Abbildung 1: Beispiel eines Wasserkraftwerkes (Quelle Pacer 1993)
Selbstvertiefungsarbeit vom 18. Dezember 2008 des Bauzeichnerlehrlings Simon Gloor, Sufers
Bei meiner selbstständigen Vertiefungsarbeit handelt es sich um die Studie eines Kleinwasserkraftwerkes in der Gemeinde Sufers. Dabei ist es meine Aufgabe, Grundlagen zu beschaffen um das ganze Kleinwasserkraftwerk zu dimensionieren und eine Ausführungsvariante zu skizzieren.
Grundlagen heissen in diesem Bereich also Wassermengen messen, ältere und ähnliche Wassermessungen zu beschaffen um diese mit meinen Wassermessungen abzugleichen. Weitere Grundlagen sind diverse Pläne von Parzellengrenzen, Gewässerschutzzonen, Bauzonen und Gefahrenzonen, um die Bereiche festzulegen in welchen die Bauwerke entstehen sollten. Danach müssen Feldaufnahmen dieser Bereiche durchgeführt werden, um eine Ausgangslage für eine Ausführungsvariante zu erhalten.
Des weiteren gilt es herauszufinden, welches das geeignete System für das Kleinwasserkraftwerk Sufers wäre. Wichtig dabei ist es, abgesehen der wirtschaftlichen, umwelttechnischen und rechtlichen Aspekte, das Ganze so zu konstruieren, dass keine Probleme auftreten und auch die spätere Wartung der Anlage minimal ist.
Das Konstruieren wird mit vielen kleinen Problemen und Details gespickt sein, welche ich mithilfe von Bezugspersonen zu lösen wissen werde. Mittels der erhaltenen Daten wird die potenzielle Leistung des Kleinwasserkraftwerkes errechnet aus welcher man danach den Einspeisevergütungstarif unter www.swissgrid.ch kalkulieren lassen kann. Somit kann man die Jahreseinnahmen (CHF/a) hochrechnen.
Wenn das Projekt auf Papier soweit steht, beginnt die Kostenschätzung der ganzen Anlage. Dabei spielen die Bauwerke, Material, Grabengrössen- und arten sowie die ganzen Installationen die grösste Rolle. Dies alles zusammengerechnet ergibt eine zweite Geldsumme.
Der Rest ist dann einfach, die zweite Geldsumme wird durch die erste Geldsumme geteilt und schon wird man ungefähr wissen, in wie vielen Jahren das Kleinwasserkraftwerk anfängt zu rentieren. Und hier wären wir dann bei der Fragestellung meiner selbstständigen Vertiefungsarbeit, wie wirtschaftlich, oder auch nicht, wäre dieses Kleinwasserkraftwerk in Sufers?
Höhepunkt meiner Arbeit wird die Präsentation an der Gemeindeversammlung am 28. November in Sufers sein, bei dem ich das Bauvorhaben und die für die Bewohner wichtigen Zahlen präsentieren werde. So können die Bewohner dann über eine Weiterführung dieser Idee entscheiden oder das Ganze verwerfen. Ich werde somit schon ein Feedback meiner Arbeit erhalten, wohl oder übel.
Für dieses Thema habe ich mich aus diversen Gründen entschieden, hauptsächlich aber aus eigenem Interesse. Einerseits halte ich es für eine der umweltfreundlichsten Arten der Energiegewinnung und des weiteren finde ich den Aufbau von Wasserkraftwerken sehr interessant. Mich interessiert der ganze Aufbau dieser Anlage, die technischen Raffinessen und der Gedanke, aus ein wenig Wasser Energie zu gewinnen. Arbeitstechnisch ist die Mischung aus Gestaltung und Berechnungen genau das Richtige für mich.
Ein anderer guter Grund für die Wahl dieses Thema ist der Kontakt zu den Bezugspersonen, welche ich meist im Alltag um mich habe. Dank dieser selbstständigen Vertiefungsarbeit habe ich nun eine Motivation gefunden, mich mit Kleinwasserkraftwerken genauer auseinander zusetzen.
