Die Nachhaltigkeit bei der Stromproduktion ist in der Schweiz ein vieldiskutiertes Thema. Aber nicht jede erneuerbare Energie wird bei genauerer Betrachtung auch möglichst umweltschonend produziert. Für die Stromgewinnung aus Wasserkraft sind oft grosse bauliche Eingriffe in die Umwelt erforderlich, welche auch langfristig die Ökologie der Gewässer beeinträchtigen. Das Institut für Bauen im alpinen Raum IBAR untersucht mit dem Coanda-Rechen eine Möglichkeit, die ökologischen Auswirkungen bei Wasserfassungen an Wildbächen zu minimieren.

Text: Sascha Dosch, Bild: Sascha Dosch

Strom wird aus vielen verschiedenen Quellen gewonnen – manche sind umweltverträglich, manche gelten als weniger nachhaltig. Graubünden kann aufgrund seiner Lage und Topographie einige Formen dieser erneuerbaren und nachhaltigen Energiequellen nutzen: Der Föhn wird durch den Windgenerator bei Haldenstein in Strom umgewandelt, unzählige kommerzielle und private Solaranlagen sorgen unter anderem für den Betrieb von Skiliften oder für Licht in entlegenen Berghütten; zudem wurden in der Vergangenheit bereits Abklärungen zur Nutzung von Geothermie im Churer Rheintal oder dem Prättigau durchgeführt.

Den bei weitem grössten Teil der nachhaltig produzierten Energie in Graubünden und der ganzen Schweiz stellt jedoch die Wasserkraft. Graubünden ist zusammen mit dem Wallis für rund die Hälfte der schweizerischen Wasserkraftproduktion verantwortlich. Dabei wird die Mehrheit der Energie in Grossanlagen wie Flusskraftwerken oder Pumpspeicherkraftwerken gewonnen.

Strom aus Wildbächen

Eine weitere Form der Stromproduktion sind Kleinwasserkraftwerke, welche zum Beispiel als Mühlen schon seit Jahrhunderten eingesetzt werden. Graubünden bietet viele Möglichkeiten zum Einsatz kleinerer Wasserkraftwerke durch Nutzung der Topographie. Wildbäche werden möglichst hoch gefasst und über lange Druckleitungen wird das Wasser mit grosser Geschwindigkeit auf Turbinen geleitet. Diese wandeln die kinetische Energie des aufprallenden Wasserstrahls in mechanische Energie um und produzieren über Generatoren Strom. Das genutzte Wasser wird danach wie-der dem natürlichen Kreislauf zugeführt.

Bei solchen Anlagen ist es wichtig, dass vom Bach mitgeführtes Geröll und Sand nicht in die Druckleitung gelangen, da sie für einen grossen Verschleiss an den Schaufelrädern der Turbinen sorgen würden. Dieser als Abrasion bekannte Prozess würde den Wirkungsgrad der gesamten Kraftwerksanlage verringern und die Schaufelräder müssten mit der Zeit ersetzt werden. Die Trennung von Wasser und Geschiebe erfolgt direkt bei der Fassung des Wildbachs. Fassungen werden in der Schweiz heute hauptsächlich noch mit einem Tiroler Wehr ausgeführt. Bei dieser traditionellen Methode wird das Wasser über einen liegenden Fallrechen mit einer Spaltweite von bis zu 10 cm zwischen den einzelnen Stäben geleitet. Dadurch wird das Grobgeschiebe mit dem überschüssigen Bachwasser in den Unterlauf geleitet, während das Triebwasser mit Kies und Sand gefasst wird.

Um diese Sedimente auszuscheiden, muss nachfolgend ein Sandfang gebaut werden. Dies ist ein längliches Bauwerk, in welchem das Wasser beruhigt wird und die Feststoffe sich allmählich aufgrund ihres Gewichts am Boden ablagern. Das Wasser wird am Ende des Sandfangs über einen Überfall in die Druckleitung geleitet. So sind im Wasser anschliessend nur noch Schwebstoffe enthalten, welche zu leicht sind, um sich im Sandfang abzusetzen, und zu klein sind, um an den Schaufelrädern der Turbine übermässigen Verschleiss zu bewirken. Durch diese bewährte Fassungsart können sehr grosse Wassermengen gefasst werden; sie erfordert jedoch die Erstellung eines Sandfangs, welcher aufgrund der meist engen Platzverhältnisse bei Wildbächen oft teuer in den Hang gebaut werden muss. Zudem ist das Tiroler Wehr ökologisch nicht unbedenklich, da aufgrund der grossen Spaltweiten Fische verletzt oder durch den Rechen fallen und in die Fassung geraten können. Durch den Bau wird eine künstliche Barriere in der Längsvernetzung des Baches geschaffen.

