Krebs & Aulich
06.11.2018 

Neue Technik in altem Kleid: Ein historisches Kleinwasser-kraftwerk wird modernisiert

Mitten im Harzer Wald, am Bahnhof Steinerne Renne der Harzer Schmalspurbahnen im Holtemme-Tal bei Wernigerode, steht ein Haus im Baustil der Industriearchitektur der Kaiserzeit. Wer durch die großen, halbrunden Fenster schaut, blickt direkt in eine Maschinenhalle. Er entdeckt historische Maschinengehäuse, die schwarz und grün gestrichen sind. Durch das Fenster ist das Summen und Brummen der Generatoren zu hören, die sich in den Maschinengehäusen verbergen. Nebenan fließt die Holtemme, die sich aus den Bergen kommend ihren Weg ins Tal hinab sucht. Dieses schmale Flüsschen sorgt dafür, dass sich die Generatoren in der Maschinenhalle drehen. Schon lange – seit 1899 – wird hier die Kraft des Wassers genutzt, um Strom zu produzieren.

 

Das Kraftwerk „Steinerne Renne“ ist eines der ältesten Wasserkraftwerke Deutschlands. Ursprünglich wurde es gebaut, um Lampen, Brecher und eine werkseigene Seilbahn des damals nahe gelegenen Schotter- und Granitwerks mit Strom zu versorgen. Rund um die Uhr gewinnt es aus der potentiellen Energie des Wassers, das über eine Druckleitung aus einer Höhe von 160 m auf zwei Pelton-Turbinen geleitet wird, umweltfreundlichen Strom.

Zuverlässig seit 120 Jahren – aber verbesserungsfähig

Seit dem Jahr 2002 betreiben die Stadtwerke Wernigerode das Kraftwerk „Steinerne Renne“ und produzieren hier umweltfreundlich erzeugten Naturstrom für Ihre Kunden. 2016 entschloss sich der Energiedienstleister zu einer Investition, die die Stromausbeute des Kraftwerks erheblich erhöhen sollte – ohne jedoch das historische Erscheinungsbild des Gebäudes und der Maschinensätze zu verändern. Denn das Ensemble gilt als technisches Denkmal, an dem sich seit der Inbetriebnahme im Jahr 1899 kaum etwas verändert hat. In den 30er Jahren wurde das Areal lediglich um ein Nebengebäude für die Unterbringung einer Dampfmaschine erweitert. Das Nebengebäude beherbergt heute eine sehenswerte Ausstellung der Stadtwerke Wernigerode zu historischen<s></s>Haushaltsgeräten und Energieanwendungen.

Das Wasserkraftwerk verfügt über zwei Maschinensätze mit Pelton-Turbinen. Die ältere Turbine ist seit der ersten Stunde des Kraftwerks in Betrieb und hat eine Leistung von rund 75 kW, bei einem Wassersäulendruck von 154 Metern und einem Schluckvolumen von etwa 90 ltr/sec. Der zugehörige Asynchrongenerator stammt ebenfalls aus dem Jahr 1899 und erzeugt eine elektrische Leistung von 90 kW. In den Jahren1958/1959 wurde ein zweiter, größerer Maschinensatz installiert. Die zweite Pelton-Turbine besitzt eine Leistung von 265 kW und ein  Schluckvolumen von 214 ltr/sec. Sie treibt ebenfalls einen Asynchrongenerator an, der eine Leistung von 240 kW besitzt. In den Jahren 1985 und 1995 wurden Wicklung und Lager des großen Generators erneuert. Die Generatoren drehen mit einer Geschwindigkeit von etwa 620 Umdrehungen pro Minute.

Um die Maximalleistung von 300kW zu erreichen, benötigt das Wasserkraftwerk 1.100 m³/h Wasser. Die zur Verfügung stehende Wassermenge schwankt mittelfristig je nach Jahreszeit und kurzfristig mit den Niederschlägen und kann diesen Bedarf nicht kontinuierlich decken. Das Kraftwerk wird daher überwiegend teillastig betrieben. 

