Georg Zeiler und Bernd Flach, Hagenbüchach

Die Wasserkraftschnecke

Technische und ökologische Weiterentwicklung der Bauart „aqua helica“ durch die Vandezande aquaTEM GmbH

Die Wasserkraftschnecke, erfunden und patentiert von Karl-August Radlik im Jahre 1992, ist eine grundsätzlich fischfreundliche Turbinentechnik. Jedoch war die anfängliche Bauweise, die von der Hebeschneckentechnik abgeleitet wurde, in vielen Punkten nicht optimal für den Betrieb zur Energieerzeugung konstruiert. Dies musste man anfangs des Öfteren erfahren, da das Betriebsverhalten der Schnecken je nach Standort sehr breit gestreut war. Geräuschemissionen durch Druckschläge im Unterwasserbereich, nicht eingehaltene garantierte Leistungsdaten, sehr begrenzte Durchflussmengen – die sich langsam, aber stetig auch steigerten.

Die Erfahrungswerte, die man hier sammeln konnte, wurden mit in die Grundlagenforschung einbezogen und man konnte einen Punkt nach dem anderen abarbeiten und eine solide, höchst ökologische und effektive Turbinenart neu auf dem Markt etablieren. Die Vielfalt der Wasserkraftschnecken, um jede Standortanforderung zu gewährleisten, ist inzwischen auf eine relativ hohe Bandbreite angewachsen.

Hier unterscheidet man zwischen:

  • Stahltrog hintergossen, Abb. 2 (Komplettbauwerk, einschließlich Abtriebshaus und Seitenwände an der Schnecke von der Wasserfassung bis zur Wasserrückgabe notwendig),
  • Semi-Kompaktschnecke, Abb. 3 (freitragender Stahltrog mit Abtriebshaus),
  • Kompaktschnecke, Abb. 4 (geringer Bauwerksaufwand, da nur ein Zulaufkanal mit Fundamentstreifen oben und eine Befestigungsmöglichkeit unten benötigt werden).

Hochwassersituationen sind mit der Wasserkraftschnecke der Bauart „aqua helica“ sehr gut zu bewältigen. Mit der hochwassersicheren oberen Wandlagerung kann die Schnecke auch bei geringer Fallhöhe und überflutetem Abtriebshaus weiterhin Energie produzieren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Turbinen ist dies bei der Wasserkraftschnecke mit ihren physikalischen Eigenheiten und dem sehr flach verlaufenden Wirkungsgrad gut machbar.

Abb. 1: Waserkraftschnecke heuteAbb. 1: Waserkraftschnecke heute

Abb. 2: Wasserkraftschnecke mit hintergossenem StahltrogAbb. 2: Wasserkraftschnecke mit hintergossenem Stahltrog

Abb. 3: Semi-Kompaktschnecke mit freitragendem StahltrogAbb. 3: Semi-Kompaktschnecke mit freitragendem Stahltrog

Bei schwankendem Wasserdargebot kann eine höhere Jahresarbeitsleistung als bei herkömmlichen Turbinen erzielt werden!

Abb. 4: KompaktschneckeAbb. 4: Kompaktschnecke

Abb. 5: Wasserkraftschnecken bei HochwasserAbb. 5: Wasserkraftschnecken bei Hochwasser

Abb. 6: Wasserkraftschnecken im NormalbetriebAbb. 6: Wasserkraftschnecken im Normalbetrieb

Abb. 7: Wasserkraftschnecke neuester Bauart vor dem EinbauAbb. 7: Wasserkraftschnecke neuester Bauart vor dem Einbau

Um einen sicheren Fischabstieg zu gewährleisten, sind viele Faktoren äußerst wichtig:

  • Mit einem großen Kammervolumen wird entsprechend den Standortgegebenheiten die Drehzahl der Schnecke reduziert. Damit erhält der Fisch ein größeres Wasserpolster für einen gefahrlosen Abstieg. Dies ist bei der Bauweise „aqua helica“ für den Abstieg, aber auch bei der neuesten Entwicklung für den Aufstieg mit Schnecken gegeben. Der Durchmesser der Schnecke hat aus ökologischen Gründen mindestens den Faktor 3 auf die Länge der jeweiligen Zielfischart, damit ein großzügiges Wasserpolster für den Fisch zur Verfügung steht.
  • Die Drehzahl sollte so gewählt werden, dass eine Umfangsgeschwindigkeit von max. 4,0 m/s nicht überschritten wird.