Ökologische Alternative: der Coanda-Rechen

Der Coanda-Rechen ist eine unterhaltsarme und umweltschonende Alternative, welche in der Schweiz jedoch noch nicht weit verbreitet ist. Mittels eines Forschungsprojekts möchte die FH Graubünden den Coanda-Rechen für den Einsatz in Schweizer Gewässern optimieren. Coanda-Rechen werden in den USA seit Jahrzehnten eingesetzt, hauptsächlich im Bergbau. Ein Coanda-Rechen besteht aus scharfkantigen und quer zur Fliessrichtung angeordneten Stäben. Die Stäbe sind leicht schräg angeordnet (ca. 3° bis 6° Neigung), wodurch das Stabprofil in das überfliessende Wasser hineinragt und beim Wasserstrom jeweils ein Teil abgeschert wird («aquashear»). Die einzelnen Stäbe haben geringe Abstände von 0,2 mm bis 3,0 mm, weswegen Treibgut und Sedimente wie Kies und Sand weitgehend nicht gefasst werden, sodass oftmals auf die zusätzliche Erstellung eines Sandfangs verzichtet werden kann. Ein Rechen mit einem Stababstand von 1,0 mm hält gemäss Angaben der Hersteller neunzig Prozent der über 0,5 mm grossen Feststoffe im Wasser von der Fassung fern. Die gefassten Partikel bewirken bei den Schaufelrädern der Turbine nur eine vernachlässigbare Abrasion. Bei der Fassung wird die Tatsache ausgenutzt, dass Wasser beim Fliessen über eine gekrümmte Oberfläche an der Krümmung entlangläuft, statt sich in der ursprünglichen Fliessrichtung weiterzubewegen (siehe Bild Löffel). Durch diesen Effekt folgt das strömende Was-ser dem Stabprofil und fliesst in einen Sammelkanal, während die mitgeführten Sedimente im Hauptstrom verbleiben und über den Rechen ins Unterwasser gelangen.

Der Fischabstieg ist durch die geringen Spaltweiten problemlos möglich; die Fische kommen ohne Verletzungen in das Unterwasser und können auch nicht in die Fassung gelangen. Dadurch ist der Coanda-Rechen aus ökologischen Gesichtspunkten dem Tiroler Wehr vorzuziehen und hat in Fischerei-Kreisen bereits Anklang gefunden. Zudem sind Coanda-Rechen grösstenteils selbstreinigend, da das auf dem Rechen liegenbleibende Treibgut und Laub durch das Überschusswasser mitgerissen wird. Es kann somit auf eine Rechenreinigungsanlage verzichtet werden, womit kein Stromanschluss bei der Fassung notwendig ist. Wenn darüber hinaus kein Sandfang erstellt werden muss, entfällt auch das periodische Spülen der sich dort abgesetzten Sedimentstoffe.

Diesen Vorteilen steht das verminderte Schluckvermögen des Coanda-Rechens gegenüber. Der Rechen kann im Idealfall bis zu ca. 150 Liter pro Laufmeter fassen, während bei einem Tiroler Wehr bis zu 2 000 Liter pro Laufmeter gefasst werden können. Dies hat zur Folge, dass der Coanda-Rechen besonders für grosse Anlagen uninteressant ist, da der erforderliche Platz für die Fassung der gewünschten Wassermenge nicht vorhanden ist.

Verbesserungspotenzial wird untersucht

Aufgrund dieser theoretischen Eigenschaften des Coanda-Rechens wurden im Rahmen des Forschungsprojektes verschiedene in Betrieb stehende Rechen untersucht und deren im Einsatz beo-bachtete Vor- und Nachteile im Dialog mit den Betreibenden festgehalten.

Der Abrieb und der Verschleiss der scharfkantigen Stabprofile des Rechens stellen ein Problem dar, weil die einzelnen Stäbe mit der Zeit abrunden und die Entnahmemenge dadurch kontinuierlich reduziert wird. Die Rechen weisen je nach Geschiebeanfall eine Lebensdauer von ca. 10 bis 15 Jahren auf, wobei die Rechen bei Gletscherwasser teilweise bereits nach fünf Jahren ersetzt werden müssen. Der Abrieb kann vermindert werden, indem über dem Coanda-Rechen ein Schutzrechen montiert wird, wodurch das grobe Geschiebe vom eigentlichen Fassungsrechen ferngehalten wird.
Zudem gibt es Erfahrungsberichte von Betrieben, dass die Rechen verstopfen können. Dies kann durch die Bildung von Quellmoos oder, bei hartem Wasser, durch Verkalken erfolgen. Dabei werden jeweils die schmalen Spalten zwischen den Stäben ausgefüllt, wodurch die Fläche des Coanda-Rechens und somit die Schluckfähigkeit abnehmen. Der gleiche Effekt kann zeitweise auch im Winter durch Vereisung auftreten.

Zusätzlich zu diesen Erfahrungswerten der Betriebe werden anhand wissenschaftlicher Feld- und Modellversuche die in der Praxis auftretenden Schluckvermögen und Ausscheidungsgrade der Sedimentpartikel ermittelt und mit den theoretischen Angaben der Hersteller verglichen. Dadurch sollen die Herstellerangaben verifiziert und die Planung der Anlagen vereinfacht werden.

Als Resultat des Forschungsprojektes soll der Coanda-Rechen für den Einsatz in Schweizer Wildbächen technisch optimiert werden. Für die projektierenden Ingenieurinnen und Ingenieure sollen anschliessend Planungshilfen und Bemessungsgrundlagen erarbeitet werden: Wie kann der Verschleiss durch Geschiebe minimiert werden? Durch welche Konstruktion und Anordnung kann die Schluckfähigkeit der Rechen erhöht werden? Welches sind die optimalen Stababstände in Abhängigkeit von den örtlichen Gegebenheiten? Wie kann ein Verstopfen des Rechens durch Moos, Kalkbildung oder Vereisung verhindert werden? Mit welchem Ausscheidungsgrad von Partikeln kann bei verschiedenen Spaltweiten gerechnet werden?

Dadurch soll die bei den Anlagebetreibenden immer noch vorhandene Skepsis gegenüber diesen innovativen Rechen abgebaut werden und der Coanda-Rechen soll für zukünftige Anlagen als unterhaltsarme und umweltschonende Alternative zum Tiroler Wehr propagiert werden. Die Arbeiten des IBAR werden noch bis 2017 andauern.