Optimierung von Coanda-Rechen für Wasserfassungen und Fisch

Die Fassung von Triebwasser für Wasserkraftanlagen an meist geschiebereichen Gebirgsbächen erfolgt in der Schweiz überwiegend durch Fallrechen (Tirolerwehre). Seit einigen Jahren werden dafür alternativ vermehrt auch Coanda-Rechen eingesetzt. 

Im Rahmen von Phase 1 (Optimierung der Coanda-Rechen für Schweizer Gewässer) dieser Studie wurden verschiedene in Betrieb stehende Anlagen analysiert. Dabei konnten die bekannten Vorteile bestätigt werden, wie zum Beispiel das Fernhalten eines grossen Anteils der Feststoffe und des Geschwemmsels vom Triebwassersystem, Selbstreinigung des Rechens, geringe Betriebskosten, bei Verzicht auf einen Sandfang geringere Anlagekosten sowie Fischfreundlichkeit. Es zeigte sich bei Feldversuchen jedoch auch, dass die weit verbreiteten Annahmen zum Abweisungsgrad von Feststoffen zu hoch sind, wodurch weiterhin oft Massnahmen zum Ausscheiden der Feinanteile notwendig sind. Die aktuell verfügbaren Rechentypen weisen noch technologisches Entwicklungspotential auf – betreffend Erhöhung der spezifischen Schluckfähigkeit, Verlängerung der Lebensdauer und Erhöhung des Abweisungsgrades. Diese Optimierungen sollten Gegenstand von weiterführenden Forschungsarbeiten sein. In der vorliegenden Arbeit haben wir uns deshalb mit der Hydraulik, der Fischgängigkeit und betrieblichen Aspekten der Coanda-Rechen befasst.

In Phase 2 (Optimierung von Coanda-Rechen für Wasserfassungen an alpinen Gewässern) wurden in der Versuchshalle der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie (VAW) an der ETH Zürich ein Versuchsstand im Massstab 1:1 aufgebaut, um Versuche zu Geschiebeabweisung, Schluckvermögen und hydraulischem Verhalten durchzuführen. Hierbei wurden marktübliche Rechen getestet. In einer dritten Phase wurden Versuche zur Fischverträglichkeit beim Abstieg gemacht, um die proklamierte Fischfreundlichkeit mittels konkreter Messdaten zu validieren.

Die Ergebnisse der Versuchsanlage spiegeln die Ergebnisse aus den Feldversuchen wider. Es zeigte sich, dass die weit verbreiteten Annahmen zum Abweisungsgrad von Feststoffen zu hoch sind, wodurch weiterhin oft Massnahmen zum Ausscheiden der Feinanteile notwendig sind. Ausserdem liegt das erreichbare Schluckvermögen höher als die oftmals publizierten 140 l/(s.lfm).

Die Fischfreundlichkeit der Coanda-Rechen konnte in den Laborversuchen bestätigt werden. Der Abstieg über den Coanda-Rechen stellt für Bachforellen (Referenzfisch für alpine Gewässer in der Schweiz) kein Risiko dar, solange die anderen Anlageteile passend ausgelegt sind. In Summe konnten mit dem Projekt wertvolle Daten für die Dimensionierung und Auslegung künftiger Anlagen gefunden werden. Ausserdem konnte die oftmals diskutierte Fischfreundlichkeit mit konkreten Daten belegt werden.

Coanda-Rechen werden an Wasserfassungen eingesetzt, um möglichst feststoffarmes Triebwasser auf die Turbinen zu leiten und dadurch deren Lebensdauer zu verlängern. 

Die Fassung von Wasserkraftanlagen an meist geschiebereichen Gebirgsbächen erfolgt in der Schweiz überwiegend durch Fallrechen (Tirolerwehre). Seit drei Jahrzehnten werden dafür alternativ vermehrt auch Coanda-Rechen eingesetzt. Im Rahmen dieser Forschungsarbeiten wurden verschiedene in Betrieb stehende Anlagen analysiert, hydraulische Versuche und Fischversuche durchgeführt. Dabei konnten die bekannten Vorteile bestätigt werden, wie zum Beispiel das Fernhalten eines grossen Anteils der Feststoffe und des Geschwemmsels vom Triebwassersystem, Selbstreinigung des Rechens, geringe Betriebskosten, bei Verzicht auf einen Sandfang geringere Anlagekosten sowie Fischfreundlichkeit. Es zeigte sich bei Feldversuchen und Laborversuchen jedoch auch, dass die weit verbreiteten Annahmen zum Abweisungsgrad von Feststoffen zu hoch sind, wodurch weiterhin oft Massnahmen zum Ausscheiden der Feinanteile notwendig sind. Die aktuell verfügbaren Rechentypen weisen noch technologisches Entwicklungspotential auf – betreffend Erhöhung der spezifischen Schluckfähigkeit, Verbesserung der Dauerhaftigkeit und Erhöhung des Abweisungsgrades.

