Wasserkraft. 22 Juni 2011 zek

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1 qxp :43 Uhr Seite 2 Die Fassade aus dem Jahr 1917 könnte ein wenig täuschen. Im Kraftwerk Hagendorn ist heute wieder modernste technik installiert. Damit konnte die Jahresproduktion um rund 60 Prozent erhöht werden. DIE ERFOLGREICHE VERJÜNGUNGSKUR FÜR ALTE STROMERZEUGER AN DER LORZE Ohne ihren wertvollen historischen Charakter einzubüßen, konnten in den vergangenen zwei Jahren die drei Kraftwerke Untermühle, Hagendorn und Frauental im kleinen Schweizer Kanton Zug revitalisiert und wieder ans Netz genommen werden. Mit einer Gesamtinvestition von rund 15 Mio. Franken (ca. 12 Mio Euro), die sich die Betreiber - die Wasserwerke Zug (WWZ) - das Projekt kosten ließen, wurden unter anderem die alten Maschinen saniert oder gegen neue getauscht, neue Einlaufgeometrien realisiert, Fischdurchgängigkeit hergestellt sowie überall neue E-Technik installiert. Heute erzeugen die drei Anlagen zusammen rund doppelt so viel Strom als dies im früheren Regelbetrieb der Fall war. Insgesamt sind das 6,5 Gigawattstunden. Die Lorze gilt als der Hauptfluss des Kantons Zug. Sie entspringt dem Ägerisee, durchfließt das malerische Lorzentobel und danach den Zugersee und mündet letztlich in die Reuss. Ihre Geschichte ist geprägt von der intensiven Nutzung der in den vergangenen Jahrhunderten. Speziell an der unteren Lorze lässt sich die Historie der weit zurückverfolgen. Die Untermühle zählt etwa zu den ältesten bekannten anlagen. Als Getreidemühle scheint sie erstmals in Verträgen aus dem Jahr 1309 auf. Es heißt, sie wäre eine der ältesten Getreidemühlen der Schweiz gewesen. Legendär sind die Zeitzeugenberichte von den mühseligen Mehltransporten. Wurden diese in der warmen Jahreszeit mit Fuhrwerken erledigt, so blieb im Winter zumeist keine andere Wahl, als die schweren Säcke auf Schlitten zu verliefern. Die Abfahrten über den steilen Abhang zur Lorze hinunter sollen dabei höchst gefährlich für alle Beteiligten gewesen sein. Gegen Ende des 19. Jahrhunderts war es schließlich vorbei mit dem Mühlenbetrieb. Die aufkommende Industrie dürstete nach Strom. Und mehr und mehr Mühlenanlagen, Webereien und Hammerschmieden wurden elektrifiziert. Dies traf sowohl auf die Untermühle als auch auf die Anlage Hagendorn zu, deren Gewerke zuvor eine Weberei angetrieben hatte. STROM AUS SCHÜTZENSWERTEN OBJEKTEN In der Untermühle installierte man zwei baugleiche Francisturbinen, die jeweils einen Generator vom Fabrikat Brown Boveri antrieben. Ausgelegt auf eine Fallhöhe von rund 5 Metern und einem Ausbaudurchfluss von je 5 m 3 /s erreichten die Maschinensätze rund 240 kw Leistung. Nicht unähnlich die Situation im Kraftwerk Hagendorn, in dem wenige Jahre später ebenfalls zwei Francisturbinen für die Stromerzeugung eingebaut wurden. Beide Kraftwerke wurden in Betrieb genommen, um die nahe Papierfabrik Cham mit Strom zu versorgen. Deren Jahresproduktion war durchaus beachtlich. Im Regeljahr lieferte das Kraftwerk Hagendorn 1,7 GWh und das Kraftwerk Untermühle 1,5 GWh. Etwas geringer fiel die Kapazität beim dritten historischen Kraftwerk - der Anlage Frauental des Klosters Frauental mit rund 0,9 GWh aus. Dieses Kraftwerk wurde 1935 an einem weiteren Auslaufkanal errichtet, der allerdings nur auf 7 m 3 /s ausgebaut wurde - und an 22 Juni 2011 zek

