Zillertaler Kleinkraftwerk als profitabler Nebennutzen einer neuen Überleitung

Autor: Roland Gruber , 25.11.2021

Seit Herbst letzten Jahres ist das mit Wasserkraftwerken gesegnete Tiroler Zillertal um ein modernes Kleinkraftwerk reicher. Hoch über der Gemeinde Mayrhofen realisierte VERBUND am Speicher Stillupp...

... eine brandneue Ökostromanlage, die sich als Nachfolgelösung für das alte Kraftwerk Bösdornau ergab. Das aus dem Tuxbach und dem Elsbach bezogene Bachwasser wird dabei über einen ca. 8 Kilometer langen, ebenfalls neu errichteten Stollen zum Speicher Stillupp geleitet, wo es eine effiziente Diagonalturbine antreibt. Der eigentliche Clou des Projekts ist aber, dass das Wasser vorrangig der Turbinierung im bestehenden Speicherkraftwerk Mayrhofer dient. Somit ergibt sich für die Betreiber ein jährliches Erzeugungsplus von rund 74 GWh. Was die Anlage dabei so besonders macht, ist die enorme Komplexität der Regelungstechnik. Eine Aufgabe, die von den beiden Branchenspezialisten EQOS und Rittmeyer bravourös gemeistert wurde.

Knapp 90 Jahre lang wurde das Wasser von Stilluppbach, Tuxbach und Zemmbach im Kraftwerk Bösdornau genutzt. 2019 war die Zeit des Kraftwerks vorbei. Es bedurfte einer Nachfolgelösung, die dabei allerdings einen alternativen Ansatz verfolgte: „Die Idee bestand darin, das Wasser aus den beiden Bächen Tuxbach und Elsbach zum Speicher Stillupp zu leiten, um es im darunter liegenden Speicherkraftwerk Mayrhofen abzuarbeiten. Da die Kote der beiden Fassungen zwischen 22 und 26 Meter oberhalb der Einmündung in den Speicher liegen, bot es sich darüber hinaus an, dieses Potenzial mittels eines neuen Kleinwasserkraftwerks zu nutzen“, fasst Teilprojektleiter Ing. Wolfgang Nöff von VERBUND das Grundkonzept zusammen. Dafür war im Wesentlichen der Bau der beiden Wasserfassungen, eines kompakten Maschinenhauses am Speicher Stillupp und vor allem der Ausbruch des ca. 8 Kilometer langen Stollens erforderlich. Nachdem die geologischen Voruntersuchungen keinerlei negativen Voraussetzungen ergaben, konnte der Stollen mithilfe einer Tunnelbohrmaschine, kurz TBM, innerhalb weniger Monate ausgefräst werden. Ausgangspunkt dafür war jeweils das Zemmtal, wo der Bauherr über eine Stromanspeisung für die ca. 2 MW starke Maschine verfügte. Der Stollen weist  nach Fertigstellung einen Durchmesser von 2,3 m auf, er verläuft von den Fassungen leicht abwärts bis zur Unterdükerung des Zemmbachs und steigt danach wieder bis zum Hochpunkt im Speicher Stillupp an. Da man auf den Bau eines Wasserschlosses verzichtet hatte, dient dieser der Be- und Entlüftung des Triebwassersystems.

