Maschinentechnik

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Hier werden folgende Themen dargestellt:
	> Variantenvergleich
	> Variante 1 - Wasserrad oder Wasserkraftschnecken
	> Variante 2 - Turbinen
	> Variante 2.1 - konventionelle Turbinenanordnung
	> Variante 2.2 - innovative Turbinenanordnung mit beweglichem Krafthaus
	> Variante 2.3 - innovative Turbinenanordnung mit Unterflurkanal

Variantenvergleich

Bei Wasserkraftwerken können unterschiedliche Maschinentypen zur Umwandlung der im Wasser gespeicherten Energie in elektrischen Strom zum Einsatz kommen. Die traditionelle Technik besteht aus Wasserrädern, welche schon im Mittelalter eine der wirtschaftlichen Grundlagen für den technischen Fortschritt der europäischen Gesellschaften und damit deren weltweite Dominanz über rund 500 Jahre legten. Heute werden bei den meisten Wasserkraftwerken dagegen Turbinen eingebaut. Neuerdings werden bei kleineren Anlagen manchmal auch "Archimedische Schnecken" eingesetzt. Sie sind schon aus der Antike her bekannt und wurden Jahrhunderte lang als Wasserpumpen genutzt. Durch Umkehrung des Wasserflusses werden diese zu Kraftmaschinen, sog. Wasserkraftschnecken.

Nachfolgend wird ein Vergleich dieser Anlagentypen und deren Eignung für den Einsatz bei den ge­planten Wasserkraftwerken gegeben. Weitere Anlagentypen wie z.B. sog. Staudruck- oder Wirbel­strommaschinen werden nicht berücksichtigt, weil diese ent­weder zu geringe Wassermengen ab­arbeiten können oder ihre technische Wirksamkeit und Effektivität noch gar nicht oder nicht nachhaltig bewiesen wurde.

Variante 1: Wasserrad oder Wasserkraftschnecken

Der Betrieb von oberschlächtigen Wasserrädern und Wasserkraftschnecken schädigt Fische und andere aquatisch lebende Organismen, die in ihren Wirkungsbereich geraten, in geringerem Maße, als beispielsweise Turbinen. Um einen wirtschaftlichen Einsatz dieser Technik am Standort Bonaforth zu erreichen, müssten jedoch viele sehr breite Wasserräder bzw. Wasserkraftschnecken installiert werden. Somit scheitert diese Techniken an den beengten Platzverhältnissen im rechtsseitigen Vorland der Stau­stufen.

Unterschlächtige Wasserräder, bei denen das Wasser im Gegensatz zu oberschlächtigen unterhalb der Drehachse einläuft, können zwar etwas höhere spezifische Wassermengen abarbeiten, aber für diese Standorte ist die mögliche Betriebs­wasser­menge auch dieser Wasserräder nicht ausreichend. Darüber hinaus würden bei Fallhöhen von 2 m und mehr aufgrund ihres Funktionsprinzipes außer­ordentlich große Wasserräder von 8 - 10 m erforderlich. Folge hiervon wären neben hohen statischen Anforderungen Probleme bei der Hochwasserabfuhr, weil sie auf ihrer gesamten Breite den verfüg­baren Abflußquerschnitt für Hochwasser blockieren würden. Dies ist ein grundsätzliches Aus­schluß­kriterium.

Aber auch die Fischverträglichkeit muß bei unterschlächtigen Wasserrädern ohne entsprechend auf­wändigen Schutz sehr infrage gestellt werden. Ganz zu schweigen von den schlechten Wirkungsgraden, die erreicht werden können.

Variante 2: Turbinen

Im Rahmen der technischen Planungen wurde der Einsatz unterschiedlicher Turbinentypen vergleichend geprüft. Als Sub­varianten wurde der Einsatz von Kaplan-Turbinen unterschiedlicher Einbauweisen (waagerechte/geneigte und senkrechte Laufradachsen) in Betracht gezogen. Andere Turbinentypen (Francis-, Pelton-, Osbergerturbinen usw.) kommen für die geringe Fallhöhe und die zu verarbeitende Betriebswassermenge nicht in Frage. Unter fischereiökologischen Gesichtspunkten ist es aber von nach­rangiger Bedeutung, welche Einbauweise gewählt wird, insbesondere wenn ausreichende Vorkehrungen getroffen sind, das Eindringen von Fischen in die Turbinen weitgehend zu verhindern.

