Fischfreundliche Pumpen: Wie innovative Hydraulik Hochwasserschutz mit Naturschutz verbindet
Technik passt sich erfolgreich der Natur an: Seit 2024 bewährt sich eine von KSB entwickelte, fischgängige Pumpe in Kudensee in Schleswig-Holstein. Fische wie Aale durchschwimmen diese dank abgerundeter Kanten und abgestimmter Anströmwinkel sicher auf ihren Wanderungen.
Kudensee ist ein 2,46 km² großes Naturschutzgebiet in Schleswig-Holstein: eine breite Wasserfläche, die von hohen Schilfwänden und grünen Feuchtwiesen eingerahmt wird. Der See ist ein wichtiges Laich- und Aufzuchtgebiet für zahlreiche Fischarten(öffnet in einem neuen Tab). Neben Brachsen finden sich hier besonders viele Aale. Der vom Aussterben bedrohten Tierart dient der dichte Schilfgürtel als Versteck. Wenn die Fische die Geschlechtsreife erreichen, machen sie sich auf den Weg zu ihren Laichgebieten in der Sargassosee.
Lange Zeit wartete jedoch gleich zu Beginn ihrer Reise ein Hindernis auf sie: das Schöpfwerk Kudensee. Da der Kudensee unterhalb des Meeresspiegels liegt, ist diese Pumpstation notwendig, um Wasser aus dem Kudensee in den nahe gelegenen Nord-Ostsee-Kanal zu fördern. Für die Aale ist sie der einzige Weg aus dem See. Beim Passieren des Schöpfwerks kamen viele Tiere durch die Laufräder der Pumpen ums Leben.
Lange Zeit wartete jedoch gleich zu Beginn ihrer Reise ein Hindernis auf sie: das Schöpfwerk Kudensee. Da der Kudensee unterhalb des Meeresspiegels liegt, ist diese Pumpstation notwendig, um Wasser aus dem Kudensee in den nahe gelegenen Nord-Ostsee-Kanal zu fördern. Für die Aale ist sie der einzige Weg aus dem See. Beim Passieren des Schöpfwerks kamen viele Tiere durch die Laufräder der Pumpen ums Leben.
Das Schöpfwerk Kudensee pumpt Wasser über einen Deich in den Nord-Ostsee-Kanal, um den Wasserstand des gleichnamigen Naturschutzgebietes zu regulieren.
Kudensee zeigt ein allgemeines Problem des Gewässerschutzes: Wanderfische wie Aale oder Lachse legen während ihres Lebenszyklus große Strecken zurück. Gleichzeitig benötigen viele Regionen Pump- und Schöpfwerke, um Hochwasserschutz sowie den Schutz tiefer liegender Küsten- und Marschgebiete sicherzustellen. Fische erleiden in Pumpanlagen jedoch Schäden, wenn sie mit Kanten von Laufrad oder Leitrad zusammenstoßen, starke Scher- und Deformationskräfte auf sie einwirken oder schnelle Druckwechsel zu einem plötzlichen Anwachsen der Schwimmblase führen.
Besonders Axial- und Diagonalstrompumpe vereinen diese Risiken, weil dort hohe Blattspitzengeschwindigkeiten, enge Spalte, ungünstige Anstellwinkel oder starke Spaltströmungen gleichzeitig auftreten. Insbesondere Aale sind davon betroffen: Aufgrund ihres langen, schlangenförmigen Körpers ist bei ihnen die Wahrscheinlichkeit hoch, von Laufradkanten zerschnitten oder gequetscht zu werden. Eine Studie des belgischen Instituut voor Natuur- en Bosonderzoek (INBO) stellte fest, dass etwa 97 Prozent der Tiere sterben(öffnet in einem neuen Tab), wenn sie versuchen, eine Pumpstation mit einer Zentrifugalpumpe zu durchschwimmen.
2020 begann KSB eine Zusammenarbeit mit einem Konsortium aus Pumpen- und Turbinenentwicklern, Strömungsspezialisten und Forschungsinstituten aus der Biologie, darunter das Institut für Strömungsmechanik und Strömungstechnik der Otto-von-Guericke-Universität Magdeburg und das Institut für Gewässerökologie und Fischereibiologie (IGF) in Jena. Das Ziel der Gruppe war, eine fischfreundliche Pumpe für das Schöpfwerk Kudensee zu entwickeln. Der Deich- und Hauptsielverband Dithmarschen (DHSV) stellte das Schöpfwerk als Testobjekt zur Verfügung, weil er die fischfreundliche Pumpentechnik auf Alltagstauglichkeit prüfen wollte. Außerdem sollte eine bestehende Pumpe durch ein leistungsstärkeres Aggregat ersetzt werden, ohne das Bauwerk umbauen zu müssen.
Das Konsortium hatte eine zentrale Herausforderung: Fischfreundliche Pumpengeometrien müssen auf scharfe Kanten verzichten, gleichmäßigere Strömungsverhältnisse erzeugen, Scherkräfte reduzieren, Druckverläufe glätten und die Relativgeschwindigkeiten an kritischen Übergängen senken. Diese Verbesserungen geraten jedoch schnell in Konflikt mit den Anforderungen an einen hohen Wirkungsgrad, an das Saugverhalten und an die bauliche Integration. Eine erfolgreiche Entwicklung erfordert daher eine systematische Optimierung mehrerer Ziele unter realistischen Betriebsbedingungen.
