Sediment Solution: illwerke vkw entwickelt neue Lösungen für das Sedimentmanagement

Weltweit verlieren Stauseen jedes Jahr im Schnitt bis zu einem Prozent ihres Volumens durch den natürlichen Vorgang der Sedimentation. Eine stille Bedrohung für die Wasserkraft und die Versorgungssicherheit – speziell jener Länder, in denen die Wasserkraftnutzung eine wichtige Rolle spielt. Ohne Gegenmaßnahmen verlanden Speicher zwangsläufig, und damit schwinden Speicher- und Erzeugungskapazitäten. Die Vorarlberger illwerke vkw beschäftigt sich seit fast 100 Jahren mit diesem Problem. Mit ihrem selbst entwickelten Schwimmbagger hat sie nun eine weltweit einzigartige Lösung geschaffen, die Technik, Ökologie und Energieeffizienz verbindet. Grundsätzliches Ziel eines modernen Sedimentmanagements ist es, den Sedimentfluss möglichst naturnah nachzubilden, Speicher nachhaltig nutzbar zu halten und ökologische Standards einzuhalten. Daher braucht es maßgeschneiderte Konzepte für jede Stauanlage, die Umweltschutz, Bewilligungsfähigkeit und Versorgungssicherheit gleichermaßen berücksichtigen. Mit Sediment Solution positioniert sich die illwerke vkw über Vorarlbergs Grenzen hinaus als Vorreiter in Sachen Sedimentmanagement.

Sedimentmanagement in der Wasserkraft: Zentrale Herausforderung für Speicher und Ökologie

Sedimente sind ein integraler Bestandteil des Wasserkreislaufs. Sie entstehen durch die natürliche Erosion von Gestein. Wind, Regen, Gletscherbewegungen oder Muren tragen Material ab und transportieren es mit Flüssen und Bächen talwärts. In Fließgewässern bleibt dieser Kreislauf weitgehend im Gleichgewicht, da Geschiebe und Feinsedimente kontinuierlich weitergetragen werden. Treffen diese jedoch auf Hindernisse wie Stauhaltungen, setzen sie sich am Gewässergrund ab. Über Jahre und Jahrzehnte füllen sich so Speicher mit Sand, Kies, Schluff, Ton oder Holzresten – ein Prozess, der in natürlichen Seen auf lange Sicht zur vollständigen Verlandung führt. Als Beispiel nennt Stefan Pfeifer, der bei der illwerke vkw mit seinem Team für das Sedimentmanagement der Anlagen zuständig ist, die Bregenzerach bei Kennelbach, wo im Jahr rund 900.000 Tonnen Sedimente transportiert werden. Für ihn steht fest: „Die Ablagerungen sind für die Wasserkraft eine veritable Bedrohung: Mit jedem Kubikmeter Sediment verringert sich das Speichervolumen, wodurch weniger Energie erzeugt und Lastspitzen schlechter abgefedert werden können.“ Studien zeigen, dass weltweit jährlich rund 0,5 bis 1 Prozent des Stauvolumens verloren gehen. Über Jahrzehnte summiert sich dies zu dramatischen Einbußen, die ganze Anlagen in ihrer Funktion infrage stellen.

100 Jahre Sedimentmanagement-Kompetenz bei der illwerke vkw

Neben der Energieproduktion sind davon auch der Hochwasserschutz, die Trinkwasserversorgung und vor allem die Ökologie betroffen. Speziell die Frage nach der Erhaltung einer intakten Gewässerökologie steht dabei immer stärker im Fokus. Denn: Wo nur sedimentfreies Wasser abfließt, fehlt im Unterlauf eines Staubauwerks auch der natürliche Sedimentstrom, der für die Organismen und deren Lebensräume ebenso essenziell ist. Sedimente sind somit einerseits ein unverzichtbarer Teil des natürlichen Kreislaufs, andererseits ein Risikofaktor für die nachhaltige Nutzung der Wasserkraft. „Das ist der Grund, warum das große Thema Sedimentmanagement für die illwerke vkw von derart zentraler Bedeutung ist – und das seit langer Zeit. Erste Aufzeichnungen von Feststoffbewirtschaftungsmaßnahmen in Vorarlberg gehen zurück bis ins Jahr 1925. Damals wurde am Stausee Andelsbuch im Bregenzerwald schon eine Schwimmbaggeranlage eingesetzt, um dort mittels Saugheberverfahren angelandetes Material abzutragen und in die Bregenzerach weiterzuführen. Die Unterlagen zu diesem Konzept und der Anlagentechnik liegen uns bis heute vor“, erzählt Stefan Pfeifer.

