Isländischer Wasserkraftbetreiber setzt auf Water-to-Wire-Technik aus Niederösterreich

Autor: Roland Gruber , 04.01.2021

In keinem anderen Land der Welt wird pro Kopf mehr Strom aus Wasserkraft erzeugt als in Island. Das Eiland auf der Nahtstelle zwischen nordamerikanischer und eurasischer Kontinentalplatte zählt zu...

... den absoluten Wasserkraft-Hotspots weltweit. Seit kurzem ist Island wieder um ein leistungsstarkes Kleinkraftwerk reicher. Im Südwesten des Landes, in der Geysir-Region Haukadalur, wurde erst vor wenigen Wochen eine Anlage in Betrieb genommen, die sowohl in ökologischer als auch in technischer Hinsicht höchsten Anforderungen gerecht werden musste. Ausgerüstet wurde das Kraftwerk von Voith Hydro Österreich (ehemals Kössler), die ein komplettes Water-to-Wire-Paket realisieren konnte. Die beiden Francis-    Spiralturbinen aus Niederösterreich, die mit einigen technischen Spezifikationen ausgeführt wurden, erreichen eine Engpassleistung von 9,9 MW.

Zu Beginn ging es in Island nur um den Eigenbedarf. Anfang des 20. Jahrhunderts fabrizierten findige isländische Bauern ihre Turbinen selbst, um Strom für die eigenen Lampen zu erzeugen. 1899 waren in Reykjavík schon zahlreiche Häuser elektrisch beleuchtet, 1921 wurde knapp außerhalb der Hauptstadt im Elliðaár-Tal das erste größere Wasserkraftwerk errichtet, das fortan den Großteil der Stadt mit Strom für die Beleuchtung versorgte. Mit 1 MW Leistung vervierfachte das Kraftwerk die bislang verfügbaren Kapazitäten auf einen Schlag. In den folgenden Jahrzehnten legte der Wasserkraftausbau in Island eine wahre Erfolgsgeschichte hin: Besonders in den 1950er und 1960er Jahren wurden viele Kraftwerke an den wasserreichen Flussläufen Islands errichtet. Das größte wurde allerdings erst 2009 in Betrieb genommen – das Kraftwerk Kárahnjúkar im Osten der Insel. Die Kraftwerksanlage, für deren Betrieb fünf Staudämme errichtet wurden, weist eine installierte Leistung von 690 MW auf. Mit einer Regelarbeit von 4.600 GWh versorgt es heute eine große Aluminiumschmelze in der Nähe mit günstigem Strom. Naheliegend, dass der Energiereichtum die energieintensiven Industrien nach Island lockt. Gerade einmal 0,05 Euro pro kWh bezahlen Industrieabnehmer hier für ihren Strom.

Erstes Wasserkraftwerk für HS Orka
Dank seiner Wasserkraftressourcen hat sich Island bis heute zu einem Big Player in Sachen erneuerbare Energien entwickelt. Der eigene Strombedarf wird zu 100 Prozent aus regenerativen Ressourcen abgedeckt, wobei die Wasserkraft über drei Viertel davon beisteuert. Der verbleibende Rest entfällt auf Geothermie-Kraftwerke. Eine Situation also, von der die meisten Staaten heutzutage nur träumen können. Der größte Stromproduzent im Allgemeinen und in der Wasserkraft im Speziellen ist auf Island das staatliche Unternehmen Landsvirkjun, das etwa 75 Prozent der gesamten Stromproduktion liefert. Mit 9 Prozent nimmt das Unternehmen HS Orka in der Rangliste der größten Stromproduzenten Islands den dritten Rang ein. Bislang hatte sich der Energiekonzern auf die Erzeugung erneuerbarer Energie aus Geothermie beschränkt. Erst kürzlich wurde dieses Portfolio erweitert: HS Orka realisierte mit dem KW Brúarvirkjun sein erstes Wasserkraftwerk im Westen der Insel – ein Projekt, das einen hohen Aufwand sowohl in ökologischer als auch in technischer Hinsicht erforderte.

In der Heimat der Geysire
Beim neuen Kraftwerk Brúarvirkjun handelt es sich um ein Ausleitungskraftwerk am Oberlauf des Tungufljót Flusses im Südwesten der Insel. Genauer gesagt in der Region Haudakalur, die vor allem aufgrund ihrer Geysire Berühmtheit erlangte. Nicht zuletzt dank der Nähe zu den geothermischen Phänomenen und der unberührten Naturlandschaft waren im Vorfeld umfangreiche Umweltverträglichkeitsprüfungen und Auflagen zu erfüllen, ehe die isländischen Behörden dem Projekt grünes Licht erteilen konnten. Im Sommer 2018 war es schließlich soweit: Die Bauarbeiten an der Anlage konnten beginnen. Laut Bescheid kann dem Tungufljót für den Kraftwerksbetrieb Wasser bis zum Ausmaß von 23,6 m3/s entnommen werden. Um das Wasser von der Fassung zum Maschinenhaus zu führen, wurde eine 1,7 km lange Druckrohrleitung in der Dimension DN3200 errichtet. Sie wurde komplett unterirdisch verlegt. Das Triebwasser wird am Ende der Druckrohrleitung auf zwei Turbinen aufgeteilt, die sozusagen das elektromechanische Herz der Anlage darstellen. Dabei handelt es sich um zwei baugleiche horizontale Francis-Spiralturbinen, die im österreichischen Kompetenzzentrum für Kleinwasserkraft von Voith Hydro in St. Georgen am Steinfelde designt, gefertigt und schließlich auf den langen Weg in den Hohen Norden geschickt wurden. Für Voith Hydro ein durchaus fordernder Auftrag, der ein Water-to-Wire-Package umfasste.