Tuxbach mit viel Geschiebe
Der Großteil der Anlagenteile des neuen Projekts in den Zillertaler Bergen konnte unterirdisch angelegt werden. Dies gilt auch für die Hauptfassung am Tuxbach, wo von außen ein kompaktes Fassungsbauwerk zu sehen ist, das erst im Berginneren mit dem nachgeschalteten Entsandersystem imposante Dimensionen erreicht. Der Außenbereich besteht aus dem Querbauwerk mit einem Tiroler Rechen, einer als Vertical-Slot-Pass ausgeführten Fischaufstiegshilfe, einer Pflichtwasserdotationseinrichtung und natürlich zahlreichen Messeinrichtungen. „Bis zu 10 m3/s können hier am Rechen eingezogen werden. In der Regel erreichen wir diese Menge aber nicht. Außerdem gilt es ja, prioritär die Restwasserstrecke und den Fischaufstieg mit den erforderlichen Wassermengen zu dotieren. Zu diesem Zweck wurden hier zwei vollautomatische Schieber installiert“, erklärt Wolfgang Nöff und verweist darauf, dass der Tuxbach grundsätzlich viel Geschiebe mit sich führt. Dies führt nicht nur zu erhöhtem Reinigungsbedarf am vergleichsweise flachen Tiroler Rechen, sondern auch zu einer nachträglichen Optimierung am Einlauf der Fischtreppe: „Wir haben im Probebetrieb erkannt, dass sich gerade im Bereich des Einlaufs an der Fischtreppe sehr viel Geschiebe ansammelt. Um dem entgegenzuwirken, haben wir eine Buhne davor errichtet, die sich bislang als sehr wirksam erwiesen hat.“

Entsandung unter Tage
Das Herz der Wasserfassung ist von außen nicht zu sehen. Denn die Beruhigung und Entsandung des Triebwassers erfolgt zur Gänze im Berginneren – und hier ist auch ein Großteil der Steuerungstechnik untergebracht. Wolfgang Nöff, der selbst für die gesamte elektrotechnische Planung verantwortlich war, kennt die einzelnen Anlagenteile aus dem Effeff. Er verweist darauf, dass der Ent­sander mit den Abmessungen von 36 x 6,3 x 8 m zu den allergrößten bei Bachfassungen im Kraftwerksportfolio von VERBUND zählt. Da der Tuxbach als lebendiger Gebirgsbach viel Geschiebe auch durch das Tiroler Wehr hereinbringt, wurde ein komplexes System aus Verlandungssonden integriert. „Wir haben hier drei Schwingstabsonden VEGAVIB 62  der Firma VEGA eingesetzt, die über einen ‚Metallgalgen‘ in den Entsander geführt werden. Dabei handelt es sich um teilweise verschiebbare Schwingstabsonden, die sowohl in der Höhe, als auch der Breite versetzt sind. Sie schwingen konstant mit 360 Hz in reinem Wasser. Detektieren sie einen Widerstand durch Geschiebe, leiten sie ein Abschalten ein – und die Spülautomatik kann einsetzen“, erklärt der Fachmann. Da die drei Sonden eben auch in der Tiefe versetzt sind, reagiert das System in der Regel noch nicht, wenn die tiefste Sonde Geschiebe feststellt, sondern erst wenn das angelandete Material eine gewisse Höhe überschreitet. Daraufhin wird das Spülschütz geöffnet und die Sedimente werden in die anschließende Schluchtstrecke zurück ins Bachbett des Tuxerbachs geschwemmt. Die gesamte Steuerung dafür übernimmt das Riflex System, also das von der Firma Rittmeyer entwickelte Steuerungsmodul, das ebenso wie das für die Visualisierung eingesetzte Ritop in den Schaltschränken im Steuerungsraum im Berginneren untergebracht ist. Die gesamte Leittechnik der neuen Anlage wurde von der Firma Rittmeyer als Sub-Auftragnehmer der Firma EQOS realisiert. Letztere war für die gesamte restliche elektrotechnischen Belange verantwortlich, von der Verkabelung bis zur Schaltanlageninfrastruktur.

