Seit Januar 2020 erzeugt das weltweit erste Schachtkraftwerk in Großweil im bayerischen Landkreis Garmisch-Partenkirchen Strom – umweltfreundlich und zuverlässig.

Die Anlage, deren zwei Maschinensätze in einem Schacht im Flussbett der Loisach verborgen sind, hat mit Stand Anfang September bereits die erste Million Kilowattstunden klimafreundlichen Strom ans Netz geliefert. Das Konzept des Schachtkraftwerks punktet in erster Linie mit einer außergewöhnlichen Fischfreundlichkeit. Fische können ohne Gefährdung über das Kraftwerk flussabwärts ziehen.

Das weltweit erste Schachtkraftwerk erfüllt die hochgesteckten Erwartungen – sowohl die seiner Entwickler als auch der Betreiber. Anfang September vermeldeten letztere, dass die Pilotanlage an der Loisach bereits die 1-Million-Kilowattstunden-Marke überschritten habe. Auch mehreren Hochwassern hat sie seit ihrer Inbetriebnahme zu Jahresbeginn bereits erfolgreich standgehalten. „Wir sind sehr zufrieden mit den ersten Betriebsmonaten“, sagt Günther Rösch, Technischer Leiter der Gemeindewerke Garmisch-­Partenkirchen und zeigt sich überzeugt: „Wenn das Schachtkraftwerk in dieser schwierigen Umgebung funktioniert, dann funktioniert es überall.“

Buchtenkraftwerk stößt auf Ablehnung
Rund ein Jahrzehnt ist es her, dass das Konzept eines Schachtkraftwerks vom Bayerischen Wasserwirtschaftsamt WWA als möglicherweise genehmigungsfähig eingestuft wurde, nachdem zuvor der Antrag auf ein konventionelles Buchtenkraftwerk an der Loisach abgelehnt worden war. Der neue Kraftwerkstyp wurde nach einer Idee von Dipl.-Ing. (FH) Albert Sepp von diesem und Professor Peter Rutschmann am Lehrstuhl für Wasserbau und Wasserwirtschaft an der TU München ent­wickelt. „Im Spätherbst 2010 wurde die Kooperation zwischen den Gemeindewerken Garmisch-Partenkirchen, der Gemeinde Großweil und dem Familienunternehmen Kraftwerk Farchant ins Leben gerufen. Als gemeinsames Ziel wurde die Errichtung eines neuartigen Schachtkraftwerks an einer Rauen Rampe an der Loisach ausgerufen“, erzählt Günther Rösch.
Einen ersten Meilenstein erreichten die Projektbetreiber im Februar 2013, als im Rahmen einer Bürgerversammlung eine Ad-hoc Abstimmung eine Zustimmung von über 90 Prozent erbrachte. Das war Wasser auf den Mühlen der Initiatoren, die in den Monaten zuvor bereits den zuständigen Behörden das Konzept Schachtkraftwerk vorgestellt hatten. Ein Jahr vor der Bürgerversammlung hatte man den ersten Antrag inklusive Umweltverträglichkeitsstudie, FFH-Verträglichkeitsstudie, landschaftspflegerischem Begleitplan, hydraulischem Nachweis und Hochwassersicherheitsnachweis beim Landratsamt eingereicht – der Beginn eines langen Weges.

