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Moderne Schneckentechnik für einen Kraftwerks-Oldtimer KW HINTERSTEIN

Foto: Allgäuer Ktaftwerke

Nach über 120 Jahren wurde am Wehr des Hintersteiner Kraftwerks wieder die ökologische Durchgängigkeit hergestellt. Dank der patentierten Schneckentechnik von Rehart produziert das neue Konrad-Zuse-Kraftwerk gleichzeitig Strom.

MODERNE SCHNECKENTECHNIK FÜR KRAFTWERKS-OLDTIMER IN HINTERSTEIN

In den vergangenene Monaten wurde am traditionsreichen Kraftwerk Hinterstein in der bayerischen Gemeinde Bad Hindelang ein weiteres Kapitel Wasserkraftgeschichte geschrieben. Im Frühling wurde die energetische und ökologische Sanierung der Wehranlage fertiggestellt und das Kraftwerk, das bereits seit 1897 Strom erzeugt, betriebsfit für die Anforderungen des 21. Jahrhunderts gemacht. Realisiert wurde dabei ein innovatives Anlagenkonzept mit zwei Wasserkraftschnecken aus dem Hause Rehart: einer größeren für den Fischabstieg, die zugleich 500.000 kWh Strom im Jahr erzeugt, und einer kleineren für den Fischaufstieg. Der Allgäuer Kraftwerke GmbH als Betreiberin der Anlage gelang damit nicht nur ein wichtiger regionaler Beitrag zur Energiewende, sondern auch ein beachtlicher ökologischer Schritt: Schließlich erhielt die Ostrach damit ihre gewässerökologische Durchgängigkeit zurück.

Im idyllischen Bergdorf Hinterstein, einem Ortsteil der Gemeinde Bad Hindelang, betreibt die Allgäuer Kraftwerke GmbH ihr ältestes Wasserkraftwerk. Das gleichnamige KW Hinterstein lieferte bereits 1897 erstmalig Strom und gilt somit als Keimzelle der regionalen Energieversorgung. Seine Errichtung stellte damals eine wahre Pionierleistung dar, unterstrichen durch die Tatsache, dass in Verbindung damit das 17. Überland-Elektrizitätswerk in Deutschland gegründet wurde. Bis zum heutigen Tag repräsentiert die Anlage einen wichtigen Baustein der Versorgungsstrategie der Allgäuer Kraftwerke GmbH. Entsprechende Bedeutung wird einem soliden Betriebszustand der Anlage beigemessen. Bereits im Jahr 2000 wurde die Maschinenzentrale einer Generalsanierung unterzogen. Die alte Maschinentechnik wurde ausgebaut, das Kraftwerk zu einer vollautomatischen und ferngesteuerten Ökostromanlage umgebaut. Dabei wurde die ursprüngliche Francisturbine durch eine Diagonalturbine mit Asynchrongenerator ersetzt. Eine sinnvolle Maßnahme im Hinblick auf das schwankende Wasserdargebot der Ostrach. „Die Diagonalturbine punktet vor allem im unteren Teillastbereich durch einen höheren Wirkungsgrad“, bestätigt Karlheinz Loitz, Projektleiter und Prokurist bei der Allgäuer Kraftwerke GmbH. Die installierte Leistung liegt heute bei 210 kW. Damit liefert das Kleinkraftwerk jährlich ca. 1,5 Mio. kWh, also genug, um rund 500 Haushalte mit grüner Energie zu versorgen.

Foto: Allgäuer Kraftwerke

Im April letzten Jahres starteten die Bauarbeiten für die Komplettsanierung des Wehrs in Hinterstein.

Foto: Allgäuer Ktaftwerke Im unverbauten Zustand werden die Dimensionen deutlich: Die von Rehart konzipierte, gelieferte und montierte Wasserkraftschnecke hat einen Durchmesser von DN2800 und eine Länge von 21 m. Die Schnecke mit einem Leergewicht von 28 t wurde mithilfe eines Schwertransporters an die Baustelle gebracht.