Fassung für den Frühling
Zehn Monate im Jahr stammt das Wasser für die Überleitung ausschließlich aus dem Tuxbach. Doch im Mai und Juni wird dieses Wasser um die Entnahme aus dem Elsbach aufgestockt. Zu diesem Zweck wurde an dem kleinen Gewässer eine kompakte, massiv ausgeführte Wasserfassung mit einem Tiroler Wehr errichtet. „Der Probebetrieb hat uns gelehrt, dass es sehr sinnvoll ist, die Gitterstäbe des Tiroler Wehrs für die zehn Monate abzudecken, in denen wir nicht einziehen dürfen. Denn in dieser Zeit sammelt sich zu viel Geschiebe an, das wir nur mit großem Aufwand wieder ausräumen können. Daher wurden Metallplatten über den Rechen geschoben, die sich am 30. April relativ einfach wieder entfernen lassen“, so Wolfgang Nöff. Bei gutem Wasserdargebot können hier bis maximal 1 m3/s eingezogen werden. Die kleine Fassung am Elsbach ist natürlich ebenfalls umfassend ins gesamte Leitsystem von Rittmeyer mit eingebunden und mit einer modernen Kamera überwacht.
Gleiches gilt auch für das kleine Gebäude am Speicher Stillupp, wo die Technik für den Hochpunkt des Stollens untergebracht ist. „Da wir über kein Wasserschloss verfügen, braucht es eine alternative Lösung, damit Luft entweichen kann, wenn die Leitung befüllt wird“, erläutert der elektrotechnische Projektleiter im Zusammenhang mit den beiden vollautomatischen Be- und Entlüftungsventilen. Um die Funktionalität der Schwimmerkugeln in den Ventilen auch in den kalten Wintermonaten sicherzustellen, werden diese temperaturgeregelt beheizt. Es ist zudem mit einer kleinen Panzertür ausgestattet, das es im Bedarfsfall kleinen Revisionsfahrzeugen ermöglicht einzufahren.

Komplexes Bypass-System
Höchst kompakt wurde auch das Maschinenhaus auf der Westseite des Speichers gehalten. Von einer „Schuhschachtel“ spricht Wolfgang Nöff scherzhaft und verweist darauf, dass hier detailreich Kubaturoptimierung vorgenommen wurde. Im Maschinenhaus ist einerseits die Maschinentechnik untergebracht, anderseits auch ein komplexes Bypass-System. Schließlich muss das Wasser aus dem Tuxbach auch in den Speicher gelangen können, wenn die Turbine gerade einmal stillsteht – aus welchen Gründen immer. Zu diesem Zweck wurde der Bypass mit einem Ringkolbenschieber ausgestattet, der auch eine Wasserabfuhr parallel zum Turbinenbetrieb bei großen Wassermengen ermöglicht. Um etwaige Kavitationsschäden hintanzuhalten, wurde die Belüftung der Rohrleitung auf zwei Leitungen aufgeteilt. Im Unterwasser wurde zwischen den beiden Flügelmauern im Auslauf eine Begrenzungsmauer errichtet. Damit kann vermieden werden, dass auch bei stärkerem Pegelrückgang im Speicher Stillupp das Wasserniveau im Unterwasserbecken für das Kraftwerk weiter absinkt. In der Regel schwankt der Spiegel im Jahresverlauf um rund 4 Meter. Dies ist somit auch die Schwankungsbreite der effektiven Fallhöhe des neuen Kleinkraftwerks Stillupp bei konstantem Oberwasserpegel.

