Trotz Tide grundlastfähig

Titel

Strategiemix - Bremen hat wieder ein Flusskraftwerk an der Mittelweser. Es setzt technologische und ökologische Maßstäbe. Nicht nur für Projektierung und Bau gingen swb und Enercon eine Partnerschaft ein. Im Joint Venture betreiben sie das Weserkraftwerk auch gemeinsam.

30. März 2012

Mit einem symbolischen Knopfdruck startete der sechsjährige Oscar aus Bremen Ende November 2011 eine der beiden Turbinen. Das neue Weserkraftwerk ging damit in den Probebetrieb, in dessen Verlauf noch vor Ablauf des Jahres auch die zweite Turbine die Arbeit aufnahm.

Die S-Rohr-Turbinen mit jeweils 4,5m Durchmesser sind das innovative Herzstück des neuen Kraftwerks: Jede Turbine verfügt über vier verstellbare Turbinenschaufeln, die vom Wasser direkt angeströmt werden. So können Umdrehungszahl und Leistung besonders effizient sowohl an den Wasserzufluss als auch an die Fallhöhe angepasst werden. Das ist hier Grundvoraussetzung für die optimale Stromerzeugung, denn das Kraftwerk ist in die Wehranlage integriert, die südlich des Bremer Stadtzentrums den Flusslauf der Weser von den tidenbeeinflussten Flussabschnitten der Mittel- und Unterweser abgrenzt. Daher wechselt die Fallhöhe im täglichen Rhythmus von Ebbe und Flut um rund 4m.

Langjährige Erfahrungen mit ähnlich stark wechselnden Betriebsbedingungen kennt auch die Windenergieerzeugung. Langsam laufende Turbinen und direktangetriebene Generatoren boten ein geeignetes technisches Konzept für diese Aufgabe. Deshalb wurde mit der Entwicklung der Turbinen und Generatoren Enercon aus Aurich betraut. Die Generatoren stammen aus der Enercon-Serienproduktion für Windenergieanlagen und wurden für den Einsatz im Weserkraftwerk modifiziert. Bewährte Serienkomponenten aus der Windenergieanlagentechnik zu verwenden, war eine maßgebliche Vorgabe bei der Projektplanung. Die beiden direktgetriebenen Synchrongeneratoren leisten im Weserkraftwerk jeweils 5MW.

Die horizontal positionierten Turbinen kommen auf durchschnittliche 60U/min. Das bietet signifikante Vorteile: Zum einen verringert sich der Verschleiß und erhöht sich somit die Langlebigkeit. Zum anderen trägt die vergleichsweise langsame Drehung zusätzlich zum Fischschutz bei. Die S-Rohr-Turbinen sind horizontal positioniert, was keine Änderung der Strömungsrichtung notwendig macht. Das Wasser kann die Turbinen somit direkt und ohne Energieverlust anströmen, was zusätzlich die Kavitationsgefahr (Bildung und Auflösung von Dampfblasen im Wasser) verringert.

Eine weitere Innovation gelang den Ingenieuren mit der Positionierung des Leitrads: Statt wie bislang üblich vor der Turbine sitzt es im Weserkraftwerk dahinter. Das Wasser, das im Triebwasserkanal von anfänglich 0,75m/s auf eine Fließgeschwindigkeit von 7m/s beschleunigt wird, trifft damit ungebremst auf die Turbine. Das bringt mehr Effizienz bei der Stromerzeugung. Zudem sorgen die hinter den Laufschaufeln angeordneten Leitapparate für eine unmittelbare Beruhigung des aufgewühlten Wassers.

Betrieb im Joint Venture

Über die Zusammenarbeit bei Entwicklung und Bau hinaus werden Enercon und swb das Kraftwerk auch in einem Joint Venture gemeinsam betreiben. So stand dem kleinen Oscar bei seinem Knopfdruck neben Umweltsenator Dr. Joachim Lohse und swb-Vorstand Dr. Torsten Köhne auch Enercon-Geschäftsführer Hans-Dieter Kettwig zur Seite: als »technische Herausforderung und Meilenstein in der Entwicklung von Wasserkraftwerken für Enercon« würdigte er die Leistung der Ingenieure.

Das neue Weserkraftwerk ist das derzeit modernste und größte tidenabhängige Laufwasserkraftwerk Europas. Es wird einen Jahresenergieertrag von 42 Mio. kWh erzeugen – genug für rund 17.000 Bremer Haushalte. Voraussetzung dafür ist, dass die Weser genug Wasser zur Verfügung stellt. Die Betreiber gehen davon aus, dass an 180 Tagen im Jahr die Menge von 220m3/s verfügbar ist – das entspricht rund 1.000 gefüllten Badewannen pro Sekunde – und so die Turbinen mit Nennleistung laufen können.