Das Grundprinzip eines Wasserkraftwerkes besteht darin, mithilfe von Wasser und der Erdanziehungskraft ein Rad anzutreiben. Besonders ersichtlich ist dies bei Wasserrädern, welche schon lange vor Christus für mechanische Zwecke benutzt wurden. Beim Wasserkraftwerk von heute besteht der Unterschied darin, dass mit der Kraft, die das Wasserrad antreibt, elektrische Energie gewonnen wird. Um eine Vorstellung eines Wasserkraftwerkes zu erhalten, sollte das unten stehende Bild vieles Aussagen.
Abbildung 1: Beispiel eines Wasserkraftwerkes (Quelle Pacer 1993)
Das Wasser eines Baches wird an einer höher gelegenen Stelle teils gefasst und teils wieder dem Bach zurückgegeben. Man gibt dem Bach das Wasser zurück, damit Fische und andere Kleintiere nicht an Lebensraum verlieren. Darüber hinaus geben trockene Bachbecken nicht gerade ein schönes Landschaftsbild ab. An den Bach zurückgegebenes Wasser nennt man Restwasser.
Mitgeschwemmte Materialien werden vom Wasser getrennt durch Rechenanlagen. Für Sand und andere Feinmaterialien gibt es diverse Filtermethoden, um möglichst reines Wasser nachher turbinieren zu können, damit sich das Wasserkraftwerk nicht abnützt.
Dann wird das Wasser durch eine Druckleitung auf die Turbine geführt, welche dadurch angetrieben wird. Die Turbine überträgt ihre Energie an einen Generator. Der Generator ist zu vergleichen mit einem Dynamo bei einem Fahrrad, je schneller man fährt und damit den Dynamo antreibt, desto heller wird das Licht des Fahrrads. Das Wasser wird nach dem Turbinieren direkt dem Bach zurückgegeben.
Die Beschaffung der Grundlagen für die Planung des Kleinwasserkraftwerkes Sufers setzt einiges voraus. Erst einmal ist eine ungefähre Vorstellung des Projektstandortes wichtig, um zu wissen wo man überhaupt beginnen muss. Im Falle des Kleinwasserkraftwerkes Sufers hatte ich bereits diverse Vorstellungen, was wo liegen könnte. Also versuchte ich folgende Grundlagen selber zu erarbeiten oder bei diversen Firmen zu beschaffen:
Anfang Mai 2008 habe ich mit den Wassermengenmessungen des Steilerbaches begonnen, um erst einmal eine Vorstellung der vorhandenen Wassermengen zu erhalten. Um Wasser-mengen zu messen, gibt es diverse Methoden, welche für verschiedene Gewässer dementsprechend am geeignetsten sind. Hier werde ich aber nur diese Methode, welche ich bei dieser Arbeit angewendet habe, versuchen zu beschreiben.
Da der Steilerbach ein Bergbach ist, reagiert dieser ziemlich empfindlich auf Regen. Soll heissen dass bei geringem Regen die Wassermenge des Steilerbaches schon um ein Vielfaches zunimmt. Die Wassermengen sollten nur nach ein paar Trockentagen durchgeführt werden, damit die Resultate nicht verfälscht werden (Ermittlung des sogenannten Trockenwetterabflusses).
Abbildung 2: Wassermessung
Für die Wassermengenmessungen brauchte ich nur einen Doppelmeter, eine Stoppuhr, Notizmaterial, Gummistiefel und den Rest fand man vor Ort. In der Nähe des geplanten Fassungsbereiches suchte ich mir eine Stelle, an der das Wasser gleichmässig schnell und in einem möglichst kompakten Profil (Schnitt senkrecht zur Fliessrichtung durch den Bach) durchfliesst. Teilweise fand ich keinen geeigneten Ort dafür, da sich die Bachführung innerhalb des Bachbeckens stetig ändert, also hiess es dann Ärmel zurück krempeln und sich selber ein gutes Profil mit Steinen bauen.
Die Wassermengenmessung, welche ich angewendet habe, besteht aus zwei Teilen. Als erstes mass ich das Profil aus und skizzierte es dann auf, dadurch erhielt ich die Fläche durch welche das Wasser fliesst. Der zweite Teil bestand darin, die Fliessgeschwindigkeit des Wassers in diesem Bereich zu messen. Ich suchte mir zwei längere Äste welche am Boden lagen und stellte diese parallel zueinander mit einem Abstand von einem oder zwei Metern über den Bach. Danach warf ich ein wenig weiter oben Blätter und kleine Äste ins Wasser und stoppte die Zeit, welche die Blätter und Äste benötigten diese ein oder zwei Meter zu passieren. Nach mehreren Versuchen ergab sich meist ein guter Mittelwert dieser Fliessgeschwindigkeit.
