Ejektor-Kraftwerk an der Ybbs

Autor: Roland Gruber , 05.11.2013

Auch an Standorten mit niedriger Gefällestufe kann mit zeitgemäßem Konzept und moderner Wasserkrafttechnik ein wirtschaftlicher Betrieb sichergestellt werden.

Beispielgebend dafür steht heute das neue Wehrkraftwerk Stadtwehr inmitten der niederösterreichischen Stadt Waidhofen an der Ybbs. Spezielles Augenmerk wurde bei dessen Planung auf die Nutzung des Ejektoreffektes gelegt, der an den durchschnittlich 80 Überwasser-Tagen eine Wirkungsgradsteigerung von 20 bis 30 Prozent ermöglicht. Dies trägt somit erheblich dazu bei, dass die Kaplanturbine aus dem Hause GHE im Regeljahr rund 5,5 Mio. kWh Strom erzeugt. Mittlerweile dient die Vorzeigeanlage an der Ybbs auch als Forschungsobjekt, an dem der bis heute nicht ausreichend untersuchte Ejektoreffekt auf den Prüfstand der Wissenschaft kommt.

Ein schweres Hochwasser im Jahr 1974 hatte das alte, hölzerne Wehr im Stadtgebiet von Waidhofen an der Ybbs so stark in Mitleidenschaft gezogen, dass ein Neubau unumgänglich wurde. Drei Jahre später war die neue Wehranlage fertiggestellt, nun allerdings als solides Beton-Querbauwerk ausgeführt. Der Gedanke, die Gefällestufe an dem Standort mit einem Wasserkraftwerk zu nutzen, stand im Raum,
wurde allerdings aus Kostengründen damals nicht realisiert. In den folgenden Jahren tauchten immer wieder diesbezügliche Überlegungen, Ideen und Pläne auf, umgesetzt wurde davon allerdings nichts. Stets hieß es, die Wirtschaftlichkeit wäre an dem Standort aufgrund der geringen Fallhöhe von ca. 2,8 m und den zu erwartenden Schwierigkeiten beim Bau einfach nicht gegeben. „Darin haben wir aber die große Herausforderung gesehen“, erzählt der Planer der neuen Wasserkraftanlage, Dipl.-Ing. Rudolf Fritsch vom Steyrer Planungsbüro ZT-Fritsch GmbH. „Schließlich hat die massive Pfahlfundierung und die Bauweise der bestehenden gekrümmten Wehranlage gute Voraussetzungen für den Einbau einer Kraftanlage mitgebracht. Allerdings galt es auch von vorne herein wesentliche Einschränkungen wettzumachen, wie dies durch die nicht mögliche Erhöhung des Oberwasserspiegels und durch die räumliche Beengtheit generell gegeben war. Die Oberlieger-Anlage durfte keine Verschlechterung durch einen eventuellen Einstau erfahren. Aus diesem Grund entstand der Gedanke an die Alternative des dynamischen Stauziels, in Anlehnung an die Bestandswasserspiegellagen, gegeben durch die feste Wehranlage. Mit der speziellen Technik des Ejektor-Kraftwerks gelang letztlich der Sprung in die Wirtschaftlichkeit.“ Das Konzept aus dem Planungsbüro Fritsch überzeugte in der Folge auch die Verantwortlichen der Stadtgemeinde Waidhofen, die gemeinsam mit dem leidenschaftlichen Wasserkraftbetreiber und Wasserkraftinvestor Dr. Johannes Kühhas die Energiegesellschaft
Waidhofen GmbH gründete. Unter deren Ägide wurde das Projekt letztlich erfolgreich umgesetzt.

KAMPF MIT DEM HOCHWASSER
Die Tiefbauarbeiten gestalteten sich in der Folge erwartungsgemäß schwierig. Das lag nicht nur daran, dass die rund 12 Meter tiefe Baugrube zweimal von einem Hochwasser geflutet wurde, sondern vor allem an den beengten räumlichen Bedingungen inmitten des Stadtkerns von Waidhofen. Sowohl die Transportlogistik als auch die Bauarbeiten auf engstem Raum stellten eine große Herausforderung dar. Die historischen Gemäuer mussten im Bauverlauf mit Stützmauern und Unterfangungen abgesichert werden. Angesichts dieser Probleme erstaunt es nicht wenig, dass die Verzögerungen im Terminplan
auf nur wenige Wochen beschränkt blieben. Nach einer Bauzeit von knapp eineinhalb Jahren nahm die Anlage im September 2012 den Probebetrieb auf. Durch die spezielle Kraftwerksanordnung ist der
gesamte Stromstrich für die Hochwasserabfuhr frei. Das Krafthaus, für dessen Fassadengestaltung das Waidhofener Büro „w30“ verantwortlich zeichnet, integriert sich sehr gut ins Altstadtensemble.

