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Fischfreundlich: Neuartiges Wasserkraftwerk versteckt die Turbine im Flussbett

© Frank Becht / TUM
Im neuen Schachtkraftwerk verstecken sich die Turbinen im Flussbett. Fische können ungehindert darüber hinweg schwimmen. © Frank Becht / TUM

| Kira Crome |

Ingenieure der Technischen Universität München haben einen neuen Wasserkraftwerkstyp entwickelt, der Fische nicht in Gefahr bringen soll: Die Turbine steckt in einem Schacht im Flussbett. Fische können ungehindert darüber hinweg flussabwärts schwimmen. Das weltweit erste Schachtwasserkraftwerk in der bayerischen Loisach ist im Sommer in Betrieb gegangen.

Wasserkraftwerke erzeugen klimafreundlich Strom. Doch was dem Kima hilft, ist auch mit Eingriffen in die Natur verbunden. Flusskraftwerke verändern mit ihren Wehren natürliche Lebensräume und Uferlandschaften. Um die kinetische Energie des Wassers nutzen zu können, wird das Wasser nach konventioneller Technik durch ein Maschinenhaus umgeleitet. Dort durchströmt es Turbinen, die Generatoren antreiben, und fließt unterhalb des Stauwehrs in den Fluss zurück. Um Fische zu schützen und ihre Wanderwege offen zu halten, müssen Neubau-Projekte in Deutschland inzwischen hohe ökologische Auflagen einhalten. Mit herkömmlicher Kraftwerkstechnik sei das kaum zu erfüllen, sagt Peter Rutschmann, Professor für Wasserbau und Wasserwirtschaft an der Technischen Universität München. „Wenn wir sowohl das Klima als auch die Natur schützen wollen, müssen wir Technologien entwickeln, mit denen wir beide Ziele so gut wie möglich in Einklang bringen“, erklärt der Ingenieur. In langjähriger Entwicklungsarbeit hat er gemeinsam mit seinem Forschungsteam an einer Alternative getüftelt. Jetzt ist das weltweit erste Schachtwasserkraftwerk in dem bayerischen Fluss Loisach bei Großweil im Landkreis Garmisch-Partenkirchen in Betrieb gegangen.

Das Konzept: Für die Energiegewinnung werden Turbine und Generator im Flussbett versenkt. Dafür wird vor einem Stauwehr ein Schacht unterhalb der Flusssohle gebaut. Darin sind Turbine und Generator untergebracht. Das Wasser fließt in den Schacht, durchströmt die Turbine und wird unter dem Wehr in den Fluss zurückgeleitet. Dank dieser Konstruktion könne ein Großteil des Wassers für die Stromerzeugung genutzt werden. Nur ein kleinerer Teil fließt über den Schacht und das Wehr hinweg. Dabei wird die Strömung so gesteuert, dass das Kraftwerk effizient Strom erzeugt, aber gleichzeitig die Fische nicht in die Turbine geraten.

Querschnitt des Schachtwasserkraftwerks © TUM

Querschnitt des Schachtwasserkraftwerks © TUM

Sicherer Weg über den Schacht
Möglich macht das ein Metallgitter, das den Schacht abdeckt. Dieser Rechen erfüllt mehrere Funktionen. Seine Fläche ist so groß, dass der Sog in den Schacht gering ist. Zwei Wege führen die Fische stattdessen über das Hindernis: durch eine Aussparung am Wehr und durch eine tieferliegende Öffnung über dem Rechen. Die Fische finden mit der horizontalen Strömung einen der beiden Wege und gelangen so flussabwärts. Flussaufwärts wandern sie über eine Fischtreppe. Damit ist das Kraftwerk in beide Richtungen für Fische passierbar.

„Zahlreiche Untersuchungen an einem Prototyp haben gezeigt, dass die meisten Fische sicher über den Schacht schwimmen“, sagt Rutschmann. „Dabei ist klar, dass es eine hundertprozentige Erhaltung des Naturzustands mit keinem Wasserkraftwerk geben kann.“ Sehr kleine Fische könnten schon in das Schachtkraftwerk gesogen werden, räumt der Entwickler ein. Allerdings hätten die Versuche gezeigt, dass ein Großteil die Turbine unverletzt passiere.