Zuhause konnte ich dann mittels der Fläche des Profils und der Fliessgeschwindigkeit des Wassers die Wassermenge pro Sekunde rechnen. Um meine Wassermengenmessmethode noch zu überprüfen, hatte ich noch eine zweite Messung am selben Tag durchgeführt weiter unten im Bach. Als ich diese zwei Resultate verglich, gab es auf 560 Liter pro Sekunde eine Abweichung von 15 Litern. Alles in allem also eine bewährte Wassermengenmessmethode für den Steilerbach, schnell, einfach auszuführen und eine genügende Genauigkeit.
So konnte ich den Verlauf des Wasserflusses über ein halbes Jahr vor Ort messen, was zu den Resultaten von bis zu 600 Liter pro Sekunde im Hochsommer und um die 300 Liter pro Sekunde im Herbst führte. Im Anhang sind alle Wassermengenmessungen zusammengefasst.
Dies jedoch reicht nicht für das Projektieren eines Kleinwasserkraftwerkes, da üblicherweise Wassermengenmessungen von über zehn Jahren jedes Monats nötig sind, um ein Kleinwasserkraftwerk zu dimensionieren. Also begann ich nach Wassermessungen in der Umgebung zu suchen. Dabei spielt es keine Rolle, ob die anderen Wassermessungen mehr oder weniger Wasser führen, es geht um den Wassermengenverlauf über die Jahre, wann andere Gewässer in der Nähe am wenigsten oder am meisten Wasser führen. Als erstes fragte ich meinen Vater Rolf Gloor um die Wassermengenmessungen der Quellfassungen der Wasserversorgung Sufers zu erhalten, welche er gerne aushändigte (sind auch nachzusehen unter www.rheinwald.ch/sufers/informationen/2007/wasserstatistik07.htm).
Die Quellfassungen der Wasserversorgung Sufers befinden sich im selben Bereich wie der Steilerbach, das Negative daran ist aber, dass diese Quellfassungen Wasser unter dem Boden sammeln und daher nicht ganz übereinstimmen mit dem Wassermengenverlauf des Steilerbaches. So schrieb ich am 30.10.2008 an die KHR (Kraftwerke Hinterrhein) eine E-Mail, mit der Anfrage ob diese eventuell Wassermessungen des Steilerbaches haben oder wenigstens des Stausees in Sufers. Als ich nach fast einer Woche keine Antwort erhielt, rief ich da an. Begrüsst am Telefon hat mich die Sekretärin der KHR und als ich Sie kurz informierte über meine Arbeit, erinnerte Sie sich daran und sagte mir, dass die E-Mail vom 30.10.2008 weitergeleitet wurde an einen Herrn Pally und im gleichen Atemzug sagte die Sekretärin auch gleich, dass dieser ausser Haus sei. Sie werde ihn aber nochmals daraufhin weisen, so hinterliess ich ihr noch meine Telefonnummer, bedankte und verabschiedete mich. Donnerstags, also einen Tag später, erhielt ich den Anruf von Herrn Pally. Er fragte mich nochmals wegen den Daten die ich gerne von ihm hätte und gab mir noch kleine Tipps für die Auswertung der Wassermengen für das Kleinwasserkraftwerk. Am darauf folgenden Tag erhielt ich die gewünschten Daten des Wassermengenverlaufs des Hinterrheins in den Stausee von Sufers. Somit dachte ich, dass für die Ermittlung des Wassermengenverlaufs des Steilerbaches alles Mögliche getan wurde, diesen abzuschätzen.
Mit dem folgenden Text versuch ich die Ermittlung der Wassermengen und des Wassermengenverlaufs möglichst klar und für Interessierte sachlich zu erklären. Es wird beschrieben, wie ich und mein Vater dies gelöst haben, es ist also nicht der professionelle Weg wie dies zu errechnen wäre. Ich behaupte aber, dass unsere Resultate kaum Abweichungen professioneller Wassermengenmessungen haben.
