dienen. Die Kombination verschiedener Stimuli wird als Hybrid-Verhaltensbarriere bezeichnet. Die Anwendung unterschiedlicher Reize kann sich sogar als notwendig erweisen, da die Gefahr der Gewöhnung besteht und Fische schon nach kurzer Zeit manche Barrieren ohne Scheu passieren. 

Licht- sowie Schallanlagen machen sich die Scheu der Fische zunutze. Optische Anlagen verwenden Stroboskop-Lampen, die intensive Lichtblitze aussenden und so den gefährlichen Gewässerabschnitt unattraktiv für Fische macht. Vor allem nachts erweisen sich Lichtblitze als äußerst effektiv, wohingegen tagsüber ihre Wirkung nachweislich drastisch abfällt. Akustische Anlagen verwenden ein ähnliches Prinzip. Sie funktionieren tagesunabhängig, allerdings sind sie nur bei Fischarten mit Verbindung zwischen Innenohr und Schwimmblase wirklich effektiv. Zudem kann die Wirkung durch den Geräuschpegel der Wasserkraftanlage beeinträchtigt werden. Auch elektrische Scheuchsysteme können die Route der Fische ebenfalls beeinflussen. Sie müssen allerdings sehr genau geplant sein, da die Fische sonst Schaden nehmen können. Zudem sind sie abhängig von der örtlichen Wassergüte bzw. seiner akuten elektrischen Leitfähigkeit.

Verhaltensbarrieren können effizient sein, sind oft aber sehr abhängig von lokalen Faktoren wie der Fischart. Sie eignen sich hervorragend in Kombination mit anderen Fischschutzmaßnahmen.

Anlagenmanagement fischschonend auslegen

Beim fischschonenden Anlagenmanagement wird versucht, gewisse Abwanderungen bestimmter Fischarten sicher durchzuschleusen. Dies bedingt eine Anpassung der Turbinenleistung, indem der Durchfluss reduziert oder ganz gestoppt wird. Mittels Frühwarnsystemen werden dazu die richtigen Zeitpunkte ermittelt, wann entsprechende Zielarten eintreffen. Dieses Verfahren zieht erhebliche Einbußen in der Energiegewinnung nach sich und ist daher nur zeitlich begrenzt. Andererseits ist die Implementierung äußerst kostengünstig und kommt daher für viele Kraftwerke in Frage.

Maßnahmen für einen sicheren Fischaufstieg

Kaum eine Tierart ist so sehr auf die Durchwanderbarkeit ihres Gewässers angewiesen wie die darin lebenden Fische. Fast jede Fischart vollzieht
Flussaufstiege, obgleich deren Gründe ganz unterschiedlich sind (Überwinterung, Laichen und Nahrungssuche sind die wichtigsten). Durch Beobachtungen an den bestehenden Fischaufstiegen wissen wir, dass Fischwanderungen quasi im ganzen Jahr stattfinden und sich nur durch die Art des gerade wandernden Fisches unterscheiden. Fische orientieren sich an ihrem hydraulischen Umfeld, um den richtigen Weg zu finden. Manche Fischarten sind zudem auf eine schnelle Durchwanderung angewiesen, im schlimmsten Fall erreichen sie Laichplätze nicht Rechtzeitig, und die Population erleidet einen Totalausfall.

Die Anforderungen und Erwartungen an einen Fischaufstieg erscheinen schwerwiegend, umso überraschender dürfte daher ihre oft sehr schlichte und
ansehnliche Bauweise sein. Sogenannte Fischtreppen stellen die Durchwanderbarkeit der Gewässer entgegen dem Strom wieder her. Obendrein
ermöglichen sie auch Kleintieren die Überwindung von Abgrenzungen, was auch sehr wichtig für eine intakte Gewässerökologie ist.

Grob unterschieden wird hier zwischen einer natürlich wirkenden Bauweise, sowie einer technisch anmutenden Baustruktur. Oft anzutreffen sind beispielsweise klassische Solegleiten, da sie durch ihre naturähnliche Bauweise eine hohe Akzeptanz haben. Rein wissenschaftlich ist aber die natürliche Bauweise nicht unbedingt besser als eine technische. Dabei unterscheiden sie sich nur bautechnisch, aber nicht prinzipiell voneinander. Vielmehr wird die Effizienz der Aufstiegshilfen von zwei distinkten Faktoren bestimmt.