Juristische Nervenproben
Im Dezember 2014 erteilte das Landratsamt die Genehmigung für die Umsetzung des Pilotprojekts. Die Freude darüber war jedoch nur von kurzer Dauer. Schließlich reichten der Bund Naturschutz sowie der Landesfischereiverband unmittelbar danach dagegen Klage beim Bayerischen Verfassungsgericht ein. Begründet wurde der Einspruch mit einer vermeintlichen Schädigung des Fischbestands, dem Ausmaß des Eingriffs in die Natur und mit der Lage im FFH-Naturschutzgebiet. „Die Enttäuschung war damals natürlich groß – ebenso wie unsere Frustration darüber, dass der Bund Naturschutz und der Landesfischereiverband auch die juristischen Fristen zur Gänze ausreizten und damit auch unsere Geduld strapazierten“, erinnert sich Günther Rösch, der als einer der beiden Geschäftsführer der Wasserkraftwerk Großweil GmbH vorsteht. „Dennoch blickten wir dem Prozess damals zuversichtlich entgegen. Schließlich hatten wir im Rahmen der Planung sämtliche Vorgaben vollumfänglich erfüllt. Wir hatten uns nichts vorzuwerfen.“ Nachdem im Februar 2016 am Münchner Verwaltungsgericht ein Vergleich erreicht wurde, konnten die Betreiber endlich aufatmen. Die dabei ausgehandelten Auflagen fielen nicht allzu schwer ins Gewicht. Schließlich bedeutet der geforderte verstärkte Fischschutz keinerlei Mehraufwand, da das Konzept des Schachtkraftwerks gerade in diesem Punkt neue Maßstäbe setzt. Nachdem man 2016 die Planungen in die Hände eines etablierten Ingenieursbüros gelegt und erste Gespräche hinsichtlich Stromeinspeisung geführt hatte, stellte sich im Rahmen der Vorkalkulation ein ernüchterndes Ergebnis ein: „Ohne Förderung war nicht annähernd eine wirtschaftliche Umsetzung möglich. Daher suchten wir danach erneut beim Wirtschaftsministerium um eine entsprechende Förderung des Projekts an“, erinnert sich Günther Rösch.

Freistaat fördert das Konzept
Im Mai 2017, kurz nachdem eine Absichtserklärung mit dem späteren Turbinenlieferanten Geppert aus Hall in Tirol unterzeichnet worden war, wurde auf Basis der Genehmigungsplanung ein Modell im Maßstab 1:250 gefertigt. Dieses Modell bestätigte die Erkenntnisse aus der Vorkalkulation: Wirtschaftlich war das Projekt so nicht darstellbar. Noch im selben Jahr folgten weitere Modelle und letztlich durchaus radikale Umplanungen mit einer Neuanordnung des Baukörpers. Damit sollte letztlich der Durchbruch gelingen, und der Freistaat Bayern erklärte sich bereit, die nötige finanzielle Unterstützung bereitstellen. Symbolisch überreicht wurde der Förderscheck in der Höhe von 1,9 Millionen Euro von Wirtschaftsministerin Ilse Aigner (CSU) anlässlich des offiziellen Spatenstichs im November 2017. In diesem Rahmen lobte die Politikerin das innovative Konzept, das in dieser Form weltweit einmalig sei und die optimale Verbindung von Ökonomie und Ökologie darstelle. Der politische Hintergrund der keineswegs üblichen Förderung ist im 2011 beschlossenen Bayerischen Energiekonzept zu sehen: Unter dem Programmtitel „Energie Innovativ“ wurde festgelegt, dass bis 2021 die Wasserkraft 17 Prozent des Stromverbrauchs im Freistaat decken soll. In dem Dokument wurde explizit der Förderwille hinsichtlich des Konzepts des Schachtkraftwerks zum Ausdruck gebracht. Insgesamt wurden in das Projekt nun 5,4 Mio. Euro investiert.

Hoher Qualitätsanspruch gegeben
Technisch betrachtet, besteht das innovative Konzept der Anlage darin, dass die Einheit aus Turbine und Generator in einem Schacht mit einer horizontalen Einlaufebene installiert wird. Der Schacht selbst wird vor dem Wehrkörper in die Oberwassersohle integriert. Der Zufluss zum Kraftwerk erfolgt durch den horizontal angeordneten Rechen mit konstanter Überdeckungshöhe. Über das Saugrohr wird das abgearbeitete Wasser schließlich durch den Wehrkörper hindurch ins Unterwasser geführt. In der Wehrebene ist über die Einlaufbreite hinweg ein multifunktionaler Verschluss integriert. Er dient beim Kraftwerksbetrieb durch leichte Überströmung der Wirbelvermeidung, gibt bei der Rechenreinigung das Rechengut direkt ins Unterwasser ab und kann im Hochwasserfall vollständig abgesenkt werden, um somit einen großen Fließquerschnitt freizugeben und die vollständige Geschiebedurchgängigkeit herzustellen. „Generell ist zu sagen, dass durch die vollständige Unterwasseranordnung  von Turbine und Horizontalrechen ein hoher Qualitätsanspruch besteht, insbesondere für alle beweglichen Maschinenbauelemente, damit Betriebssicherheit, Unterhaltsfreundlichkeit und Langlebigkeit gewährleistet werden können. Eine von mehreren maschinentechnischen Herausforderungen bestand darin, den Spülbetrieb mit Überdrehzahl sicherzustellen. Dieser sorgt dafür, dass Kiesablagerungen im Einlaufschacht und vor allem im Auslaufkanal weitertransportiert werden“, erklärt Rösch.