Das Berechnen des Wassermengenverlaufs hatte ich nach ein paar Versuchen aufgegeben, da ich erstens nicht genau wusste, welche Mittelwerte relevant waren und zweitens mir das neue Excel Mühe bereitete, mich zurechtzufinden. Also bot mir mein Vater Rolf Gloor Hilfe an, meine Messdaten mit denjenigen der Quellfassungen der Wasserversorgung Sufers und vor allem den Daten, welche ich von der KHR erhalten habe, abzugleichen. Mit Abgleichen der Daten ist gemeint, die Wassermengen des Hinterrheins der letzten zehn Jahren aufzulisten, den höchsten und tiefsten Wert dieser zehn Jahre raus zu streichen und den Durchschnitt jedes Monats dieser verbliebenen acht Jahre zusammenzufassen. So erhält man zwölf Monatsresultate (Durchschnitt der Wassermengen pro Monat über die 8 der 10 Jahre des Hinterrheins).
Eines dieser Monatsresultate vom Hinterrhein, in meinem Falle das Resultat des Monats August, stellt man gleich auf die Wassermengenmessung vom August meiner Messung am Steilerbach. Damit erhält man einen Faktor, welcher die anderen Mittelwerte der Monate der Messungen des Hinterrheins wassermengenmässig auf das Niveau des Steilerbaches verkleinert. Dieselbe Prozedur galt auch für die Quellfassungen, welche dann aber wegen des erhaltenen Faktors durch die Wassermengen vergrössert wurden.
Abbildung 3: Wassermengenverlauf Simulation des Steilerbaches und umliegender Gewässer
Somit war dem Erstellen eines Diagramms nichts mehr im Wege, da alle Wassermengenmessungen auf gleichem Wassermengenniveau standen. Mithilfe des Diagramms wurde dann auch ersichtlich, worin ich mit meinen Wassermengenmessungen des Steilerbaches lag. Tendenziell hatten meine Messungen mehr Ähnlichkeiten mit den Wassermessungen des Hinterrheins, also setzte ich den Wassermengenverlauf ein wenig unterhalb des Wassermengenverlaufs des Hinterrheins.
Mein Vater klärte mich auf, dass man nicht alles Wasser turbinieren darf und erklärte mir die gesetzliche Grundlage für das Restwasser (Wasser, welches man dem Bach direkt zurückgeben muss). Dabei ist die Rede vom Q347, heisst soviel wie den Wasserdurchfluss des 347. Tages. Der 347. Tag ist so definiert: Die Tage werden so sortiert, dass am ersten Tag am meisten Wasser fliesst, am zweiten Tag am zweit meisten und dann so weiter, heisst das am 365. Tag am wenigsten Wasser fliesst und eben am 347. Tag auch ziemlich wenig Wasser fliesst. Mit der Wassermenge des 347. Tages lässt sich dann mittels einer Tabelle herauslesen, wie viel Wasser man dem Bach direkt zurückgeben muss, also die Restwassermenge.
Abbildung 4: Wassermenge des Steilerbaches sortiert nach Tagen
Die Restwassermenge des Steilerbaches würde also 70 Liter pro Sekunde betragen, welche man das ganze Jahr dem Steilerbach zurückgeben müsste. Das muss sein, da der Steilerbach Lebensraum für Fische und andere Kleintiere wie Krebsen bietet.
Ausnahmen dieses Gesetzes mit dem Q347 gibt es nur unter bestimmten Bedingungen, welche unter http://www.admin.ch/ch/d/sr/814_20/index.html nachzulesen sind. Der Steilerbach erfüllt keines dieser Bedingungen und untersteht folglich diesem Gesetz.
Alles in allem braucht man dafür keinen grossen Materialaufwand, es kostet lediglich Zeit und ein wenig das Wissen dafür, um Wassermengen eines Baches zu ermitteln. Das benötigte Material findet man in jedem Haushalt (Doppelmeter, Stoppuhr und Notizmaterial oder Computer). Die benötigte Zeit verbringt man grösstenteils in der Natur und das wenige Wissen das man dazu benötigt, kann sich auch ein Durchschnittsbürger durchs Nachlesen aneignen. Die Wassermengenmessungen wollte ich so detailliert beschreiben, weil es ein Grossteil meiner Arbeit war. Des weiteren wollte ich dieses Kapitel so ausführlich machen, damit der eine oder andere sehen kann, wie einfach es sein kann Wassermengenmessungen zu machen und vielleicht dadurch dazu motiviert wird, es auch zu versuchen.