 Abb. 8: Verlängerte EinlaufflügelkanteAbb. 8: Verlängerte Einlaufflügelkante

  • Die Einlaufflügel werden so gestaltet, dass es keine direkte mechanische Schlagwirkung bei einer etwaigen Berührung gibt, sondern diese in ein Abstreifen umgewandelt wird (Abb. 8).
  • Die Geräuschemissionen im Oberwasser werden minimiert und ein „Scheucheffekt“ für Fische ist nicht vorhanden (im wissenschaftlichen Gutachten „NINA Report“ nachgewiesen).

 Abb. 9: Auslaufgestaltung der Flügel zur Reduzierung der impulsartigen AuslaufströmungAbb. 9: Auslaufgestaltung der Flügel zur Reduzierung der impulsartigen Auslaufströmung

  • Die Auslaufflügel werden so gestaltet, dass eine rampenartige Ausströmung erzeugt wird (Abb. 9).

 Abb. 10: Auslaufquerschnitts-Reduzierung zur Verminderung von DruckschwankungenAbb. 10: Auslaufquerschnitts-Reduzierung zur Verminderung von Druckschwankungen

  • Das hydraulische Auslaufverhalten der Schnecken der Vandezande aquaTEM GmbH ist so konzipiert, dass Druckschläge im Unterwasser, die Schwimmblasenverletzungen bei Kleinfischen nach sich ziehen können, im Verbund der Auslaufellipse mit der Gestaltung der Auslaufflügel nahezu egalisiert werden (Abb. 10).
  • Die Geräuschemissionen werden minimiert.

Durch die Minimierung der Geräuschemissionen im Ein- und Auslaufbereich ist die Schnecke der Bauart „aqua helica“ mit entsprechenden Vorkehrungen auch in Wohngebieten einsetzbar.

Die nachhaltige Positionstreue der Schnecke zum Trog ist für eine gleichbleibende Spaltbreite wichtig. Dies bewirkt, dass unabhängig von dem Spaltabstand keine Schnitt- oder Quetschstellen für aquatische Tiere entstehen.

Unabhängige Gutachten bestätigen die ökologischen Vorteile der Bauart „aqua helica“. Es konnte keine Mortalität nachgewiesen werden. Die Fischwanderung findet sehr aktiv durch die Wasserkraftschnecke dieser Bauart statt. Es gibt keine unnatürliche Verweildauer vor der Schnecke.

Die Fischpopulation ist aufgrund der Wasserkraftanlage nicht beeinträchtigt. In dem Gutachten „NINA Report“ ist wissenschaftlich nachgewiesen, dass in dieser ökologischen Bauart eine Abwanderung wie in
einem naturnahen Gewässer ohne Stauhaltung ermöglicht wird. Die Gutachten können über Info [AT] vandezande [PUNKT] aquatem [PUNKT] de angefordert werden.

 Abb. 11: Einsatzbereich von Wasserkraftschnecken und verschiedenen TurbinenAbb. 11: Einsatzbereich von Wasserkraftschnecken und verschiedenen Turbinen

Den Einsatzbereich von Wasserkraftschnecken und verschiedenen Turbinenbauarten lässt Abb. 11 erkennen.

Abb. 12: Kraftwerk Höllthal: Q = 18 m3/s, Fallhöhe = 2,20m, Ausbauleistung = 440 kWAbb. 12: Kraftwerk Höllthal: Q = 18 m3/s, Fallhöhe = 2,20m, Ausbauleistung = 440 kW

Die Eigenschaften der heutigen Wasserkraftschnecken sollen hier kurz zusammengefasst dargestellt werden:

  • Schluckmenge bis 15 m³/s je Schnecke,
  • Fallhöhe nutzbar von 0,5 bis 10 m,
  • Ausbauleistung bis 1 MW je Schnecke,
  • Durchmesser in konventioneller Bauart derzeit 5,0 m,
  • bis 94% hydraulischer Wirkungsgrad (Schnecke),
  • bis 85% Wirkungsgrad am Generator,
  • optimal für geringe Fallhöhe und große Schluckmenge,
  • hoher Teillastwirkungsgrad und Betrieb bis Q = 10%,
  • keine Verluste durch Feinrechen und Rohrleitungen,
  • keine Verklemmung, Kavitation und Verschleiß,
  • nur Grobrechen für Maschinen- und Personensicherheit,
  • kein Feinrechen zum Fischschutz notwendig,
  • die Wasserkraftschnecke ist nun in ökologischer Bauart ohne nachweisbare Mortalität umsetzbar,
  • der Einsatz als ökologischer Abstieg am/als Flusskraftwerk ist nachgewiesen,
  • Jahreserträge wie bei guten Turbinenanlagen werden erreicht aufgrund des hervorragenden Teillastwirkungsgrades,
  • Genehmigung als Fischabstieg mit energetischer Nutzung möglich.

(Bildnachweis: Abb. 1–4 und 7–11: Vandezande aquaTEM GmbH)

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