2 qxp :43 Uhr Seite 3 Borstenfischpass am Kraftwerk Untermühle Trotz ökologischer Verbesserung an der Anlage und obwohl die historische Substanz des Kraftwerks erhalten werden konnte, wurde auch beim KW Untermühle eine enorme Produktionserhöhung erreicht. Sie liegt bei rund 80 %. dessen Standort auch ein kleineres Nutzgefälle vorlag. Was diese alten Anlagen verband, war der Umstand, dass sie über Jahrzehnte hinweg mit den installierten Maschinen zuverlässig Strom erzeugten - und als Inbegriff der hohen Ingenieurskunst früherer Kraftwerksplaner mit der Zeit den Status von Industriedenkmälern erreichten. Und noch etwas verband die drei Anlagen: Sie wurden von den WWZ im letzten Jahrzehnt erworben - mit dem Ziel, sie wieder auf den modernsten Stand der Technik zu bringen. GUTE KOOPERATION MIT BEHÖRDEN Wir haben die beiden Kraftwerke Hagendorn und Untermühle bereits im Jahr 2002 gekauft, das Kraftwerk Frauental folgte dann im Jahr 2007, erzählt der Projektleiter der WWZ, Ing. Rolf Gähwiler. Alle drei Anlagen befanden sich noch weitgehend in ihrem ursprünglichen Zustand. Das hatte zur Folge, dass es immer schwieriger wurde, Ersatzteile zu finden. Der Betreuungsaufwand war hoch und die Energieausbeute doch deutlich unter den Möglichkeiten heutiger technologie. Auf den Beschluss, die Anlagen zu sanieren und umzurüsten folgten im Jahr 2004 erste Variantenstudien. Schon zwei Jahre später konnte man die Behörden erstmals in das Bauvorhaben einbeziehen. Gähwiler: Das Konzept wurde mit den zuständigen Behörden des Kantons Zug und der Gemeinde Cham sowie der kantonalen Natur- und Landschaftsschutzkommission im Rahmen einer Vorprüfung erarbeitet. Dabei flossen die Ansprüche an die Denkmalpflege und den Ortsbildschutz, an die Fischwanderung, den Hochwasserschutz und die Waldpflege in das Baugesuch mit ein, welches von unserer Seite 2007 bei der Baudirektion des Kantons Zug eingereicht wurde. Die behördliche Genehmigung ließ nicht lange auf sich warten, sodass noch im selben Jahr ein zweistufiges Vergabeverfahren abgewickelt werden konnte. Vom Frühling bis Sommer 2008 erstreckte sich dann die Offertphase der noch zugelassenen fünf Anbieter. Im Herbst 2009 fiel die Entscheidung zugunsten eines Viererkonsortiums, bestehend aus dem Planungsbüro Hydro-Solar, dem Turbinenbauer Wiegert & Bähr, dem Bauunternehmen Kibag sowie FMB Engineering. Zwar haben wir das Kraftwerk Frauental erst 2007 gekauft, aber wir konnten es noch in das Gesamtprojekt integrieren, sodass das beauftragte Konsortium für alle drei Kraftwerke verantwortlich war, so Gähwiler. ALT UND NEU IM ZUSAMMENSPIEL Die Verträge mit den WWZ haben wir im Januar 2009 unterschrieben. Und im Anschluss daran gingen wir an die Detailplanung, die Auslegung der Maschinen, die ganze konstruktive Aufbereitung und vieles mehr, ehe im Herbst 2009 mit den Bauarbeiten begonnen werden konnte, erzählt der Planer Dipl.-Ing. Markus Hintermann von Hydro-Solar. Den Auftakt machte die jüngste der drei Anlagen, das Kraftwerk Frauental, das bis 2007 dem gleichnamigen Kloster gehört hatte. Kurz nachdem es 2007 von den WWZ erworben worden war, setze ein Generatorbrand dem Betrieb ein Ende. Im Fall des Kraftwerks Frauental war der Aufwand nicht allzu hoch. Unser Revitalisierungskonzept sah vor, die bestehende Kaplan-Schachtturbine zu sanieren, einen neuen Generator ein- Die originale Schalttafel von 1903 bleibt ebenso erhalten wie ein originaler Maschinensatz (Francis-Schachtturbine mit Brown-Boveri-Generator) (rechts) Ein angenehmens Gesprächsklima vor, während und auch nach Realisierung des Umbauprojektes zeichnete die Zusammenarbeit zwischen dem beauftragten Baukonsortium und dem Auftraggeber (WWZ) aus. Das können DI Markus Hintermann (Hydro-Solar) und Rolf Gähwiler (Projektleiter WWZ) nur bestätigen. zek Juni