Foto: Allgäuer Ktaftwerke

HERAUSFORDERUNGEN PLANERISCHER NATUR

Zwanzig Jahre nach der maschinentechnischen Modernisierung stand nun die Sanierung der rund 600 m stromaufwärts gelegenen Wasserfassung auf dem Programm. Ein Bauprojekt, das akribischer Vorplanung bedurfte. Seit 2011 beschäftigen sich die Verantwortlichen der Allgäuer Kraftwerke GmbH in enger Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Dr.Ing. Koch Bauplanung GmbH aus dem benachbarten Kempten mit der Planung dieser Wehrsanierung. „Das Planugsbüro Koch unter der Leitung von Dipl.-Ing. Michael Schuchert gilt als eines der bekanntesten Ingenieurbüros für Wasserkraftprojekte im Allgäu und begleitet uns schon seit unseren Anfängen. Die Ingenieure von Koch hatten bereits die Planung für den Bau des alten Kraftwerks Hinterstein übernommen“, so Loitz. Die wesentliche konzeptionelle Herausforderung des Projekts für das Ingenieurbüro bestand zum einen darin, die ökologische Verbesserung der Gewässersituation entsprechend der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie herzustellen, und zum anderen sollte eine Optimallösung in energiewirtschaftlicher Hinsicht erreicht werden. Doch bereits bei der Planung der ökologischen Durchgängigkeit wurde klar, dass die Umsetzung des Projekts mit besonderen Herausforderungen verbunden ist. „Aufgrund der Fallhöhe von über 5 m und den beengten Platzverhältnissen kam ein klassischer Treppenpass nicht infrage. Außerdem führt der Gebirgsbach sehr viel Geschiebe mit sich. Für eine klassische Fischtreppe bedeutet dies einen extremen Aufwand hinsichltich Instandhaltung. Gemeinsam mit dem Planungsbüro Koch suchten wir akribisch nach einer gleichzeitig technisch machbaren wie wirtschaftlichen Lösung“, erzählt Karlheinz Loitz. In der Folge wurden mehrere Varianten durchgerechnet. Doch der erhoffte Erfolg blieb zunächst aus, man stieß immer wieder an die Grenzen des Machbaren.

NEUES KONZEPT MIT ARCHIMEDISCHER SCHRAUBE

Der Schlüssel zum Projekterfolg sollte von unerwarteter Seite kommen. Das Maschinenbauunternehmen Rehart GmbH aus dem bayerischen Mittelfranken brachte die Idee ins Spiel, das Sanierungsprojekt mit einer Schneckenlösung zu realisieren. Diese Technik hatte sich in Österreich bereits an rund einem Dutzend Anlagen bewährt. Die Ingenieure von Rehart konnten zuvor alle Vorzüge der Schneckentechnik am Heckerwehr an der Roth südlich von Nürnberg unter Beweis stellen. Das innovative Projekt ging Anfang 2018 in Betrieb und wurde in Zusammenarbeit der TU München als Patentprojekt konzipiert. Dabei entwickelte Rehart in enger Zusammenarbeit mit der österreichischen SGW GmbH das mittlerweile bewährte System nach Rehart/Strasser. Das neue Restwasserkraftwerk Konrad-Zuse in Hinterstein ist somit Deutschlands erstes kommerziell genutztes Wasserkraftwerk mit patentierter Schneckentechnik.

BAUFORTSCHRITT OHNE PROBLEME

Nach knapp achtjähriger Planungsphase war es im April 2019 endlich soweit: „Wir starteten mit der Baufeldabsicherung mittels Spund-

Foto: zek Foto: Allgäuer Ktaftwerke

Bei der Fischabstiegsschnecke (FAS) im Bild links drückt eine Wasserlast von 44 t auf eine Blattlänge von 13 m und setzt so die Welle in Bewegung.

Die Rotation der Schneckenwelle mit 24,67 U/min wird mit Hilfe eines dreistufigem Getriebes exakt an die erforderliche Umdrehung des Asynchrongenerators mit 1.000 U/min angepasst.

Projektleiter Karlheinz Loitz zeigt sich äußerst begeistert über die Umsetzungsvariante mit dieser Schneckentechnik. Der Leitstand mit aufgeräumtem Display wurde in die Steuertechnik der bestehenden Anlage integriert. Für eine komfortable Bedienung sorgt eine zentralisierte Fernwartung.

Foto: zek

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wände und den Baggerarbeiten an der unteren Sohle“, erklärt Loitz. Zur Sicherung der Stand festigkeit der Betonelemente musste die Baugrube in eine Tiefe von rund 5 m unter die Gewässersohle gegraben werden. „Die Ostrach führt bei Mittelwasser rund 7 m³/s Wasser, und bei Hochwasser kann der Durchfluss bis auf 150 m³/s ansteigen. Die Gefahr einer Unterspülung musste dabei so gut wie möglich minimiert werden“, so der Projektleiter. Die Betonarbeiten erfolgten dabei in vier Etappen. Insgesamt flossen ca. 1.800 m³ Beton in die Bausubstanz, und für die entsprechende Bewehrung wurden rund 114 t Stahl verbaut. Nachdem der Beton ausgehärtet war, konnten die Spezialisten von Rehart mit der Montage der beiden Schnecken inklusive sämtlicher Stahlwasserbauelemente beginnen. Für die optimale Funktion der Anlage wurden ein Kiesschütz mit aufgesetzter Wehrklappe für den Leerschuss, ein Grobrechen, ein Feinrechen mit einem Knickarm-Rechenreiniger und die dazugehörigen Stellmotoren installiert. „Wir haben die Anlage für ein hundertjähriges Hochwasser (HQ100) plus Klimazuschlag berechnet“, erklärt Loitz. Die Steuerung der Wehranlage wurde in die bestehende Leit-