Wassereintritt führt zu Verzögerungen
Im Hinblick auf die bauliche Umsetzung waren die Verantwortlichen ebenfalls mit teils erheblichen Herausforderungen konfrontiert. Ein Bodengutachten aus dem Jahr 2017 ergab, dass die wasserdichte Sohlschicht deutlich tiefer liegt als ursprünglich angenommen. Um einen hydraulischen Grundbruch der Baugrube zu verhindern, wurde eine Grundwassersperre erforderlich. Günther Rösch: „Die zu diesem Zweck durchgeführte Baugrubenuntersuchung im Januar 2018 ergab eine Dichtschicht in 14 Meter Tiefe. Somit konnte ein Spundwandverbau zum Einsatz kommen. Der vermeintliche Hauptkostentreiber Baugrubenabdichtung mit Bohrpfahlwand konnte dadurch entfallen.“ Dennoch gestaltete sich die Umsetzung schwierig. Aufgrund der stark volantilen Abflüsse der Loisach erlitten die Arbeiten gleich mehrmals Rückschläge durch das Volllaufen der Baugrube. Speziell die Ankerarbeiten waren durch das stark drückende Wasser beeinträchtigt. Dies ging letztlich soweit, dass der Wassereintritt in der direkt in der Loisach liegenden Baugrube derart massiv wurde, dass er für die Tiefbaufirma nicht mehr beherrschbar war. „Das führte zu einer zeitlichen Verzögerung von rund 3 Wochen und einem wirtschaftlichen Nachtrag im sechsstelligen Bereich.“ Eine weitere Verzögerung im Bauablauf ergab sich durch die tiefen Temperaturen im Januar bzw. Februar 2019, in denen eine 6-wöchige Winterpause eingelegt werden musste, ehe die Arbeiten wieder aufgenommen werden konnten.

Spezieller Horizontaler Rechenreiniger
Am Institut für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU München wurde indes Schritt für Schritt an der Praxistauglichkeit des Konzeptes getüftelt. Als einer der wichtigsten Entwicklungsschritte wurde ein physikalisches Vollmodell umgesetzt. Es wurde mit kompletter maschinentechnischer Ausstattung an der Versuchsanstalt Obernach errichtet und dann auf seine Funktionalität hin untersucht. Auf Basis diverser hydraulischer Messungen erfolgte eine stetige Weiterentwicklung, welche unter anderem die Einlaufhydraulik, die Rechenreinigung sowie die Geschiebedurchgängigkeit umfasste.
Gerade der Anordnung und Ausführung des Spezialrechens wurde dabei besondere Aufmerksamkeit gewidmet. Zu diesem Zweck holte man sich dafür einen absoluten Branchenspezialisten an Bord – das Familienunternehmen MUHR aus dem bayerischen Brannenburg. Gemeinsam ging man daran einen multifunktionalen Verschluss für die Wehr­ebene zu entwickeln, der die gesamte Einlaufbreite abdeckt. Dieser dient beim Kraftwerksbetrieb durch leichte Überströmung der Wirbelvermeidung, gibt bei der Rechenreinigung das Rechengut direkt ins Unterwasser ab und kann im Hochwasserfall vollständig abgesenkt werden, um somit einen großen Fließquerschnitt freizugeben und die vollständige Geschiebedurchgängigkeit herzustellen.