In Hochdruckwasserkraftwerken erreicht das Wasser eine hohe Geschwindigkeit, bevor es mit Wucht auf die Schaufeln der Turbinenräder trifft. In dieser Situation führen Fremdkörper im Wasser zu Schäden an den Turbinen. Selbst Sandkörner entwickeln unter hohem Druck eine Kraft, mit der sie an Turbinenschaufeln bleibende Spuren hinterlassen.

Vor diesem Hintergrund versteht es sich von selbst, dass die Betreiber von Wasserkraftwerken alles daransetzen, das Wasser an den Fassungen gründlich von Kies und Sand zu reinigen. Stammt das Wasser aus Stauseen, gelingt dies relativ einfach, da sich Fremdkörper im See absetzen und die Wasserfassung gar nicht erst erreichen. Ungünstiger ist die Ausgangslage, wenn das Wasser direkt aus einem Fluss entnommen wird. In diesem Fall wird das Wasser in einem ersten Schritt durch einen Fallrechen von Gestein und Geröll gereinigt. Das grob gereinigte Wasser strömt anschliessend in ein Absetzbecken, das als Sandfang bezeichnet wird. Hier setzen sich Kies und Sand ab, bevor das Wasser durch den Druckstollen bzw. das Druckrohr auf die Turbinen zuströmt.

Coanda-Rechen erfreuen sich in Österreich und in Südtirol unterdessen grosser Beliebtheit. In der Schweiz werden sie dagegen eher zögerlich eingesetzt, weil manche Wasserbauverantwortliche der noch relativ jungen Anlagen nicht recht trauen (Furcht vor Verstopfung durch Sand und Eis; Angst vor schnellem Verschleiss). Das IBAR-Forschungsteam um Prof. Dr. Imad Lifa hat sich das Ziel gesetzt, wissenschaftlich tragfähige Grundlagen rund um den Coanda-Rechen zu erarbeiten und bereitzustellen.

Folgende ehemalige Mitarbeitende der FH Graubünden haben an diesem Projekt mitgewirkt:

• Sascha Dosch
• Franco Schlegel
• Barbara Krummenacher
• Max Witek

In den Medien

• Fachartikel von Dr. Benedikt Vogel: «Wasserkraft: Die Suche nach dem besten Rechen»
• Imad Lifa, Franco Schlegel (2015): «Coanda-Rechen: Für die kleinen Fasserkraft-Fassungen». Der Bauingenieur 3/2015, S. 10-11
• Sascha Dosch, Imad Lifa (2015): «Coanda-Rechen für Schweizer Gewässer». Die Baustelle 11/15, S. 96-98
• Max Witek, Imad Lifa (2021): Optimierung der Coanda-Rechen für Schweizer Gewässer. Bundesanstalt für Wasserbau (BAW).
• Imad Lifa, Seraina Braun, Max Witek, Barbara Krummenacher, Armin Peter, Claudia Beck, Robert Boes. «Optimierter Coanda-Rechen für Wasserkraft und Fisch». Wasser Energie Luft – 114. Jahrgang, 2022, Heft 3, CH-5401 Baden
• Imad Lifa, Seraina Braun: «Coanda-Rechen für Fisch und Strom».
• Imad Lifa, Seraina Braun: «Optimierte Coanda-Rechen. Swiss Small Hydro».
• Schlussberichte: Optimierung der Coanda-Rechen für Schweizer Gewässer (Phasen 1 und 2).

Beteiligte

Das Projekt wurde vom Institut für Bauen im alpinen Raum (IBAR) im Auftrag des Bundesamts für Energie umgesetzt.