3 qxp :43 Uhr Seite 4 In die Revitalisierungspläne sind umfassende Maßnahmen zum Erhalt und zum Teil zur Verbesserung der ökologischen Situation an der unteren Lorze mit eingeflossen. Foto: Guido Baselgia ( An einem der ältesten dokumentierten Mühlenstandorte der Schweiz wurde das Kraftwerk Untermühle 1903 gebaut. Der Strom wurde an die Papierfabrik Cham geliefert. Eine der zwei Francisturbinen bleibt auch nach den nun erfolgten Umbauarbeiten erhalten zubauen, eine neue vollautomatische Rechenreinigungsmaschine zu integrieren und die gesamte Steuerung und Automatisierung zu erneuern, so Hintermann. Das Konsortium hatte seine erste Bewährungsprobe zu bestehen - und dies gelang. In wenigen Monaten wurde das Kraftwerk aus den 1930er Jahren modernisiert und schließlich bereits im Frühjahr letzten Jahres wieder in Betrieb genommen. Besonders macht die Anlage heute vor allem die Tatsache, dass man hier zugleich auf die alte Turbinentechnik von 1935 und auf das Modernste, was die dieser Tage am Generatorensektor zu bieten hat, vertraute: nämlich einen Permanentmagnet Generator aus dem Hause Krebs & Aulich. Als einer der ersten Anbieter überhaupt hatte das Unternehmen aus Derenburg Generatoren mit Permanentmagneten auf den Markt gebracht. Dementsprechend ausgereift und effizient kann Krebs & Aulich heute diese Technologie anbieten. ZU LEISE FÜR RUHIGEN SCHLAF Neben dem großen Wirkungsgradvorteil, den ein Permanentgenerator mitbringt, weist er auch im Hinblick auf die Geräuschemissionen klare Vorzüge auf. Auch wenn die Maschine unter Volllast steht, kann man sich in unmittelbarer Umgebung problemlos unterhalten. Dass der nunmehrige Kraftwerksbetrieb derart leise vonstatten geht, bedurfte für den Verwalter, der neben dem Maschinenraum wohnt, durchaus einer gewissen Eingewöhnungsphase. Schließlich konnte der Mann früher immer gut schlafen, wenn er das Brummen des Maschinensatzes aus den benachbarten Gemäuern hörte. Dann wusste er: die Maschine läuft. Heute ist das anders. Da er eben nichts mehr von den Maschinen hört, beschleicht ihn häufig das unangenehme Gefühl, dass die Anlage steht - und schläft schlecht, gibt Markus Hintermann eine kleine Anekdote zu diesem Aspekt zum Besten. Doch abgesehen von diesem speziellen Punkt, verlief der Auftakt für die Renovierungsarbeiten nach Maß. Das Kraftwerk Frauental ging als erste der drei Anlagen wieder in den Regelbetrieb. Bei einer Fallhöhe von 2,74 m und einem Ausbaudurchfluss von 7 m 3 /s erreicht sie eine Leistung von rund 140 kw maximal. 24 Juni 2011 zek

