KW Andelsbuch: Historisches Kraftwerk aus der K&K-Zeit mit moderner Technik fit für die Zukunft

Im Kraftwerk Andelsbuch im Bregenzerwald gehen seit Kurzem schützenswerte Industriegeschichte und modernste Wasserkrafttechnik Hand in Hand. In nur einem halben Jahr ist es den Verantwortlichen der illwerke vkw und ihren Partnern gelungen, Maschine 5 – die mit Abstand größte und leistungsstärkste Turbine des Kraftwerks – vollumfänglich zu modernisieren. Sie wurde vom Branchenspezialisten Voith Hydro unter anderem mit einem neuen Laufrad mit innovativem Design ausgestattet, das die Francis-Turbine nun ein breites Wirkungsgradband abdecken lässt. Seit Dezember letzten Jahres ist die frisch renovierte Maschine 5 wieder im Einsatz – und punktet dabei nicht nur mit soliden Leistungsdaten entlang des kompletten Lastspektrums, sondern auch mit modernster Steuerbarkeit. Damit ist das denkmalgeschützte Laufkraftwerk, das zweifellos zu den schönsten in ganz Österreich zählt, auch technisch wieder in der Neuzeit angekommen.

Historisches Wasserkraftwerk Andelsbuch: Industriegeschichte trifft moderne Energieerzeugung

Sogar der Kaiser höchstpersönlich soll sich anno dazumal die Ehre gegeben haben, als das Kraftwerk Andelsbuch 1908 nach vierjähriger Bauzeit in Betrieb genommen werden konnte. Noch heute erinnert der „Kaiserbalkon“ an der Stirnseite der Maschinenhalle an die glorreiche Gründerzeit. Tatsächlich soll das Kraftwerk mit seinen vier horizontalachsigen Francis-Maschinen damals das leistungsstärkste Kraftwerk der österreichisch-ungarischen K&K-Monarchie gewesen sein. Heute ist es eine echte Bauwerks-Preziose aus vergangenen Tagen, ein Stück Industriegeschichte verborgen hinter Jugendstil-Architektur, das seit Jahrzehnten denkmalgeschützt ist. Aber natürlich ist es immer noch eine Kraftwerksanlage, die in Diensten des Vorarlberger Energieunternehmens illwerke vkw nach wie vor sauberen Strom ins Netz liefert – zuverlässig und leistungsstark. Und nicht die gesamte Technik des Kraftwerks geht auf die Frühzeit der hydroelektrischen Wasserkraftnutzung zurück. Ergänzend zu den vier horizontalachsigen Francis-Maschinen, die auf jeweils 2,2 MW Leistung ausgelegt sind, wurde Ende der 1960er Jahre noch ein fünfter Maschinensatz integriert – eine vertikalachsige Francis-Turbine, ausgelegt auf 6,3 MW, die im Jahr 1970 in Betrieb genommen wurde. „Während die alten Maschinen 1 bis 4 zuvor immer wieder modernisiert, saniert und angepasst wurden, war der größte Maschinensatz 5 im Wesentlichen über die Jahre original belassen worden. Zuletzt hatten sich immer wieder Verschleißerscheinungen bemerkbar gemacht. Außerdem war die Maschine energiewirtschaftlich nicht optimal einsetzbar, da sie nicht sekundärregelungsfähig war. Eine Modernisierung war an der Zeit“, erklärt Dipl.-Ing. Balthasar Schönangerer, der als Projektleiter der illwerke vkw federführend für das Modernisierungsprojekt verantwortlich war.

Optimale Nutzung des Wasserdargebots der Bregenzerach

Warum man die Anlage Ende der 1960er um den großen Maschinensatz erweiterte, lässt sich ganz einfach beantworten: Schlicht weil die Bregenzerach, die vom Wasserkraftwerk Andelsbuch genutzt wird, eine exzellente Wasserführung aufweist, die von den vier alten Maschinen zuvor häufig nicht zur Gänze abgearbeitet werden konnte. „Auch wenn das Kraftwerk über einen kleinen Stauweiher verfügt, ist das Stauvolumen sehr begrenzt – und die als Laufwasserkraftwerk konzipierte Anlage nutzt das anfallende Wasserdargebot bestmöglich. Allerdings hat sich mit dem Einbau von Maschine 5 die Gesamtsumme des Schluckvermögens in Summe doch stark erhöht“, so Balthasar Schönangerer.