Nicht nur die eingesetzte Turbinen- und Generatortechnologie ist wegweisend. Die ganze Anlage ist ein Musterbeispiel für die ökologische Einbettung eines solchen technischen Großprojektes in die Umgebung. Das zum größten Teil unterirdische Bauwerk führt in einem Bogen an der Nordseite um das Weserwehr herum. Bei der Planung des Kraftwerks wurde viel Wert auf den Schutz der Fische gelegt. Die große Breite des Einlaufbauwerks von 42m sorgt beispielsweise dafür, dass die maximale Anströmgeschwindigkeit 0,75m/s nicht übersteigt und Fische nicht an den Rechen gepresst werden.

Sie können aus eigener Kraft von den Feinrechen wegschwimmen. Der Stab-abstand von 25mm bildet eine sichere Sperre. Sollten kleinere Fische vereinzelt dennoch in den Einlauf geraten, haben sie dank Turbinenkonstruktion und -geschwindigkeit gute Chancen, unbeschadet auf der anderen Seite anzukommen. Der normale Weg für Fischwanderungen führt allerdings über angelegte Auf- und Abstiegsmöglichkeiten – unter anderem über einen neuen 210m langen Aufstieg. Im Bereich des tidebedingt stark schwankenden Unterwasserpegels wurde dazu ein Zugang mit spezieller Lockströmung entwickelt, dessen Einstiegshöhe sich dem jeweiligen Wasserspiegel anpasst.

An den Baukosten von 56,5Mio.€ hatte der Fischschutz einen Anteil von rund 10%. Während der dreieinhalbjährigen Bauphase bewegten die Bremer etwa 100.000 m3 Wesersand. Sie verbauten rund 2.000t Stahl und 30.000m3 Konstruktionsbeton. Zur Gründung wurden 350 Bohrpfähle gesetzt, die jeweils 23m lang sind und Dicken zwischen 1,2 und 1,5 m aufweisen.

Wieder Strom VomWeserkraftwerk

Mit Vollendung des Bauwerks wird am Weserwehr wieder Strom produziert. Das war bereits so zwischen 1911 und 1987, denn mit dem alten Weserwehr entstand zeitgleich auch ein Wasserkraftwerk. Es war mit elf vertikal angeordneten Francis-Turbinen ausgerüstet, die bei einem maximalen Durchfluss von 301m3/s zusammen 8MW Strom liefern konnten. Da das Wehr von 1911 den Hochwasseranforderungen nicht mehr genügte, wurde 180m weiter flussabwärts zwischen 1989 und 1993 das jetzige Wehr gebaut. Altes Wehr und altes Kraftwerk sind mittlerweile abgerissen. Zwischen 1995 und 1999 wurden auch die Schifffahrtsschleusen neu gebaut. Der Bau eines Kraftwerks war ebenfalls angedacht, konnte damals aus finanziellen Gründen jedoch nicht realisiert werden.

Den Strom aus dem neuen Weserkraftwerk vermarkten die Stadtwerke in ihrem neuen ›swb Strom von hier‹-Angebot, das von Haushalten in Bremen seit 1. Januar 2012 bezogen werden kann. Der Strommix in diesem Produkt setzt sich aus einem Drittel Wasserkraft aus der neuen Anlage an der Weser und aus zwei Dritteln Strom aus der Müllverbrennungsanlage (MHKW) und dem Mittelkalorik-Kraftwerk (MKK) zusammen. Ausdrücklich betont swb, dass keine Anteile an Kohle- und Atomstrom enthalten sind. Damit kommen die Bremer den gesteckten Klimaschutzzielen deutlich näher. Auch das Weserkraftwerk trägt hier seinen Teil bei: Der Wasserkraftanteil im neuen ›swb Strom von hier‹-Angebot ergibt in der Summe einen vermiedenen CO2-Ausstoß von rund 25.000 t/a.

Interview:Christoph Kolpatzik und Karl Ihmels

Auf zwei finanzstarke Partner aufgeteilt

Christoph Kolpatzik, Prokurist, swb AG, und Karl Ihmels, Gruppenleiter Wasserkraft bei Enercon sowie technischer Projektleiter der Weserkraftwerk Bremen GmbH & Co. KG im Gespräch mit Energiespektrum.

swb ist unter den 10 Top-Stromproduzenten jenseits der ›großen Vier‹. Wie passt da ein eher kleines Kraftwerk in die Strategie?

Kolpatzik: Das Weserkraftwerk passt strategisch sehr gut, weil swb das Ziel hat, 20 Prozent des Erzeugungsportfolios aus regenerativen Quellen zu speisen. Windenergie spielt für uns dazu eine wichtige Rolle. Doch sehen wir Wasserkraft als sehr gute Ergänzung weil sie den großen Vorteil der Grundlastfähigkeit hat – das gilt auch beim Weserkraftwerk trotz tidebedingter Schwankungen.