Das benötigte Wasser wird an einem Wehr unterhalb des Gasthauses „Steinerne Renne“ in einen abgedeckten Wassergraben abgezweigt. Eine Mindestwassermenge verbleibt im Bachbett. Im Graben fließt das Wasser rund 1.700 m durch den Harzwald bis zum Rechenhaus. Dort werden grobe Verunreinigungen wie Blätter, Gras oder Zweige entfernt. Überschüssige Wassermengen fließen durch ein Überlaufrohr zurück in die Holtemme. Das übrige Wasser gelangt schließlich in ein Einlaufbecken und von dort über die Druckleitung zu den Turbinen. Je nach Wasserdargebot im Einlaufbecken wird das Schluckvermögen der Pelton-Turbinen von der Kraftwerkssteuerung an das Wasserangebot angepasst, indem die Düsenstellungen der Turbinen hydraulisch verändert werden. Je nach Wasserstand schließen oder weiten sich die Öffnungen und lassen entsprechend mehr oder weniger Wasser hindurch. Ist zu wenig Wasser für einen durchlaufenden Betrieb vorhanden, setzen beide Turbinen automatisch aus und starten bei ausreichendem Dargebot neu (Schwallbetrieb).

Ununterbrochen und zuverlässig produzieren Turbinen und Generatoren auf diese Weise nun seit fast 120 Jahren Strom in der „Steinernen Renne“. Doch wie kann die Effizienz des Wasserkraftwerks gesteigert werden? Vor dieser Frage standen die Ingenieure der Dr. Ecklebe GmbH, die die Stadtwerke Wernigerode mit der Modernisierung des Werks beauftragten. „Es ging um eine Steigerung von mindestens zehn Prozent“, beschreibt Dr. Klaus-Peter Ecklebe das ambitionierte Ziel der Erneuerung, die im Fachjargon auch Retrofit genannt wird. „Wir schlugen verschiedene Verbesserungen an der Steuerung des Kraftwerkes und an der Generatortechnik vor. Die Maßnahmen durften aber von außen nicht sichtbar sein.“

Mehr Effizienz durch neuen Synchrongenerator

In dem Wernigeröder Maschinenbauunternehmen Krebs & Aulich GmbH fand Klaus-Peter Ecklebe einen erfahrenen Partner, mit dem er sich gemeinsam an das Projekt wagen wollte. „Nachdem wir die Wirkungsgrad-Verläufe ermittelt hatten, war schnell klar: der größere Maschinensatz sollte einen neuen Generator erhalten, um den Wirkungsgrad der Anlage zu erhöhen und mehr Strom bei gleicher Wassernutzung zu produzieren. Statt der alten Asynchronmaschine sollte das Wasserkraftwerk einen permanenterregten Synchrongenerator erhalten“.

„Mit einer Taschenlampe haben wir den Luftspalt der Elektromaschine durchleuchtet und erst einmal die Grundmaße des Generators aufgenommen“, erinnert sich Jörg Krebs von Krebs & Aulich an die Anfänge des Vorhabens. „Die Frage war, ob wir einen neuen Generator mit neuer Bemessung in das alte Gehäuse hineinbekommen.“ Die Messungen zeigten: Es sollte gehen.

Die Ingenieure setzten sich an den Schreibtisch und berechneten erste Entwürfe des neuen Generators. „Ein Synchrongenerator ist etwa fünfmal so teuer wie ein Asynchrongenerator“, räumt Klaus-Peter Ecklebe ein. Vor allem die Magnete zur Permanenterregung treiben den Preis in die Höhe. Auch die hier notwendig gewordene maßgeschneiderte Lösung, bei der der eingesetzte neue Generator als Einzelstück gefertigt wird, verursacht höhere Kosten. Dennoch waren sich die Ingenieure einig: Die Vorteile eines permanenterregten Synchrongenerators überwiegen bei Weitem die entstehenden Zusatzkosten. In einigen Jahren amortisiert sich der höhere Preis durch ein dickes Plus im Stromertrag. „Das Ziel einer mindestens 10%igen Verbesserung konnten wir nur so sicher erreichen“, betont Ecklebe. Dazu kommen die Laufruhe und die Vermeidung von Vibrationen, wodurch die Nutzung des Generatorhauses und anliegender Gebäude wesentlich besser möglich ist.

In dem von der Firma Krebs & Aulich geplanten neuen Generator trägt der Läufer Permanentmagnete, die ein konstantes Erregerfeld erzeugen. Im Gegensatz zum Asynchrongenerator benötigt der Synchrongenerator deshalb keinen Erregerstrom zum Aufbau des Magnetfeldes. Darüber hinaus entfallen die prinzipbedingten Läuferverluste der Asynchronmaschine. In der Gesamtbilanz schlägt sich dieser Wegfall positiv nieder. „Das bedeutet einen enormen Vorteil im Wirkungsgrad, noch dazu, wo wir es mit einem Asynchrongenerator historischer Bauart zu tunhatten“, erklärt Klaus-Peter Ecklebe. „Wer einen hocheffizienten Generator möchte, setzt auf permanenterregte Synchronmaschinen.“

Große Vorteile im teillastigen Betrieb

Im teil-stillgelegten Wasserkraftwerk demontierten die Ingenieure schließlich den großenMaschinensatz mit dem zwei Tonnen schweren Generator und konnten nun genau bemessen, wie viel Platz ihnen in dem alten Gehäuse zur Verfügung stand. Sie berechneten den neuen Generator im Detail, erstellten CAD-Modelle und planten die Umsetzung des Retrofits.

