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| Fachbeitrag | Pilotanlage Unkelmühle: Vereinbarkeit von Wasserkraft und Naturschutz

Wasserkraftanlage Unkelmühle © innogy SE
Wasserkraftanlage Unkelmühle © innogy SE

| Nina Kreutzadler |

Die Wasserkraftanlage Unkelmühle an der Sieg in der Gemeinde Windeck wurde als Pilotanlage für den Fischschutz umgebaut. Mit dem Vorhaben sollten insbesondere Erkenntnisse zum Schutz der Arten Lachs und Aal gewonnen werden. Nach zehnjähriger Projektphase haben Umweltministerin Ursula Heinen-Esser und Hans Bünting, Vorstand Erneuerbare Energie der innogy SE, als Projektpartner die Anlage in den Regelbetrieb übergeben. Besonders an diesem Forschungsprojekt ist, dass neben dem biologischen Monitoring auch ein betriebliches Monitoring durchgeführt wurde. So konnten nicht nur Erkenntnisse über die Effektivität von Fischschutzeinrichtungen gewonnen werden, sondern auch die Auswirkungen auf die Energieerzeugung erfasst werden.

Zur Vereinbarkeit von Wasserkraft und Naturschutz gilt es die ökologischen Beeinträchtigungen durch die Energieerzeugung möglichst gering zu halten. Um die Zielvorgaben der europäischen Wasserrahmenrichtlinie zu erreichen, ist der Fischschutz und insbesondere die Herstellung der Durchgängigkeit von großer Bedeutung. Gerade im Bereich der Fischabstiegsanlagen und deren Funktionsfähigkeit gibt es aber noch erhebliche Wissenslücken.

Als Teil des Wanderfischprogramms NRW, das bereits 1998 gestartet ist, soll auch der Pilotstandort Unkelmühle dazu beitragen, neue Erkenntnisse über die Effektivität von Fischschutzeinrichtungen zu gewinnen und zeigen, dass sich Fischschutz und ein wirtschaftlicher Anlagenbetrieb nicht ausschließen.

Daher haben sich die Bezirksregierung Köln, das Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz Nordrhein-Westfalen (MULNV) und der Energiekonzern innogy SE (damals RWE Innogy GmbH) zusammengetan und ein zehnjähriges Pilotprojekt gestartet. Im Rahmen des Forschungsvorhabens erfolgte ein fischfreundlicher Umbau der Pilotanlage Unkelmühle und anschließend ein biologisches und betriebliches Monitoring.

Darüber wie die Monitoring-Ergebnisse zu beurteilen sind, haben sich das Ministerium und innogy bereits vor Beginn des Projektes abgestimmt. Es wurde eine Zielerreichungsmatrix erstellt, in der klar definiert ist, wie die jeweilige Schutzrate bzw. der Erzeugungsverlust der Anlage zu bewerten ist. Als festgelegte Kategorien standen zur Verfügung: „bestmögliches Ergebnis“, „akzeptables Ergebnis“, „Anpassung notwendig“ und „Ergebnis unbefriedigend“. Die Einordnung der Ergebnisse des Fischschutzes erfolgte nach Vorgabe des Handbuchs Querbauwerke aus dem Jahr 2005. Somit konnten die in diesem Leitfaden beschriebenen Fischschutzeinrichtungen erstmalig in großem Umfang im Freiland evaluiert werden.

Bestens geeigneter Pilotstandort
Aufgrund ihres Standortes eignet sich die 1924 inbetriebgenommene Unkelmühle hervorragend als Pilotanlage. Die Sieg ist nicht nur Schwerpunktgewässer des Wanderfischprogramms NRW sondern auch als Aal-Zielartengewässer im Bewirtschaftungsplan der EU-Wasserrahmenrichtlinie definiert. Als vorletztem Querbauwerk vor der Mündung der Sieg in den Rhein kommt der Unkelmühle eine weitere wichtige Bedeutung zu.

Die Ausbauwassermenge des Ausleitungskraftwerks beträgt 27 m³/s. Die drei Francis-Turbinen mit einer Gesamtleistung von 420 kW erzeugen hier jährlich 2 GWh erneuerbaren Strom mit dem – rein rechnerisch – jährlich 500 Haushalte versorgt werden können. Damit hat die Unkelmühle eine für NRW übliche Größe und eignet sich auch deswegen als Pilotanlage.