4 qxp :43 Uhr Seite 5 Die Firma Kobel liefert maßgeschneiderte Steuerungs- und Leittechnik für Kleinwasserkraftwerke - wie hier für das Kraftwerk Hagendorn. Alle Anlagen sind an das Leitsystem der WWZ über Lichtwellenleiter angekoppelt. Für die gesamte hydraulische Antriebstechnik der drei Kraftwerke zeichnete die Hydac Engineering AG verantwortlich. Dies umfasste die Hydraulikaggregate für die Turbinenregelungen, die Rechenreiniger, die Stauklappen sowie die Getriebeölschmierungen. Das Ingenieur-Team von Hydac Engineering AG in Steinhausen (CH) integriert Hydraulik, Servotechnik, Elektronik und Software und entwickelt kundenindividuelle Produkte und Systeme in höchster Qualität. Für die Maschinenmontage im Kraftwerk Hagendorn stand dem Montageteam von Wiegert & Bähr nicht viel Platz zur Verfügung. NEUE MASCHINEN FÜR HAGENDORN Zu diesem Zeitpunkt waren auch die Arbeiten an den beiden anderen Werken schon weit gediehen. Unter anderem galt es drei Fischaufstiegshilfen zu errichten, zwei direkt an den Kraftwerken Hagendorn und Untermühle, sowie eine an der Wehranlage Lorzenweid, die oberhalb des Kraftwerks Hagendorn situiert ist. Dabei vertrauten Bauherr und Planer auf eine Kombination von Vertical Slot-Typ und Borstenfischpass. Der Borstenfischpass bietet einerseits die Möglichkeit, Gefälle von 10 Prozent zu überbrücken und anderseits wird das Wasser durch die Borsten beruhigt. Außerdem stellen die einzelnen Elemente Ruhebereiche für die Fische in ihrer Wanderung dar, so Markus Hintermann. Im Fall des Kraftwerks Hagendorn ging man zuerst daran, den Ausleitungskanal zu sanie- ren. Aufgrund eines Bruchs in der Kanalmauer war die Anlage bereits seit 2006 stillgestanden. Während der Freilufttransformator sowie die Freileitung zum Kraftwerk Untermühle abgebrochen wurden, durfte am historischen Gebäude des Kraftwerks nichts verändert werden. Es galt, die komplette Umrüstung in den bestehenden Gemäuern zu realisieren. Anstelle der beiden knapp 100 Jahre alten Francis-Turbinen wurden zwei Kaplan- Schachtturbinen aus dem Hause Wiegert & Bähr installiert, die - wie die alten Maschinen - auf ein Schluckvermögen von je 6 m 3 /s ausgelegt sind. Bedingt durch die grundsätzlich tiefere Einbausituation einer Kaplanturbine musste das Saugrohr tiefer gelegt werden und nachträglich Unterwasserausbaggerungen vorgenommen werden. Diese Maßnahmen waren in Hinblick auf die schützenswerte Gebäudesubstanz natürlich mit gewissen Risiken verbunden. Aber gemeinsam mit unseren Partnern konnte das problemlos erledigt werden, so der Planer. HERAUSFORDERUNG UMBAU IM BESTAND Ebenfalls neu wurde am Kraftwerk Hagedorn eine Rechenreinigungsanlage am Feinrechen installiert, die aus zwei Teleskoparm-Rechenreinigern aus dem Hause Wiegert & Bähr besteht. Der Fischpass wurde in die alte Entlastungsrinne eingebaut. Grundsätzlich heißt es zwar, dass Umbauten von alten werken schwieriger wären als die Errichtung von neuen. Aber Markus Hintermann, der schon einige Umbauten bestehender, zum Teil historischer Anlagen geplant und umgesetzt hat, kann dem auch einige positive Aspekte abgewinnen: Ich sehe das auch als sehr schöne Herausforderung. Den Bestand darf man ja nicht nur als zek Juni

5 qxp :43 Uhr Seite 6 An der Substanz des KW Frauental wurde nur wenig verändert. Für den voll automatisierten Betrieb wurde allerdings eine neue Rechenreinigungsmaschine aus dem Hause Wiegert & Bähr errichtet. Hocheffizient und dabei flüsterleise: Im Kraftwerk Frauental wurde ein Permanentgenerator von Krebs & Aulich installiert. Belastung, sondern auch als Chance sehen. Zum Beispiel kann man die bestehende Struktur etwa auch für Baugrubensicherung nutzen. Da gibt es viele Möglichkeiten. Auch dieser Umbau