Technisch komplett erneuertes Limmat-Kraftwerk Dietikon kurz vor der Wiederinbetriebnahme

Autor: Andreas Pointinger , 17.08.2020

Rund 1,5 Jahre nach Baubeginn wurde letzten Oktober das rundum modernisierte und um eine Restwasseranlage ergänzte Laufwasserkraftwerk Dietikon dem Nasstest unterzogen.

Aktuell befindet sich der Wiederinbetriebnahmeprozess in vollem Gange. Abgesehen von der elektromechanischen Modernisierung stand eine Vielzahl von ökologischen Ausgleichsmaßnahmen im Zentrum des Projekts. So wurden das Limmatufer und der nördliche Teil der Grien-Insel, auf der sich die weitläufige Anlage befindet, aufwändig renaturiert. Für die ökologische Durchgängigkeit sorgen zwei Fischwanderhilfen an Haupt- und Dotierkraftwerk, deren Einlaufbereiche mit fischfreundlichen Horizontalrechen ausgestattet wurden. Geliefert wurde der gesamte Stahlwasserbau – der rund 33 m lange und 6,5 m hohe Horizontalrechen beim Hauptkraftwerk zählt zu den größten Exemplaren im deutschsprachigen Raum – vom bayerischen Branchenspezialisten Muhr. Die insgesamt drei Kaplan-Turbinen – 2 x in Schacht-, 1 x in Bulb-Bauweise – fertigte Andritz Hydro, der Schweizer Automatisierungsexperte Rittmeyer lieferte die elektro- und leittechnische Ausstattung. Anfang 2020 wird das Kraftwerk Dietikon mit um rund 18 Prozent gesteigerter Erzeugungskapazität in den Regelbetrieb übergehen.

Im rund 12 km westlich vom Zentrum der Kantonshauptstadt Zürich gelegenen Dietikon hat die gewerbliche Wasserkraftnutzung eine lange Tradition. Auf der Grien-Insel im Stadtkern – das Gebiet sollte erst durch einen zwischen 1857 und 1860 parallel zur Limmat gegrabenen Ausleitungskanal zur Insel werden – diente das hydroenergetische Potential erstmals ab 1860 für den Betrieb mechanischer Transmissionen einer Weberei. Ab 1888 wurden schließlich die ersten elektrischen Turbinen im Kraftwerk installiert, der erzeugte Strom sollte wenige Jahre später bereits eine Reihe von weiteren Betrieben versorgen. 1894 wurde vom Regierungsrat der Einbau von drei neuen Turbinen genehmigt, 14 Jahre darauf ging das Kraftwerk in den Besitz der Elektrizitätswerke des Kantons Zürich (EKZ) über. Da sich zu Ende der 1920er Jahre gravierende Abnutzungserscheinungen am Kraftwerk gezeigt hatten, sah sich die EKZ mit der schwerwiegenden Entscheidung konfrontiert: die Anlage entweder stillzulegen oder zu sanieren. Man entschied sich für letztgenannte Option. Mit dem Ziel einer deutlichen Leistungssteigerung vor Augen sollte das Kraftwerk zwischen 1931 und 1933 umfassend erneuert und vergrößert werden. Dies beinhaltete sowohl die Erweiterung des Ober- und Unterwasserkanals als auch die Errichtung einer neuen Wehranlage und des Maschinenhauses, in dem zwei vertikale Kaplan-Schacht-Turbinen eingebaut wurden. Mit diesem Anlagenkonzept erzeugte das Kraftwerk bis zur aktuellen Erneuerung über acht Jahrzehnte zuverlässig Strom.