Fischschutz nach neuestem Stand der Technik
Bis zum Umbau verfügte die Unkelmühle über eine Blocksteinrampe am Streichwehr und einen Denilfischpass an der Wasserkraftanlage. Da der Denilfischpass nur von sprintstarken Fischen wie zum Beispiel der Forelle genutzt werden kann, wurde dieser im Zuge der Bauarbeiten durch einen Vertical-Slot-Pass nach neuestem Stand der Technik ersetzt. Dieser ermöglicht es zusätzlichen Fischarten durch 27 Becken den Höhenunterschied von drei Metern zu überwinden.

Zur Verbesserung des Fischschutzes wurden drei vertikal angeordnete Feinrechen mit einem Neigungswinkel von 27° zur Horizontalen eingebaut, die das Einschwimmen von Fischen in die Turbinen verhindern sollen. Die 10-mm-Feinrechen wurden mit unterschiedlichen Profilen und jeweils einer Rechenreinigungsmaschine ausgestattet. Außerdem wurde eine Geschwemmselrinne installiert, die die Weitergabe des Treibgutes als wichtigen organischen Bestandteil des Ökosystems Fließgewässer an das Unterwasser gewährleistet.

Zur Wiederherstellung der abwärtsgerichteten Durchgängigkeit wurden oberflächennahe und sohlennahe Bypässe installiert. Der oberflächennahe Abstiegsweg wurde durch in der Höhe verstellbare Bypassöffnungen in der Rechenschürze realisiert, die es den Fischen ermöglichen, über die Geschwemmselrinne ins Unterwasser abzusteigen. Weiterhin wurden drei Aal-Rohre auf unterschiedlicher Höhe in die Seitenwand der dritten Turbinenkammer eingebracht. Ergänzt wurde diese sohlennahe Abstiegsmöglichkeit durch die Bottom Gallery am Fuß des Rechens.

Um ein biologisches und ein betriebliches Monitoring im gewünschten Umfang durchführen zu können, wurde die Unkelmühle neben den Fischschutzeinrichtungen auch mit Monitoring-Technik ausgestattet. Nach Beendigung der von 2011 bis Herbst 2013 andauernden Umbauarbeiten und einer anschließenden Probephase, wurde der offizielle Betrieb der Pilotanlage im Herbst 2013 aufgenommen. Das betriebliche sowie das biologische Monitoring endeten nach drei Jahren im Oktober 2016.

Schwachstellen erfolgreich identifiziert
Das betriebliche Monitoring erfasste Verluste, die bedingt durch die Fischschutzeinrichtungen auftreten. Dazu zählen beispielsweise Betriebswassermengen, die nicht mehr für die Energieerzeugung zur Verfügung stehen, Energieverluste am Feinrechen und der Energiebedarf für die Rechenreinigungsmaschine. Aber auch der personelle Unterhaltungsaufwand für den Betrieb der Fischschutzeinrichtungen wurde erfasst und in Energieäquivalent umgerechnet.

Die Verluste, ausgedrückt in kWh, wurden den einzelnen Komponenten zugeordnet. Die Hauptverbraucher über den Zeitraum von 2013 bis 2016 waren der Arbeitseinsatz für Wartung und Kontrolle, die Rechenverluste aller drei Maschinen, die Wasserverluste durch den Betrieb des ersten Schwenktores zur Dotation der Geschwemmselrinne als Verbindung zwischen Oberwasser und Sieg, die Wasserverluste durch eingeschränkten Turbinenbetrieb bei Verlegung des Rechens, die infolgedessen über die Wehrklappe abgegeben wurden sowie die Wasserverluste durch den Betrieb der Aal-Rohre.

Die Verbräuche der einzelnen Komponenten waren aber nicht in allen drei Monitoringjahren gleich hoch. Durch die gewonnenen Erkenntnisse konnten bereits im laufenden Monitoringzeitraum Anpassungen an der Anlage vorgenommen werden. Beispielsweise wurde ein Rechen im August 2015 während einer Maschinenrevision ausgetauscht, da es regelmäßig zu Verlegungen gekommen ist. Die Energieverluste an diesem Rechen konnten durch den Austausch und die Veränderung des Rechenprofils um 15 bis 30% reduziert werden. In der Folge kam es zu keiner Abschaltung oder Drosselung der Turbine mehr.