Variante 2.1: konventionelle Turbinenanordnung

Üblicherweise werden Turbinen bei Wasserkraftwerken so eingebaut, dass sie fest in Beton vergossen werden. Vor dem Einlauf in die Turbinen befindet sich ein Rechen mit parallelen Rechenstäben. Je nachdem, ob die Stäbe senkrecht oder waagerecht angeordnet werden, wird Rechengut nach oben oder zur Seite mittels einer Reinigungsanlage abgezogen. Für Fische besteht nur die Möglichkeit mit dem Rechengut und dem seitlich bzw. oben anschließenden Bypaß oder aber durch den Rechen und die Turbinen ins Unterwasser zu gelangen.

Dies ist die am weitesten verbreitete Anordnungsweise bei Wasserkraftwerken.

Besonderer Aufwand erfordert die sichere Ableitung von im Flußwasser mitgeführtem Geröll. Hierfür müssen geeignete Vorrichtungen vor den Turbinen und Rechen installiert werden, um sichere Abführ­möglichkeiten ins Unterwasser zu gewährleisten. Aber auch seitens des Fischschutzes wird oft bemängelt, dass keine ausreichend wirksamen Öffnungen vorhanden sind, um Fischen die Möglichkeit zu geben, am Rechen vorbei ins Unterwasser zu gelangen. Insbesondere Grund­ablässe werden beispielsweise für die Abwanderung der bodennah orientierten Aale als sinnvoll und sehr wünschenswert angesehen.

Die Unterbringung weiterer Komponenten wie Getriebe und Generator geschieht üblicherweise in einem über der Turbine angeordneten Krafthaus. Alternativ kommen immer häufiger aber auch überströmbare Anordnungen zur Ausführung, bei welchen Generator und Getriebe gekapselt in der Turbine (sog. Bulb-Turbinen) oder in einem überströmten, begehbaren Betonbauwerk sitzen. Diese Ausführungen haben den Vorteil, dass sie Geräuschemissionen reduzieren, den Hoch­wasser­quer­schnitt nicht zusätzlich verengen und nicht zuletzt die Auswirkungen auf das Landschaftsbild deutlich geringer halten.

Nach aktuellem Stand der Erkenntnisse ist bei dieser konventionellen Turbinenanordnung die Kombination der Turbinen mit einem Horizontalrechen und seitlichem Bypaß aus ökologischer Sicht die günstigste Lösung (sog. System "Gluch"). Sie führt aber dazu, dass das Gesamtbauwerk sehr breit ausgeführt werden muss, da der Bypaß neben dem Einlaufgerinne positioniert und dieser ausreichend breit ausgelegt werden muss, um auch großes Treibgut sicher ins Unterwasser zu bringen.

Variante 2.2: innovative Turbinenanordnung mit beweglichem Krafthaus

Von den Firmen Hydro-Energie Roth und HSI Hydro Engineering GmbH, die zu den führenden Planungs­büros bzw. Turbinenherstellern in Deutschland zählen, wurde ein neues Anlagenkonzept ent­wickelt, das sog. bewegliche Krafthaus. Dieses beinhaltet alle wichtigen Anlagenbaugruppen, wie Rechen, Einlauf­trichter vor der Turbine, Turbine mit Generator und Laufrad sowie den Saugschlauch als kompakte Einheit. Dabei ist das Krafthaus im vorderen Bereich vertikal drehbar gelagert und mit seinem Ende (Ende des Saugschlauches) in der Höhe verstellbar. Die Sohle des Betontroges um das Krafthaus liegt ca. 2 - 2,5 m unter diesem, wodurch es sowohl über- als auch unterströmbar ist. So kann durch Ab­senken des hinteren Endes des Krafthauses der unterspülte Bereich verschlossen werden, um Wasser­verlust zu vermeiden. Erst wenn Treibgut nach unten weggespült werden muss oder wenn mehr Betriebswasser zur Verfügung steht, als durch die Turbine abgearbeitet werden kann, wird das Krafthaus wieder angehoben und ermöglicht so die Unterspülung (vgl. WKW Gengenbach, WKW Offenburg, WKW Hausach, siehe bewegliches Krafthaus von Hydro-Energie Roth GmbH).

Ein großer Vorteil dieser Turbinenanordnung gegenüber konventionell fest eingebauten Turbinen ist, dass mitgeführtes Geschiebe unter dem Krafthaus problemlos ins Unterwasser abgeführt werden kann. Ferner kann bei angehobenem Krafthaus der Bereich darunter als zusätzliche Hoch­wasser­ent­lastung freigegeben werden.