Steuerung mit vielen Herausforderungen
Die schwankende Fallhöhe ist nur einer von mehreren Faktoren, warum für das Kraftwerk ein höchst komplexes Steuerungspaket realisiert wurde. Die zentralen Herausforderungen ergaben sich steuerungstechnisch aber aus der Tatsache, dass man einen ca. 8 Kilometer langen Triebwasserweg hat und nur eine bzw. zwei Bachfassungen, die im Prinzip keine große hydraulische Kubatur darstellen, außerdem – wie in jedem Stollen – gewisse Verluste. Wolfgang Nöff: „Wir stellten uns die Frage: Wie schaffe ich eine zuverlässige Regelung unter Beibehaltung des Regelpegels an der Bachfassung, wenn man bedenkt, wie gering die Stellgeschwindigkeit der Regelorgane ist? Wir mussten gemeinsam mit den Technikern von Rittmeyer den Spagat schaffen, einerseits drohende Druckstöße zu vermeiden oder zu minimieren und anderseits das energiewirtschaftliche Optimum aus der Stellgeschwindigkeit der Maschine zu erreichen. Gleichzeitig musste man dabei immer ein Auge darauf haben, dass der Pegel bei diesem feinen Austarieren nicht zu hoch oder zu tief wird. Dazwischen hat man es mit einer ca. 8 Kilometer langen, trägen Wassersäule zu tun. Grundvoraussetzung für eine stabile Regelautomatik war, dass Rittmeyer die Pegelsteuerung mit untergelagerten Durchflussreglern optimiert hat. Wir haben uns bei der Inbetriebnahme einige Wochen mit den einzelnen Parametern ‚gespielt‘ und dabei einiges gelernt.“ Um die unterschiedlichen Profile im Pegelbereich der Fassung regelungstechnisch abzubilden, wurden für zehn gängige Fälle Profilkurven in der Software hinterlegt. Auch dies eine sehr komplexe und aufwändige Aufgabe im Sinne einer bestmöglichen Steuerung der Anlage. „Ich kann nur sagen, dass ich bislang noch kein Kraftwerk – auch nicht in der Großwasserkraft – mit einer derartigen komplexen Regelung des Triebwassersystems gesehen habe“, sagt der Ingenieur, der auf jahrzehntelange Erfahrung in der Wasserkraft verweisen kann.

Intermittierender Betrieb im Winter
Den Worten von Wolfgang Nöff kann der Projektleiter der Firma Rittmeyer, Bernhard Falkensteiner, nur beipflichten. Er ergänzt, dass es zudem nicht alltäglich war, eine zweite Wasserfassung in die Leittechnik einzubinden, die nur für zwei Monate im Jahr aktiv ist – und dies nur bei ausreichendem Wasserdargebot. Außerdem galt es für ihn und sein Team, die komplexe Leittechnik in das übergeordnete Leitsystem Spectrum, ein von Siemens entwickeltes System, zu integrieren und die erforderlichen Schnittstellen herzustellen. Und noch ein wichtiger Punkt stellte sowohl für die Steuerung und Regelung als auch für die elektromaschinelle Ausrüstung der Anlage eine nicht unerhebliche Herausforderung dar: ein intermittierender Kraftwerksbetrieb in den niederschlagsarmen Wintermonaten. Um die Anlage in Betrieb zu halten und energiewirtschaftlich bestmöglich auch in jenen Phasen zu nutzen, in denen nur wenig Wasser, also im Minimum 400 bis 500 l/s, zur Verfügung steht, wird ein Teil des Stollens quasi als kleiner Speicher genutzt, der in kurzen Abständen von der Maschine ‚abgefahren‘ wird. „Rund 20 bis 30 Minuten braucht die Maschine, um das Wasser im oberen Regelbereich des Stollens zu turbinieren. Dann wird wieder aufgestaut. Das dauert dann in der Regel 1 bis 1,5 Stunden. Daraufhin fährt die Turbine erneut an“, schildert Wolfgang Nöff den intermittierenden Betrieb, der auch schalttechnisch besondere Maßnahmen nach sich zog. Die Tatsache, dass es auf diese Weise zu bis zu 1.600 Schaltvorgänge pro Jahr – also Abschalten und Wiederanfahren – kommt, wäre eine übermäßige Belastung für die SF6-Schaltanlage. Diese ist generell nur für rund 10.000 Schaltvorgänge ausgelegt, bevor man sie revidieren muss. „Aus diesem Grund haben wir einen Barrenschütz dazwischengeschaltet. Der nimmt die Maschine vom Netz, wenn sie eine gewisse Mindestlast unterschreitet und dient umgekehrt wieder dem Anfahren und Synchronisieren. Im Gegensatz zur SF6-Schaltanlage ist er für rund 1 Million derartiger Schaltspiele ausgelegt. Damit prolongiert er die technische Lebensdauer der Schaltanlage, die nun permanent im Hintergrund aktiv bleiben kann.“ Diese Lösung konnte erfolgreich mit dem E-Technik-Partner EQOS umgesetzt werden.