Die Optimierung der Anlage ist heute, trotz Beendigung des Projektzeitraums, noch nicht abgeschlossen. Teilweise treten noch Probleme durch Verlegung bei einer Rechenreinigungsmaschine auf, die Erzeugungseinbußen zur Folge haben.

In Zahlen konnte gemäß Zielerreichungsmatrix im ersten Monitoringjahr das „akzeptable Ergebnis“ von 12% Verlusten dokumentiert werden. Im zweiten Jahr wurden 14% Verluste registriert, eine Annäherung an die Kategorie „Anpassung notwendig“. Das dritte Jahr zeigte Verluste von lediglich 8% auf, ein Ergebnis im „bestmöglichen Bereich“. Nach drei Jahren wurde das betriebliche Monitoring in geringerem Umfang weitere zwei Jahre fortgeführt. Die Erzeugungsverluste lagen hier bei 7% bzw. 6%.

647 markierte Individuen in der Telemetriestudie
Parallel zum betrieblichen Monitoring wurde ein umfangreiches biologisches Monitoring durchgeführt. Für alle in diesem Zusammenhang durchgeführten Versuche lag eine tierschutzrechtliche Genehmigung vor. Ziel war es, die Wirksamkeit der Fischschutzeinrichtungen zu prüfen und potenzielle Wanderrouten zu identifizieren. Als Wanderwege standen zur Verfügung: die Kanurutsche, der Raugerinne-Beckenpass, die Staumauer, die Wehrklappe, die Eisklappe, der Schlitzpass, die Bottom Gallery, die Aal-Rohre, die Oberflächenbypässe und die Turbinen. Für den Vertical-Slot-Pass wurde kein Monitoring durchgeführt. Die Fischaufstiegsanlage wurde nach anerkanntem Stand der Technik gebaut und gilt somit als funktionsfähig.

Zur Verfolgung der Fischbewegungen vor der Anlage, an der Anlage selbst und nach der Passage der Anlage wurde eine radiotelemetrische Studie an Lachs und Aal durchgeführt. Die Bewegungen der Fische wurden durch stationäre und mobile Empfänger erfasst, nachdem diese mit Sendern ausgestattet wurden. Die für die Studie markierten Lachssmolts wurden an der Anlage selbst gefangen und später wieder ausgesetzt. Da der Aal nicht in der benötigten Zahl in der Sieg auftritt, wurden Fische aus Fangstationen an Rhein und Mosel eingesetzt.

Weiterhin wurden Sammelbecken an den oberflächennahen Bypassöffnungen, den seitlichen Aal-Rohren und der Bottom Gallery installiert. In diesen Fangeinrichtungen wurden die Fische zunächst gesammelt, anschließend abgekeschert, bestimmt, vermessen und zuletzt ins Unterwasser entlassen. Dieses Fangmonitoring erfordert einen hohen personellen Aufwand, daher wurde es nicht kontinuierlich durchgeführt. In den Frühjahren 2014 bis 2016 wurde das Fangmonitoring, zur Zeit der Smoltswanderung, an den Oberflächenbypässen und in den Jahren 2014 und 2015 im Herbst an den sohlennahen Bypässen durchgeführt.

Ergänzend dazu wurde die Smoltsabwanderung im Frühjahr 2014, 2015 und 2016 durch zwei Kameras aufgezeichnet. So konnte das Verhalten der Fische vor den Rechen und die Nutzung der unterschiedlich geöffneten Bypässe festgehalten werden.

Hoher Schutz durch Feinrechen: erfolgreich vom Oberwasser ins Unterwasser
Im Ergebnis zeigt sich, dass kein einziger Lachs oder Aal den Rechen passiert hat und damit die Funktionsfähigkeit des Fischschutzes zu 100% gegeben ist. Das Fangmonitoring ergab, dass auch eine Vielzahl anderer Fischarten den Rechendurchtritt vermieden hat, obwohl dieser physisch möglich gewesen wäre. Somit kann zusätzlich von der Wirkung einer Verhaltensbarriere ausgegangen werden.

Obwohl somit keins der markierten Individuen durch die Turbinenanlage geschädigt wurde, traten Verluste von Fischen auf. Die Untersuchungen am Lachs haben gezeigt, dass die Verluste im Staubereich und im Bereich der Wasserkraftanlage höher ausfallen, als im freifließenden Bereich.