Zuerst suchte ich nach diversen Übersichtsplänen, welche mir meine ganze Situation des Kleinwasserkraftwerkes aus der Vogelperspektive aufzeigen zu halfen. Nach unzähligen aufgezeichneten Varianten, wo die Bauwerke liegen könnten, schloss ich immer mehr Varianten aus. Einerseits kamen einige Varianten nicht in Frage, weil diese plötzlich nicht mehr als sinnvoll betrachtet wurden, anderseits bekamen Leute aus der Umgebung Wind von meiner Arbeit und versuchten mich zu beraten. Schlussendlich hatte ich also noch zwei Varianten, welche in Frage kommen konnten. Diese zwei Varianten werden im nächsten Kapitel noch ausführlicher beschrieben.
Der letzte Teil der Grundlagenbeschaffung war etwas, indem ich mich dank meiner Berufslehre als Bauzeichner gut auskenne, den Feldaufnahmen. Bevor ich mit den Feldaufnahmen begann, waren auch da wieder vorerst Daten von Nöten.
Glücklicherweise fand ich auf den vorher beschriebenen Übersichtsplänen, diejenigen von GeoGR (http://geogr.mapserver.ch/shop/), sogenannte Polygonpunkte mit den dazugehörigen Polygonnummern. Polygonpunkte sind Steine oder Bolzen, welche überall in der Schweiz gesetzt werden und von verschiedensten Vermessungsbüros in Lage und Höhe genau gemessen werden. Auf dem Übersichtsplan waren in der Nähe des Fassungs- und Turbinier-bereiches solche Polygonpunkte zu finden. So notierte ich mir die dazugehörigen Polygonnummern und schrieb eine E-Mail am 13.11.2008 an das Vermessungsbüro HMQ (Hasler Müggler Quinter AG), welches zuständig für die Vermessung in Sufers ist. Einen Tag darauf bekam ich schon die Antwort von einem Mitarbeiter, eine kurze Liste mit Polygonnummern und den dazugehörigen Höhen, wie ich es gewünscht hatte. Das Wochenende darauf lieh ich mir das sogenannte Nivellierinstrument meines Büros und begann mit den Feldaufnahmen.
Nivellieren benötigt man, um Höhen zu messen, mithilfe der Polygonpunkte. Das Nivellierinstrument ist sozusagen ein Fernrohr auf einer horizontalen Ebene. Dazu braucht es noch eine Messlatte, welche man senkrecht auf den aufzunehmenden Punkt hält. Mit dem Nivellierinstrument liest man dann die erhaltene Höhe an der Messlatte ab. So lassen sich dann die gewünschten Höhen errechnen. Für diese Feldaufnahmen braucht es zwei Personen, der eine schaut durch das Nivellierinstrument und notiert die Daten und der andere hält die Messlatte. Das Halten der Messlatte übernahm mein Vater.
Was sich als nicht so einfach herausstellte, war das Auffinden dieser Polygonpunkte, da diese oftmals zugewachsen sind. Den ersten Polygonpunkt fanden wir erst nach längerer Zeit.
Kurz darauf war alles bereitgestellt, die Höhe der Wasserfassung messen zu können. Innert wenigen Minuten waren wir mit der Höhenmessung der Wasserfassung fertig, packten zusammen und bewegten uns den Bach hinab zum Turbinierbereich.
Beim Turbinierbereich war das auffinden des Polygonpunktes um einiges einfacher, da dieser sich offensichtlich auf einer Brücke befand. Auch die Höhenmessungen gingen dort sehr schnell von statten, sodass wir kurz vor dem Eindunkeln wieder Zuhause ankamen. Natürlich nahm es mich da gleich wunder, was für einen Höhenunterschied zwischen Wasserfassung und Turbinierbereich besteht. Also rechnete ich die Messungen kurz nach und kam auf einen Höhenunterschied von 28 Metern.
Somit hatte ich genügend Grundlagen zur Verfügung, um mit dem Projektieren des Kleinwasserkraftwerkes Sufers zu beginnen.