In Rekordzeit erfolgte schließlich der Umbau der „Steinernen Renne“: Innerhalb eines Dreivierteljahres realisierten die Ingenieure das Projekt und konnten es Ende 2016 übergeben. Während dieser Zeit wurde der kleine Maschinensatz weiter betrieben um das Wasserdargebotwenigstens teilweise zu nutzen. Zusammen mit der Modernisierung der Kraftwerkssteuerung führtedas Projekt schließlich in der Summe dazu, dass das Kraftwerk heute etwa 14% effizienter arbeitet. Während des Retrofits wurde der Ständer des Generators neu geblecht und erhielt eine neue Wicklung. Die alte Lagerkonstruktion wurde übernommen, gleichzeitig wurden die Beläge des Gleitlagers erneuert und an den Lagergehäusen Schwingungssensoren angebracht. Ein Dämpferkäfig dämpft die mechanischen Pendelmomente der Turbine, die ansonsten zu unerwünschten Schwingungen führen könnten. Durch eine gut an die Netzverhältnisse angepasste Auslegung desMagnetkreises kann der eingesetzte Synchrongenerator in einem weitenLeistungsbereich von 20 bis 250kW direkt in das Netz einspeisen. Der Leistungsfaktor erreicht bei 10% der Bemessungsleistung bereits 0,8. Auf einen Umrichter zur Netzkupplung kann verzichtet werden, wodurch zusätzlich Verluste in Höhe von zwei bis drei Prozent verhindert werden. Der in der Anlage erzeugte Strom wird über einen Trafo direkt in das MS-Netz eingespeist. Die ursprünglich vorhandene geregelte Blindleistungskompensationsanlage konnte ebenfalls stillgelegt werden, da der Synchrongenerator keine Kompensation benötigt.

Inzwischen zeigt sich: Die Maßnahmen haben sich ausgezahlt. „Im Jahresmittel haben die Stadtwerke Wernigerode den gewünschten Zuwachs in der Stromerzeugung von größer zehn Prozent erreicht“, erklärt Klaus-Peter Ecklebe. Bei geringem Wasserdargebot ist der Zugewinn am größten. Denn gerade im Teillastbetrieb erweist sich der neue Generator als hocheffizient: 14 bis 16 Prozent mehr Strom entstehen heute bei einer Einspeiseleistung von 110 bis 135 kW, die unter den natürlichen Bedingungen der Anlage vorherrschend ist.

Zu verdanken ist diese vor allem einem verbesserten Wirkungsgrad. Während der Wirkungsgrad des alten Generators 85% bei Nennleistung betrug, erreicht der neue Generator 98%. Maximal erzeugt das Kraftwerk heute 240 kWh, früher waren es 225 kWh. Noch deutlicher werden die Verbesserungen im teillastigen Betrieb. Das Wasserkraftwerk läuft zu einem Großteil nur mit 50 bis 60% der Wassermenge, die für eine Volllast notwendig wäre. Unter diesen Bedingungen sank der Wirkungsgrad des alten Generators auf 81 bis 83% ab. Der neue Generator behält hingegen auch unter dieser Teillast einen Wirkungsgrad von 97% und gibt dabei 18% mehr Wirkleistung ab.

Weniger Verluste, weniger Lärm, weniger Verschleiß

Gerade in den Wintermonaten macht sich diese Veränderung übrigens auch auf andere Weise bemerkbar: „In der Maschinenhalle war es früher spürbar wärmer“, erzählt Klaus-Peter Ecklebe. Denn durch seine hohen Verluste erwärmte sich der Asynchrongenerator und ließ auch die Temperatur in der Umgebung steigen. Heute sind diese Wärmeverluste viel geringer. Stattdessen wird ein größerer Teil der potentiellen Energie des Wassers in Strom umgesetzt. Auch die Ausstattung mit Sensoren zur Schwingungsüberwachung ist für den Betreiber ein weiterer Pluspunkt, denn sichanbahnende Lagerschäden können frühzeitig erkannt werden, die Wartungskosten sinken und die Laufzeiten steigen.