Know-how aus Bayern
Gerade im Bereich Rechen bzw. Rechenreinigungsmaschinen bringt die Firma MUHR großes Know-how mit, ihre Produkte kommen heute auf der ganzen Welt zum Einsatz. Diese Spezialanfertigung, die gemeinsam von MUHR und dem Team von Prof. Rutschmann entwickelt wurde, hält nun Fische und Geschiebe vom Eindringen in den Turbinenbereich ab. „Das Funktionieren des Horizontalrechens ist das A&O des Kraftwerkskonzeptes. Dementsprechend wichtig war dessen Entwicklung“, so Günther Rösch. Im Gegensatz zu konventionellen Rechen, die meist in einem Winkel von 60-90° (stehend) angeordnet sind, wird der Schachtrechen komplett waagrecht (liegend) montiert. Dementsprechend befindet sich die Turbine nicht „hinter“, sondern „unter“ dem Rechen. Angeschwemmtes Geschiebematerial lagert sich gleichermaßen schwerkraftbedingt sowie durch den Sog der Turbine am Rechen ab. „Der Rechen muss also so gestaltet sein, dass jegliches Verklemmen oder Verstopfen von Haus aus weitgehend vermieden wird. Sollte es dennoch dazu kommen, muss das Rechenreinigungssystem über genug Leistung verfügen, um dieses Material zu entfernen. Des Weiteren soll das Reinigungssystem, wie der gesamte Rechen, von außen unsichtbar sein und nach Möglichkeit nicht in den Wasserhaushalt eingreifen, also kein Material entnehmen und sich so verhalten, als wäre gar kein Kraftwerk vorhanden“, erläutert Florian Kufner von der Firma MUHR die Ausgangssitiuation. Die Ingenieure von MUHR lösten diese Aufgabe, indem sie den Rechen inkl. der gesamten Reinigungsmechanik und dem zugehörigen Antrieb zu einem kompletten Modul zusammenfassten. Analog zu konventionellen Rechenreinigern wird die Harke mit den Reinigungszähnen in Fließrichtung durch den Rechen gefahren. Dabei wird angesammeltes Geschiebe aus dem Rechen gelöst und ans hintere Ende des Rechens geschoben. Dort, direkt im Anschluss an den Rechen, befindet sich das multifunktionale Verschlussorgan, welches sowohl unten als auch oben überspülbar ist. Im Regelbetrieb ist die Stauvorrichtung unten geschlossen und regelt somit den Wasserstand über dem Schachtrechen. Am Ende eines Reinigungszyklus hebt sich die Stauvorrichtung und gibt dem Wasser den Weg zur unterseitigen Unterspülung frei. Durch den entstehenden Sog wird das abgereinigte Geschwemmsel bzw. Geschiebe am Rechenende unter der Stauvorrichtung hindurch ins Unterwasser abgespült. Gleichzeitig fährt die Harke wieder zurück an das vordere Ende des Schachtrechens. Dabei senkt sich die Stauvorrichtung wieder in die Regelhöhe. Im Hochwasserbetrieb kann die Oberkante des Segmentwehrs bis auf das Niveau der Rechenfläche abgesenkt werden, wodurch in der gesamten Einlaufebene ausreichend große Schleppkräfte entstehen, die einen gesicherten Geschiebetransport ins Unterwasser ermöglichen. Um ein Verklemmen des Geschiebes im Rechen zu vermeiden, sind die Rechenstäbe so geformt, dass die Engstelle an der Oberseite liegt und das Profil sich nach unten hin verjüngt.