Da keine verzögerte Wandergeschwindigkeit der Smolts im Staubereich im Vergleich zur freifließenden Referenzstrecke festgestellt werden konnte, sind die Verluste im Staubereich auf Prädatoren zurückzuführen, die im strömungsarmen Wasser ideale Lebensbedingungen vorfinden. Die Verluste im Jahr 2016 sind am geringsten ausgefallen. Grund dafür ist ein durch Hochwasser bedingter höherer Abfluss, der sich positiv auf die Wandergeschwindigkeit der Smolts auswirkte. Die vermehrte Trübung des Wassers bedeutet schlechtere Bedingungen für Prädatoren, die teilweise in die Sieg besetzt werden. Aber auch die Artenzusammensetzung der Prädatoren, deren Größe und die Überschneidung von Laichzeiten und Wanderungen mit denen der Lachse sind Faktoren, die Einfluss auf die Verluste der Lachssmolts haben. Die genauen Ursachen der erhöhten Verluste im Staubereich müssen weiter untersucht werden.

Die bevorzugte Wanderroute des Lachses an der Wasserkraftanlage war in allen Jahren der Obergraben. Beim Fangmonitoring in den Frühjahren wurden in den Sammelbecken über 9.000 Individuen nachgewiesen, von denen über 72% Smolts waren.

Durch die Videoaufzeichnungen wurde festgestellt, dass die Fische entgegen der Strömung vor dem Rechen schwimmen und bei Dunkelheit einzeln den Bypass nutzen. Dies passierte aber mit einer signifikanten Verzögerung. Manche Fische schwammen erst nach mehrfachem Hin und Her zwischen Turbineneinlauf, Obergraben und Staubereich in die Bypassöffnungen. Die Öffnung der Bypässe ist dabei entscheidend. Die Lachse nehmen die durch tief geöffnete Bypässe entstehenden Strömungen besser wahr.

Obwohl kein Fisch den Rechen passiert hat und durch Turbinen geschädigt wurde, können Verletzungen bei der Passage von Bypässen oder Wehren früher oder später zu einem Verlust der Fische führen. So kam es im Frühjahr 2014 zu einer Verlegung der Geschwemmselrinne, woraufhin Lachse geschädigt wurden, die die Rinne zum Abstieg ins Unterwasser nutzen wollten. Trotz der Verzögerung ist eine erfolgreiche Passage der Wasserkraftanlage wahrscheinlicher als ein Verlust.

Auch im strömungsberuhigten Bereich hinter der Wasserkraftanlage besteht die Gefahr einer erhöhten Prädation durch eine Verlangsamung der Wandergeschwindigkeit. So kam es im Jahr 2015 zu höheren Verlusten, da die Fische durch den Abfluss deutlich unter Mittelwasser vermutlich desorientiert waren und daher nur verzögert aus dem Unterwasser abgewandert sind. Dies zeigt, dass eine optimale Einleitung der Fischwanderhilfen ins Mutterbett in Kombination mit dem Auffinden der Leitströmung von großer Bedeutung für die Schutzrate der Fische ist. So ist es beispielsweise im Jahr 2016 auf Grund des höheren Abflusses, der auch im Mutterbett für eine ausreichende Strömung sorgte, zu keiner verzögerten Mortalität gekommen.

Bei der Abwanderung der Lachssmolts im unmittelbaren Umfeld der Anlage konnte in allen Jahren eine hohe Schutzrate erzielt werden. Dabei werden die Verluste im Staubereich nicht mitberücksichtigt, da sie ohnehin auftreten und nicht in Zusammenhang mit der Energieerzeugung stehen. Sie lag im Jahr 2014 bei 90%, im Jahr 2015 bei 96% und konnte auf 97% im Jahr 2016 gesteigert werden. Die Ergebnisse mit einer Schutzrate von über 95% sind gemäß Handbuch Querbauwerke ein akzeptables Ergebnis.

Aal bevorzugt Abflussspitzen, kann aber auch warten
Auch bei den Aalen konnte eine geringere Verzögerung durch den erhöhten Abfluss im Jahr 2016 festgestellt werden.