Zuerst wollte ich ein paar Gegebenheiten klarstellen. Die Wasserfassung sollte sich im Bereich den ich aufgenommen habe befinden. Erstens weil dieser Wasserfassungsbereich gut zugänglich für Baumaschinen wäre und zweitens nur er noch knapp in der Gefahrenzone ist. Der Wasserfassungsbereich ist wegen Steinschlag und Hochwasser eine Gefahrenzone. Dass man eigentlich in Gefahrenzonen nicht bauen darf, war mir bewusst. Da aber ansonsten die Anlage an Höhe und damit Leistung verlieren würde, das Terrain weiter unten sich nicht mehr gut zum Bauen eigenen würde und der Fassungsbereich nicht bewohnt ist, hielt ich diesen Wasserfassungsbereich für angemessen.
Eine weitere Gegebenheit war der Turbinierbereich, welcher sich ausserhalb einer Gefahrenzone befindet. Dieser Turbinierbereich hat sich einfach durch ein Längen-Höhen Verhältnis ergeben. Das Längen-Höhen Verhältnis sah ich so: Wie viel Höhe kann man durch die Länge der Anlage gewinnen? Weil nach dem Turbinierbereich das Terrain fast flach wird, macht es keinen Sinn die Leitung länger zu machen. Dieses „länger machen“ würde nur mehr Kosten und Druckverluste verursachen, aber nicht mehr Leistung bringen.
Wie bereits im Kapitel 2.1 erwähnt wurde, besteht die Aufgabe einer Wasserfassung darin, kontinuierlich Wasser für das turbinieren zu gewährleisten. In diesem Bereich gibt es viele verschiedene Varianten Wasser zu fassen, welche abhängig der gegebenen Umständen sind. In der nächsten Abbildungen werden übliche Wasserfassungen kurz gezeigt und beschrieben.
Abbildung 5: Kleine Wehranlage (Quelle www.ossberger.de)
Zu sehen ist eine kleine Wehranlage, wie sie sehr oft benutzt wird. Zweck der Wehranlage ist es, den Bach aufzustauen, damit genug Wasser in einen Nebenkanal gelangen kann. Nebenbei fällt das Restwasser über die Wehranlage, damit die Fische weiterhin den Bach hinauf schwimmen können. Bei grösseren Wehranlagen werden dafür extra Fischtreppen erstellt, weil da Fische nicht mehr hinüber springen können.
Abbildung 6: Rechnenreinigungsanlage (Quelle www.ossberger.de)
Hier gezeigt ist ein Nebenkanal, welcher von der Wehranlage das gefasste Wasser Richtung Turbinenhaus führt. Vor dem Turbinenhaus befindet sich meistens die Rechenreinigungsanlage. Hier handelt es sich um einen gröberen Rechen, welcher das Wasser gerade mal von grösseren Schwemmmaterialien trennt. Dieser Rechen genügt bei grösseren Turbinen welche keinen allzu grossen Wasserdruck aufnehmen müssen.
Die Turbine ist die Komponente, welche die ganze Kraft des gesammelten und meist unter Druck stehenden Wassers aushalten muss. Je nach Wasserdruck und Wassermenge gibt es dafür geeignete Turbinenmodelle. Drei ein Frage kommende Turbinenmodelle werden kurz dargestellt.
Abbildung 7: Ossberger Durchströmturbine (Quelle www.ossberger.de)
Durchströmturbinen sind für geringere und mittlere Fallhöhen des Wassers geeignet, was im Bereich von 2 bis 200m liegt. Der Wassermengenbereich für diese Durchströmturbine kann von 40 Liter pro Sekunde bis auf 12'000 Liter pro Sekunde variieren, je nach Baumodell. Die Stärke dieser Turbine ist der einigermassen konstante Wirkungsgrad (ca. 80%) auch wenn mal nicht so viel Wasser vorhanden ist. Bei Betrachtung des Wassermengenverlaufs des Steilerbaches und des Höhenunterschieds von 28 Metern, ist diese Durchströmturbine der Favorit. Der Wirkungsgrad einer Turbine ist das Verhältnis der Leistung, welche eine Turbine abgibt zur hydraulischen Leistung, welche ihr zur Verfügung gestellt wird.