Aus ökologischer Sicht noch wichtiger ist aber der mit dieser Anordnung erzielte Vorteil für den Schutz von Fischen. Unmittelbar vor dem Turbineneinlauf ist ein Halbrundrechen angeordnet, welcher mittels einer Reinigungsschiene nach oben und unten gereinigt wird. Die Stababstände zwischen den gebogenen Rechenstäben entsprechen denen bei vertikalen oder horizontalen Stabrechen und orientieren sich an den gesetzlichen Vorgaben. Durch die gebogene Ausführung der Rechenstäbe wird die nutzbare Rechen­fläche vergleichsweise groß, wodurch die Anströmgeschwindigkeit des einströmenden Wassers gering gehalten werden kann. Entsprechend große Rechenflächen führen bei ebenen Rechenflächen, wie sie her­kömmliche vertikale oder horizontale Stabrechen darstellen, zu sehr großen und kostenintensiven Einlauf­bauwerken.

Durch ausreichend große Dimensionierung des Bereiches unter der Turbine kann bei angehobenem Krafthaus ein bedeutender Wasserstrom unter der Turbine hindurch erzeugt werden, dessen Fließgeschwindigkeit je nach verfügbarer Wassermenge deutlich größer sein kann, als die des Betriebs­wassers durch den Rechen. Dadurch wird eine Lockströmung an dem Rechen und der Turbine vorbei erzeugt, so dass Fische, die sich oft an den stärksten Strömungen im Wasser orientieren, mit großer Wahrscheinlichkeit gar nicht mit dem Rechen in Berührung kommen und nicht Gefahr laufen, an den Rechen gedrückt oder gar durch den Rechen in die Turbine gezogen und dort verletzt zu werden. Insbesondere Aale gelten als die am meisten von Wasserkraftanlagen gefährdete Fischart. Da deren Bewegungsverhalten durch bodennahes Wandern gekennzeichnet ist, profitiert der Schutz der Aale ganz besonders von dieser Anordnung.

Ejektor-Effekt

Die Anlagenkonzeption bietet schließlich noch die Möglichkeit zur höheren Stromausbeute bei hohen Abflüssen im Gewässer, als dies mit konventionellen Anordnungen möglich wäre. Physikalisch erklärt sich dies so: Das Wasser, welches unter der Anlage hindurch fließt, strömt schneller, als das Betriebs­wasser, welches durch Turbine und Saugschlauch fließt. Am Ende des Saug­schlauches kommen beide Strömungen wieder zusammen. Wenn aber eine schnelle und eine langsame Strömung in der gleichen Richtung auf­einander treffen, so reißt die schnelle die langsame teilweise mit sich, sie beschleunigt also die langsameren Wasser­teilchen mit der Folge, dass der Wasserstand unmittelbar hinter dem Saug­schlauch etwas absinkt (Zusammenhang: abfließende Wassermenge Q = Abflußquerschnitt x Abfluß­geschwin­dig­keit). Abge­senkter Unterwasserstand bedeutet aber eine höhere nutzbare Fallhöhe (der Ober­wasser­stand bleibt ja unverändert) und dies führt zu einer größeren Leistung der Turbine. Dieser Vorgang wird von den Erfindern dieses Konzeptes Ejektor-Effekt genannt.

Bei Abflüssen, die über das hinaus gehen, was die Turbine abarbeiten kann, wird nun also der Bereich unterhalb geöffnet, es fließt Wasser hindurch, reißt das aus dem Saugschlauch kommende Betriebs­wasser mit sich fort und erhöht so die Fallhöhe sowie die Leistung der Anlage. Das unterhalb abfließende Wasser wäre bei herkömmlichen Anlagen ungenutzt über das Wehr abgeflossen. Es entsteht so also eine höhere Stromerzeugung gegenüber einer konventionellen Wasserkraftanlage an gleicher Stelle.

Nachteile des beweglichen Krafthauses ergeben sich aus der Konstruktion: Um das Krafthaus aus­reichend verwindungssteif zu gestalten, muss die Konstruktion sehr stabil ausgeführt werden. Dies führt zu beträchtlichen Gewichten der Anlage (bei der erforderlichen Größe des beweglichen Kraft­hauses an den Standorten Wilhelmshausen und Bonaforth ca. 145 t), welche wiederum beim Einbau ent­sprechend großer Hebe- und Transportvorrichtungen bedürfen. Aufgrund der Gegebenheiten am Stand­ort, insbe­son­dere aber wegen der Brücke über die Wehranlage, welche den Zugang zum Einsatzort erschwert (beispielsweise kann kein zweiter Autokran aufgestellt werden), kann ein bewegliches Krafthaus nur mit sehr hohem zusätzlichen Aufwand überhaupt installiert werden. Selbst die größten ver­fügbaren Autokräne (800 t max. Hublast) können diese Bauteile nicht alleine vom vorgesehenen Kranstell­platz bis zur Einbauposition heben!