Grundsätzlich kann auch für den Großteil der ausgesetzten Aale eine erfolgreiche Abwanderung nachgewiesen werden. Eine genaue Zahl kann nicht eindeutig bestimmt werden, da Aale ihre Wanderungen für mehrere Monate unterbrechen können. Durch dieses Wissen kann ein Sender, der sich nicht bewegt, nicht automatisch auf eine gescheiterte Abwanderung zurückgeführt werden. Die Wanderung der Aale wurde zusätzlich zur stationären Aufzeichnung auch durch mobile Sender verfolgt. So konnten Bewegungen der Aale in Bereichen zwischen zwei Antennen detektiert werden. Flussaufwärtsgerichtete Bewegungen der Tiere deuten darauf hin, dass diese lebendig aber stationär sind. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass auch Aale Prädatoren zum Opfer gefallen sind. Nur für Aale, deren Signal hinter der Wasserkraftanlage aufgezeichnet wurde, kann mit Sicherheit gesagt werden, dass das Kraftwerk erfolgreich passiert wurde.

In der ersten Wandersaison der Blankaale im Winter 2014/2015 konnte eine Schutzrate zwischen 96 und 100% und in der Saison 2015/2016 zwischen 92 und 100% erzielt werden. Im bestmöglichen Fall sind somit alle Aale erfolgreich abgewandert, im schlechtesten Fall kam es zu einem Verlust von 4 bzw. 8% der Blankaale. Somit können die Ergebnisse nicht eindeutig einer Kategorie der Zielerreichungsmatrix zugeordnet werden. Im Worstcase liegt das Ergebnis im Bereich „Anpassung notwendig“, da ein Fischschutz von mindestens 95% vorliegen muss, um gemäß Handbuch Querbauwerke als akzeptabel eingestuft zu werden.

Entgegen der Annahme, dass Aale nur sohlennah abwandern, hat die Telemetriestudie ergeben, dass der Großteil der Aale an der Unkelmühle oberflächennah über die Wehrklappe und die Oberflächenbypässe abgestiegen ist. Demzufolge bevorzugen Aale die Wanderrouten mit dem größten Abfluss. In der Konsequenz wird die Bottom Gallery am Standort der Unkelmühle nicht benötigt und kann geschlossen werden. Somit entfällt die Dotation des Bypasses, was sich positiv auf die Energieausbeute der Anlage auswirkt. Diese Erkenntnis kann nicht eins-zu-eins auf andere Standorte übertragen werden, da sie mit den spezifischen Gegebenheiten vor Ort zusammenhängt. So führt wahrscheinlich der flach geneigte Rechen dazu, dass die bodennahe Fluchtbewegung der Aale vor dem Rechen ausbleibt.

Neben Lachs und Aal profitieren selbstverständlich auch andere Arten von den Fischschutzeinrichtungen bzw. den Fischabstiegsanlagen. So wurden beispielsweise beim Fangmonitoring im Herbst 2014 und 2015 am häufigsten die potamodromen Arten Nase, Hasel und Barbe nachgewiesen.

„Meilenstein zum Schutz der Wanderfische“
Insgesamt konnte mit dem Pilotprojekt die Funktionsfähigkeit des Rechen-Bypass-Systems im Freiland nachgewiesen werden. Durch das gleichberechtigte Monitoring und die technischen Optimierungen im Versuchszeitraum war es möglich, den hohen Grad des Fischschutzes mit dem wirtschaftlichen Betrieb der Wasserkraftanlage Unkelmühle zu kombinieren. Im gemeinsamen Fazit von Umweltministerium und innogy wird das Projekt daher als erfolgreich eingestuft.

Die Ergebnisse können nicht unmittelbar auf andere Standorte übertragen werden. Vor allem die Übertragung auf größere Anlagen mit deutlich höheren Durchflüssen ist schwierig. Das Forschungsvorhaben liefert aber dennoch einen bedeutenden Forschungsbeitrag und wichtige Erkenntnisse für andere Wasserkraftanlagen in NRW. So hat das Pilotprojekt gezeigt, dass die ökologisch verträgliche Wasserkraftnutzung möglich ist.

Nachdem der offizielle Abschlussbericht veröffentlicht wurde, hat das Umweltministerium die Ergebnisse des Projektes noch einmal für die fachlich interessierte Öffentlichkeit aufbereitet und in einer Broschüre anschaulich zusammengefasst.

Weiterführende Informationen:

Link zum Abschlussbericht

Link zur Broschüre