Neues Kraftwerk am Alvierbach liefert sauberen Strom aus dem Brandnertal

Autor: Roland Gruber , 28.09.2020

Vorarlberg setzt weiterhin konsequent auf den Ausbau der Wasserkraft. Mit dem neuen Kraftwerk Alvierbach Oberstufe, das Mitte Februar letzten Jahres offiziell seinen Betrieb aufgenommen hat,

konnte nun ein bislang brachgelegener Bachabschnitt oberhalb des über 100-jährigen Traditionskraftwerks Alvierwerk in Bürs einer hydroelektrischen Nutzung zugeführt werden. Unter Federführung der iIlwerke vkw wurde ein Beteiligungskraftwerk mehrerer Partner nach modernsten Kriterien realisiert. Dabei stellten gerade die Errichtung der Druckrohrleitung, aber auch der Bau der Wasserfassung hohe Anforderungen an das Know-how der Verantwortlichen. Im neuen Krafthaus erzeugt heute eine 6-düsige Peltonturbine vom Fabrikat Andritz Hydro genug Strom, um rund 1.700 Haushalte in Vorarlberg versorgen zu können.

Unweit der Grenze zum Schweizer Kanton Graubünden liegt das Vorarlberger Brandnertal, das sich von den Hängen der Schesaplana, der mit 2.965 m höchsten Erhebung des Rätikons, bis hinunter nach Bludenz erstreckt. Mit dem Lünersee, dem größten Bergsee Vorarlbergs, seinem malerischen Bergpanorama und der wildromantischen Bürserschlucht zählt das Brandnertal schon seit langem zu den touristischen Hotspots im Ländle. Mittlerweile sind in dem Gebiet mehr als 400 Kilometer Wanderwege erschlossen.
Entwässert wird das Brandnertal durch den Alvierbach, einem Wildbach, der die Gemeinden Brand, Bürserberg und Bürs durchfließt. Er wurde im untersten Bachabschnitt bereits sehr früh im so genannten Alvierwerk I für die Stromerzeugung genutzt. Die Kleinkraftanlage der Firma Getzner stammt aus den Vorkriegszeiten von 1911 und zählt zu den ältesten Kleinwasserkraftwerken Vorarlbergs. Es wurde über die Jahre immer wieder angepasst und modernisiert und ist heute auf eine Ausbauleistung von 5 MW ausgelegt. Oberhalb von 830 m Seehöhe wurde der Alvierbach bislang allerdings – abgesehen von einer kleinen Selbstversorgeranlage – noch nicht für die Stromgewinnung genutzt. Mit den Plänen der illwerke vkw sollte sich das ändern. „Für die Realisierung des Kraftwerks Alvierbach wurde eine Beteiligungsgesellschaft gegründet, die neben den Hauptinitiatoren von illwerke vkw mit mehr als 80 Prozent Anteil von den Gemeinden Brand und Bürs, der Stadt Bludenz, der Agrargemeinschaft Bürs und sechs Privatpersonen gehalten wird. Es sollte sich zeigen, dass die Bündelung unterschiedlicher Kräfte und Interessen bestens funktionieren kann“, blickt Ing. Rainer Salomon, ehemaliger Leiter der Kleinwasserkraftabteilung i. R. zurück.

Topographie fordert Hochpunkt
„Grundsätzlich war uns der Standort hier schon länger bekannt. Mit der gegebenen Topographie, einem Einzugsgebiet von 33,7 km2 und einer relativ konstanten Wasserführung sollte sich der Alvierbach sehr gut für ein weiteres Kleinwasserkraftwerk eignen“, erklärt der Projektleiter Ing. Martin Neuhauser vom Bereich Engineering Kleinwasserkraftwerke der illwerke vkw. Gemeinsam mit dem Planungsbüro breuß mähr bauingenieure GmbH aus Koblach wurde ein wirtschaftlich und technisch tragfähiges Konzept ausgearbeitet, das eine Nutzung des Alvierbachs über eine Gefällstufe von 138,5 m oberhalb der bestehenden Tschapina-Fassung des Alvierwerks I vorsah.  Dem Konzept nach handelt es sich um ein Ausleitungskraftwerk, das sein Triebwasser über eine Ausleitungsstrecke von 3,1 km von der Wasserfassung auf knapp 1.000 m Seehöhe bis zum neuen Maschinenhaus führt. Dabei galt es einige besondere technische Herausforderungen zu meistern, die vor allem den Bau der Druckrohrleitung betrafen. „Bedingt durch die topographischen Bedingungen vor Ort waren wir gezwungen, die Druckrohrleitung mit einem markanten Hochpunkt nach 2 Kilometer zu errichten. Das bedeutet, dass das Triebwasser nach rund 1,2 Kilometer vom markanten Tiefpunkt über eine Länge von ca. 800 m zum Hochpunkt aufwärts fließen muss. Eine Leitungsverlegung entlang des Gewässers ohne diesen Hochpunkt war aufgrund der steilen Böschungen entlang des Gerinnes nicht möglich“, erklärt Rainer Salomon.