Foto: Bastian Morell technik am KW Hinterstein eingegliedert und ermöglicht so eine zentrale Systemsteuerung mit modernen Fernsteuerungsmöglichkeiten.

MEHR STROM MIT DER RICHTIGEN TECHNIK

Die Schneckentechnik von Rehart ermöglicht sowohl den Fischabstieg als auch den Fischaufstieg. Das Restwasser an der Wehranlage im Ausmaß von maximal 2,83 m³/s gelangt über die 21 m lange Wasserkraftschnecke der Dimension DN2800 vom Ober- ins Unterwasser und überwindet dabei eine Nettofallhöhe von 5,27 m. 44 Tonnen Wasserlast versetzen die Wasserkraftschnecke in Rotation, rund 25 Mal dreht sich die stählerne Schraube in der Minute. Sie erreicht dabei eine Leistung von 125 kW, wodurch das neue Konrad-Zuse-Kraftwerk – benannt nach dem deutschen Bauingenieur (siehe Seite 49) – auf eine Jahresproduktion von rund 500.000 kWh kommt. Das entspricht in etwa dem jährlichen Stromverbrauch von rund 170 durchschnittlichen Haushalten. Zwischen Schnecke und dem Asynchron-Generator von Siemens wurde noch ein dreistufiges Getriebe eingebaut. Damit wird die Drehzahl von exakt 24,67 auf die erforderlichen 1000 U/min hochgeschraubt.

FISCHFREUNDLICH UND GERÄUSCHARM

Bei der Fischaufstiegsschnecke handelt es sich um eine sogenannte Rohrschnecke: Diese befördert die für den Fischaufstieg benötigte Wassermenge ins Oberwasser. Mit einem Schneckendurchmesser von DN1000, einer Länge von 13 m und einer Drehzahl von 7 U/min wird hier eine Fördermenge bis zu 8 l/s erreicht. Für den Antrieb wurde ein 4 kW starker Motor verbaut, der direkt von der Wasserkraftschnecke mit Strom versorgt wird. „Das Wasser, das nach oben gehievt wird, steht dann wieder zur Stromproduktion zur Verfügung“, erläutert Loitz das Prinzip. Die erforderliche- Leitströmung wird über die große Schnecke generiert. Die dadurch angelockten Fische werden über die Aufstiegsschnecke schonend ins Oberwasser transportiert. Der große Vorteil dieser innovativen Technik liegt in der nachweislich hohen Fischfreundlichkeit, aber auch in den geringen Geräusche missionen im Vollbetrieb. Deshalb können

Die Fische werden zwischen den Schneckenblättern an der Fischabstiegsschnecke schonend nach unten, oder an der Fischaufstiegsschnecke nach oben transportiert.

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Die Fischabstiegsschnecke, im Bild unten, verarbeitet die behördlich vorgeschriebene Restwassermenge von min. 1 m3/s und produziert damit eine berechnete Jahresstrommenge von 500.000 kWh. Die innovative Schneckentechnik ist eine bewährte Alternative zum kostenintensiven Treppenpass aus Beton. Die im Bild oben situierte Fischaufstiegsschnecke befördert die Fische schonend vom Unter- ins Oberwasser. Die Schnecken arbeiten das ganze Jahr hindurch und sind durch ihre robuste Bauweise sehr wartungsarm. Das Rechengut der Hauptanlage wird direkt über die Schneckenturbine ins Unterwasser abgeführt.

Foto: Bastian Morell

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Die neue Anlage ist mit einem Kiesschütz mit aufgesetzter Spülkappe, einem Grobrechen und einem Feinrechen mit RRA ausgestattet. Der komplett neu konzipierte Einlaufbereich führt das Triebwasser nun durch einen Feinrechen nach unten in den Einlaufschacht, wo es weiter in die bestehende Rohrleitung aus genietetem Stahl DN1000 fließt.

derartige Wasserkraftschencken auch in dichtbebauten Wohngebieten betrieben werden. Anlagen aus den Baureihen von Rehart Power lassen sich bereits bei einem Gefälle von 1 m und einer Ausbauwassermenge von 300 l/s betreiben und arbeiten auch dann noch wirtschaftlich, wenn andere Turbinentypen bereits stillstehen. Selbst im Teillastbereich bis 10 Prozent der Auslegungswassermenge wird noch Strom erzeugt. Sie kann ganzjährig betrieben werden und hat keine Probleme bei Frost. „Die Schnecke kann jegliches Treibgut, dass durch den Grobrechen mit 15 cm Stababstand passt, problemlos ins Unterwasser befördern“, bringt Loitz noch einen weiteren Vorteil aufs Tapet.