verlief erfolgreich. Bei 6 Meter Fallhöhe erreichen die neuen Maschinen nun dank besserer Wirkungsgrade, modernster Steuerung und einer ebenfalls verbesserten Einlaufgeometrie jeweils rund 350 kw Leistung. Die beiden Turbinen treiben je einen Synchrongenerator Fabrikat Hitzinger an. Wurde vor dem Umbau die Jahreserzeugung des Kraftwerks Hagendorn mit rund 1,7 GWh beziffert, so liegt sie heute bei etwa 2,7 GWh. SOLIDES STEUERUNGSKONZEPT Gerade dem Aspekt der Steuerung misst der Chefplaner von Hydro-Solar große Bedeutung bei. Schließlich ginge es bei einer guten Steuerung immer darum, dass sie funktionell aber auch verlässlich sei - so Markus Hintermann. Und daher schwört er auf die Kompetenzen und das Know-how des E- Technik-Spezialisten Kobel. Hintermann: Die Firma Kobel bietet ein sehr einfaches und übersichtliches und dabei grundsolides Steuerungskonzept auf Simatic-Basis, das maßgeschneidert ist für Kleinwasserkraftwerke. Man hat auch gesehen, dass sich die Systeme von Kobel in den letzten Jahren kontinuierlich weiter entwickelt und verbessert haben. Schließlich lernen wir alle - vom Planer bis zu den ausführenden Firmen - bei jedem Projekt dazu, das wir in die Tat umsetzen. Gerade im Fall der drei Lorze-Kraftwerke baute das Unternehmen aus Affoltern wieder ein weiteres Detail in seine Steuerungs- und Automatisierungsanlagen. Auf Vorgabe des Betreibers sollte die Visualisierung detailgenau alle Vorgänge im gesamten Anfahrprozess auflösen und übersichtlich für die Benutzer darstellen. Damit bekommen die Betreiber nun ein effizientes Instrument zur Hand, sollte es einmal zu einem Fehlverhalten in dieser wichtigen Betriebsphase eines Kraftwerks kommen. Der Auftrag für Kobel umfasste das komplette Engineering sämtlicher elektrischen Anlageteile, den Bau und die Lieferung aller Steuerund Leistungsschränke, die Software-Erstellung inklusive Turbinenregler und Niveauregler, sowie die Verkabelung aller Anlageteile vor Ort DAS NOSTALGISCHE FLAIR BLEIBT Die dritte Anlage aus der Pionierzeit der Zuger Elektrifizierung, das Kraftwerk Untermühle, stellte ebenfalls spezielle Ansprüche an seine Revitalisierung. Im Außenbereich Technische Daten Kraftwerke an der unteren Lorze: Kraftwerk Untermühle: Ausbauwassermenge: 12 m 3 /s Bruttofallhöhe bei Q a : 5,94 m Turbine: 5-flügelige Kaplan-S-Rohrturbine Fabrikat: Wiegert & Bähr Laufrad Ø: 1600 mm Drehzahl: 180 Upm Leistung (max. a. Generator): 606 kw Stirnradgetriebe Generator: Synchron Fabrikat: Hitzinger Generator-Nennleistung: 730 kva Spannung 400 V max. Anlagenleistung: 567 kw Jahreserzeugung: 2,7 GWh Kraftwerk Hagendorn: Ausbauwassermenge: 12 m 3 /s Bruttofallhöhe bei Q a : 5,92 m Turbine: 2 x vertikale 4-flügelige Kaplanturbine Fabrikat: Wiegert & Bähr Laufrad Ø: 1100 mm Drehzahl: 333 Upm Leistung (max. a. Generator): je 350 kw getriebelos Generator: 2 x Synchron Fabrikat: Hitzinger Generator-Nennleistung: 350 kva Spannung 400 V max. Anlagenleistung: 579 kw Jahreserzeugung: 2,7 GWh Kraftwerk Frauental: Ausbauwassermenge: 7 m 3 /s Bruttofallhöhe bei Q a : 2,73 m Turbine: rev. vertikale Kaplanturbine Fabrikat: Bell (Bj. 1934) Laufrad Ø: 1500 mm Drehzahl: 150 Upm Leistung (max. a. Generator): 150 kw getriebelos Generator: permanenterregt synchron Fabrikat: Krebs & Aulich Generator-Nennleistung: 190 kw Spannung 400 V max. Anlagenleistung: 146 kw Jahreserzeugung: 1,0 GWh Das Kraftwerk Untermühle in historischen Aufnahmen. Das Kraftwerk Hagendorn wurde im Jahr 1917 errichtet. Foto: Guido Baselgia ( Foto: Guido Baselgia ( 26 Juni 2011 zek