Turbinenbauer mit neuem Rekord
Natürlich stellt der häufige Schaltwechsel auch hohe Anforderungen an die Maschinentechnik. Daher kamen für die Verantwortlichen nur hochwertige Maschinen von renommierten Herstellern in die engere Wahl. Die Firma Geppert aus Hall in Tirol lieferte die eindrucksvolle Turbine, die eine Spiralengröße von rund 5 Metern aufweist. Es handelt sich dabei um eine Diagonalturbine, eine Spezialentwicklung des traditionsreichen Tiroler Turbinenbauers, die optimal für mittlere Fallhöhen zwischen 20 und 100 m sowie stark wechselnde Wassermengen geeignet ist. Die Maschine ist auf einen Nenndurchfluss von 7 m3/s ausgelegt, kann aber auch mit Niedrigwassermengen im Ausmaß von 15 Prozent am Netz bleiben. Die Turbine ist mit 333 Upm ein ausgesprochener Langsamläufer, die auf einer direkt gekoppelten Welle einen Synchrongenerator aus dem Hause Hitzinger antreibt. Letzterer ist mit hochwertigen Wälzlagern und einem effizienten Wasserkühlsystem ausgestattet. Beide Maschinen arbeiten dabei auf einem sehr moderaten Geräuschlevel.
Neben der Diagonalturbine steuerte der Turbinenbauer aus Hall auch das gesamte Bypasssystem mit Absperrklappe und Ringkolbenschieber bei. Für den erfahrenen Turbinenspezialisten war es die bislang größte Diagonalturbinenspirale der Firmengeschichte.

Sicherheit dank Redundanz
Grundsätzlich setzt ein Betreiber wie VERBUND natürlich auf ein sehr hochwertiges Sicherheitsnetz in sämtlichen Teilen eines Kraftwerks. Dazu zählt unter anderem auch eine sichere Informationsverbindung der einzelnen Anlagenteile, die von der VERBUND Tochter VSE umgesetzt wurde. Im konkreten Fall wurde diese doppelt, also redundant, ausgelegt. Einerseits wurden sämtliche Anlagenteile über LWL-Kabel verbunden, anderseits wurde aber auch eine Richtfunkverbindung aufgebaut. Erst wenn beide Verbindungen ausfallen, geht die Anlage vom Netz.  Ein wichtiger Teil des Sicherheitskonzepts ist zudem ein umfassendes Blitzschutzkonzept, das gerade in Zeiten steigender Unwetteraktivitäten im Gebirge eine zusehends wichtigere Rolle spielt. Der Blitzschutz wurde gemäß der Planung von Ing. Nöff von der Firma EQOS umgesetzt. „Der Potenzialausgleich bei allen Komponenten ist sehr wichtig. Wir haben beispielsweise an den Fassungen die Erdleiter in den Bauarmierungen eingebracht und haben somit einen relativ guten Erdungswiderstand erreicht.“ Beim Krafthaus wurden die in sich vermaschten Erdleiter, dann bis zum Dachkranz in Form von Niro-Leitungen für die Blitzschutzanlage realisiert. Der produzierte Strom wird über einen nahgelegenen Einspeisepunkt ins 25 kV-Netz von VERBUND eingespeist. Zu diesem Zweck wurden nicht nur die alten bleiummantelten Stromkabel vom bestehenden Einspeisepunkt erneuert, sondern auch ein neues 95 mm2 Kabel über eine Länge von ca.  700 m durch die Kabelschutzrohre zum Einspeisepunkt gezogen. „Historisch bedingt versorgen wir hier in diesem Bereich auch andere Abnehmer mit Strom. Daher haben wir auch einen Trafo und einen 400 V-Niederspannungsabgang.“