Langwieriges Konzessionsverfahren
Knapp vor der Jahrtausendwende startete 1999 die EKZ, die als Energieversorger und Netzbetreiber mit ca. 1.400 Mitarbeitern rund 9 Prozent des jährlichen Schweizer Gesamtstrombedarfs abdeckt, mit den Vorbereitungen zur Konzessionserneuerung ihres Traditionskraftwerks. Das Wasserkraftbetreibern wohlbekannte Spannungsfeld zwischen Wirtschaftlichkeit und Ökologie sorgte beim Kraftwerk Dietikon für ein außergewöhnlich langwieriges Verfahren – erst 2017 erteilte der Kanton Zürich die finale Baubewilligung. Alfredo Scherngell, Leiter Wasserkraft bei der EKZ und zentraler Projektkoordinator, betont hinsichtlich des langen Verfahrenszeitraums, dass die Herausforderung der Konzessionserneuerung darin bestand, die Anliegen und Interessen einer Vielzahl von Parteien – Behörden, Vereine, Verbände, Anwohner – unter einen Hut zu bringen. Darüber hinaus erweiterte die EKZ nach der Einführung des geförderten Ökostromtarifs (KEV-Förderung) im Jahr 2009 das Modernisierungsprojekt um den Bau eines Restwasserkraftwerks am Wehrsporn der Grien-Insel, was eine weitere Verzögerung mit sich brachte. Damit konnte die im Zuge der Neukonzessionierung erhöhte Restwasserabgabe von bis zu 15 m³/s weiterhin zur Stromproduktion genutzt werden, zusätzlich sollte die durchschnittliche Jahreserzeugung des Kraftwerks Dietikon um 18 Prozent gesteigert werden. In ökologischer Hinsicht war die Konzessionserneuerung an eine ganze Reihe von Maßnahmen gekoppelt. Dazu zählen neben der obligatorischen Herstellung von Fischauf- und Abstiegsmöglichkeiten umfangreiche Renaturierungsmaßnahmen im unter Naturschutz stehenden Auenwald, der die nördliche Hälfte der Grien-Insel einnimmt. Um den Gewässerbewohnern eine optimale Passage zu ermöglichen, wurden beim Haupt- und Dotierkraftwerk technische Multistruktur-Schlitzpässe errichtet. Für den Fischabstieg und die Geschwemmselabfuhr wurde ein bestehender Eiskanal am Kraftwerk entsprechend umgebaut.

Baustart im Vorjahr
Kurz nach der finalen Baubewilligung Ende 2017 ging das Großprojekt Anfang 2018 in die Umsetzungsphase über. Im Februar starteten die Arbeiten zur Errichtung des Dotierkraftwerks, wenige Monate später wurde im Mai der rund 600 m lange Oberwasserkanal entleert und das Hauptkraftwerk, dessen altgediente Maschinen bis zuletzt Strom produziert hatten, stillgelegt. Zeitlich parallel zu den Hoch- und Tiefbauarbeiten erfolgten die Renaturierungsmaßnahmen im Projektgebiet. Beim Hauptkraftwerk, dessen Grundstruktur wie geplant unverändert geblieben ist, stellte der Turbinentausch eine beträchtliche Herausforderung dar, erklärt Scherngell: „Die vorhandenen Pläne aus den 1930er Jahren waren eher mangelhaft, vor dem Baubeginn wusste man nicht konkret darüber Bescheid, wie das Bauwerk bei seiner Errichtung bewehrt wurde. Erst mit Beginn der Abbrucharbeiten hat man gesehen, dass die Baustruktur doch nicht in so gutem Zustand ist wie angenommen. Der zuständige Planer hatte wirklich keine leichte Aufgabe.“ EKZ-Projektleiter Roland Sutter fasst die Situation im Krafthaus während der Bauphase mit einem Schmunzeln prägnant zusammen: „Das Loch wurde immer größer.“

Alle Turbinen von ANDRITZ HYDRO
Die Bauform der Maschinensätze beim Hauptkraftwerk in Form zweier identisch konstruierter Kaplan-Schacht-Turbinen mit direkt gekoppelten Synchron-Generatoren blieb unverändert. Wie beim Dotierkraftwerk konnte sich ANDRITZ Hydro, Weltmarktführer im Groß- und Kleinwasserkraftsektor, den Zuschlag für die elektromechanische Ausstattung sichern. Scherngell ergänzt, dass ANDRITZ Hydro für das Projekt einen aufwändigen Modellversuch im Maßstab 1:10 erstellte, um die Maschinen in Sachen Effizienz und Wirkungsgrad bestmöglich für den Standort zu optimieren. Ebenso wurde dem Thema Fischschutz bei der Turbinenauslegung hohe Aufmerksamkeit zuteil. Anstelle der vormals 4-flügeligen Laufräder wurden die neuen Läufer mit einem Durchmesser von 3.300 mm mit jeweils drei Flügeln gefertigt. In Kombination mit der vergleichsweise langsamen Nenndrehzahl von 115,38 U/min kann die Fischmortalität somit konstruktionsbedingt erheblich minimiert werden. Für die Stromproduktion stehen jeder Turbine eine Bruttofallhöhe von 4,5 m sowie eine Ausbauwassermenge von jeweils 47,5 m³/s zur Verfügung. Bei vollem Wasserdargebot schafft jede der doppeltregulierten Maschinen eine Engpassleistung von je 1,75 MW. Um die Schallemissionen der Anlage möglichst gering zu halten, wurden die Generatoren mit einer Nennscheinleistung von je 1.900 kVA mit einer Wasserkühlung ausgestattet. Projektleiter Sutter ergänzt, dass mit dem zusätzlichen Restwasserkraftwerk in Abhängigkeit vom jeweiligen Wasserdargebot zahlreiche Betriebsvarianten mit den insgesamt drei Turbinen möglich sind.