Sedimentmanagement als interdisziplinäre Querschnittswissenschaft

Das Know-how, über das die illwerke vkw heute verfüge, stamme – wie der Fachmann ausführt – vorrangig aus der Praxis von Maschinenbau, Wasserwirtschaft, Bauwesen und Umweltplanung, aus der akademischen Forschung sowie dem fachlichen Austausch. „Sedimentmanagement gibt es nicht als vertiefendes Lehrfach oder Studium. Es handelt sich vielmehr um eine Querschnittsmaterie, deren wissenschaftliches Fundament von mehreren Disziplinen gebildet wird: Hydrologie, Ökologie, Wasserbau, Geomorphologie und Ingenieurwesen. Hinzu kommen Einflüsse aus Bereichen wie Energiewirtschaft, Maschinenbau oder Elektrotechnik“, erklärt Pfeifer und ergänzt: „Um Sedimentflüsse zu verstehen, braucht es Kenntnisse über Erosionsprozesse im Einzugsgebiet, Transportmechanismen im Fließgewässer sowie Ablagerungs- und Umlagerungsprozesse in Stauräumen oder Auen.“ Die angewandten Methoden reichen von Feldmessungen und Fernerkundung über numerische Modellierung bis hin zu Laborversuchen im hydraulischen Modell. Immer wichtiger wird parallel dazu interdisziplinäres Wissen über rechtliche Rahmenbedingungen, ökologische Anforderungen und sozioökonomische Aspekte, um am Ende wissenschaftliche Erkenntnisse in tragfähige Managementstrategien zu übersetzen. Zu diesem Zweck arbeitet die illwerke vkw unter anderem mit der ETH Zürich, der BOKU Wien und anderen europäischen Kraftwerksbetreibern zusammen. Das Know-how im Sedimentmanagement sei auf diese Weise über Jahrzehnte „quasi organisch gewachsen“, betont der Fachmann, der sich selbst seit 15 Jahren in Diensten der illwerke vkw fast ausschließlich mit diesem Thema beschäftigt.

Monitoring als Schlüssel zum Verständnis von Sedimentprozessen

Ein entscheidender Punkt beim Thema Sedimentmanagement ist das dazugehörige Monitoring. „Man muss wissen, was unter Wasser passiert“, sagt Stefan Pfeifer. „Und man muss sich der Thematik bewusst sein – in Planung, Umsetzung und Betrieb, um entsprechende Gegenmaßnahmen zu treffen, wenn es erforderlich ist.“ Zu diesem Zweck werden bei der illwerke vkw Speicher und Stauanlagen regelmäßig vermessen, wobei hier auch Drohnen zum Einsatz kommen. Zudem wird die Situation unter dem Wasserspiegel kontinuierlich beobachtet. Dank dieses umfassenden Monitorings sind erforderliche Maßnahmen absehbar und können rechtzeitig mit Sachverständigen und Behörden abgestimmt werden. Denn schließlich sind alle Maßnahmen, die illwerke vkw abseits des Standardbetriebs umsetzt, entsprechend vorliegender Rechtsmaterien bewilligungspflichtig. So gibt etwa die Talsperrenkommission vor, dass unter Wasser liegende Bauteile etwa alle zehn Jahre von Sachverständigen im Trockenen zu inspizieren sind. Für Betreiber heißt das natürlich, dass die Aufgaben und Maßnahmen optimal getimt und aufeinander abgestimmt werden müssen.