74 GWh mehr aus dem Zillertal
Seit Herbst letzten Jahres ist die Überleitung mit dem neuen VERBUND-Kleinkraftwerk nun in Betrieb. Wolfgang Nöff kann bereits ein positives Fazit ziehen: „Wir haben in diesem ersten Jahr zwar nur einen eher milden Winter erlebt, aber im Sommer letzten Jahres konnten wir viel Betriebserfahrung mit Unwettern und Hochwasser sammeln. Das hat uns bestätigt, dass unser Konzept funktioniert. Die Anlage läuft seit letzten Herbst absolut problemlos.“ Der elektrotechnische Projektleiter betont abschließend, dass der Projektaufwand alleine für ein Kleinkraftwerk nicht unbedingt wirtschaftlich gewesen wäre. Aber im Zusammenspiel mit dem darunter liegenden Speicherkraftwerk Mayrhofen, in dem das zusätzliche Triebwasser aus dem Tuxbach nun auch abgearbeitet wird, stellt sich das Projekt aus energiewirtschaftlicher Sicht hoch sinnvoll dar. Im neuen Kleinkraftwerk gehen die Verantwortlichen von einem Regelarbeitsvermögen von 6,85 GWh aus. Das sind in Summe rund 74 GWh sauberer Strom aus den Zillertaler Bergen, die einen weiteren Baustein im Erreichen der nationalen Ökostromziele repräsentieren.

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Seit Herbst letzten Jahres wird Wasser aus dem Tuxbach in den Stillupp-Speicher geleitet. Den Höhenunterschied, den es dabei überwindet, wird vom neuen VERBUND Kleinwasserkraftwerk
Stillupp genutzt. Es erzeugt im Regeljahr rund 6,85 GWh sauberen Strom.

Foto: zek

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Wasser aus dem Tuxbach und dem Elsbach wird über einen 8 km langen unterirdischen Triebwasserstollen bis zum Speicher Stillupp geleitet. Hier wurde das neue Kleinkraftwerk Stillupp errichtet.

Foto: Verbund

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Die gesamte Leittechnik wurde von der Firma Rittmeyer erfolgreich realisiert. Im Bild: Steuerschrank im Krafthaus.

Foto: zek

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Die Diagonalturbine ist auf eine Leistung von 1,6 MW ausgelegt.

Foto: zek

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Vor dem Tiroler Wehr befinden sich zur Linken der Schieber für die Restwasserdotation sowie für die Fischpassdotation.

Foto: zek

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Weil der Tuxbach viel Geschiebe mitführt, muss das Tiroler Wehr immer wieder einmal davon befreit werden.

Foto: zek

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Sämtliche Anlagenteile sind von allen Steuerungspunkten des Kraftwerks aus zu bedienen. Die Visualisierung der einzelnen Teile und Gewerke realisierte die Firma Rittmeyer auf dem vielfach bewährten System Ritop.

Foto: zek

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Die Fassung Elsbach ist nur im Mai und im Juni in Betrieb. Zum Schutz vor Geschiebe in der restlichen Zeit wird der Grobrechen mit Metallplatten abgedeckt.

Foto: zek

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Blick in den Steuerungskasten im Technikraum der Wasserfassung Tuxbach im Berginneren.

Foto: zek

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Der Barrenschütz ist auf ca. 1 Million Schaltvorgänge ausgelegt und bietet somit die technische Voraussetzung für den intermittierenden Betrieb im Winter.

Foto: zek

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Aus Platzgründen bot sich die für diese Leistung kleinstmögliche SF6-Schaltanlage von Siemens an.

Foto: zek

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Der Entsander ist 8 m tief und erstreckt sich über 36 m – vollständig unterirdisch.

Foto: zek

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Die Schwingstabsonden reagieren auf das Anwachsen von Geschiebe im Entsander.

Foto: zek

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Der Speicher Stillupp erhält nun auch Wasser aus dem Tuxbach und dem Elsbach.

Foto: zek

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Der Bypass kann über einen Ringkolbenschieber geregelt werden.

Foto: zek