Haben tidebedingt wechselnde Betriebszustände Gemeinsamkeiten mit der Windenergie – und wo liegen die Unterschiede?

Ihmels: Die Gemeinsamkeit liegt im strömenden Medium. Luft und Wasser beziehen ihren Energieanteil aus der Sonne. Der Unterschied liegt in der Verfügbarkeit: Die Wasserkraft ist weniger fluktuierend als die Windenergie.

Wie kam es zur Zusammenarbeit zwischen Enercon und swb?

K.: Enercon war bereits in die Projektentwicklung des Weserkraftwerks eingebunden, als swb die Chance ergriff, sich ebenfalls in diesem Projekt zu engagieren. Wir haben Enercon seither als zuverlässigen und engagierten Vertragspartner schätzen gelernt.

Welche Vorteile hat Direktantriebstechnik im Weserkraftwerk?

I.: Das Gesamtkonzept erreicht einen wesentlich höheren Wirkungsgrad. Verluste durch Getriebeeinheiten entfallen. Über die variable Drehzahl kann der Tidenunterschied optimal genutzt und der Jahresenergieertrag erhöht werden.

Was waren die größten Herausforderungen, die das Projekt technisch und kaufmännisch stellte?

K.: Erstmals in Deutschland eine tidenabhängige Wasserkraftanlage dieser Größenordnung zu errichten war eine Herausforderung – zumal es viele technische Besonderheiten aufweist und bestmögliche Umweltverträglichkeit umgesetzt wurde. Die Auseinandersetzung mit dem Erstauftragnehmer für die Baugewerke, die mit der außerordentlichen Kündigung im Dezember 2009 endete, und die Überleitung in eine geordnete Beendigung der Arbeiten durch einen Ersatzauftragnehmer zähle ich ebenfalls zu den großen Herausforderungen. Daher sind wir sehr froh, dass die Anlage im vergangenen Winter in Betrieb genommen werden konnte.

Bewährte WEA-Serienkomponenten zu verwenden war maßgebliche Vorgabe bei der Projektplanung. Wie hoch ist der Anteil?

I.: Alle in dem Wasserkraftwerk verbauten elektronischen Bauteile stammen aus der Serienproduktion für Enercon Windenergieanlagen und sind entsprechend modifiziert worden. Insgesamt wurden 97 Prozent aus der Serie genommen.

Welche Rolle spielten örtliche Umweltschutzaspekte für die Wahl der eingesetzten Technologie?

K.: Beim Umweltschutz spielen die in der Weser lebenden Fische eine besondere Rolle. Fischschädigende Auswirkungen der Turbinen waren zu minimieren. Darüber hinaus müssen natürliche Wanderungsbewegungen optimale Rahmenbedingungen erhalten. Wir glauben, dass wir dies besonders gut und innovativ realisieren konnten und haben dafür auch einen nennenswerten Anteil der investierten Summen aufgewandt.

Betrat Enercon mit dem Wasserkraftwerk Neuland oder gab es Vorerfahrungen? Und will Enercon hier künftig stärker auftreten?

I.: In Sachsen-Anhalt hat Enercon ein komplettes Laufwasserkraftwerk gebaut und 2009 in Betrieb genommen. Darüber hinaus ist Enercon seit einigen Jahren erfolgreich im Revisionsgeschäft tätig. Hier liefern wir Generatoren und Leistungselektronik für Wasserkraftprojekte. Das Weserkraftwerk ist ein Pilotprojekt. Welchen Stellenwert Wasserkraft in Zukunft im Produktportfolio ausmachen wird, wird sich zeigen. Kerngeschäft bleibt die Windenergie.

Die Bausumme, die anfangs im Raum stand wurde deutlich überschritten. Kann das Kraftwerk schwarze Zahlen erwirtschaften?

K.: Das Projekt wird im Rahmen seiner langen Laufzeit schwarze Ergebnisse liefern, wobei abzuwarten bleibt, wie sich die Rentabilität in Abhängigkeit von der Strompreisentwicklung letztendlich darstellt. Festzuhalten ist, dass die Kostensteigerungen aufgrund des irregulär verlaufenden bauwirtschaftlichen Teils entstanden sind und insofern keine verallgemeinerungsfähige Aussage über die generelle Wirtschaftlichkeit solcher Projekte möglich ist.

Das Kraftwerk wird auch im Joint Venture von Enercon und swb betrieben. Was führte zu dieser Entscheidung?

I.: Enercon möchte auch weiterhin selbst an dem erfolgreichen Projekt partizipieren.

Erschienen in Ausgabe: 03/2012