Erzeugungssteigerung dank Dotierkraftwerk
Die Errichtung des Dotierkraftwerks im Süden der Grien-Insel sorgt dafür, dass Erzeugungseinbußen der Anlage Dietikion trotz der erhöhten Restwasserabgabe mehr als nur ausgeglichen werden. Mit dem Neubau am Wehrsporn können zwischen den Monaten Oktober und März 10 m³/s sowie während April und September 15 m³/s turbiniert werden, wodurch sich die Jahresproduktion von vormals rund 17 GWh auf 20 GWh massiv steigert. Hauptverantwortlich für dieses 18-prozentige Erzeugungsplus ist eine Kaplan-Bulb-Turbine mit horizontaler Welle. Diese schafft bei einer Bruttofallhöhe von 3,5 m bei vollem Wasserdargebot – die Maschine wurde für eine maximale Ausbauwassermenge von 25 m³/s ausgelegt - eine Engpassleistung von 770 kW. Wie bei Kaplan-Turbinen in Bulb-Ausführung üblich, ist vom Maschinensatz im Untergeschoss des Gebäudes nur der Leitapparat sichtbar, das Gehäuse und der vom Triebwasser umspülte Generator bleiben nach der Fertigstellung im Verborgenen. Die Nenndrehzahl der ebenfalls mit einem 3-flügeligen Läufer DN1950 ausgestatteten Maschine beträgt exakt 200 U/min, zum Verstellen von Leitapparat und Laufradflügeln dient ein Hydraulikaggregat.

Elektro- und Leittechnik vom Automatisierungsprofi Rittmeyer
Selbstverständlich kam es im Rahmen der baulichen und elektromechanischen Erneuerungen des Kraftwerks Dietikon auch zu einem umfassenden elektro- und leittechnischen Update. Ausgeführt und installiert wurde das Automatisierungs-Komplettpaket für Haupt- und Dotierkraftwerk vom Schweizer Branchenspezialisten Rittmeyer aus Baar. Rittmeyer Inbetriebnahme-Techniker Rainer Obrist wies beim zek HYDRO-Lokalaugenschein Mitte Oktober darauf hin, dass bei der Steuerung des Projekts Dietikon speziell die komplexe Wasserhaushalts-Thematik des Laufkraftwerks eine wichtige Rolle gespielt hat. Das zigfach bewährte Leittechniksystem von Rittmeyer sorgt dafür, dass das Zusammenspiel und die Abstimmung zwischen Wehranlage, Restwasserkraftwerk und Hauptkraftwerk bei sämtlichen Zuflussbedingungen oder Ausnahmesituationen, beispielsweise einem unerwarteter Notschluss, rund um die Uhr reibungslos mit einem Maximum an Effizienz funktioniert. Ein autonom wirkender Notpegelregler stellt zusätzlich in einer Ausnahmesituation einen konstanten Oberwasserpegel sicher. Bei den vier Wehrfeldern wurden zu Beginn des Projekts die Wehrsteuerungen ersetzt. Somit können die Positionen der Wehrschützen redundant mit dem robusten und zuverlässigen RIPOS Drehgeber von Rittmeyer eingelesen werden. Für das Dotierkraftwerk und die beiden Maschinengruppen im Hauptkraftwerk durfte Rittmeyer neben der Maschinenleittechnik auch die elektronischen Turbinenregler realisieren. Die Bedienung der Turbinenregler ist dadurch im Rittmeyer Leitsystem RITOP ALPHA eingebunden und ermöglicht die Steuerung aus einem Guss. Störfälle und Fehlermeldungen werden automatisch an den Bereitschaftsdienst der EKZ übermittelt, im Anlassfall kann das geschulte Personal unmittelbar vor Ort entsprechende Schritte zur Fehlerbehebung einleiten.