Vereinfacht wurde die Arbeit des Konsortiums durch die Einführung der Fischdurchgängigkeits-Norm NEN 8775(öffnet in einem neuen Tab) aus den Niederlanden im Jahr 2020. Sie bietet ein klares zweistufiges Bewertungssystem, das modellgestützte Prognosen mit praktischen Versuchen kombiniert. Die Norm gibt für Tests einheitliche Fischarten, Stückzahlen und Beobachtungszeiträume vor. Für jeden Test werden mindestens 100 Tiere pro Fischart sowie passende Kontrollgruppen verlangt. Damit können Biologen sowohl akute Sterblichkeit als auch subletale Schäden mit ausreichender statistischer Sicherheit erfassen.
Die Hydraulikspezialisten von KSB und der Otto-von-GuerickeUniversität kombinierten klassische hydraulische Gestaltungsmethoden, numerische Strömungssimulationen (CFD) und eine Analyse nach der Diskrete-Elemente-Methode (DEM), die Fische virtuell abbildete. Diese „digitalen Fische“ besaßen definierte Größen und Dichten. Die virtuellen Tiere bewegten sich durch das per CFD berechnete Strömungsfeld.
Das Modell ermittelte hydrodynamische Kräfte, Druckunterschiede und mögliche Kollisionen nach den Newton’schen Bewegungsgleichungen. So entstand ein genaues Bild davon, welche Wege die virtuellen Fische nahmen, wo sie Kontakt mit Bauteilen hatten und an welchen Stellen kritische Belastungsspitzen auftraten. Dank dieser Kopplung identifizierten die Konstrukteure schon früh Bereiche mit erhöhtem Verletzungsrisiko – etwa am Laufradeintritt, im Leitradspalt oder am Auslauf. Die Entwickler entschärften diese Zonen schrittweise, lange bevor sie erste Prototypen bauten.
Die Basis für die neue fischfreundliche Hydraulik aus Bremen war die bewährte Rohrgehäusepumpen-Baureihe SEZ. Diese setzt KSB seit Jahrzehnten für den Transport großer Wassermengen in der Wasserhaltung, Bewässerung und Kühlwasserförderung ein. Die räumlichen Vorgaben des Schöpfwerks Kudensee begrenzten die möglichen Geometrien und die Gestaltung des Leitrades deutlich. Dadurch gewann das präzise Zusammenspiel aus hydraulischem Entwurf, digitaler Simulation und anschließender Validierung an Bedeutung.
Vor den Versuchen mit lebenden Fischen nutzte ein interdisziplinäres Team aus Computer- und Elektronikspezialisten, Hydraulikern, Konstrukteuren sowie Biologen passive Sensorkörper als Fischersatz, welche die verschiedenen Belastungsarten erfassten. Diese „künstlichen Fische“ durchströmten die Anlage unter klar definierten Betriebsbedingungen und lieferten Messdaten, mit denen die Entwickler ihre numerischen Modelle kalibrierten und die Grundlage für die Freigabe der späteren Lebendtests schufen.
Künstliche Fischkörper und Sensormodelle dienten dazu, Strömungswege und Belastungen in der Pumpe vor den Versuchen mit lebenden Fischen zu untersuchen.
Der wichtigste Test für die neu entwickelte Pumpe war schließlich ein Versuch mit lebenden Fischen. Die Tierschutzkommission erlaubte den Versuch, weil das Team durch die Simulationen und Sensortests glaubhaft zeigen konnte, dass keine hohe Sterblichkeit bei den Fischen zu erwarten war. Die tatsächlich aufgetretene Sterblichkeitsrate lag sogar deutlich unter den erwarteten Werten, was auf die Optimierung des Designs mit CFD, DEM und den Sensortests zurückzuführen war. Letztlich wurden die Tests nach NEN durchgeführt, um die Vergleichbarkeit zu wahren.
Das übergeordnete Ziel bei der Entwicklung der Simulations- und Sensormethoden ist aber, irgendwann komplett auf Lebendfischversuche verzichten zu können. Während der Tests mit lebenden Fischen untersuchte das Team sechs Fischarten, darunter die besonders empfindlichen Arten Brachse, Europäischer Aal und Rotauge.
Die Untersuchungen zeigten nach 48 Stunden eine Mortalitätsrate von unter 10 Prozent und zusätzlich hohe Wiederfangquoten. Die Ergebnisse erfüllen damit nicht nur die Anforderungen der geltenden Normen wie der NEN 8775, sondern setzen auch neue Maßstäbe für den Fischschutz im Pumpbetrieb. Das gilt vor allem, weil gerade Brachsen in anderen als „fischfreundlich“ beworbenen Systemen durch ihre große Länge und ihre Körperhöhe häufig deutlich höhere Verlustraten aufweisen.
Im August 2024 wurde die fischfreundliche SEZ F-Pumpe(öffnet in einem neuen Tab) in das Schöpfwerk Kudensee eingebaut. Seither ermöglicht sie Aalen eine sichere Wanderung in ihre Laichgebiete. Die Ergebnisse aus Kudensee zeigen, dass sich wirksamer Fischschutz nicht nur über Umgehungslösungen wie Fischtreppen, sondern auch direkt in der Pumpe mit angepasster Betriebsweise erreichen lässt.