Maßgeschneidertes Water-to-Wire-Package
Gesamt betrachtet, lieferte Voith Hydro für das Kraftwerk Brúarvirkjun neben den beiden Francis-Spiralturbinen auch die Synchrongeneratoren, die Hydraulik-Einheiten, die Kühlsysteme, die Einlaufklappen, die komplette E-Technik mit der Steuerung, die Transformatoren und Schaltanlagen, um nur die wichtigsten Komponenten des Water-to- Wire-Auftrags zu nennen. Außerdem war die Mannschaft von Voith Hydro auch für den Überseetransport, die Montageüberwachung, die Inbetriebnahme, sowie die Messungen für den Wirkungsgradnachweis verantwortlich. „Angesichts des engen Zeitplans haben wir auch eine enge Kooperation mit unseren Sublieferanten gesucht, um die Lieferzeiten kurz zu halten. Konstruktiv und intensiv war auch der Kontakt zum Kunden in Island, daher funktionierte die Abstimmung letztlich auch hervorragend“, resümiert Sebastian Mayerhofer, Area Sales Manager bei Voith Hydro. „In Anbetracht der Größe und des Lieferumfangs stellte das Projekt für uns eine große, aber auch reizvolle Herausforderung dar“, blickt Sebastian Mayerhofer zurück. Besonders wichtig sei es gewesen, dass das Konzept bereits im Vorfeld intensiv mit dem Kunden besprochen worden sei. Zentrale Aspekte dabei waren etwa die Größe, oder die Tonnagen der Komponenten, die Verläufe von Kühlwasser-, Öl- und Hydraulikleitungen sowie ein möglichst wartungsfreundliches Konzept der Maschinen. In die Gespräche eingebunden waren neben dem Bauherrn auch die Bauleitung und die Montagefirma.

Projekt mit speziellen Anforderungen
Was die technische Ausführung der Turbinen anging, waren die Ingenieure von Voith absolut gefordert. Schließlich galt es einige besondere Anforderungen des Kunden optimal umzusetzen. „Eine dieser speziellen Anforderungen war mit Sicherheit, die Maschinen so zu designen, dass sie in das sehr schlank ausgeführte Maschinenhaus passten. Außerdem wurden die Turbinendeckel mit Schutzblechen ausgestattet, um den Verschleiß zu minimieren“, erklärt Sebastian Mayerhofer und ergänzt: „Ausgesprochen speziell waren die Anforderungen hinsichtlich der Maschinenwartung, die auf ein absolutes Minimum begrenzt werden sollte. Aus diesem Grund wurden wartungsfreie Lagerungen im Leitapparat verbaut, auch bei der Wellendichtung handelt es sich um eine berührungslose Labyrinthdichtung, die absolut wartungsfrei ist. Zwar gibt es bei Generator und Hydraulikaggregat vorgegebene Intervalle für den Ölwechsel. Aber abgesehen davon wurde auch bei diesen Komponenten die Wartung extrem minimiert.“ Ein weiterer wichtiger Aspekt für die Betreiber war die Inselbetriebsfähigkeit der Anlage. Gerade in den kalten Wintermonaten gilt das isländische Stromnetz nicht unbedingt als das stabilste. Um hier Versorgungssicherheit zu garantieren, wurden Lösungen für die Inselbetriebsfähigkeit umgesetzt. Die Tests für die Inselbetriebsfähigkeit seien ebenfalls sehr aufwändig gewesen, erinnert sich der Projektleiter. Der schrittweise Aufbau eines Netzes aus dem Inselbetrieb hatte nur in Zusammenarbeit mit dem lokalen Netzbetreiber erfolgen können.