Horizontale Schutzrechen im Großformat
Um dem Schutz der Gewässerlebewesen am weitläufigen Anlagenstandort bestmöglich gerecht zu werden, wurden sowohl beim Hauptkraftwerk als auch beim Dotierkraftwerk bekannt fischfreundliche Schutzrechen in horizontaler Variante eingebaut. Geliefert und montiert wurde der gesamte Stahlwasserbau inklusive Rechen und Rechenreinigungsmaschinen, Schützen, Dammtafeln, Hydraulikaggregate und Stemmtor vom süddeutschen Stahlwasserbauexperten Muhr aus dem bayerischen Brannenburg. „Mit einer Länge von knapp 33 m und einer Höhe von 6,5 m gehört der Horizontalrechen beim Hauptkraftwerk zu den größten seiner Art im deutschsprachigen Raum. Die Besonderheit ist aber nicht die schiere Größe als solche, sondern vielmehr die gleichzeitig erforderliche Fertigungspräzision infolge des fischfreundlichen Rechenstab­abstands von nur 30 mm bei 20 mm lichter Weite zwischen den Stäben. Die aus dieser feinmaschigen Auslegung resultierenden Strömungsverluste werden durch die Größe des Rechens sowie eine strömungsoptimierte Form und Ausrichtung der Rechenstäbe sowie der zwölf Unterstützungsträger kompensiert – Fischschutz und Wirtschaftlichkeit lassen sich so bestens vereinbaren“, erklärt Muhr-Fachredakteur Florian Kufner und führt weiter aus, dass das rund 211 m² messende Rechenfeld von einer Rechenreinigungsmaschine (RRM) der Baureihe HYDRONIC H-8000 V sauber gehalten wird. Die RRM ist mit einem wartungsarmen Omega-Kettenantrieb ausgestattet, mit einer Schubkraft von rund 30 kN sorgt die Maschine für eine zuverlässige Reinigungsleistung bei allen Bedingungen. Um sperriges Treibgut oder angeschwemmtes Langholz vom Einlauf zu entfernen, wurde die Maschine um einen Ladekran mit Holzgreifer ergänzt. Ebenso können damit die Dammtafeln am Bypass-Einlauf gesetzt und gehoben werden. Hohe Anforderungen stellte die EKZ laut Kufner an das Stemmtor, das den Zufluss zum Bypasskanal am Kraftwerk reguliert. Zu diesem Stemmtor wird von der RRM das vom Einlaufrechen entfernte Schwemmgut befördert und schließlich über den Bypass abgeleitet. Der Antrieb für das Stemmtor durfte nur über einen obenliegenden Zylinder hergestellt werden. „Bei einer Gesamthöhe von 6,6 m und einer maximalen Wasserstandsdifferenz von 6 m erforderte dies eine extrem verwindungssteife Konstruktion. Zusätzlich mussten in das Tor zwei Dotierschieber integriert werden, um den Zulauf zum Bypass regulieren zu können und Fischen in unterschiedlichen Wasserhöhen einen artgerechten Abstieg zu ermöglichen“, sagt Kufner.
Mit einer Länge von gut 26 m und einer Höhe von 3,2 m ist der Horizontalrechen am Dotierkraftwerk knapp halb so groß wie sein Gegenstück am Hauptkraftwerk. Dieser wurde mit demselben strömungsoptimierten, fischfreundlichen Stabprofil ausgestattet und strömungsgünstig ins Bauwerk integriert. Als Rechenreiniger kommt hier eine RRM der Baureihe HYDRONIC H-5000 V mit Kammstangenantrieb und einer Schubkraft von 20 kN zum Einsatz. Insgesamt beinhaltete der Muhr Lieferumfang drei Hydraulikaggregate. Je ein Exemplar befindet sich in den RRM, wo diese die Hydraulikmotoren der Antriebe sowie die Hubzylinder der Harken steuern. Beim Hauptkraftwerk versorgt das Aggregat zudem den Ladekran mit Öldruck. Ein weiteres Hydraulikmodul im Hauptkraftwerk steuert die Zylinder des Stemmtors und der Regulierklappe. Kufner resümiert, dass für Muhr die besondere Herausforderung des Auftrags im großen Lieferumfang mit verschiedensten Einzelpositionen bestand. Dieser stellt durchwegs hohe Anforderungen an die gesamte Projektorganisation, angefangen von der Projektierung, über Konstruktion und Einkauf, bis hin zur Produktion, Montage und Dokumentation.