Spezielle Wasserfassung
Das Triebwasser wird an einem kompakt gehaltenen Tirolerwehr gefasst, von wo aus es über eine Überfallkante in ein kleines Beruhigungsbecken und einen Schotterfang - und weiter in den Entsanderbereich gelangt. In der unterirdischen Entsanderanlage sind zwei Reihen Coanda-Rechen vom Typ Grizzly Optimus aus dem bewährten Lieferprogramm des Südtiroler Stahlwasserbauspezialisten Wild Metal nebeneinander angeordnet. Das heißt: Das Triebwasser fließt von einem zentralen Gerinne aus links und rechts über die Spaltsiebe, wo feines Geschwemmsel abgeschieden wird. Maximal werden 1,8 m3/s eingezogen.  
Die grundlegende Maxime für die Planung der Fassungsanlage lautete: die Anzahl der Spülzyklen auf ein Minimum reduzieren und selbige kurz halten. Der Planer DI Markus Mähr: „Der Grund dafür liegt darin, dass das abgearbeitete Triebwasser direkt in die Fassungsanlage des Unterliegerkraftwerks eingeleitet wird. Um dessen Betrieb nicht zu beeinflussen, galt es, die Spülzyklen möglichst zu reduzieren.“ Die Lösung dafür boten die in Serie geschalteten, insgesamt je 12 Coanda-Rechen, über die das anfallende Geschiebe sowie die organische Drift meist kontinuierlich ausgespült werden. Zudem wurde hier schon in der Konzeptionierung besonderes Augenmerk daraufgelegt, die vorgeschriebene Restwassermenge gleichzeitig für Spülzwecke zu nutzen. „Wir haben das Volumen der Verteilkanäle deutlich geringer konzipiert als jenes klassischer Entsanderkammern, weshalb mit weniger Wasser schneller gespült werden kann.“ Und noch ein Vorteil resultierte aus dem Einsatz der Coanda-Rechen von Wild Metal: Es konnte dadurch eine kompaktere Ausführung des Entsandungsbauwerks erreicht werden, da es sich dank des Coanda-Systems auf geringe Fließgeschwindigkeiten zur Absetzung der Feinsedimente verzichten lässt.

Bauen trotz Tourismusbauverbots
Für die Bauarbeiten am neuen Kraftwerk – und zwar für alle Baulose – vertrauten die Bauherren auf die Kompetenz des Vorarlberger Bauunternehmens Wilhelm+Mayer, das die Umsetzung durch ein kombiniertes Team aus den hauseigenen Abteilungen Tiefbau und Brückenbau bewerkstelligte. Technisch sollten einige Herausforderungen auf das Bauteam zukommen, die größte erwuchs allerdings aus einer ganz anderen Richtung: In Brand gilt das sogenannte ‚Tourismusbauverbot‘, das im Wesentlichen die Bauarbeiten auf die Zeit von Anfang September bis etwa Mitte Dezember eingrenzt. Verständlicherweise möchte man die Touristen im Ort nicht mit unnötigem Baulärm belästigen. Aber – mit diesem kurzen Zeitfenster wäre eine Realisierung, für die man ja auch Kräne und Bagger benötigt, kaum möglich gewesen. Der Baufirma gelang es zum Glück, eine Ausnahmegenehmigung zu erwirken, wodurch sie die Bauarbeiten in einer Nettobauzeit von etwa einem Jahr durchziehen konnte. Der Auftakt der Bauarbeiten begann im August 2017 mit Rodungsarbeiten und ersten Vorbereitungen für den Bau der Wasserfassung. Um die Fassung im Trockenen errichten zu können, wurde der Alvierbach, der im Spätsommer wenig Wasser führte, umgeleitet. Grundsätzlich war es den Verantwortlichen ein Anliegen, das Querbauwerk in möglichst naturnaher Form in die Landschaft des Brandnertals zu integrieren. Zu diesem Zweck wurden Bruchsteine und Schüttungen verwendet.