EFFIZIENTER SEDIMENTTRANSPORT
Grundsätzlich umfasst das gesamte Bauprojekt den Umbau der Wehranlage mit einem flexiblen  Wehraufsatz, darüber hinaus die eigentliche Kraftwerksanlage mit dem Krafthaus samt Einlaufbereich, mit Grobrechen und Sandfang, den Grund- und Ejektorablass, sowie den Turbinenauslauf, samt einer dem Hochwasserschutz und der Leistungssteigerung dienenden Unterwassereintiefung von über einem Meter. Hinzu kommt noch eine Organismenaufstiegshilfe, ausgeführt in Vertical-Slot-Bauweise, die den Übergang zum natürlichen Ufer an der linken Flussseite schafft. „In diesem Fall hat es sich aufgrund der gegebenen Fallhöhenverhältnisse angeboten, den Grundablass vom Ejektorablass zu trennen – und nicht wie sonst häufig vereint – anzulegen. Somit gelangt der Schotter, der über den Grundablass abgeführt wird, nicht zum Saugrohr, sondern direkt ins Tosbecken“, erklärt Rudolf Fritsch. Generell ist beim Ejektorkraftwerk die Anlandungsproblematik vor dem Saugrohr gelöst, da hier durch das Überwasser selbst immer gespült wird.

UNIKAT IN BANANENFORM
Eine wesentliche Komponente des neuen Kraftwerks stellt die Schlauchwehranlage aus dem Hause Hydroconstruct dar. Was dabei sofort ins Auge springt, ist die gekrümmte Form des Schlauchs, der einem Radius von gerade einmal 16 Meter folgt und sich exakt der Form der Wehranlage anpasst. „Eine derart starke Krümmung haben wir mit den Hydroconstruct-Schlauchwehren bis dato noch nicht erreicht. Es ist extrem und im Grund auch nur mit der Technologie von Hydroconstruct durchführbar. Mitbewerber bezeichneten diese Wehranlage als nicht herstellbar. Meiner Kenntnis nach gibt es in
Europa keine vergleichbare Schlauchwehranlage“, sagt Fritsch und erläutert die doch sehr spezielle Betriebsweise bei der dynamischen Spiegelregelung über das Schlauchwehr: „Primär gilt es mit der Schlauchwehr nach oben zu regeln. Das heißt: Wenn wir Niedrigwasser – wie jetzt im Herbst – haben,
liegt der Schlauch relativ flach, an den niedrigen Staupegel angeglichen. Erst mit dem Ansteigen des Wasserdargebotes richtet er sich durch Erhöhung der Wasserfüllung vollautomatisch gesteuert auf, bis zu einer maximalen Höhe von 1,65 m. Erreicht der Abfluss etwa 100 m3/s, kann aus der Dynamik ein
rund 1 m höherer Pegel genutzt werden, was sich dann gerade durch den Ejektoreffekt des Überwassers im Gesamtwirkungsrad der Anlage niederschlägt. Erst wenn das Hochwasser weiter über 100 m³/s ansteigt, wird die Wasserfüllung im Schlauch reduziert und die Krone senkt sich  kontinuierlich. Auf diese Weise wird also die dynamische Regelung der Fallhöhenverhältnisse,  unterstützt durch eine spezielle Programmierung der Steuerungsautomatik, optimiert.“ Mit einer Vielzahl von Mess-Sonden und Instrumenten wird so das über eine Kurve vorgegebene veränderliche Stauziel zentimetergenau abgefahren. Auf die Frage zur Beständigkeit der Schlauchwehranlage verweist  der erfahrene Planer auf die, über 30 jährige Erfahrung mit dieser Technologie und auf die  neue Herstellungs-methode für die Membrane mit einer Endlos-Vulkanisations- Presse, welche die  Haltbarkeit des Materials auf 40 Jahre prognostizieren lässt. Auch danach ist natürlich ein Austausch  dieses einfach zu ersetzenden Bestandteiles möglich.

LEISTUNGSPLUS DANK EJEKTOREFFEKT
Neben der dynamischen Pegelregelung gilt das Anlagenkonzept zur Nutzung des Ejektoreffektes als die  zweite Besonderheit des neuen Wehrkraftwerks. Kernstück ist ein im Grundriss gebogenes  Saugrohr kombiniert mit einer ca. 10° geneigten 7,5 m breiten Ejektorrampe, über die das Überwasser  abgeführt wird. Das Konzept sieht vor, dass sich bei gegebenem Überwasser das Triebwasser mit dem  Überwasserstrahl, der auf der Schussrampe beschleunigt wird, am Saugrohrauslauf vereinigt. „Auf diese  Weise entsteht in diesem Bereich ein Impuls, der Auslaufverluste ins Gegenteil wandelt und  einen Fallhöhengewinn durch Verdrängung des Unterwassers bewirkt. Zudem wird durch die Sogwirkung  und auch durch die geänderte Fallhöhe selbst der Turbinendurchfluss gesteigert, was sich bei  Überwasser insgesamt in einer Leistungserhöhung von durchschnittlich 20 – 30 % darstellt. „Im Schnitt  wird es hier an 80 Tagen im Jahr der Fall sein, dass wir Überwasser nutzen können und damit die  Effizienz steigern“, erklärt Fritsch.