Regelbetrieb in Sichtweite
Am 21. Oktober begann nach rund 1,5 Jahren Bauzeit die Flutung des Oberwasserkanals, innerhalb weniger Stunden füllte sich die Ausleitungsstrecke mit ca. 35.000 m³ Wasser aus der Limmat. Zu Beginn des Nasstests erfolgte die Dichtigkeitsüberprüfung beim Dotierkraftwerk und seiner elektromechanischen Ausstattung, wenig später wurden die Maschinen und die Struktur des Hauptkraftwerks einer ersten Bewährungsprobe unter Realbedingungen unterzogen. Das Dotierkraftwerk wird bereits im November den Probebetrieb aufnehmen, im Dezember werden die neuen Maschinensätze im Hauptkraftwerk ausgiebig getestest. Die Inbetriebnahme der beiden Fischwanderhilfen wird im kommenden Jänner erfolgen. Alfredo Scherngell zeigte sich beim Gespräch mit zek HYDRO sehr zuversichtlich, dass die rundum erneuerte und erweiterte Anlage Anfang 2020 den der Jahreszeit entsprechenden Regelbetrieb aufnehmen kann. In energietechnischer Hinsicht wird sich die Investition von rund 39 Millionen CHF definitiv bezahlt machen, dank der Erzeugungssteigerung um fast ein Fünftel gegenüber dem Vorzustand kann die EKZ den Jahresstrombedarf von rund 4.500 Durchschnittshaushalten aus Eigenproduktion abdecken. Am 7. März 2020 veranstaltet die EKZ einen Tag der offenen Tür, an dem sich Interessierte einen eigenen Eindruck vom Vorzeigeprojekt und den ökologischen Begleitmaßnahmen auf der Grien-Insel verschaffen können.

Weiterführende Informationen und sehenswerte Impressionen online unter: www.ekz.ch/kraftwerk

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Das Laufwasserkraftwerk auf der städtischen Grien-Insel in Dietikon wurde im Zuge einer umfassenden Erneuerung auf den aktuellen Stand der Technik gebracht. Betreiber EKZ investierte rund 39 Millionen Schweizer Franken in das Großprojekt, bei dem neben den Modernisierungen und dem Bau eines Restwasserkraftwerks eine ganze Reihe von ökologischen Maßnahmen im Fokus stand.

Foto: EKZ

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Baustelle des Dotierkraftwerks am Beginn des Oberwasserkanals im Jänner 2019.

Foto: EKZ

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ANDRITZ Hydro lieferte für das Hauptkraftwerk und das Dotierkraftwerk drei hocheffektive Maschinensätze. In der Maschinenhalle des Hauptkraftwerks kommen erneut zwei vertikale Kaplan-Schacht-Turbinen mit direkt gekoppelten Synchron-Generatoren zum Einsatz. Bei einer Bruttofallhöhe von 4,5 m und einer Ausbauwassermenge von jeweils 47,5 m3/s erreicht jede Turbine eine Engpassleistung von 1,75 MW.

Foto: EKZ

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Von der Kaplan-Bulb-Turbine – hauptverantwortlich für das 18-prozentige Erzeugungsplus – im Dotierkraftwerk ist nach dem Einbau nur mehr der Leitapparat-Verstellmechanismus sichtbar.

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Die Steuerung der Wehranlage wurde im Zuge der Modernisierung ebenfalls in das Kraftwerks-Leitsystem von Rittmeyer integriert.

Foto: Rittmeyer

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Visualisierung der Kraftwerks-Leittechnik von Rittmeyer.

Screenshot: Rittmeyer

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Der horizontale Schutzrechen am Einlauf des Hauptkraftwerks zählt mit seinen Abmessungen von 33 x 6,5 m zu den größten Exemplaren dieser Bauart im deutschsprachigen Raum. Gefertigt wurde der fischfreundliche Feinrechen vom bayerischen Branchenspezialisten Muhr, der den Zuschlag für die Lieferung der gesamten Stahlwasserbaukomponenten erhalten hatte.

Foto: zek

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Blick von oben auf das ebenfalls zum Muhr-Lieferumfang zählende Stemmtor am Beginn des Bypass-Kanals, über den die Gewässerbewohner flussabwärts wandern können und das Geschwemmsel vom Einlaufrechen des Hauptkraftwerks abgeleitet wird.

Foto: Muhr

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Am 21. Oktober wurde der für rund 1,5 Jahre trocken gelegte Oberwasserkanal wieder geflutet, Anfang kommenden Jahres soll das modernisierte Kraftwerk Dietikon mit 18 Prozent mehr Erzeugungskapazität den Regelbetrieb aufnehmen.

Foto: EKZ