Technische Maßnahmen zur Sedimentbewirtschaftung in Stauanlagen

Grundsätzlich ist der Betreiber seitens regulativer Vorgaben angehalten, den Sedimenttransport durch eine Stauanlage sicherzustellen und möglichst an die natürlichen Prozesse und Verläufe anzupassen. „Das ist die große Herausforderung für Betreiber“, sagt Stefan Pfeifer und verweist in diesem Zusammenhang darauf, dass jede einzelne der mehr als 20 in Vorarlberg von der illwerke vkw betriebenen Stauanlagen unterschiedliche Maßnahmen erfordere. Diese gilt es individuell für jede Anlage zu erarbeiten. Somit kommen auch unterschiedliche Methoden zum Einsatz, die je nach Gewässer, Anlagengröße und Sedimentmenge variieren. Dazu zählen die klassische Kiesraumbewirtschaftung mit Entnahme und Wiedereinbringung oder Nutzung des Materials, kontrollierte Spülungen kleinerer Stauanlagen, sowie hydraulische Einbauten, die Sedimentablagerungen von vornherein verhindern sollen. Ergänzend werden zeitweise Nassbaggeranlagen aus dem eigenen Portfolio oder unter Beauftragung von Lohnunternehmen eingesetzt. Bei dauerhaft hohem Bedarf kommen auch großtechnische, fix installierte Systeme zum Einsatz, die teils rund um die Uhr und in Abstimmung mit dem Kraftwerksbetrieb eingesetzt werden. Deren technische Entwicklung sollte allerdings noch zu einer enormen Herausforderung für die Verantwortlichen der illwerke vkw werden.

Eigenentwickelte technische Lösungen für die Sedimententnahme

Gerade weil es am Markt dafür keinerlei passende technische Lösungen gab und bislang immer noch nicht gibt, war man beim Vorarlberger Energiedienstleister umso entschlossener, eine entsprechende Schwimmbaggeranlage selbst zu entwickeln und zu bauen. Es sollte zu einer echten Pionierleistung werden. Ihren Ursprung haben die Entwicklungsarbeiten in den frühen Nassbaggerprojekten der 2000er-Jahre. Damals wurden erste großdimensionierte Anlagen auf den Stauseen betrieben, deren komplexe Technik eigenes Fachpersonal erforderte. Mit dem Feststoffbewirtschaftungskonzept für den Speicher Raggal stieß man ab 2015 jedoch an Grenzen: Die ökologischen Rahmenbedingungen führten zu verkürzten Einsatzzeiten, während gleichzeitig eine drastisch höhere Leistung von Behördenseite gefordert war. Unter Federführung von Stefan Pfeifer wurde man aktiv und begann, ein selbstentwickeltes Konzept auszuschreiben, das zu großen Teilen auf den Ideen und Überlegungen von Pfeifer und seinem Team beruhte. Die Zusammenarbeit mit einer Kiesbaggerfirma führte 2018 schließlich zur Installation eines ersten Prototyps am Speicher Raggal – ein Meilenstein, der das Fundament für die Weiterentwicklung in diesem Bereich darstellt.

