Das Projekt sollte zwei anspruchsvolle Ziele für moderne Flusswehre miteinander in Einklang bringen: den Schutz von Fischen und anderen Wasserlebewesen und die effiziente Gewinnung von Wasserkraft durch eine vertikalachsige Turbine. Da diese Ziele gegensätzliche hydrodynamische Zwänge mit sich bringen, erforderte die Forschung eine umfassende Optimierung, die groß angelegte Strömungsberechnungen (CFD) mit experimenteller Validierung kombinierte. Die erste Phase konzentrierte sich auf eine einzelne Wehrstufe, während die zweite Phase die Analyse auf eine vollständige Kaskade ausdehnte, um sicherzustellen, dass sowohl die fischfreundliche Passage als auch der Energieertrag gleichzeitig maximiert wurden.
Mithilfe validierter CFD-Modelle charakterisierte das Team das Strömungsfeld innerhalb des Wehrs, einschließlich der Wirbelbildung und des Einflusses eines beweglichen „Schiebers“ (Schieber), der das Geschwindigkeitsprofil verändern kann. Die Simulationen ergaben, dass die Tiefe des Wirbelkerns stark von der Länge des Schiebers abhängt und dass eine optimale Positionierung des Schiebers die Spitzengeschwindigkeiten an der Wehrlippe reduziert und damit das Geschwindigkeitsfenster vergrößert, das für den Fischdurchgang sicher ist. Die CFD-Ergebnisse wurden mit Messungen verglichen, die mit autonomen Sonden durchgeführt wurden, die das Verhalten der Fische nachahmen. Die mit Echtzeitsensoren ausgestatteten Sonden wurden in einem fischfreundlichen Pilotwehr in Bühlau und in einem 1:1-Modell an der TU Dresden eingesetzt. Die experimentellen Daten bestätigten die simulierten Geschwindigkeitsverteilungen und zeigten, dass die kritischen Geschwindigkeiten für die stromabwärts gerichtete Wanderung von Fischen unter den in ökologischen Studien ermittelten Schwellenwerten gehalten wurden.
Weitere Simulationen untersuchten die Wahrscheinlichkeit einer Kollision zwischen Fischen und den Turbinenschaufeln. Durch die Variation des Höhenunterschieds zwischen stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Kanälen konnten die Forscher eine Reihe von Betriebsbedingungen ermitteln, die das Kollisionsrisiko minimieren und gleichzeitig die hydraulische Leistung erhalten. Die Kaskadenoptimierung berücksichtigte diese Erkenntnisse und stellte sicher, dass jede Stufe des Wehrs die deutsche Norm DWA-M 509 für die Fischpassage erfüllt. Bei der endgültigen Konstruktion wurde ein Gleichgewicht zwischen einem Kanaldurchmesser von weniger als fünf Metern – der für die Einhaltung der ökologischen Anforderungen erforderlich ist – und einer ausreichenden Fallhöhe zum Antrieb der Turbine erreicht. Das Kaskadenmodell zeigte auch, dass die Gesamtenergieentnahme im Vergleich zu herkömmlichen Wehren um bis zu 15 % gesteigert werden konnte, ohne die Fischpassage zu beeinträchtigen.
Der gemeinschaftliche Rahmen des Projekts war entscheidend für seinen Erfolg. Zu den wichtigsten Partnern gehörten das Institut für Wasserbau (IWD) der TU Dresden, das Institut für Fischbiologie (IGF) in Jena und Hydropower4U, das die detaillierte Geometrie für die CFD-Studien lieferte. Die Hochschule Zittau/Görlitz steuerte ökologisches Fachwissen bei, insbesondere bei der Validierung von fischfreundlichen Kriterien. Nach dem Ausscheiden des Industriepartners Käppler & Pausch GmbH organisierte sich das Konsortium neu und behielt einen produktiven Zeitplan bei, wobei die Projektdauer kostenneutral verlängert wurde, um die vollständigen hydrodynamischen Untersuchungen unterzubringen. Die Forschung wurde von deutschen nationalen Forschungseinrichtungen finanziert, um die Einhaltung der EU-Wasserrahmenrichtlinie und des deutschen Wasserhaushaltsgesetzes zu gewährleisten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Projekt ein wissenschaftlich robustes, fischfreundliches Wehrdesign hervorgebracht hat, das eine effiziente Energiegewinnung beinhaltet. Durch iterative CFD-Modellierung, experimentelle Validierung mit autonomen Sonden und eine multidisziplinäre Partnerschaft hat das Team eine Kaskadenkonfiguration entwickelt, die sowohl die ökologischen als auch die energetischen Anforderungen erfüllt. Die Ergebnisse liefern eine Reihe von Best-Practice-Richtlinien für künftige Anlagen zur Energiegewinnung am Flussufer und unterstützen das übergeordnete Ziel einer nachhaltigen Bewirtschaftung der Wasserressourcen.