Fischbiologische Innovation
Die besondere Anordnung der Rechengitter stellt sowohl technisch als auch fischbiologisch eine Innovation dar. Bereits die Untersuchungen an der Versuchsanstalt in Obernach haben gezeigt, dass die meisten Fische über den Schacht schwimmen. Ein Eindringen der Fische durch den Rechen ist bedingt durch die Abstände der Metallstäbe von 2 cm ohnehin kaum zu befürchten. Dazu Dipl.-Ing. Albert Sepp von der TU München: „In Kombination mit der stauhaltenden, multifunktionalen und vertikal beweglichen Verschlusstafel wird ein barrierefreier Strömungsweg gewährleistet, der von den Fischen für einen gefahrlosen Abstieg genutzt wird.“ Daneben können die Fische gefahrlos durch zwei Öffnungen im Wehr flussabwärts wandern. Seit Mitte September werden in der Pilotanlage Großweil weitere Untersuchungen im Rahmen eines umfangreichen gewässerökologischen Monitorings durchgeführt. Dabei werden in zwei Forschungsmodulen sowohl die direkten anlagenbedingten Schädigungen der Fischfauna als auch die ökologischen Auswirkungen ermittelt, die mit anlagen- und betriebsbedingten Veränderungen des Lebensraums einhergehen. Ökologisch bemerkenswert ist außerdem, dass das Schachtkraftwerk für Geschiebe und Treibgut sehr gut durchgängig ist. Das bedeutet in weiterer Folge, dass durch die Ablagerungen des Geschiebes in natürlicher Art und Weise wichtige Orte für Laichplätze entstehen.

Schachtkraftwerk ist modular
Neben seinen ökologischen Vorzügen besteht ein zentraler Vorteil des Konzeptes Schachtkraftwerk in seiner Modularität. Um bei größeren Projekten etwaige Begrenzungen durch die Baugröße der Turbinen-Generator-Einheit sowie die hydraulischen Anforderungen zu berücksichtigen, können auch mehrere Schächte direkt nebeneinander angeordnet werden. Diese Möglichkeit macht man sich auch in Großweil zu Nutze, wo auf der orographischen linken Seite der Loisach ein Doppelschacht mit zwei Segmentschützen eingebaut worden ist. Grundsätzlich sind dem modularen Ausbau allerdings Grenzen gesetzt, wie Günther Rösch darlegt: „Mehr als 2 Schächte an jeder Flussseite sind kaum möglich. Darüber hinaus wird es sehr schwierig, was die Erreichbarkeit im Hinblick auf Ein- und Ausheben der Turbine sowie der Rechenfelder anbelangt. Und auch die Leitungslängen spielen dabei eine Rolle.“ Er verweist in diesem Zusammenhang generell auf die technischen Herausforderungen, die bei diesem Projekt mit den langen Schmierstoffleitungen bei kalten Temperaturen verbunden waren – oder auch auf den Einbau des vollständig unter Wasser gelegenen Anschlusskastens für die Energie- und Messleitungen.

Turbinen im Unterwasserbetrieb
Das Wasser der Loisach, das den Wehrkörper permanent überströmt, sinkt im Kraftwerksbetrieb den zweieinhalb Meter tiefen Schacht ab, um dort auf zwei horizontalachsige Unterwasserturbinen zu treffen. Es handelt sich um doppeltregulierte Kaplan-Turbinen des Tiroler Turbinenspezialisten Geppert, die mit einer Nenndrehzahl von 150 Upm einen direkt gekoppelten Permanentmagnetgenerator antreibt. Dazu geht der Projektleiter aus dem Hause Geppert, Markus Ribis ein wenig ins Detail: „Im Hinblick auf Laufrad und Leitapparat haben wir unter erheblichem Aufwand eine spezielle strömungsoptimierte und fischfreundliche Geometrie der Leit- und Laufschaufeln entwickelt. Wir setzen dabei ein 4-flügeliges Laufrad mit einem Laufraddurchmesser von 1.800 mm ein.“ Als absolute Besonderheit wurde die Turbine auch dahingehend entwickelt, dass ein Starten sogar dann möglich sein sollte, wenn der Turbinenschacht mit Kies gefüllt ist. Dass dies tatsächlich funktioniert, konnte bereits an der Pilotanlage in Obernach bewiesen werden. „Dort wurden auch diverse Versuche hinsichtlich Fischfreundlichkeit mit Barben, Äschen, Kleinforellen und anderen Wasserlebewesen angestellt, die allesamt vielversprechend verlaufen sind“, sagt Markus Ribis. Zudem ermöglicht die Turbine eine Spülprogramm, wobei eine Überdrehzahl durch die Trennung vom Netz bei maximaler Öffnung toleriert wird. Ribis: „Wir haben zwar schon einige Kaplan-Aggregate ausgeliefert, allerdings zuvor noch nie in einem Schacht, wie das hier der Fall ist. Durch die Ergebnisse der Messanalysen aus dem Prototypen ist es uns gelungen, die Turbine bis zur absoluten Praxistauglichkeit zu entwickeln.“