Weltpremiere: Leistungsstärkster Schwimmbagger im Speicher Bolgenach

In einem nächsten Schritt nahm man sich den Speicher Bolgenach vor, dreimal so groß wie Raggal und mit deutlich höheren Anforderungen. Ein weiterer Versuch, über den Markt dafür eine passende Lösung zu finden, scheiterte: „Kein einziger Anbieter konnte die technischen Vorgaben erfüllen, hinzu kamen wirtschaftliche Schwierigkeiten eines möglichen Partners“, erinnert sich Pfeifer. Damit stand fest, dass man mehr oder weniger auf sich gestellt war. Ende 2023 fiel der Startschuss: Mit Gründung der Marke Sediment Solution stellte die illwerke vkw ein interdisziplinäres Expertenteam unter der Leitung von Stefan Pfeifer auf, das Projektmanagement, Maschinenbau-, Elektro- und Steuerungstechnik vereinte. In enger Kooperation mit externen Fertigungsbetrieben wurde so eine der größten Schwimmbaggeranlagen Europas eigenverantwortlich durch die illwerke vkw geplant und gebaut. Mit der Inbetriebnahme im Februar 2025 wurde ein neues Kapitel im Sedimentmanagement aufgeschlagen.
Die Schwimmbaggeranlage im Speicher Bolgenach zählt heute zu den größten und leistungsstärksten ihrer Art weltweit. Mit einer Dimension von 30 Metern Länge, 27 Metern Breite und 25 Metern Höhe sowie einem Gesamtgewicht von 700 Tonnen kann sie bis zu 300 Tonnen Sediment pro Stunde verarbeiten. „Was sie vor allem einzigartig macht, ist die technische Fähigkeit, äußerst feinkörniges Material mit einem Schlammanteil von mehr als 90 Prozent ebenso zu bewältigen wie grobe Sedimentfraktionen samt Holz, Wurzelstöcken oder Baumstämmen. Es gab zuvor nichts Vergleichbares am globalen Markt“, so Pfeifer. Ein spezieller Zweischalengreifer mit 22 Tonnen Eigengewicht hebt pro Zyklus rund 12 Kubikmeter Material – also eine LKW-Ladung – aus dem Stausee. Die Siebtechnik an Bord trennt anschließend präzise zwischen feinem und grobem Material, sodass beide Ströme gezielt weiterverarbeitet werden können.

Nachhaltiger Sedimentabtransport mit Energieüberschuss

Ein typischer Arbeitsvorgang läuft folgendermaßen ab: Nachdem die Baggercrew die Anlage in Betrieb gesetzt hat, entnimmt der Greifer das Material vom Stauseegrund und übergibt es an die Siebanlage. Die feinen Fraktionen werden über die Triebwasserführung in das Kraftwerk eingeleitet und gelangen verdünnt über die Francisturbinen zurück in die Bregenzerach. Um das damit einhergehende Gefährdungspotenzial der Turbine zu eruieren, arbeitet die illwerke vkw aktuell mit der ETH Zürich im Rahmen eines Forschungsprojekts zu den drängendsten Verschleißfragen zusammen. Gröbere Sedimente wie Kies und Steine werden in Containern auf Schwimmkörpern verfrachtet, über eine automatisierte Materialseilbahn in das Bachbett unterhalb des Staudamms transportiert und dort entleert. „Diese innovative Transportlösung ist nicht nur lärmärmer und nachhaltiger als LKW-Transporte, sondern erzeugt durch die Talfahrt der gefüllten Container sogar einen geringen Energieüberschuss. So verbindet die Anlage am Speicher Bolgenach technische Effizienz mit ökologisch wie ökonomisch nachhaltigem Betrieb“, erklärt Stefan Pfeifer.
Der Bagger schwimmt das ganze Jahr über im Stausee und ist mit Beginn der Schneeschmelze für zwölf Wochen durchgängig im Einsatz. Bei starken Niederschlägen kommt die Anlage auch außerhalb dieses Zeitraums zum Einsatz, wobei dabei gewisse Voraussetzungen, wie große Wasserabflüsse in der Bregenzerach, gegeben sein müssen. Insgesamt leisten der Schwimmbagger und die Materialseilbahn einen wichtigen Beitrag zur Betriebsfähigkeit des Kraftwerks Langenegg und zur langfristigen Sicherung der Energieversorgung.