Wer heute vor der Maschinenhalle steht, muss schon genau hinhören, um das Brummen der Generatoren wahrzunehmen. Doch durch die Modernisierung sind die Maschinen viel leiser geworden. Ein im Vergleich zur altenTechnik größerer Luftspalt zwischen Rotor und Stator des Generators verringert die Schwingungsanregung der Komponenten. Von der neuen Ruhe profitiert vor allem das direkt neben der Maschinenhalle gelegene Gästehaus der Stadtwerke Wernigerode, in dem Ferienwohnungen und Seminarräume untergebracht sind. Dass die Maschinen durch einen Retrofit erheblich leiser laufen, ist auch an vielen weiteren Standorten von Vorteil, wo Kraftwerke in der Nähe von bewohnten Gebäuden stehen oder wo Lärmschutzbestimmungen eingehalten werden müssen. Selbst mit den Einschränkungen, wie beispielsweise der Nutzung des historischen Gehäuses, konnte so ein Maximum an Schall- und Lärmschutz erreicht werden. „Am Ende sind wir damit noch lange nicht“, erklärt Jörg Krebs, denn andere Generatoren des Unternehmens laufen selbst in Wohngebäuden, ohne dass Bewohner gestört würden.

Großes Potenzial für kleine Kraftwerke

Rund eine Million kWh produzierte das Kraftwerk „Steinerne Renne“ 2017 und ist damit einbedeutender Bestandteil des grünen Stromangebotes der Stadtwerke Wernigerode. Gerade in einem Dürrejahr wie 2018 zahlt sich die Investition aus. Denn ohne neuen Generator, der besonders bei Niedrigwasser höhere Stromausbeuten als der alte Generator liefert, wäre in diesem Jahr wohl sehr viel weniger Strom produziert worden.

Ähnlich wie an der „Steinernen Renne“ lohnt sich eine Frischzellenkur für zahlreiche weitere Kleinwasserkraftwerke, deren Technik bereits in die Jahre gekommen ist. Zumal potenzielle Standorte für neue Wasserkraftwerke rar gesät sind. Mit mehr als zehn Jahren Genehmigungszeit muss zudem jeder rechnen, der ein Wasserkraftwerk neu in Betrieb nehmen will. Denn das Verfahren ist komplex und beinhaltet nicht nur technische Planungen, sondern auch Wasserrechtsverfahren, ökologische Vorprüfungen und naturschutzrechtliche Planungen. Mit moderner und effizienter Technik lassen sich Energieausbeuten von alten Kraftwerken dagegen rasch erhöhen. Im Gegensatz zu Strom aus Windkraft- oder Photovoltaikanlagen ist Wasserkraft rund um die Uhr verfügbar. Auch kleine Anlagen sind deshalb für Betreiber attraktiv und leisten einen nicht unerheblichen Beitrag zur Energieversorgung.

Retrofit eine Nummer größer

Gegenwärtig realisieren die Ecklebe GmbH und die Firma Krebs & Aulich bereits weitere ähnliche Projekte. Am Neckar in Heilbronn erhält ein Flusswasserkraftwerk derzeit ebenfalls neue Generatoren und Gehäuse. Das Neckarwasser treibt hier zwei Turbinen an, mit denen sich die kleinen Wasserräder der „Steinernen Renne“ nicht messen können: Das Schluckvolumen beträgt 38 m³/sec, die Leistung liegt bei einem Megawatt. Die Turbinenschaufeln haben einen Durchmesser von 3,40 m. Knapp 2.300 Haushalte können mit dem Strom dieser Anlage versorgt werden. Dennoch zählt auch dieses Kraftwerk zu den Kleinwasserkraftwerken. 