Abbildung 8: Skizze Kaplanturbine (Quelle www.rs-saarburg.bildung-rp.de)
Die Kaplanturbine erinnert an eine Schiffsschraube und die auch nach diesem Prinzip funktioniert, einfach umgekehrt. Durch das durchströmende Wasser wird sie angetrieben. Diese Turbine ist auch für geringe Fallhöhen geeignet. Jedoch zieht man Kaplanturbinen eher bei grösseren Wassermengen vor.
Es wäre auch eine Variante eine Kaplanturbine für das Kleinwasserkraftwerk Sufers einzusetzen. Ich denke aber, dass die Durchströmturbine mehr Vorteile hat in Bezug auf die unterschiedlichen Wassermengen. Und die Fallhöhe von 28 m.
Abbildung 9: Rohrturbine (Quelle www.maurelma.ch)
Bei Rohrturbinen gibt es verschiedene Ausführungen. Es gibt ganz grosse Rohrturbinen und es gibt ganz kleine Rohrturbinen. Vom Prinzip her sind Rohrturbinen ähnlich der Kaplanturbine. Kleine Rohrturbinen haben eine sehr geringe Fallhöhe von 1 bis 3 m und es gibt sie auch für sehr kleine Wassermengen.
Mein Gedanke zu der kleinen Rohrturbine ist diese als Dotierturbine zu benutzen. Mithilfe einer oder zwei kleinen Rohrturbinen würde sich die Restwassermenge ideal regulieren lassen. So könnte man die Restwassermenge garantieren und dabei noch ein wenig Strom produzieren.
Wie mein Vater mir bei diesem Projekt immer wieder gesagt hat, gehört die Wasserfassung zum wichtigsten Teil des ganzen Kleinwasserkraftwerkes. Bei den meisten Wasserkraftwerken, nicht nur Kleinwasserkraftwerken, entstehen die meisten Probleme bei der Wasserfassung. Gründe dafür sind meist Verstopfungen durch angeschwemmtes Material oder bei langen Unwettern durch das Hochwasser. Wie also kann man diese Probleme ausschalten oder sehr stark reduzieren? Wenn ich das genau wüsste, hätte ich vielen Ingenieuren einiges voraus.
Mein Vater brachte den Vorschlag, die Wasserfassung mittels Sickerleitungen zu planen. So würde das Wasser gut gefiltert für die Turbine vorbereitet sein. Dies reichte mir nicht ganz, also fragte ich in meinen Lehrmeister Robert Hartmann von der Marugg + Bruni AG an, was er zu einer Wasserfassung mithilfe Sickerleitungen dachte. Mein Lehrmeister vertreibt neben der Arbeit noch Rechenreinigungsanlagen für Kleinwasserkraftwerke. Diese Rechenreinigungsanlagen dienen dazu, das Wasser von deren Schwemmmaterialien wie Blätter und Äste zu trennen, damit die Turbine nicht zu schnell kaputt geht. Folglich empfahl mein Lehrmeister mir diese Reinigungsrechen einzusetzen. Als ich jedoch erklärte, dass beim Steilerbach bei Unwetter grosse Steine runter gespült werden und diese Rechenreinigungsanlagen zerstören werden, sah er dies ein. Bei einer Sickerfassung würden die grossen Steine einfach darüber geschwemmt werden ohne jegliche Zerstörung. Er sah die Wasserfassungsidee meines Vaters auch als eine mögliche Variante, jedoch befürchtete er, dass Feinmaterialien diese Sickerleitungen verstopfen könnten. Ich liess es also bei einer Sickerfassung, die müsste aber bei einer Weiterführung des Kleinwasserkraftwerk-Projektes durch Hydrologen noch genauer abgeklärt werden.
Abbildung 11: Skizze der Wasserwassung
Danach wird das gefasste Wasser durch eine Leitung auf die Seite des Steilerbachs geführt. Um konstant diese 70 Liter Restwasser pro Sekunde dem Steilerbach zurückzugeben, befindet sich ein T-Stück (Rohrstück mit einem zusätzlichen Abgang) gleich neben der Fassung. So gelangt die nötige Restwassermenge durch den zusätzlichen Abgang, geregelt durch eine Rohrturbine (Beschrieb Kapitel 3.3), direkt wieder unter die Sickerfassung in den Steilerbach. Die Fische hätten somit immer noch die Möglichkeit, den Steilerbach weiter aufwärts zu schwimmen. Und aus der Restwassermenge würde auch noch Energie gewonnen werden. Diese Rohrturbinen würden somit als Dotierturbinen fungieren. Der andere Teil des gefassten Wasser wird durch eine Druckleitung zum Turbinenhaus geführt.