Auf dem Seeweg nach Island
Auch der Transport der einzelnen Komponenten war ein Kapitel für sich: Die beiden Spiralgehäuse für die Turbinen wurden als Ganzes gefertigt. Das bedeutete, dass Bauteile mit einer Breite von circa 5,5 m per Sondertransport durch halb Europa gefahren wurden. Auch die Saugrohre benötigten aufgrund ihrer Größe spezielle Genehmigungen für den Transport auf der Straße. Der Weg für die Wasserkraftkomponenten führte zuerst von St. Pölten zum Hafen in Melnik in Tschechien. Weiter ging es mit dem Binnenschiff über die Elbe nach Cuxhaven und von dort nach Reykjavik. Die letzte Etappe bis zum Krafthaus in Bruarvirkjun wurde per Lkw bewältigt. „Auch der Generatortransport hatte es in sich: Aufgrund des hohen Gewichts von über 60 Tonnen musste in Island ein Spezialanhänger geordert werden, um die Straßen nicht zu stark zu belasten“, schildert Sebastian Mayerhofer. Die Abmessungen und das Gewicht der einzelnen Bauteile zogen ebenfalls erhebliche Herausforderungen bei der Montage nach sich. Da im Maschinenhaus lediglich ein 5-Tonnen-Kran für Wartungszwecke installiert worden war, musste ein Autokran angefordert werden, der Komponenten mit 60 Tonnen Gewicht verheben konnte – den einzigen mit dieser Kapazität auf Island.

Optimierte Strömungsverhältnisse
Mitte November wurde es schließlich ernst mit der Inbetriebnahme der beiden Maschinensätze. Mit witterungsbedingten Unterbrechungen gelang es den Technikern von Voith Hydro die Anlage bis Mitte Februar dieses Jahres erfolgreich in Betrieb zu setzen. Die Wirkungsgradtests belegen, dass die Maschinen wie ein Uhrwerk laufen – laufruhig und effizient. „Das gesamte hydraulische Profil der Turbinen basiert auf einem verifizierten Modelltest. Daher weisen die Turbinen, angefangen bei der Spirale, über die Stützschaufeln, Leitschaufeln, Laufradkanäle bis zum Saug­rohr optimale Strömungsverhältnisse auf“, so Sebastian Mayerhofer, der abschließend erläutert: „Die Wirkungsgradtests haben die vor allem im Teillastbereich hohen vertraglich garantierten Wirkungsgrade bestätigt oder teilweise sogar leicht übertroffen.“ Konkret sind die beiden Francis-Spiralturbinen auf eine Nettofallhöhe von 45,2 m und einen Nenndurchfluss von je 12,5 m3/s ausgelegt, wobei sie eine Nennleistung von jeweils 5.222 kW erreichen. Mit einer Nenndrehzahl von 333 Upm treiben sie jeweils einen direkt gekoppelten Synchrongenerator mit 5.612 kVA Leistung an. Ein leistungsstarkes Maschinenduo, das über Jahrzehnte hohe Betriebssicherheit garantiert.

Eine erfolgreiche Premiere
Die ersten Betriebswochen zeigten bereits, dass das neue Kraftwerk der hohen Erwartungshaltung gerecht wird. Mayerhofer: „Im Vergleich zum marktüblichen Umfang im Small-Hydro-Geschäft war ein deutlich erweitertes Testprogramm zu durchlaufen. Und dabei wurden alle Tests mit Bravour bestanden. Die Anlage läuft zur vollsten Zufriedenheit des Kunden.“ Im Regeljahr liefert das neue Kraftwerk Brúarvirkjun rund 86 GWh sauberen Strom, der über ein nahegelegenes Umspannwerk in das isländische 33 kV-Netz eingespeist wird. Für den Energieversorger HS Orka bedeutet das neue Kraftwerk nicht nur eine Erwei-    terung seiner eigenen nachhaltigen Erzeugungskapazitäten, sondern auch einen Meilenstein in der rund 40-jährigen Firmengeschichte. Schließlich stellt die Umsetzung eines Wasserkraftwerks eine echte Premiere dar. Für Voith Hydro ist Island kein ganz neuer Markt. Es wurden in der Vergangenheit bereits ein großes Kaplan- sowie ein kleineres Pelton-Projekt verwirklicht. Doch in Sachen Francis-Turbinen stellt das Projekt in der Geysir-Region Haukadalur das erste seit sehr langer Zeit dar.


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Eine von zwei Einlaufklappen wird eingehoben.

Foto: HS Orka

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Zwei Francis-Spiralturbinen aus Niederösterreich sorgen für zuverlässige und effiziente Ökostromproduktion im neuen Kraftwerk Brúarvirkjun im Südwesten Islands. Die beiden Turbinen aus dem Hause Voith Hydro erreichen eine Engpassleistung von 9,9 MW.

Foto: Voith Hydro

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Die Francis-Spiralturbinen wurden speziell in Hinsicht auf ihre Wartungsfreundlichkeit optimiert.

Foto: Voith Hydro

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Das in Modellversuchen bewährte Laufraddesign garantiert Top-Wirkungsgrade der Maschine.

Foto: Voith Hydro

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Rund 86 GWh Strom erzeugen die beiden Francis-Spiralturbinen im KW Brúarvirkjun  im Regeljahr. Das Kraftwerk wurde überdies voll inselbetriebsfähig ausgeführt.

Foto: Voith Hydro

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Die beiden Turbinen mussten speziell an die sehr schmale Baukubatur des Maschinenhauses angepasst werden.

Foto: HS Orka