Das alte Stirnradgetriebe der Anlage dreht sich mit einer Übersetzung von 60 auf 800 Umdrehungen in der Minute und hat einen hohen Verschleiß. „So ein Getriebe müssen Sie alle zehn Jahre erneuern“, erklärt Jörg Krebs. Das Getriebe und die anschließenden Generatoren werden nun entfernt und durch Synchrongeneratoren ersetzt, die stehend direkt auf die Turbinenwelle gesetzt werden. Ein Generator wiegt mehr als 17 Tonnen. Der Einsatz dieses Kolosses ist auch für die erfahrenen Ingenieure eine Herausforderung, die Augenmaß und Erfahrung erfordert. Das Ziel ist hier ebenfalls eine Steigerung der Stromerzeugung um wenigstens zehn Prozent. Im kommenden Januar wird der erste Synchrongenerator ans Netz gehen, im darauffolgenden Oktober beginnen die Arbeiten am zweiten Generator, die Mitte 2020 abgeschlossen sein werden. Und auch bei diesem Projekt steht neben der Leistungssteigerung eine Schallminderung im Fokus. Denn unweit der Anlage steht ein Hotel, dessen Gäste und Betreiber derzeit noch mit dem Lärm der Maschinen leben müssen. Sind die neuen Generatoren im Einsatz, wird es erheblich leiser sein. Entsprechende Erfahrungen gibt es bereits aus Interlaken in der Schweiz, wo die Wernigeröder ebenfalls ein Wasserkraftwerk umgebaut und mit ihren Generatoren ausgestattet haben. Das Kraftwerk liegt dort mitten in der Stadt, die nächsten Häuser sind nur 50 Meter entfernt. Nach den Umbauten sanken  Lärmpegel und Körperschall erheblich, was die Anwohner erfreute und so Stromerzeugung und Wohnen in unmittelbarer Nachbarschaft ermöglicht.

Die Akteure

Die Stadtwerke Wernigerode engagieren sich bereits seit vielen Jahren für die umweltschonende Eigenproduktion von Strom und den Ausbau Erneuerbarer-Energien-Projekte vor Ort. Auf Anfrage öffnen sie gern für Interessierte, Fachleute und Schülergruppen das Wasserkraftwerk und ihre weiteren Stromerzeugungsanlagen.

www.stadtwerke-wernigerode.de

Die Dr. Ecklebe GmbH plant und realisiert seit 1990 Anlagen der Automatisierungstechnik für die industrielle Elektrotechnik. Gerade wenn es kniffelig wird, zeigt sich die Stärke der Firma aus Wernigerode, die mehr als 50 Techniker und Ingenieure beschäftigt. Die Dr. Ecklebe GmbH und die Dr. Ecklebe Engineering stehen für innovative Technik und individuelle Lösungen und realisiert Projekte in der Energie- und Antriebstechnik, der Informationstechnologie, der Steuerungs- und Prozessleittechnik sowie dem Schaltanlagenbau.

www.dr-ecklebe.de

www.ecklebe-engineering.com

Die Firma Krebs & Aulich berechnet, entwirft und konstruiert seit über 20 Jahren elektrische Maschinen für besondere Anforderungen. An den Standorten Wernigerode, Magdeburg und Shanghai berechnen, konstruieren und bauen die mehr als 100 Mitarbeiter mobile und stationäre elektrische Antriebe und Energiewandler für Kunden in aller Welt – nach Maß und individuellen Anforderungen. Das Unternehmen fertigt neben Kleinserien und Einzelanfertigungen auch Prototypen und erprobungsfähige Erstmuster für Forschung und Entwicklung. 

Krebs & Aulich sind Spezialisten für Generatoren mit permanentmagnetischer Erregung in Kleinwasserkraftanlagen. Seit 2007 installierte das Wernigeröder Unternehmen bereits über 70 Anlagen, die überwiegend im Rahmen von Modernisierungen bestehender Standorte eingesetzt werden. Die Leistung der Kraftwerke steigert sich durch diesen Retrofit enorm: gerade im Teillastbetrieb liegt der Wirkungsgrad um bis zu 30 Prozent über dem Ausgangsniveau. Hinzu kommen die positiven Aspekte des Schallschutzes, die Vibrationen und Lärm deutlich reduzieren und räumlich enge Nutzung der Wasserkraft möglich machen.

Mit dem Partnerunternehmen HSI Hydro Engineering GmbH entwickelten Krebs & Aulich zudem eine bewegliche Wasserkraftanlage mit Bulbgenerator, die höchste ökologische und städtebauliche Anforderungen erfüllen und bereits an mehreren Standorten in Deutschland, der Schweiz und Österreich im Einsatz ist.

www.krebsundaulich.de

 

Autoren: Heike Kampe, Dr. Klaus-Peter Ecklebe, Jörg Krebs, Dr. Martin Sobczyk

 

Messen & Veröffentlichungen

  • 27.-28.9.2018: 21. Internationales Anwenderforum Kleinwasserkraft, Freiburg im Breisgau
  • 20.-21.11.2018: SIMVEC, Baden-Baden
  • 29.-30.11. 2018: Renexpo, Salzburg

 

Forschung & Innovation