Rohrverlegung in variierender Tiefe
Der Leitungsbau auf über 3 Kilometer Länge sollte sich aufgrund der Topographie des Geländes als sehr anspruchsvoll erweisen. „Das Bauteam ist häufig auf Fels und auf große Findlinge gestoßen, was die Rohrverlegung etwas erschwerte. Es variierte die Verlegetiefe von etwa 2 m bis auf 9 m, außerdem musste mit der neuen Leitung dreimal eine Bachquerung vorgenommen werden“, erläutert Tiefbauleiter Patrick Frank die baulichen Herausforderungen. Mehrere Hoch- und Tiefpunkte mit Widerlagern, sowie jede Menge Sonderformstücke waren erforderlich, um die Leitung dem Geländeprofil anzupassen. Das Verlegeteam von Wilhelm+ Mayer hatte für die Verlegung permanent zwei 24-Tonnen-Bagger im Einsatz. Für die Ausführungen des Bauteams finden die Verantwortlichen durchaus lobende Worte.
Vom Fassungsbauwerk bis zum Tiefpunkt kamen aufgrund der vielen Richtungswechsel zugsichere duktile Gussrohre DN1000, geliefert vom Tiroler Traditionshersteller TRM, zum Einsatz. Für jenen markanten, ca. 1,2 km langen Abschnitt vor dem Hochpunkt setzte man auf GFK-Rohre vom Typ Flowtite in der Dimension DN1200 aus dem Hause Amiblu. In den Bereichen gestreckterer Linienführung wechselte man somit auf GFK. Die   glasfaserverstärkten Kunststoffrohre punkten dabei auch mit der geringen Oberflächenrauigkeit im Inneren, sodass nur minimale Reibungsverluste am Weg vom markanten Tief- zum Hochpunkt entstehen. Markus Mähr: „Aus planerischer Sicht war die Berücksichtigung dynamischer Fließzustände in der Druckrohrleitung ein wesentlicher Punkt, um beim Anfahren oder einem Notschluss der Turbine am Hochpunkt Unterdruck in der Leitung ausschließen zu können. In unsere Berechnungen wurden neben Rohren im Neuzustand auch solche mit höherem Leitungsalter und somit größerer Rauigkeit mit einbezogen.“ Das Profil der Druckrohrleitung, bei der nach ca. 2 km ein Hochpunkt erreicht wurde, dessen Kote weniger als 10 m unter dem Stauziel der Fassung liegt, stellte sowohl in planerischer als auch in baulicher Hinsicht eine der größten Herausforderungen des Projektes dar.

Rücksicht auf den Unterlieger
Nicht nur beim Konzept der Wasserfassung, sondern auch beim Plan für das Maschinenhaus legte man größten Wert darauf, den Betrieb des traditionsreichen Unterliegerkraftwerks nicht negativ zu beeinflussen. „Da die Ausleitungsstrecke über 3 Kilometer lang ist, braucht das Wasser von der Fassung bis zur Turbine über eine halbe Stunde. Bei einem Maschinenstillstand wäre der Unterlieger dann eben für längere Zeit von unserem Triebwasser abgeschnitten gewesen – mit einem damit verbundenen Leistungsentgang von 3 bis 4 MW. Aus diesem Grund wurde ein Bypass in Form eines Ringkolbenschiebers der Fa. VAG integriert“, erklärt Stefan Geiger, Projektleiter von der Firma ANDRITZ Hydro. Sollte die Turbine einmal außerplanmäßig abstellen, wird das Wasser vollautomatisch in den Bypassbetrieb übergeleitet. Dieser übernimmt dann auch die Stauzielhaltung. „Grundsätzlich stand aus planungstechnischer Sicht das Ziel im Vordergrund, eine Optimierung der Unterwasserableitung zum Unterliegerkraftwerk ohne gegenseitige Beeinflussung bei gleichzeitig möglicher Außerbetriebnahme der einzelnen Anlagen und bestmöglicher Ausnutzung der Fallhöhe zu erreichen.“ Mit diesem Konzept ist dafür gesorgt, dass der unabhängige Betrieb beider Anlagen gewährleistet wird. Im Regelbetrieb wird das abgearbeitete Wasser direkt ins Schotterbecken des Unterlieger-Kraftwerks geführt.