Turbinenabrasion als Herausforderung bei der Wasserkraftnutzung

Doch bei aller Zuverlässigkeit und Leistungsstärke war Maschine 5 über all die Jahre mit einem massiven Abrasionsproblem an den Stützschaufeln konfrontiert. Balthasar Schönangerer: „Im Laufe der Zeit wurden unterschiedliche Beschichtungen ausprobiert, aber keine davon hatte nachhaltigen Erfolg.“ Die Suche nach der Ursache gestaltete sich sehr diffizil. Schließlich war der Abrasionseffekt nur auf die Stützschaufeln von Maschine 5 beschränkt, die anderen vier Turbinen waren davon nicht betroffen. „Daher war zu Beginn die Vermutung naheliegend, es könnte am Umstand liegen, dass es sich bei Maschine 5 um eine vertikalachsige Turbine handelt – die anderen vier sind ja horizontalachsig. Interessant war für uns auch die Tatsache, dass nur die Stützschaufeln das Abrasionsproblem hatten, die Leitschaufeln dagegen überhaupt keine Spuren davon aufwiesen.“ Erst in der Zusammenarbeit mit dem für das Modernisierungsprojekt beauftragten Planungsbüro ILF Ingenieure aus Rum bei Innsbruck sollte man der Ursache allmählich näher kommen, wie der Projektleiter weiter ausführt: „Ein sehr erfahrener Wasserkraftingenieur von ILF hat die These aufgestellt, dass für das Abrasionsproblem Seegras im Triebwasser verantwortlich ist, das sich um die Stützschaufeln legt. Durch hochfrequente Schwingungen ist es offensichtlich in der Lage, diese mechanischen Schädigungen an der Maschine hervorzurufen.“ Die Abrasionsthematik war ein Grund, aber längst nicht der einzige, warum die illwerke vkw sich letztlich für die Modernisierung von Maschine 5 entschied. Wesentlicher waren dabei Aspekte der Steuerbarkeit sowie vor allem der Varianz in Sachen Einsatzmöglichkeiten. Es galt, die Turbine in die Wasserkraft-Neuzeit zu überführen.

Modernisierung im Bestand: Effizienzsteigerung ohne Komplettaustausch

„Unsere prinzipiellen Überlegungen gehen auf das Jahr 2021 zurück – beginnend mit ersten Erhebungen, was genau zu machen sei und wo man dabei Schnittstellen setzen sollte. Auf dieser Basis ist das Projekt dann gewachsen“, erzählt Balthasar Schönangerer. Im Frühjahr 2023 konnten die Baulose ausgeschrieben werden. Ende Juni 2024 wurde die Maschine vom Netz genommen, die Umbauarbeiten konnten beginnen. Mit Voith Hydro holte die illwerke vkw einen Partner an Bord, der den hohen Anforderungen der Vorarlberger Wasserkraftprofis gerecht werden und dabei sein großes Know-how einbringen konnte. Schließlich war allen Verantwortlichen bei dem Projekt klar, dass Umbauten im Bestand immer mit großen Herausforderungen verbunden sind.
Was die Turbine im Detail anbelangt, so stellte sich schnell heraus, dass einige ihrer Bauteile belassen werden konnten, wie etwa Leitapparat, Umlenker, Leitschaufeln und Turbinendeckel, die allesamt noch in gutem Zustand waren. Lediglich die Lager- und Trägerbuchsen wurden dabei getauscht. Komplett erneuert wurden dagegen die Hilfsbetriebe, die im Original noch einen hydraulischen Regler umfassten. „Der war nicht mehr zeitgemäß, den kann heute auch niemand mehr professionell warten – daher war eine Erneuerung höchst an der Zeit“, so der Projektleiter. Erneuert wurde auch das Laufrad – es stellt den zentralen Teil des gesamten Umbauprojekts dar.