MODELLVERSUCH IN GRAZ
Wie sich dieser in der Branche durchaus bekannte Ejektoreffekt wissenschaftlich exakt erklären und vor  allem berechnen lässt, ist nun gerade an diesem neuen Kraftwerk, welches als Pilotprojekt dient,  ein gewichtiges Thema geworden. Eine maßstabgetreue Nachbildung im 1:10-Modell wurde mittlerweile an der TU Graz hergestellt, und in einem aufwändigen staatlich geförderten Forschungsprojekt will DI  Fritsch in Zusammenarbeit mit den Wissenschaftlern diesem Phänomen nun auf den Grund gehen. Fritsch: „Es hat dazu in den 1950er Jahren erstmalig umfangreiche Untersuchungen von russischen  Ingenieuren gegeben, das ist allerdings ein wenig in Vergessenheit geraten. Erst nach der Projektidee  von K & F Drack für das am Mühltalwehr an der Alm geschaffenen Ejektorkraftwerk, bei dem die  ZT-Fritsch GmbH maßgebend mitgewirkt hat, wird nun das Thema wirklich substanziell angegangen und untersucht und es freut uns besonders, dass sich das Institut für Hydraulische  Strömungsmaschinen unter Prof. Dr. Jaberg an der TU Graz nun dieses Phänomens annimmt.“

TECHNIK AUS ÖSTERREICH
Die neue Kraftwerksanlage im Herzen der Stadt Waidhofen glänzt dabei aber nicht nur durch ein höchst ausgefeiltes Anlagenkonzept, sondern auch durch modernste Wasserkrafttechnik. Im Inneren des äußerst kompakt gehaltenen Krafthauses ist eine doppelt regulierte Kaplanturbine aus dem Hause Global Hydro Energy (GHE) untergebracht, die für Top-Wirkungsgrade sorgt. Die Turbine ist auf eine Ausbauwassermenge von 30 m3/s bei einer Nettofallhöhe von 3,9 m ausgelegt und kommt dabei auf eine Nennleistung von 1.030 kW. Der 4-Flügler mit einem Durchmesser von knapp 2,8 m rotiert dabei  mit einer Nenndrehzahl von 108 Upm. Die vergleichsweise langsame Drehzahl wird über ein  hochwertiges Eisenbeiss-Getriebe auf 750 Upm übersetzt, die Drehzahl des Synchrongenerators, der  vom bekannten Branchenspezialisten Hitzinger aus Linz geliefert wurde. Dessen Nennscheinleistung  liegt bei 1.500 kVA. Mit diesem Maschinengespann haben die Betreiber ein sehr hochwertiges Ensemble installiert, das nicht nur für hohe Wirkungsgrade, sondern auch für Robustheit und lange  Lebensdauer steht. Die Turbinensteuerung wurde ebenfalls von GHE realisiert, die Schaltanlagen  stammen vom niederösterreichischen E-Technik-Spezialisten Schubert Elektroanlagen realisiert, der  Stahlwasserbau wurde vom oberösterreichischen Wasserkraftspezialisten Danner Maschinenbau  übernommen.

ANLAGE MIT SYMBOLCHARAKTER
Im Durchschnittsjahr wird das neue Kraftwerk rund 5,5 GWh sauberen Strom aus der Kraft der Ybbs  erzeugen. Das reicht aus, um circa 1.300 Haushalte zu versorgen. Ohne Ejektoreffekt würde man rund  10 Prozent unter dieser Erzeugungsmenge liegen, kalkulieren die Verantwortlichen. Die Nutzung dieses  Phänomens trägt somit also wesentlich zum wirtschaftlichen Betrieb des neuen Kraftwerks in Waidhofen  bei. Die Wirtschaftlichkeit stellte zwar eine Voraussetzung für die Realisierbarkeit der  Anlage dar, die Qualitäten und Vorzüge des Projektes sind allerdings weiter gefächert. Dies strich auch  Waidhofens Bürgermeister Mag. Wolfgang Mair anlässlich der Eröffnung Mitte November letzten Jahres  heraus: Nicht nur die Hochwassersituation sei durch die neue Kraftwerksanlage verbessert worden, auch  eine ökologische Aufwertung konnte durch die Organismenaufstiegshilfe erreicht werden. Erfreut  zeigten sich die Gemeindeväter auch darüber, dass der veranschlagte Kostenrahmen von 6 Mio. Euro  exakt eingehalten werden konnte, wobei 1 Mio. vom Bund als Förderung zugeschossen wurde. Das  neue Kraftwerk im Zentrum der Stadt repräsentiert daher auch mehr als nur einen Ökostromerzeuger:  Vielmehr steht es heute mittlerweile symbolisch für die Unabhängigkeit, den Weitblick und die  Zukunftssicherheit des traditionsreichen Ybbs-Städtchens. Dies unterstreich nicht zuletzt die Tatsache,  dass die Anlage erst kürzlich mit einer Auszeichnung des Landes Niederösterreich als „vorbildliches Bauwerk“ bedacht wurde. 

Tags: , , , , , , , , , , , ,