Leittechnik mit Extra-Lösungen
In der technischen Umsetzung dieser zentralen Vorgabe war vor allem das beauftragte E-Technik-Unternehmen, die MBK Energietechnik GmbH, voll gefordert, erinnert sich Tiefbauleiter Frank Patrick. „Die Vorgabe der geringstmöglichen Beeinflussung der Unterlieger-Anlage galt natürlich nicht nur für das Abstellen und Anfahren der Anlage mittels einer asymmetrischen Nebenauslassregelung, sondern vor allem auch für den Fall einer Notabschaltung und für die Spülautomatik der Entsanderkanäle. Eine zusätzliche Anforderung im Hinblick auf die Spülautomatik war, mit möglichst geringer Wassermenge den bestmöglichen Spüleffekt zu erzielen“, erklärt dazu Christian Mund von MBK und geht dazu ein wenig ins Detail: „Da dies natürlich stark vom Wasserdargebot abhängig ist, haben wir ein eigenes Spülprogramm entwickelt, welches dem Kunden erlaubt, sämtliche Spülabläufe frei zu definieren. Das heißt: Der Betreiber kann über die Visualisierung selbst verschiedenste Abläufe programmieren, welche dann im Automatikbetrieb entsprechend aufgerufen werden. Damit die Spülvorgänge so störungsfrei wie möglich ablaufen, haben wir für sämtliche Schützen zusätzlich noch eine Freispülautomatik eingefügt.“
Das Energietechnikunternehmen aus dem steirischen Ilz zählt nicht zuletzt dank einer ellenlangen Referenzliste zu den renommiertesten Spezialisten in Sachen Regel- und Automatisierungstechnik für Kleinwasserkraftwerke in Österreich. Speziell mit dem im eigenen Haus entwickelten Visualisierungssystem gelang es den Steirern auch bei diesem Projekt zu überzeugen. Dabei galt es, eine enorme Menge an Datenpunkten für die verschiedenen Funktionen zu verarbeiten und zudem die Wünsche und Vorstellungen des Kunden umzusetzen. „So haben wir beispielsweise Protokollvorlagen des Kunden auf Knopfdruck mit den entsprechenden Daten aus den verschiedenen Archiven befüllt oder Trenddiagramme direkt als Excel exportiert“, erklärt Christian Mund und verweist darauf, dass im Fall des KW Alvierbach ein sehr komplexes leit- und energietechnisches Gesamtsystem geliefert wurde, beginnend von der kundenseits errichteten Umspannstation bis zur gesamten elektrotechnischen Ausrüstung für Kraftwerk und Wasserfassung – vom 690 V-Energieverteiler über sämtliche Steuer- und Regelschränke bis hin zur Alarmierung und zum Fernzugriff: „alles aus einer Hand“.

Effizienz aus 6 Düsen
Im sehr kompakt gehaltenen Maschinenhaus, unmittelbar oberhalb der Tschapina-Fassung, wurde ein höchst solides Maschinengespann, bestehend aus einer 6-düsigen vertikalachsigen Peltonturbine aus dem Hause Andritz Hydro mit einem direkt gekoppelten Synchrongenerator der Firma Hitzinger, installiert. Die erfahrenen Betreiber legten nicht nur auf Effizienz, sondern auch auf Wartungsfreundlichkeit und Langlebigkeit größten Wert. Konkret ist die Turbine auf einen Ausbaudurchfluss von 1,8 m3/s sowie eine Netto-Fallhöhe von 127 m ausgelegt und kommt dabei auf eine Nennleistung von knapp 2 MW. Das Laufrad, das aus einem Stahl-Monoblock gefräst wurde, weist 20 Pelton-Laufradbecher auf, die den neuesten hydraulischen Design-Richtlinien des weltweit agierenden Wasserkraft-Konzerns entsprechen. Sie tragen dazu bei, dass die Turbine Top-Wirkungsgrade erreicht. Was die Maschine darüber hinaus auszeichnet, ist ihre Toleranz gegenüber kleinen Lasten. „Das heißt, dass der Maschinensatz auch bei sehr geringen Triebwasser, wie es in den Wintermonaten Jänner oder Februar vorkommt, weiterhin am Netz verbleiben kann. Mit einer Düse und einer Beaufschlagung von 5 bis 10 Prozent ist das Kraftwerk in der Lage, weiterhin Strom zu erzeugen“, erklärt Stefan Geiger Projektleiter von der Fa. Andritz Hydro.