Neues Francis-Laufraddesign für Sekundärregelungsfähigkeit

„Um das Thema Laufrad näher zu erläutern, muss ich ein wenig ausholen“, sagt Balthasar Schönangerer. „Für uns als Energieunternehmen ist die Sekundär-Regelungsfähigkeit in den letzten Jahren wirtschaftlich immer attraktiver geworden. Daher bestand aus energiewirtschaftlicher Hinsicht von Anfang an ein Interesse daran, die Maschine über den gesamten Leistungsbereich betreiben zu können – und nicht nur im Spitzenlastbereich.“ Doch mit der bislang gängigen Francis-Turbinentechnik war das, wie den meisten Wasserkraftkennern bewusst ist, nicht möglich. Francis-Turbinen waren in der Vergangenheit in der Regel so gebaut, dass sie im Spitzenlastbereich Top-Wirkungsgrade erzielten, aber immer weiter in ihrer Effizienz absackten, je weiter es in den Teillastbereich geht. „Wenn man eine flachere Wirkungsgradkurve anstrebt, verzichtet man zwangsläufig auf die absoluten Spitzenwirkungsgrade. Beides zu vereinen, geht nicht, denn das sind zwei gegenläufige Designziele“, erklärt Balthasar Schönangerer, der betont, dass man für das neue Laufraddesign nun bereit war auf hohe Maximalwirkungsgrade zu verzichten zugunsten einer möglichen Sekundär-Regelfähigkeit der Maschine. Und die Ingenieure vom Kompetenzzentrum von Voith Hydro lieferten dafür das passende Laufraddesign – eine Maschine, die über das gesamte Lastspektrum gute Wirkungsgrade aufweist mit geringfügigen Abstrichen im Spitzenlastbereich. „Die neue Maschine können wir nun im Gegensatz zur alten an jedem Punkt zwischen 0 und 6,3 MW betreiben – ohne Einschränkungen oder schädigendes Verhalten. Dabei weist sie eine hohe Laufruhe auf und bringt nun alle Eigenschaften mit, um sie im Sinne der Sekundärregelung betreiben zu können“, so Schönangerer.

Turbinensanierung und Instandsetzung unter hohen technischen Anforderungen

Abgesehen vom komplett neuen Laufrad wurden die anderen Turbinenteile demontiert, zerlegt und weiter ins Voith-Werk nach St. Pölten gebracht, wo sie entschichtet, sandgestrahlt sowie einer zerstörungsfreien Prüfung unterzogen wurden. Im Anschluss wurden sie teilweise geschweißt, saniert – und am Ende wieder eingebaut. Als besonders herausfordernd beschreibt der Projektleiter der illwerke vkw die Sanierung der von Abrasion betroffenen Stützschaufeln. Da die Beschichtung bereits bis zur Grundsubstanz abgetragen war, mussten die Eintrittskanten der Stützschaufeln rostfrei aufgeschweißt werden. „Das war nicht ganz einfach. Zuerst mussten die Schaufeln abgeschliffen werden – und dann erfolgte das Aufschweißen Schicht für Schicht. Letztlich hat aber auch das sehr gut funktioniert“, so der Projektleiter.

Besondere Turbinenkonfiguration und betriebliche Eigenheiten

Eine höchst unübliche Eigenschaft der originalen Turbinenkonfiguration ist, dass die Lage der Spiralmitte sowie der Unterwasserpegel sehr nah beieinander liegen. Das bedeutet, dass die Turbine kaum Gegendruck aus dem Unterwasser hat. „Der Effekt ist, dass sie bei Stillstand immer ausrinnt, weil eben der Gegendruck fehlt. Beim Hochfahren dreht sich das Laufrad dann noch in Luft und bremst dann jäh wieder ab, weil der Widerstand im Wasser höher wird. Für die Programmierer war das bei der Inbetriebnahme ein interessantes Phänomen, das allerdings keine Auswirkungen auf die Leistungsfähigkeit oder Standfestigkeit der Maschine hat“, erläutert der Projektleiter. Er verweist zudem auf eine weitere Eigenschaft der Maschine, die im Gegensatz zur alten Turbinenversion nun voll funktionell umgesetzt wurde: „Unsere alte Maschine verfügte bereits über eine zentrale Wellenbelüftung. Leider funktionierte der Luftsog über die Kupplung damals nicht. Die Gründe sind bedauerlicher Weise nicht dokumentiert. Die neue Maschine weist ebenfalls eine zentrale Wellenbelüftung auf, wobei der Unterdruck durch die Abströmung im Laufrad bzw. im Saugrohr entsteht, wodurch die Luft angesogen wird. Das funktioniert nun hervorragend und bringt der ganzen Maschine viel Laufruhe.“