Außerdem gehen die kompakte Bauweise und das hohe Gewicht mit sehr hohen Kosten für diese Konstruktion einher. Auch die hohe Präzision bei der Errichtung des Turbinentroges aus Beton, die nötig ist, um das Schwenken des Krafthauses über mehrere Höhenmeter zu gewährleisten, führt zu Kostensteigerungen. Schließlich ergibt sich ein unternehmerisches Risiko, weil diese Bauart nur von einem einzigen Hersteller angeboten wird.

Variante 2.3: innovative Turbinenanordnung mit Unterflurkanal

Aufgrund der technischen Probleme, ein bewegliches Krafthaus zu installieren, hat der Planer des Vor­habens ein eigenes Konzept entwickelt. Hierzu werden bekannte und weithin erprobte Baugruppen so angeordnet, dass herkömmliche, voll überströmbare Kaplan-Rohrturbinen (Bulb-Turbinen) fest einbetoniert und von einem wasserführenden Kanal unter der Turbine unterspült werden. Die hierbei eingesetzten Bauteilgewichte betragen maximal 30 bis 45 t und sind somit von einem Autokran alleine versetzbar (Ein weiterer Autokran könnte aufgrund der beengten Platz­verhältnisse und der vorhandenen Brücke mitten über den Standort auch bei dieser Lösungsvariante nicht wirkungsvoll eingesetzt werden).

Der Unterflurkanal wird so dimensioniert, dass - wie beim angehobenen, beweglichen Krafthaus - auch grobes Treibzeug wie Baumstämme und Äste sowie Geschiebe wie Sand und Steine bis hin zu Felsbrocken ins Unterwasser abgeführt werden können. Im Unterflurkanal ist eine Klappe ange­ordnet, um den Wasserdurchfluß zu regulieren. Vor dem Einlauf der Rohrturbine wird ein Halbrund­rechen platziert, so dass dieser - ebenfalls wie beim beweglichen Krafthaus - nach oben und nach unten gereinigt werden kann. Über der Turbine kommt eine weitere Spülklappe zum Einsatz für die Abfuhr des nach oben geschobenen Rechengutes. Beide Klappen erlauben auch die Abwanderung von Fischen ins Unterwasser.

Vorzüge gegenüber dem "beweglichen Krafthaus"

Alle erwähnten positiven Wirkungen des beweglichen Krafthauses gegenüber einer konventionellen An­ordnung werden so eben­falls erreicht, gleichzeitig aber die mit dieser Bauart verbundenen Nachteile reduziert oder ganz vermieden (z.B. über­schwere Bauteile, sehr hohe Kosten).

Neben den technisch-wirtschaftlichen Vorzügen werden auch noch ökologische Verbesserungen gegen­über dem beweglichen Krafthaus erzielt:

Beim Anheben des beweglichen Krafthauses treten hohe Fließgeschwindigkeiten im Öffnungsspalt auf. Befinden sich Fische vor dem Anheben in der Spitze, welche vom noch abge­senkten Krafthaus und der Sohle gebildet wird (beispielsweise Aale drücken sich gern in solche Ecken), so werden sie sofort vom Wasser im Öffnungsspalt mit der hohen Aus­tritts­geschwindigkeit (je nach Fallhöhe kann diese 4, 5 oder gar 6 m/s betragen) erfasst und möglicherweise geschädigt.

Auch beim geplanten Kraftwerk mit Unter­flurkanal treten hohe Fließgeschwindigkeiten auf, jedoch nicht an der Sohle des Unterflurkanals, sondern in einer Höhe von ca. 2 m, weil die Unterflurklappe ihren Dreh­punkt auf der Sohle hat und der Öffnungsspalt an der Decke des Unterflurkanals aufgeht. Dadurch wird der große Wasserkörper vor der Klappe nur langsam beschleunigt. Bei einer Höhe von ca. 2 m reduziert sich die Fließgeschwindigkeit des Wasserkörpers im Querschnitt an der Sohle der Klappe gegen­über der Fließgeschwindigkeit im Bereich des Öffnungsspaltes stark. Da die Fische, insbesondere die Aale, überwiegend bodennah wandern, werden sie so nur von einer geringen Anfangs-Fließge­schwin­digkeit erfasst und die Konstruktion erweist sich als vorteilhaft für den Fischabstieg im Unter­flurkanal.