Maßgeschneiderter Generator
Die Turbine ist direkt an die Welle des Generator-Rotors gekoppelt und treibt diesen im Regelbetrieb mit 500 Upm an. Der 3-phasige Drehstromgenerator des Linzer Traditionsherstellers Hitzinger ist dabei auf eine Nennleistung von 2.200 kVA ausgelegt und liefert eine Spannung von 690/400 V. Der Generator punktet dabei nicht nur mit seiner Zuverlässigkeit und seiner Performance. Daneben liegen die wesentlichen Stärken des Hitzinger-Generators darin, dass es sich um kein „Produkt von der Stange handelt“. Im Gegenteil: Generatoren aus dem Hause Hitzinger werden maßgenau nach den Vorstellungen des Kunden sowie nach den Anforderungen des Betriebs designt und produziert. Das beginnt bei der magnetischen Auslegung und endet beim Isolationssystem der Maschine. Dabei ist man sich bei Hitzinger bislang immer der Devise treu geblieben: „Besser konservativ auslegen“. Auf diese Weise haben die Maschinen meist einiges an Reserven – im Gegensatz zu anderen Industriegeneratoren, die sich von Beginn an am Limit bewegen. Einer der wichtigsten Pluspunkte liegt in den hauseigenen Software-Programmen, die mittlerweile über Jahrzehnte weiterentwickelt wurden. Diese ermöglicht den Technikern eine genaue und zudem sehr schnelle Auslegung der gewünschten Maschine.

Realisiert in einem Jahr
Der Planungsbeginn für die neue Anlage am Alvierbach war bereits im Jahr 2013. Es sollte allerdings noch ein paar Jahre dauern, bis alle Genehmigungen für das Bauvorhaben vorlagen. Im Sommer 2017 war es schließlich soweit. „Im Winter konnten wir natürlich nicht bauen. Dennoch ist es gelungen, das Werk in einer Nettobauzeit von knapp einem Jahr zu realisieren. Anfang 2019 haben wir mit dem Kraftwerk erstmals Strom produziert“, erinnert sich Martin Neuhauser. Er kann bereits ein überaus zufriedenstellendes Fazit über das erste Betriebsjahr ziehen: „Wir haben in diesem ersten Jahr über 10 GWh erzeugt. Das liegt knapp 20 Prozent über dem prognostizierten Jahresertrag von 8,5 GWh. Natürlich verdanken wir dies vorrangig den außerordentlich guten Zuflussbedingungen in der ersten Jahreshälfte 2019 mit den großen Schneemengen.“ Im Regeljahr können rund 1.700 Vorarlberger Haushalte mit sauberem Strom versorgt werden.

Baustein der Energieautonomie 2050
In Summe haben die Projektpartner aus dem Ländle rund 7,5 Millionen Euro in das neue Kraftwerksprojekt am Alvierbach investiert. Ende Oktober letzten Jahres fanden sich Vertreter der einzelnen Investoren, politische Repräsentanten und eine kleine Schar Verantwortlicher am Kraftwerk ein, um die Anlage offiziell einzuweihen. Im Rahmen der kleinen Eröffnungsfeier betonte Landtagspräsident Harald Sonderegger, dass das neue Kraftwerk einen weiteren bedeutenden Schritt auf dem Weg zur angestrebten Energieautonomie 2050 darstelle. Er bekräftigte einmal mehr das Bekenntnis der Vorarlberger Landesregierung, weiterhin auf den Ausbau der Wasserkraft zu setzen. Gemeinsam mit dem   illwerke vkw Vorstand Helmut Mennel, dem Geschäftsführer der neu gegründeten Kleinkraftwerk Alvierbach GmbH, Stefan Kaufmann, Projektleiter Martin Neuhauser wurde auch Rückschau auf die bauliche Umsetzung gehalten, wobei die gelungene Projektabwicklung von allen Seiten gelobt wurde. Für die illwerke vkw ist das neue Kraftwerk Alvierbach nach den beiden Kraftwerken Tschambreu und Stubenbach das dritte Kleinkraftwerk, das als Beteiligungskraftwerk realisiert wurde.