ALTES STAHLROHR NOCH INTAKT

Im Kraftwerksbetrieb fließt das Wasser nun auf der Oberwasserseite durch den Grobrechen ein und strömt weiter durch einen Sperrschütz in den nach unten führenden Einlaufschacht. Der Schacht wurde mit einem Feinrechen sowie einem Teleskoprechenreiniger ausgestattet, hier wird das Wasser für das Kraftwerk Hinterstein gefasst. Die genietete Stahlrohrleitung der Dimension DN1000 ist Teil des Altbestandes von 1897 und kann immer noch verwendet werden. „Die Leitung liegt circa 5 m im Boden und wurde komplett konserviert. Sie ist völlig intakt.“ Über die Rohrleitung werden bis zu 2,5 m³/s Triebwasser zum Krafthaus Hinterstein geleitet. Das von der Putzharke des Rechenreinigers abgesterifte Rechengut gelangt direkt nach dem Reinigungsvorgang weiter zur Fischabstiegsschnecke in Richtung Unterwasser – alle organischen Materialien bleiben somit im Gewässer. Das Restwasser fließt hingegen über den Einlaufschacht hinweg weiter zur Wasserkraftschnecke.

MONITORING VERLÄUFT VIELVERSPRECHEND

Für die nach unten wandernden Fische fand das Abstiegsmonitoring bereits im Juli dieses Jahres statt. In mehreren Versuchsreihen wurden gezielt verschiedene Fischgrößen und Betriebszustände untersucht. Dabei wurden Bachforellen und Koppen eingesetzt, entsprechend der in der Ostrach heimischen Fischarten. Durch die Untersuchung der Fische nach erfolgtem Abstieg wurde überprüft, ob die Anlage verletzungsfrei passiert wurde. Das Monitoring der Fischaufstiegsschnecke wird entsprechend des saisonalen Fisch-Wanderver- haltens im Herbst 2020 und Frühjahr 2021 durchgeführt. Hier werden über längere Zeiträume alle aufgestiegenen Fische erfasst und in Relation zum Fischbestand im Gewässer gesetzt. Für die Umsetzung des Fisch-Monitorings am Standort Hinterstein zeichnen die engagierten Öko-

Technische Daten:

Bruttofallhöhe: 5,27 m Restwasserschnecke Typ: WKS 2800-3 SH Ausbauwassermenge: 2,83 m3/s Nenndrehzahl: 24,67 U/min Engpassleistung: 125 kW Generator: Asynchron (Zwischengetriebe Flender) Jahresproduktion: 500.000 kWh Nenndrehzahl: 7 U/min

System: Rehart/Strasser Fischabstiegsschnecke Typ: WKS 2800-3-SH Hersteller: Rehart GmbH Planung, Projektleitung, Baubegleitung: Ingenieurbüro Dr.-Ing. Koch Bauplanung GmbH Fischmonitoring: Hycor Ecohydraulic Consulting Cuchet Betreiber: Allgäuer Kraftwerke GmbH

Das Stauziel des neuen Wehrs wurde im Zuge der Sanierung um rund einen Meter erhöht. Des Weiteren legte das Planungsteam von Koch besonderes Augenmerk auf die Verbesserung der Kiesspülung und den orographisch links angrenzenden Rutschhang. Der schwimmende Baumstamm im Einlaufbereich des Kiesschütz dient zur Absonderung von sperrigem Treibgut. Der Blick ins Schaufenster: Das Restwasserkraftwerk bietet Einblick auf die aktuellen Anlagenwerte in Echtzeit. Daneben informiert eine Filmschleife im Zeitraffer über den Baufortschritt.

Foto: Bastian Morell

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logen von Ecohydraulic Consulting Cuchet - Hycor aus Oberbayern verantwortlich. Laut Geschäftsführerin Dr. Mathilde Cuchet werden die Ergebnisse für den Endbericht derzeit noch ausgewertet: „Man kann aber bereits festhalten, dass die Umsetzung des Monitorings bisher sehr gut verlaufen ist, auch dank der guten Zusammenarbeit aller Beteiligten. Die Ergebnisse werden über den konkreten Standort hinaus von Interesse für die gewässerökologische Bewertung der Schneckentechnik hinsichtlich Fischaufstieg und Fischabstieg sein.“ Die eigens dafür eingesetzten Fische werden anschließend durch den lokalen Fischereiverein in der Ostrach besetzt.