Der Rechen hält außerdem Geröll und Treibholz, das der Fluss mit sich führt, von der Turbine ab. Es bleibt auf dem Gitter liegen und wird in regelmäßigen Abständen durch einen Verschluss im Wehr flussabwärts geschoben. „Die Bewegung und Ablagerung dieses sogenannten Geschiebes ist beispielsweise für Laichplätze wichtig“, erklärt Rutschmann. Die Verschlussklappe im Wehr dient zudem dem Hochwasserschutz. Steigt der Pegel, kann das Wasser darüber abgelassen werden.

Inbetriebnahme in einem Natura-2000-Gebiet
Der neuartige Anlagentyp verändere die Uferlandschaft kaum, erklären die Entwickler. Es beeinträchtige das Landschaftsbild nicht wesentlich und sei kaum zu hören. „Das Schachtwasserkraftwerk kann helfen, die ökologisch wertvollen Lebensräume in Flüssen zu bewahren“, ist Rutschmann überzeugt. Die einfache Konstruktion sei zudem Kosten sparend. So könne ein Schachtwasserkraftwerk auch in Fließgewässern mit geringem Gefälle von nur ein bis zwei Metern rentabel arbeiten.

Nach umfangreichen Forschungsarbeiten an einer Versuchsanlage im bayerischen Obernach ist die weltweit erste Pilotanlage in dem Fluss Loisach bei Großweil im Landkreis Garmisch-Partenkirchen im Sommer offiziell in Betrieb gegangen. Das Schachtwasserkraftwerk ist mit zwei Schächten ausgestattet und arbeitet mit einer Fallhöhe von zweieinhalb Metern. Es erzeugt, rein rechnerisch betrachtet, Strom für rund 800 Haushalte und leistet damit einen Beitrag zur dezentralen Energieversorgung in der Region. Ihre ersten Stresstests hatte die Anlage bereits im Probebetrieb bestanden: Im Frühjahr gab es mehrmals Hochwasser und die Anlage musste große Mengen Geschiebe und Treibholz bewältigen.

Es ist die erste Wasserkraftwerksanlage, die in einem Natura-2000-Schutzgebiet genehmigt werden konnte. Natura 2000 wurde 1992 von der Europäischen Union als ein länderübergreifendes Netz an Schutzgebieten beschlossen. Fast 20 Prozent der Fläche in der EU werden so zum Erhalt wild lebender Pflanzen und Tierarten und ihrer natürlichen Lebensräume mit strengen Auflagen gemäß der Vogelschutz-Richtlinie (Richtlinie 2009/147/EG) und der Fauna-Flora-Habitat (FFH)-Richtlinie (Richtlinie 92/43/EWG) geschützt.

In der Loisach verbessert der neue Kraftwerkstyp die Fischwanderwege sogar. Denn die Anlage wurde an einer bereits vorhandenen Rampe errichtet, die für Fische bis dahin nur schwer überwindbar war. Ein neues Wehr musste deshalb nicht gebaut werden.

Zwölf weitere Anlagen dieser Art in Planung
Die Technische Universität München hält mehrere Patente auf die Erfindung. Schachtkraftwerke können unterschiedliche Fallhöhen haben und in Flüssen jeder Größe errichtet werden. Für die Energieerzeugung aus Wasserkraft könnte der neuartige Kraftwerkstyp neue Perspektiven schaffen. Derzeit wird rund 3,5 Prozent des Bruttostromverbrauchs in Deutschland an Flüssen und Stauseen erzeugt. Nordrhein-Westfalen liegt bei der Wasserkraftnutzung bundesweit an vierter Stelle. Das Ausbaupotenzial von Flusskraftwerken in Deutschland ist nach Einschätzung des Umweltbundesamts weitestgehend ausgeschöpft. Steigerungen lassen sich vor allem durch die Modernisierung und Ertüchtigung bestehender Anlagen erzielen – mit Blick auf die strengen Rechtsvorschriften zum Schutz von Fischlebensräumen.

Schachtwasserkraftwerke könnten den Neubau an bestehenden Querbauwerken und in Regionen mit hoher Biodiversität genehmigungsfähig machen, sagen die Entwickler. Eine Unternehmensausgründung aus der Technischen Universität München hält die Nutzungsrechte und vergibt Lizenzen an Kraftwerksbetreiber. Derzeit sind nach Angaben der Universität insgesamt zwölf weitere Anlagen diesen Typs an verschiedenen Standorten geplant: in der Iller, der Saalach, der Würm und im Neckar.