Wasserkraftkonzept Schachtkraftwerk
1. Funktionsweise des Schachtkraftwerks
Das bisher ungenutzte Wasserkraftpotential im Niederdruckbereich beschränkt sich in Europa bei Einhaltung der Wasserrahmenrichtlinie hauptsächlich auf Wehrstandorte mit geringen Fallhöhen und Standorte mit schwierigen Randbedingungen.
Die Praxis zeigt allerdings vielfach, dass mit konventioneller Kraftwerkstechnik die Wirtschaftlichkeit vor allem bei geringen Fallhöhen kaum gewährleistet werden kann. Zudem sind die hohen ökologischen Auflagen - insbesondere die der ökologischen Durchgängigkeit - häufig nur schwierig zu erfüllen.
An der Technischen Universität München (TUM) wurde ein innovatives Konzept für eine naturverträgliche und kosteneffiziente Nutzung der Laufwasserkraft entwickelt, das sich sowohl für den Kleinwasserkraftbereich als auch für Anlagen im größeren Leistungsbereich eignet und zudem die Nachrüstung von bestehenden Querbauwerken erlaubt.
Eine Einheit aus Turbine und Generator wird in einem Schacht mit einer horizontalen Einlaufebene installiert, der vor dem Wehrkörper in die Oberwassersohle integriert ist. Der Kraftwerkszufluss wird durch den horizontal angeordneten Rechen der Turbine zugeführt. Die Anbindung an das Unterwasser erfolgt über das Saugrohr durch den Wehrkörper hindurch.
Am unterwasserseitigen Ende des Schachtes ist ein multifunktionaler Verschluss angebracht. Er dient beim Kraftwerksbetrieb durch leichte Überströmung der Wirbelvermeidung, gibt bei der Rechenreinigung das Rechenreinigungsgut direkt ins Unterwasser ab und kann im Hochwasserfall vollständig abgesenkt werden um somit einen großen Fließquerschnitt freizugeben und die vollständige Geschiebedurchgängigkeit herzustellen.
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Vorteile des Schachtkraftwerks
- Überzeugende Technik für den Fischabstieg - Fischumgehung in der Leitströmung
- Geschiebedurchgangigkeit
- kein Eingriff im Uferbereich
- keine Störung des Landschaftsbildes
- Hochwassersicherheit
- kaum wahrnehmbar.
- Nachrüstbar angehende Querbauwerken
- Kosteneffizient (geringes Bauvolumen, kein Kraftwerksgebäude)
2. Physikalischer Modellversuch
Das Kraftwerkskonzept wurde in einem physikalischen Vollmodell mit kompletter maschinentechnischer Ausstattung (Diveturbine Fa. Fella, Amorbach) an der Versuchsanstalt Obernach eingehend auf seine Funktionalität hin untersucht, optimiert und die entsprechenden hydraulischen Bemessungsgrundregeln bestimmt. (Projekt gefördert im Rahmen eines ZIM-Projekts, mit Mitteln des Bundeswirtschaftsministeriums) Insbesondere die folgenden Komponenten wurden grundlegend bearbeitet:
Einlaufhydraulik:
• Wirbelvermeidung
• Wirkungsgrad
• Strömungshomogenität
Rechenreinigung:
• Bestätigung der Funktionalität
• Erarbeitung von Kriterien für die technische Detailumsetzung
Geschiebedurchgängigkeit:
• Bestätigung des Geschiebetransports über den Rechen
• Erfolgreiche Schachtspülung von Feinsediment
• Rein hydraulische Spülung von Verlandungen im Schacht oder an der Einlaufebene infolge von Störfällen
3. Prototypanlage
An der Versuchsanstalt in Obernach wurde eine voll funktionierende Anlage mit 35kW Turbine und Rechenreinigung erbaut. Im Auftrag des Bayerischen Staatsministeriums StMUV wurde dort das Migrationsverhalten von kleinen und schwimmschwachen Fischen am einem Schachtkraftwerk untersucht. Neben einem hervorragenden Schutz für Fische zeichnet sich das Schachtkraftwerk auch durch einen sehr hohen Anlagenwirkungsgrad von ca. 90% und eine kostengünstige, modulare Bauweise aus.
Der Lehrstuhl dankt der Fa. Muhr, Brannenburg/D, für die Ausstattung der Versuchsanlage mit Stahlwasserbau und Rechenreinigung.