ERFOLGREICHER PROJEKTABSCHLUSS

Nach knapp 8-monatiger Bauzeit war das Projekt Mitte Januar baulich größtenteils fertiggestellt. Bereits am 10. März konnte nach erfolgreichem Abschluss der Montage der beiden Schnecken und der Stahlwasserbauelemente mit dem Probebetrieb begonnen werden. Die behördliche Abnahme erfolgte schließlich am 7. Mai. „In der gesamten Bauphase hatten wir nur einmal eine brenzlige Situation mit etwas erhöhter Wasserführung, da kann man wahrlich von Wetterglück reden“, erinnert sich Projektleiter Loitz. Er lobt die hervorragende Zusammenarbeit der beteiligten Unternehmen: „Die interne Abstimmung zwischen dem Planungsbüro Koch, den Schneckenspezialisten von Rehart und der Baufirma Dobler waren wirklich top. Alles ging Hand in Hand.“

FÖRDERWÜRDIGES PROJEKT

Dank der aufwändigen Wehrsanierung ist die Durchgängigkeit des Wehrs nach über 120 Jahren wieder hergestellt. Der Projektleiter kann ein sehr zufriedenstellendes Fazit ziehen: „Wir sind sehr glücklich über das Ergebnis. Mit den beiden Schnecken haben wir in öko- logischer, aber auch in wirtschaftlicher Hinsicht die eindeutig beste Lösung umgesetzt.“ Abgeschlossen wird das Projekt durch ein umfassendes Fisch-Monitoring an der Abstiegsschnecke im kommenden Frühling: „Zurzeit sprechen alle Anzeichen dafür, dass das Monitoring für den Fischaufstieg ebenfalls positiv verlaufen wird. Dann ist diese Bauweise mit der innovativen Schneckentechnik ein klassischer Anwendungsfall für solche Staustufen“, erklärt Projektleiter Karlheinz Loitz zum Abschluss. 3,8 Millionen Euro investierte die Allgäuer Kraftwerk GmbH in das Sanierungsprojekt

Konrad-Zuse-Kraftwerk:

Das neue Kraftwerk an der Wehranlage hat den Namen „Konrad Zuse Kraftwerk“ bekommen, in Gedenken an den deutschen Bauingenieur Konrad Zuse (1910-1995) der 1941 die „Z3“vorgeführt hat, den ersten frei programmierbaren und in binärer Gleitpunktrechnung arbeitenden Rechner der Welt. Konrad Zuse war im März 1945 kurz vor dem Fall Berlins mit der damals riesigen „Zuse 4“ nach Bayern geflohen und wohnte unter anderem in Hinterstein. Dort konnte er die Rechenmaschine auch einlagern. Später hat er die „Z4“an der ETH in Zürich kommerziell eingesetzt. Es war der erste Rechenautomat an der ETH und auf dem europäischen Festland, die Basis für unsere heutigen „Computer“. „Die Pionierarbeit von Konrad Zuse passt sehr gut zu unserem innovativen Anlagekonzept. Sobald es die Situation zulässt, wollen wir das neue Kraftwerk einweihen und auch einen Tag der offenen Tür für alle interessierten Bürgerinnen und Bürger machen“, so Dr. Hubert Lechner, Geschäftsführer der Allgäuer Kraftwerke GmbH. und hat ein weiteres Kapitel in der langen Geschichte des Kraftwerks Hinterstein geschrieben. Damit ist die Anlage betriebsfit für die kommenden Jahrzehnte. Dank der erfolgreichen Umsetzung der ökologischen und technischen Sanierungsmaßnahmen darf das neu errichtete Konrad-Zuse-Kraftwerk mit einer 20-jährigen Einspeisevergütung entsprechend dem EEG-Fördergesetz rechnen.

Die Fischfreundlichkeit des Systems Rehart/Strasser hat sich bereits am Heckerwehr bestens bewährt. Hier in Hinterstein müssen sich die Ergebnisse noch bestätigen.

Foto: Allgäuer Kraftwerke

Die Ökologen von Hycor führen an der Ostrach die Tauglichkeit dieser Passagen durch. Um die Passierbarkeit zu testen wurden unzählige Forellen markiert, eingesetzt und wieder herausgenommen und abgezählt.

Foto: Allgäuer Kraftwerke