Die Entwicklung unserer Fließgewässer ist speziell durch die moderne Zivilisation des Menschens im 20-ten Jahrhundert mit unzähligen wasserbaulichen Regulierungsmaßnahmen geprägt worden. Kurz zusammengefasst wurden die Fließgewässer speziell in dichter besiedelten Gebieten meist mit Steinschlichtungen hart reguliert. Die ursprünglich mäandrierenden Fließgewässerstrukturen wichen überwiegend geradlinig geführten regulierten Fließstrecken. Als Gegenmaßnahme für die damit einhergehende rasante Eintiefung der Fließgewässersohle und gegen einen damit wiederum zusammenhängenden Grundwasserabfluss in Trockenperioden wurden Sohlstufen und Querbauwerke in die regulierten Fließstrecken integriert.
Jedenfalls wurden durch die umfangreichen Regulierungsmaßnahmen die Selbstreinigungskräfte von Fließgewässern deutlich geschwächt. Es fehlen die unzähligen kleinen Wasserklärstufen, die in mäandrierenden natürlichen Fließgewässern vorhanden sind.
So bildet sich hinter jedem aus der Wasseroberfläche herausragendem Stein eine Wasserbelüftungszone mit in die Tiefe reichenden Wirbelzöpfen. Diese Wirbelzöpfe transportieren die Luft ins Wasser. Daran anschließend entwickelt sich eine biologische Abbauzone bestehend aus Wasserpflanzen, die ihre Nährstoffe aus dem Wasser und ihren Sauerstoff aus der vorgelagerten Belüftungszone beziehen. Damit können nun Schadstoffe im Fließgewässer, die gleichzeitig Nährstoffe für die Wasserpflanzen sind biologisch abgebaut werden.
Wie kann nun der Prozess der Wasserklärung in regulierten Fließgewässern wieder angekurbelt werden? Genau hier bietet das Gravitationswasserwirbelkraftwerk eine ideale Lösung. Werden nämlich Gravitationswasserwirbelkraftwerke in regelmäßigen Abständen in einen regulierten Flusslauf integriert, übernehmen die Gravitationswasserwirbelkraftwerke die Funktion der Wasserbelüftung. Dazwischen in Bereichen langsamer Wasserströmung können sich Wasserpflanzen als biologische Abbauzone entwickeln, die ihre Nährstoffe aus den in das Gewässer eingebrachten Schadstoffen beziehen.
Die ökologisch durchgängigen Gravitationswasserwirbelkraftwerke ermöglichen somit neben der Produktion von Ökostrom eine Klärung des Wassers im Fließgewässer und unterstützen die Population von gewässertypischen Wasserpflanzen, Kleinlebewesen und Fischen.
Leider ist mit herkömmlichen Wasserkraftanlagen eine positive ökologische Wirkung auf das Fließgewässer nicht zu erzielen, da vor allem die enormen Druckunterschiede bei klassischen Turbinensystemen jegliche Lebewesen beim Durchtritt durch die Turbine zerbersten lassen.
Hingegen stellt das Gravitationswasserwirbelkraftwerk ein offenes hydraulisches System dar, indem systembedingt keine hohen Druckunterschiede im Wasser entstehen können. Vielmehr nimmt der Druck im Zentrum der Wirbelströmung deutlich ab. Die Wasseroberfläche senkt sich und ein Luftschlauch zieht sich bis weit unter die Wasseroberfläche, wodurch der Gravitationswasserwirbel Luft in Form von unzähligen kleinen Luftbläschen in das Wasser transportiert. So zeigt der Gravitationswasserwirbel als elementare Strömungsform des Wassers wie die natürliche Wasserbelüftung in Fließgewässern funktioniert.
Das Gravitationswasserwirbelkraftwerk beschreitet somit in der Tat neue Wege im Wasserbau indem es einen goldenen Mittelweg zwischen der klassischen technischen Strömungslehre einerseits und der Gewässerökologie andererseits aufzeigt:
(1) Im Bereich der technischen Strömungslehre werden Wirbelströmungen als Totwasser bezeichnet, weil diese meist mit einem Strömungsabriss verbunden sind und somit beispielsweise den Wirkungsgrad von hydraulischen Maschinen reduzieren.
(2) Im Gegensatz dazu sind im Bereich der Gewässerökologie speziell Wirbelströmungen an der Wasseroberfläche für den Sauerstofftransport von der Luft ins Wasser und damit für das Leben in Fließgewässern unabdingbar.
Folgende beiden Fotos zeigen in eindrucksvoller Weise wie lebensarm „laminare - also technisch ideale - Strömung für Wasserkraftmaschinen“ (links) ist und wie lebendig „technisches Totwasser - also eine wirbelnde Strömungsform“ (rechts) ist:
Links ist ein gerader Betonkanal - hier der Zuflusskanal zu einem Gravitationswasserwirbelkraftwerk, in dem Wasser nahezu laminare also ohne nennenswerte Verwirbelungen strömen kann, abgebildet. Rechts ist die Betoninnenwand des Rotationsbeckens eines Gravitationswasserwirbelkraftwerks zu sehen, an der die Außenströmung des Gravitationswasserwirbels anliegt. Der Unterschied ist dramatisch und mit freiem Auge gut erkennbar. Und zur Verdeutlichung - im Normalbetrieb fließt dasselbe Wasser - links nahezu laminar und rechts in der Form des Gravitationswasserwirbels - mit dem Ergebnis, dass bei laminarer Wasserströmung kein oder kaum Leben im Wasser bzw. an den Kanalwänden entsteht, während in der Randströmung des Gravitationswasserwirbels bzw. an den Wänden des Rotationsbeckens ein sich üppiger Quellmoosbewuchs mit unzähligen Kleinlebewesen und (Jung-)Fischen ansiedelt.
Damit ist aus ökologischer Sicht die Qualität der Energiegewinnung aus Wasserkraft mit Hilfe von Gravitationswasserwirbelkraftwerken gänzlich anders zu bewerten als jene herkömmlicher Wasserkraftwerke, die auf Grund der enormen Druckänderungen des Wassers zwischen Druck- und Saugleitung bzw. beim Durchströmen von Düsen jegliches Leben im Wasser vernichten!
Diese Erkenntnisse lassen aber auch den sehr treffenden Schluss zu, dass regulierte Fließgewässer in Kombination mit herkömmlichen Wasserkraftwerken maßgeblich für den Artenrückgangs von Lebewesen in Fließgewässer verantwortlich sind.
Insofern zeigt das Gravitationswasserwirbelkraftwerk wie wichtig eine rasche Umsetzung der europäische Wasserrahmenrichtlinie ist. Die Fließgewässerstrukturen müssen derart gestaltet werden, dass das Wasser dynamisch, wie in einem Gravitationswasserwirbel, fließen kann, um in Fließgewässern wieder einen Lebensraum mit Wasserpflanzen samt Kleinlebewesen und Fischen zu schaffen.