Entwicklung mobiler Schwimmbagger als nächster Innovationsschritt

Während die Schwimmbaggeranlage am Speicher Bolgenach als Pionierprojekt gerade erste Maßstäbe setzt, denkt man bei der illwerke vkw bereits einen Schritt weiter. „Nicht jeder Betreiber wird sich eine derart große und kostenintensive Anlage anschaffen können oder wollen – Betrieb und Instandhaltung sind komplex. Aus diesem Grund arbeiten wir aktuell an der Entwicklung mobiler, flexibler Systeme, die sich einfacher einsetzen und an unterschiedliche Standorte anpassen lassen“, sagt Stefan Pfeifer.
Unter dem Label Sediment Solution soll so künftig nicht nur der Eigenbedarf gedeckt, sondern auch anderen Betreibern ein praxisnahes Werkzeug für ihre Sedimentprobleme angeboten werden – ein Ansatz, der bereits jetzt auf großes Interesse in der Branche stößt. Mit Sediment Solution positioniert sich das Team der illwerke vkw als Partner, der seit Jahrzehnten Erfahrung, Flexibilität und Innovationskraft im Sedimentmanagement vereint. Das Portfolio reicht von der ersten Idee bis zur fertigen Lösung. Stefan Pfeifer: „Wir entwickeln maßgeschneiderte Konzepte, führen Variantenstudien und Planungen durch, begleiten die Umsetzung und sorgen für eine sorgfältige ökologische Baubegleitung sowie die nötige Beweissicherung. Wo Standardmaschinen an ihre Grenzen stoßen, zeigen unsere eigens entwickelten Technologien und mobilen Baggeranlagen ihre Stärken“.

Verwertung und Weiterverwendung von Sedimenten aus Stauräumen

Die Wege, die die Sedimente nach ihrer Entnahme nehmen, sind vielfältig und hängen stark von Menge, Beschaffenheit und zeitlichen Rahmenbedingungen ab. Ein Teil wird direkt wieder in die Gewässer zurückgeführt, etwa um Flusseintiefungen entgegenzuwirken oder über Spülungen mit dem Triebwasser abtransportiert. Andere Bestandteile finden nach entsprechender Aufbereitung Verwendung in der Bauwirtschaft, wo vor allem Sand- und Kiesanteile genutzt werden können. Für jede Maßnahme werden daher schon im Vorfeld Proben entnommen und im Labor analysiert, um Eignung und Qualität zu bestimmen. Materialien, die sich nicht verwerten lassen, werden teils auch ähnlich wie Bodenaushub deponiert. Insgesamt bewegt die illwerke vkw mit ihren unterschiedlichen Verfahren jährlich mehr als 200.000 Kubikmeter Sedimente – eine beachtliche Menge, die es ökologisch sinnvoll und zuverlässig zu handhaben gilt.

Ganzheitliches Sedimentmanagement für zukunftsfähige Wasserkraft

Modernes und nachhaltiges Sedimentmanagement ist weit mehr als die technische Entnahme und Umlagerung von Ablagerungen – es ist ein komplexer Prozess, der betriebliche, hydrologische, geologische, ökologische und rechtliche Faktoren miteinander verknüpft. Jede Stauanlage erfordert ein maßgeschneidertes Konzept, das Fragen nach Herkunft und Menge der Sedimente, dem Ausmaß der Verlandung, den technischen und topografischen Rahmenbedingungen sowie den ökologischen Auswirkungen berücksichtigt und zugleich behördlich bewilligungsfähig sein muss. Entscheidend bleibt dabei, alle relevanten Stakeholder einzubeziehen und Lösungen zu entwickeln, die nicht nur auf dem Papier überzeugen, sondern auch technisch umsetzbar sind. Mit dem Blick nach vorne resümiert Stefan Pfeifer: „Für mich stellt sich die Frage, wie Gesellschaft, Betreiber und Politik in Zukunft gemeinsam mit der wachsenden Bedeutung des Problems umgehen werden – weil Stauanlagen naturgemäß altern, und zugleich die Anforderungen von vielen Seiten steigen. Sedimentmanagement muss daher gesamthaft gedacht werden – mit dem Anspruch, Know-how, Technologie und Interessen so zu verbinden, dass die Speicher langfristig funktionsfähig und ökologisch verträglich bleiben.“

Erschienen in zek HYDRO, Ausgabe 5/2025