Außerdem wurde beim beweglichen Krafthaus im Augenblick des Anhebens eine Scheuchwirkung auf Fische beobachtet, die sich im mittleren Bereich unter der Anlage befinden. Dies ist ver­mutlich auf die Tatsache zurückzuführen, dass sich beim Anheben des Krafthauses die ganze Decke des Aufent­halts­raumes der Fische plötzlich bewegt und die Fische dann nach Oberwasser flüchten.

Diese Scheuchwirkung erfolgt bei der geplanten "Unterflurlösung" nicht, da der Unterflurkanal auf seiner ganzen Länge aus einer starren Betonkonstruktion besteht und sich nur die Klappe am Ende des Kanals beim Öffnen bewegt. Durch das zuvor beschriebene Verhältnis zwischen Öffnungsspalt und Kanal-Querschnitt wird der Wasserkörper im Kanal relativ langsam in Bewegung nach Unterwasser gesetzt und die dort befindlichen Fische erfahren kein "Schreckmoment".

In den Seitenwänden eines jeden Unterflurkanals werden zusätzlich Aalrohe (Durchmesser 200 mm) an­geordnet, welche unabhängig von den Unterflurklappen in den Hauptwanderzeiten dauer­haft geöffnet werden können und Aalen somit die Abwanderung ins Unterwasser ermöglichen. Die Einlaßöffnungen der Aalrohre befinden sich links und rechts seitlich vor dem Fuße der Unterflurklappen.

Zusammenfassung der Vorteile:

Vorteile, die mit dem Einsatz eines beweglichen Krafthauses verbunden sind:

• problemlose Abführung von Treibgut und Geschiebe ins Unterwasser
• zusätzliche Hochwasserentlastung durch Freigeben der Öffnung unter der Turbine
• Verwendung eines Halbrundrechens; dadurch vergleichsweise große Rechenflächen und geringe An­strömgeschwindigkeiten bei kompakten Einlaufbauwerken möglich
• hohe Fischverträglichkeit durch
  • Unterspülung des Kraftwerkes und starke Lockströmung am Rechen vorbei und
  • großflächige Durchgangsmöglichkeit für sohlnah abwandernde Fische (z.B. Aale)
• größere Unterflur-Wassermengen sorgen für zusätzliche Energieerzeugung durch Saugeffekt am Ende des Saug­schlauches
• Kostenersparnis durch
  • Wegfall eines separaten Rechenbauwerkes mit Spülrinne bzw. Bypaß
  • Wegfall zusätzlicher Baumaßnahmen für die Abführung des Geschiebes (z. B. Sohlwand mit Spülklappe)
  • kleinere, kompaktere Ausführung des Einlaufgerinnes
• sicherer, wartungsarmer Betrieb der Anlage

Dem gegenüber werden die Nachteile des beweglichen Krafthauses vermieden durch:

• Einsatz von vielfach eingesetzten und erprobten Bauteilen und Baugruppen
• durch feste Montage der Turbinen und Saugschläuche in Beton können Schwingungen sicher auf­genommen werden und keine schädlichen Wirkungen entfalten
• Gewichte und Einbauerfordernisse halten sich im üblichen Rahmen für Wasserkraftanlagen (keine überschweren Bau­gruppen)
• Kostenersparnis durch die Verwendung von üblichen Baugruppen (herkömmliche, überströmbare Rohrturbinen, Stauklappen, Halbrundrechen) und üblichem Transport- und Hebezeug
• Kostenersparnis durch größere Maßtoleranzen in der Bauausführung als beim beweglichen Kraft­haus
• günstige Zuliefersituation, da keine Exklusiv-Bauteile erforderlich sind, die nur von einem Her­steller angeboten werden

Folgerung:
Der Bau von voll über- und unterströmbaren Kaplanturbinen mit festem Unterflurkanal bringt Vor­teile gegenüber allen anderen Anordnungen und bietet vor allem dem gefahr­losen Abwan­dern von Fischen die besten Möglich­keiten. Diese Variante wurde daher als Vor­zugs­lösung ge­wählt.

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