Erneuerung der Absperrtechnik im Kraftwerksbetrieb

Eine wichtige Aufgabe kommt dem Bypass mit Absperrklappe im Krafthaus zu: Er dient zum Füllen der Spirale beim Anfahren. Wenn der Druckausgleich zwischen Spirale und Druckrohrleitung gegeben ist, wird die Klappe geöffnet. Dafür wurde nun auch das Verschlussorgan erneuert. „Hier war noch original eine Absperrklappe aus den späten 1960er Jahren aus Grauguss installiert, die über all die Jahre nie ausgebaut worden war. Daher war uns der genaue Zustand nicht im Detail bekannt – und auch nicht, wie man das Bauteil am besten sanieren könnte. Daher haben wir uns auch aus wirtschaftlichen Überlegungen entschlossen, eine moderne und bewährte Absperrklappe einzubauen. Das war eine gute Entscheidung – sowohl die Produktqualität als auch die Kooperation mit dem beauftragen Unternehmen hat ausgezeichnet funktioniert“, erinnert sich der Projektleiter. Ausgelegt ist der Bauteil der Dimension DN1500 auf einen Druck von 10 bar.

Generator- und Trafotausch als logistische Herausforderung

Komplett erneuert wurden auch der Generator sowie der Trafo. „Über die Jahrzehnte hat sich die Spannung im Netz sukzessive erhöht, und sowohl Generator als auch Transformator waren langsam an ihr Limit gekommen. Somit war für uns klar, dass wir beide erneuern mussten“, erklärt Balthasar Schönangerer. Prinzipiell sei es zwar nur darum gegangen, den alten Generator auszuheben und den neuen einzubauen. Aber gerade die Montage war mit einigen Tücken verbunden, da das neue Modell etwas schlanker und die Rotorwelle etwas länger ausfiel. „Zwar war die 25 Tonnen schwere Rotorwelle schon aus diesem Grund zweigeteilt geliefert und erst vor Ort zusammengebaut worden, trotzdem war einiges an Improvisationskunst vonnöten, um den neuen Generator hineinzubekommen“, erinnert sich der Projektleiter. Die Maschine selbst wurde von Elin Motoren geliefert. Der auf 7,5 MVA ausgelegte Generator verfügt über Gleitlager und ist mit einer integrierten Lageranhebung ausgeführt.
Nicht weniger Mühe bereitete der Tausch des Trafos. „Mit rund 14 Tonnen zählte der Trafo zu den schwersten Komponenten des Projekts. Und leider verfügten wir über keinen Kran, um ihn über die Schwelle in seine Nische zu hieven. Wir setzten daher auf einen alten Schienenwagen, von dem aus ein mobiler Portalkran dann den Transformator anheben, drehen und an die richtige Position bringen konnte. Auch dabei war einiges an provisorischen Maßnahmen nötig“, so Schönangerer.

Digitalisierung der Leittechnik: Vom Relais zur modernen Steuerung

Besonders großen Wert legten die Verantwortlichen der illwerke vkw auf die Erneuerung von Regelungs- und Leittechnik, bei der die Fachabteilung des Konzerns eingebunden war und genaue Vorgaben für die Umsetzung erteilte. Es galt, die alte Relais-Steuerung durch eine moderne digitale Leittechnik zu ersetzen. Umgesetzt wurde dieses Los vom bekannten Wasserkraftspezialisten Andritz Hydro. Zu diesem Zweck wurden im ganzen Gebäude die Doppelböden für die Kabelwege angepasst und kilometerweise Kabel verlegt. „Der Umbau selbst war durchaus knifflig, weil viele zentrale Signale für Objektschutz, Brandmeldeanlage, Kraftwerksschutz und so weiter das gesamte Kraftwerk betrafen und somit provisorisch umgeleitet werden mussten, um die Sicherheit des laufenden Betriebs nicht zu gefährden“, erzählt Balthasar Schönangerer. Er verweist darauf, dass gerade im Bereich Leittechnik ein sehr hohes Niveau gefordert war – entsprechend der generell hohen Standards von illwerke vkw. Zudem erläutert Schönangerer, dass der Sprung vom Relais- ins Digitalzeitalter ein entsprechend großer gewesen sei: „Vor dem Umbau gab es bei der Maschine so gut wie keine digitale Lösungen. Nun können wir – nicht zuletzt auch aufgrund der vielen neu integrierten Messsonden – sämtliche Messdaten in Echtzeit verfolgen, diese sind für die Mitarbeiter auch vom Büroarbeitsplatz jederzeit verfügbar.“ Wie alle anderen Kraftwerke wird auch das Kraftwerk Andelsbuch vom illwerke vkw Control Center ICC in Vandans komplett ferngesteuert. Die Warte ist rund um die Uhr besetzt.