Strom für 800 Haushalte
Die beiden Turbinen sind auf eine Ausbauwassermenge von jeweils 11 m3/s und bei einer Fallhöhe von 2,5 m auf eine Ausbauleistung von je 248 kW ausgelegt. Die Engpassleistung des Maschinen-Duos im Doppelschacht wird von Günther Rösch mit 420 kW beziffert. Damit sollte das Schachtkraftwerk Großweil in der Lage sein, im Regeljahr rund 2,4 GWh sauberen Strom aus der Kraft der Loisach zu erzeugen. Das reicht aus, um rund 800 bayerische Durchschnittshaushalte mit Ökostrom zu versorgen. Ein wichtiger Beitrag zur dezentralen Energieversorgung – die kleine Gemeinde Großweil mit ihren rund 1.400 Einwohnern wird damit rechnerisch auf einen Schlag fast CO2-neutral. Die erste der beiden Turbinen ging im Januar 2020 in Betrieb, die zweite drei Wochen später. Es folgte eine zweimonatige Testphase, in der die Anlage auf Herz und Nieren ausgetestet und sämtliche Betriebszustände simuliert werden konnten. Dabei haben sich die Maschineneinheiten in diesen ersten Betriebsmonaten durchaus bewährt – und dies nicht nur im Hinblick auf ihre erzeugungstechnische Performance. „Wichtig war vor allem auch, dass extreme Hochwasserabflüsse, mitunter stoßartige auftretende hohe Geschiebe- und Treibgutfrachten sowie die Laubfrachten im Herbst optimal beherrschbar sind. Und das hat bisher prima funktioniert, vor allem weil im abgesenkten Verschlusszustand eine mächtige Überfallströmung mit großer Spülwirkung generiert wird. Wir haben erst vor kurzem ein HQ 10 schadlos überstanden“, freut sich Günther Rösch und verweist darauf, dass die Rahmenbedingungen an dem exponierten Standort an der Loisach durchaus herausfordernd sind.

Impuls für den Wasserkraftausbau
Die TU München hält mehrere Patente auf die Erfindung. Eine Ausgründung der TU München, die Hydroshaft GmbH um den Ideengeber des Konzepts, Albert Sepp, hat Nutzungsrechte erworben und vergibt wiederum Lizenzen an Kraftwerksbetreiber. Aktuell sind 12 weitere Schachtkraftwerke in der Iller, der Saalach, der Würm und im Neckar in Planung. Vor allem der Fischfreundlichkeit und dem landschaftskonformen Grundkonzept verdankt es das Schachtkraftwerk in Großweil, dass es als erste Anlage in einem bayerischen Natura-2000-Gebiet bewilligt werden konnte. Es fällt weder optisch noch akustisch auf und wirkt sich dabei nicht störend auf die natürliche Dynamik des Abflusses aus. Daher sieht Prof. Peter Rutschmann auch durchaus Potenzial in dem Konzept: „Weltweit sollen zahlreiche neue Wasserkraftwerke gebaut werden, oft in Regionen mit hoher Biodiversität. Das Schachtkraftwerk kann helfen, die ökologisch wertvollen Lebensräume in Flüssen zu bewahren.“ In dieselbe Kerbe schlägt der Vorstandsvorsitzende des Landesverbandes Bayerischer Wasserkraftwerke eG, Hans-Peter Lang in seinem Statement. Er erkennt einen wichtigen Impuls durch das neue Schachtkraftwerk und meint: „Im Idealfall wird es dadurch einfacher, die Genehmigung für die Ertüchtigung von Querbauwerken zu erhalten, was dringend notwendig ist für die Energiewende.“