  1. Auffindbarkeit des Aufstieges: Bei einem Wasserkraftwerk immer auf der Seite des Kraftwerkes, nicht auf der der Schiffsschleuse. Für Bodentiere am besten zusätzlich mit einer leichten Steinrampe zur schnelleren Auffindung
  2. Passierbarkeit des Aufstiegs: Eine raue Sohle hilft beim Aufstieg (z.B. Schotter). Zudem müssen die hydraulischen und geometrischen Bedingungen den lokalen Fischarten angepasst sein. Treibgut muss zudem regelmäßig entfernt werden.

Ein technisches Fischaufstiegsverfahren, welches die oben genannten Voraussetzungen erfüllt, ist das Schlitzpass-Verfahren (Vertical-Slot-Fishpass). Die Fische müssen nach dem Auffinden des Passes immer durch einen kleinen, vertikal angeordneten Spalt, um eine Stufe zu überwinden. Von oben nicht sichtbar, befindet sich bei manchen Bauvarianten zusätzlich ein Störstein kurz vor dem Schlitz, um die Passage zu vereinfachen. Die Bauweise des Schlitzpass-Verfahrens bremst das Wasser ausreichend ab, wodurch der Aufstieg deutlich einfacher ist und den Fisch weniger Kraft kostet.

Ambitioniertere Vorhaben wie Anlagen mit eigens konstruierten Fischaufzügen helfen den Tieren, das Hindernis nicht aus eigener Kraft überwinden zu müssen. Dabei werden die Fische durch ein schneckenartiges Gewinde langsam nach oben befördert. Diese Anlagen befinden sich jedoch noch in der Konzeptions- und Versuchsphase. Ähnlich wie mit den Abstiegshilfen herrscht auch bei den Aufstiegshilfen ein großer Forschungsbedarf. Erst durch gründliche Beobachtungen und weiteres Innovieren werden sich neue Ansätze für den sicheren Aufstieg von Fischen einstellen.

Die Zukunft des Fischschutzes bei Wasserkraftwerken

Künftige Fischschutzmaßnahmen werden kein Zufallsprodukt sein. Nur mit wissenschaftlicher Unterstützung können zuverlässige Urteile über ihre Effizienz gefällt und Verbesserungen gemacht werden. Für die Praxis treten allerdings noch weitere Ansprüche an zukünftige Anlagen heran. Zukünftige Schutzmaßnahmen müssen zumindest folgenden Punkten gerecht werden:

Erreichung umfangreicher Schutzziele: Verringerung der Mortalitätsrate von Fischen

Minimaler Energieerzeugungsverlust: Erhalt der Strömung und angemessene Investitionskosten

Hohe Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit: Sie müssen zu den betrieblichen und lokalen Anforderungen passen

Gesellschaftliche Akzeptanz: Übereinstimmung mit Fischerei- und Umweltverbänden sowie Behörden und Mitbürgern

Möglichst hohe Sicherheit in der Planung: Abschätzbare Folgekosten für Wartung und zukünftige Optimierungsversuche

Das Festlegen von Zielarten, die man schützen möchte, ist bereits heute der wichtigste erste Schritt, um am Ende ein sinnvolles Schutzsystem zu haben. Dies wird sich auch in der Zukunft nicht ändern. Jedoch bietet die vermehrte Nutzung hybrider Systeme eine Möglichkeit, Fischarten weitläufiger zu schützen. Heutzutage befinden sich solche Systeme aber noch zum größten Teil in der Konzept- bzw. Optimierungsphase. Der heutige Fischschutz ist enorm im Vergleich zu früher. Dies ist insbesondere dem Umstand vorangegangener Pionierarbeit auf diesem Gebiet zu verdanken. Zukünftige Technologien zum Erhalt der Gewässerökologie haben nun genau den gleichen Weg vor sich.

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