Korrosionsschutz und Asbestsanierung unter erschwerten Bedingungen

Im Zuge des Modernisierungsprojekts wurde zudem das Kühlwassersystem erneuert, das von einem offenen auf ein geschlossenes System umgestellt wurde – inklusive der Erneuerung der Kühlwasserhauptverteilung.
Darüber hinaus wurde auch der Korrosionsschutz an einigen wichtigen Komponenten erneuert. Dabei wurde die Kompetenz des beauftragten Unternehmens – der darauf spezialisierten Firma KOSCHUTZ Oberflächentechnik GmbH aus Holzhausen in Oberösterreich – auf eine harte Probe gestellt: Sowohl im Saugrohr als auch in der Spirale fanden sich noch Asbestrückstände von der originalen Korrosionsschutzbeschichtung aus den 1960ern. „Der professionelle Umgang mit den Asbest-Rückständen bedeutete, dass die Komponenten während des Entschichtens komplett eingehaust und unter permanenten Unterdruck gehalten werden mussten, damit nichts nach außen dringt. Mit der Einrichtung der bewährten 4-Kammer-Schleuse und der zusätzlichen Belüftung war das ein erheblicher Aufwand. Aber – die Spezialisten der Korrosionsschutzfirma haben das sehr professionell und sehr zügig abgewickelt“, findet Schönangerer lobende Worte. Nach dem Sandstrahlen und dem Aufbringen von Grund- und mehreren Deckenbeschichtungen übernahm das Team der KOSCHUTZ die fachgerechte Entsorgung von Strahlmittel und Beschichtungsrückständen. In Summe umfasste der gesamte Auftrag des im Hausruckviertel ansässigen Unternehmens die Korrosionsschutzsanierung von Turbineneinlauf, Saugrohr und Mauerdurchbruchsrohre. Dank Referenzprojekte dieser Art hat sich das Unternehmen aus Oberösterreich zu einem gefragten Branchenpartner in Sachen Korrosionsschutz etabliert, egal ob unter Tage, oder im alpinen Gelände.

Modernisiertes Wasserkraftwerk als Baustein der Energiewende

Generell konnte das Umbauprojekt in vergleichsweise kurzer Zeit umgesetzt werden. Nach einem halben Jahr Arbeit war es am 14. Dezember letzten Jahres soweit: Maschine 5 konnte das erste Mal wieder angedreht und in der Folge in den Probebetrieb übernommen werden. „Nach den ersten Betriebsmonaten können wir ein sehr gutes Fazit über das erfolgreiche Projekt ziehen: Der modernisierte Maschinensatz läuft extrem ruhig und liefert effektiv Strom“, freut sich der Projektleiter Balthasar Schönangerer. In Summe erzeugen die 5 Maschinen im Kraftwerk Andelsbuch im Regeljahr rund 52 GWh sauberen Strom. „Am Regelarbeitsvermögen hat sich im Grunde kaum etwas geändert. Was sich geändert hat, ist die Tatsache, dass das historische Kraftwerk mit seiner neuen Maschine 5 perfekt an die heutigen elektrizitätswirtschaftlichen Anforderungen angepasst ist. Somit kann das Kraftwerk vollautomatisiert und ferngesteuert – quasi in Echtzeit – zur Sekundärregelung herangezogen werden – und leistet damit einen wichtigen wirtschaftlichen Beitrag.“ Auch wenn man es ihm von außen nicht ansieht: Das historische Kraftwerk Andelsbuch ist nun in der Neuzeit der Wasserkraftnutzung angekommen.

Erschienen in zek HYDRO, Ausgabe 6/2025