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Das neue Maschinenhaus wurde in direkter Nähe zur bestehenden Bachfassung Tschapina des Traditionskraftwerks Alvierwerks I errichtet.

Foto: illwerke vkw

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Funktionelles Visualisierungssystem vom Energie- und Leittechnik-Profi MBK.

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illwerke vkw Vorstandsmitglied Helmut Mennel, Landtagspräsident Harald Sonder- egger, Geschäftsführer der Kleinkraftwerk Alvierbach GmbH Stefan Kaufmann und Projektleiter Martin Neuhauser bei der kleinen Einweihungsfeier im Oktober 2019.

Foto: illwerke vkw

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Mithilfe von Bruchsteinen und Schüttungen wurde die Wasserfassung für das neue Kraftwerk Alvierbach im Vorarlberger Brandnertal     
naturnah gestaltet. Die Anlage, die seit Februar letzten Jahres in Betrieb ist, erzeugt grünen Strom für rund 1.700 Haushalte.

Foto: illwerke vkw

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Für die Strecke von rund 1,2 km bis zum Hochpunkt kamen GFK-Rohre DN1200 von Amiblu zum Einsatz.

Foto: illwerke vkw

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Das mit der Rohrverlegung beauftragte Bauunternehmen Wilhelm+Mayer setzte zwei 24-Tonnen Bagger ein. Im Bild: Der Einbau der duktilen Gussrohre DN1000, die über eine Länge von 1,9 km unterirdisch verlegt wurden – eine aufwändige Arbeit.

Foto: illwerke vkw

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Beim Bau der Wasserfassung im Gemeindegebiet von Brand war man bemüht, den  Spielbetrieb am direkt angrenzenden Golfplatz nicht durch die Bauarbeiten zu stören.

Foto: illwerke vkw

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Von zwei Verteilkanälen aus fließt das Wasser über die jeweils 12 in Serie geschalteten Coanda-Rechen vom Typ Grizzly Optimus vom Branchenspezialisten Wild Metal.

Foto: zek

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Dank des speziellen Entsandungskonzeptes der unterirdischen Coanda-Anlage kann eine negative Beeinflussung des Betriebs der Unterlieger-Anlage auf ein Minimum beschränkt werden. Das Restwasser wird hier auch zu Spülzwecken verwendet.

Foto: illwerke vkw

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Das Peltonlaufrad wird aus 6 Düsen angetrieben. Die Düsennadelverstellung erfolgt über elektrische Schubantriebe mit 24V Anschlussspannung.

Foto: illwerke vkw

 

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Da man für die MID (magnetisch-induktive Durchflussmessung) davor und danach einen kurzen Beruhigungsabschnitt benötigt, ließ man den obersten Teil des Rohres in das Beruhigungsbecken hineinragen. Auf diese Weise konnte selbiges sehr kompakt gehalten werden. Die MID dient der Rohrbruch- bzw. Leckage-Überwachung.

Foto: zek

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Mit 500 Umdrehungen treibt das Pelton- laufrad den direkt gekoppelten Synchrongenerator aus dem Hause Hitzinger an. Dieser ist wassergekühlt und auf eine Nennleistung von 2.200 kVA ausgelegt.

Foto: illwerke vkw

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Blick auf den Unterwasserkanal in der Bauphase.

Foto: zek

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Das neue Krafthaus hinter der bestehenden Tschapina Bachfassung: Die Fassade wurde mit einem speziellen Schutzanstrich versehen, der Algenbewuchs verhindert.

Foto: zek

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Diakon Ludwig Zünd spendete den kirchlichen Segen für das neue Kleinkraftwerk, das Ende Oktober letzten Jahres feierlich eingeweiht wurde.

Foto: illwerke vkw