6 qxp :43 Uhr Seite 7 Über ein Stirnradgetriebe wird die Turbinendrehzahl auf Upm umgesetzt. Mit dieser Drehzahl wird die Spannung im ebenfalls neuen Synchrongenerator erzeugt. Eine moderne fünflügelige Kaplan-S-Rohrturbine von Wiegert & Bähr übernimmt im Kraftwerk Untermühle die Funktion der beiden über 100 Jahre alten Francisturbinen. wurde ein baufälliger Anbau ebenso abgerissen wie der Freilufttransformator und die Freileitungsverbindung zur Papierfabrik Cham. Innen blieb dafür so viel beim Alten wie bei keinem der anderen beiden Anlagen. Eine der beiden Maschinensätze aus dem Jahr 1903 konnte ebenso erhalten werden wie die Original-Schaltanlage aus dieser Zeit. Gemäß dem Umbaukonzept des Planungsbüros Hydro-Solar wurde anstelle einer der beiden Maschinensätze eine Kaplan-S-Rohrturbine (Fabrikat Wiegert & Bähr) installiert, die mit 12 m 3 /s Schluckvermögen eine höhere Ausbauwassermenge als die beiden alten Turbinen zusammen aufweist. Diese waren auf je 5 m 3 /s ausgelegt. Durch die tiefere Einbausituation der Rohrturbine ergab es sich, dass der neue Maschinensatz in einem dezent gehaltenen Anbau ans historische Betriebsgebäude untergebracht werden konnte. Damit schlug der Planer zwei Fliegen mit einer Klappe: zum einen konnte das Maschinenhaus des Kraftwerks Untermühle nicht nur außen sein nostalgisches Flair - sondern auch den Großteil des musealen Interieurs bewahren. Und zudem wurde für den Laien kaum sichtbar modernste technik installiert, die heute eine effiziente Nutzung der unteren Lorze sicherstellt. Kamen beide Maschinen früher zusammen maximal auf eine Leistung von rund kw, so bringt der neue Maschinensatz heute 560 bis 580 kw, freut sich Rolf Gähwiler. VERDOPPELUNG DES ERTRAGS Langsam kann er einen Schlussstrich unter die erfolgreich realisierten Umbauarbeiten ziehen. In Summe hat sich die Stromausbeute um das Doppelte auf heute rund 6,5 GWh pro Jahr erhöht. Und dies ohne den historischen Wert der denkmalgeschützten Anlagen in irgendeiner Form zu beeinträchtigen. Hinzu kommt, dass durch die neu installierten Fischwanderhilfen eine deutliche ökologische Aufwertung an den traditionsreichen Kraftwerksstandorten an der unteren Lorze erreicht wurde. Zwar liegt der Eigenerzeugungsgrad der WWZ gerade bei 5 Prozent, dennoch misst man den eigenen werken einen hohen Stellenwert bei. Gähwiler: Uns ist es wichtig, dass wir auch das Potenzial aufzeigen können, das in der Kleinwasserkraft steckt. Für Herbst haben wir bereits einen Tag der Offenen Tür für die hier ansässigen Bürger und Bürgerinnen geplant. Dass diese Potenzialsteigerung für die Traditionsanlagen geglückt ist, bedeutet nicht nur für die Betreiber Grund zur Freude. Auch das beauftragte Konsortium aus KIBAG, FMB Engineering AG, Hydro-Solar und Wiegert & Bähr kann ein rundum positives Resümee ziehen. Schließlich ist es dem Firmen- Quartett auch gelungen, eine Punktlandung sowohl im Zeitplan als auch im Kostenrahmen hinzulegen. Sie haben den wesentlichen Grundstein dafür gesetzt, dass die Kraftwerke Untermühle, Hagendorn und Frauental wieder eine wichtige Rolle in der Nutzung der spielen und wohl noch lange spielen werden. zek Juni