Fischuntersuchungen
Untersucht wurden "rechengängige" Jungfische (Forellen, Äschen und Koppen) von 50mm bis 200mm Grösse. Die Geschwindigkeit in der Rechenebene beim Schachtkraftwerk beträgt nur 0,3 bis 0,5 m/s, wodurch sich auch schwimmschwache Jungfische frei bewegen können. Alle Fische größer als 200mm sind durch den Rechen komplett geschützt.
4. Ökologische Verträglichkeit
Die horizontale Rechenfläche mit geringen Stababständen wird so dimensioniert, dass niedrige Strömungsgeschwindigkeiten einen effektiven Fischschutz gewährleisten. Die Maximalgeschwindigkeiten lassen sich der jeweiligen Fischpopulation und deren Schwimmvermögen anpassen. Der Fischabstieg erfolgt über spezielle Öffnungen im Verschluss direkt in das Unterwasserpolster.
Der Aufstieg ist konventionell über entsprechende Fischwege mit geeigneter Anbindung an die Unterwasserströmung zu lösen. Fischverhaltensuntersuchungen an einem Großversuchsstand konnten die Funktionalität von Fischschutz und Fischabstieg überzeugend bestätigen.
5. Technik und Anlagengröße
Revision und Service
Die Zugänglichkeit der grundsätzlich wartungsarmen Anlage erfolgt durch Trockenlegung des Schachtbereichs mittels Dammtafeln. Diese können von außen eingehoben (Autokran) oder aus dem Schacht herausgefahren werden. Die relativ geringe Wasserüberdeckung am Rechen erlaubt einfache Arbeitsweisen.
Um einen zuverlässigen Betrieb gewährleisten zu können muss eine robuste Maschinentechnik mit hohem Qualitätsanspruch eingesetzt werden. Je nach Standortbedingungen und Anlagengröße sind verschiedene Abdämmtechniken möglich.
Mehrschachtanlagen
Das Schachtkraftwerkskonzept eignet sich auch für große Anlagen (QT > 20 m³/s): Hierbei werden mehrere Schächte nebeneinander angeordnet, um die Begrenzungen durch die Baugröße der Turbinen-Generator-Einheit sowie die hydraulischen Anforderungen zu berücksichtigen.
Auch diese spezifische Zuströmsituation wurde für Zwei- und Dreischachtanlagen im physikalischen Modell untersucht und die für den Kraftwerksbetrieb notwendigen Designkriterien bestimmt.
Numerische Studien
Ergänzend zu den physikalischen Untersuchungen wurden numerische Studien, insbesondere zur Thematik der Mehrschachtanlagen und spezieller Zuströmbedingungen, durchgeführt.
6. Pilotanlage Großweil
Als erste Pilotanlage wurde an der Loisach bei Großweil ein Schachtkraftwerk im Zweischachtdesign errichtet (Fallhöhe 2,5 m, Kraftwerksabfluss 22 m³/s, Leistung 480 kW, Jahresarbeit 2,4 Mio. kWh).
Im Februar 2020 ging die Anlage im Probebetrieb ans Netz. Im erste Halbjahr mit zahlreichen Hochwässern und hoher Geschiebefracht sowie Treibholzführung konnte die Funktionalität des innovativen Kraftwerks eindrucksvoll bewiesen werden.
Die Pilotanalge wird von umfangreichen wissenschaftlichen Untersuchungen zur Kraftwerkstechnik und Ökologie begleitet. Ab Herbst 2020 werden im Rahmen eines Forschungsprojektes der TUM durch den Lehststuhl für Aquatische Systembiologie - Prof. Geist umfangreiche fischökologische Untersuchungen am Naturstandort durchgeführt.
Lesen Sie die offizielle Pressemitteilung der TUM zur Inbetriebnahme hier.
Das Kraftwerkskonzept ist durch mehrere deutsche und internationale Patente bzw. Patentanmeldungen geschützt und wird durch das TUM Spin-Off Hydroshaft GmbH vermarktet.
Weitere Informationen und Kontaktaufnahme: https://hydroshaft.com/
Ansprechpartner TUM:
Bertalan Alapfy, M.Sc.
TU München
D-80333 München
bertalan.alapfy@tum.de