Für die Projektierung der Druckleitung, mal von den Kosten abgesehen, stellten sich mir zwei Fragen. Erstere stand im Zusammenhang mit der Leitungsführung, wo soll die Druckleitung durchführen? Da machte ich kurz und entschied mich für Variante 1. Obwohl es sicherlich um einiges teurer wird, da diese Variante durch eine Strasse führt. Folgende Argumente liessen mich doch beim Entscheid dieser Variante:
Abbildung 11: Übersichtsplan der beiden Ausführungsvarianten
Frage Nummer zwei war, wie gross muss diese Druckleitung denn sein? Da kam mein Lehrmeister wieder ins Spiel. Im Ingenieurbüro Marugg + Bruni AG gibt es ein Programm, in welches man Wassermengen jedes Monats und den Höhenunterschied der Wasserfassung und der Turbine eingeben kann und es dann zeigt, welches die geeignete Ausbaugrösse wäre. Im Anhang ist die Zusammenstellung der gewählten Ausbaugrösse zu finden. Gewählt habe ich die Ausbaugrösse von 700 Liter pro Sekunde und gleich auch einen Leitungsdurchmesser von 70 Zentimeter, da diese Ausbaugrösse fast am meisten Energie bringt über das Jahr. Es gab noch grössere Ausbaugrössen welche mehr Energie bringen würden, jedoch ist dabei auch zu beachten, je grösser, desto teurer wird die Anlage. Ich erachtete die Ausbaugrösse von 700 Liter pro Sekunde als einen sehr guten Mittelwert von Kosten und Ertrag.
Natürlich fliessen nicht das ganze Jahr 700 Liter pro Sekunde den Steilerbach hinunter, dafür bringt die Turbinenanlage etwa zwei bis drei Monate im Jahr eine volle Leistung und ansonsten dann weniger. Unterm Strich aber bringt das immer noch mehr Leistung als eine kleinere Ausbaugrösse welche aber fünf bis sechs Monate auf Volltouren läuft.
Hinzu kommt noch ein weiterer Abgang der Druckleitung beim Schlachthaus. Dieser Abgang ist gedacht als Anschluss für eine Löschpumpe im Falle eines Brandes. Weil der Steilerbach zu wenig Wasser führen würde für eine Löschpumpe, wäre dies ein guter Ersatz dafür.
Mit einer Tabelle aus dem Büro konnte ich Richtpreise für Grabenarbeiten finden. Ein Meter Graben auf Waldboden mit einer Leitung von 70 Zentimeter Durchmesser kostet gut 1000 Franken und in einer bestehenden Strasse kostet gut 2000 Franken. Im Falle von Variante 1 wäre dies zusammengerechnet etwa 400‘000 Franken.
Dies war der schwerste Teil, hierzu Angaben zu finden stellte sich als äusserst aufwendig heraus. Einerseits sind im Internet kaum Daten zu finden, anderseits sind die zu findenden Daten meist nur auf bestehende Turbinenanlagen ausgelegt, welche natürlich andere Gegebenheiten haben und nicht wirklich vergleichbar waren. Was ich überhaupt nirgends im Internet fand, waren die Preise für Turbinenanlagen. So entschied ich mich zwei Firmen, welche mit Kleinwasserkraftwerken zu tun haben, anzurufen. Die eine Firma ist eine schweizerische, welche mir aber nicht weiterhelfen konnte, da diese auf Hochdruckturbinen spezialisiert ist. Die zweite Firma heisst Hydrowatt und ist aus Deutschland, welche eher in diesem Gebiet tätig ist. Freundlich und ein wenig erstaunt hat mir da der zuständige Mitarbeiter Auskunft gegeben. Genaue Kostenangaben konnte er mir auch nicht machen, aber er hatte zu einem vergleichbaren, etwas grösseren Projekt die Kosten angegeben. Der Preis für die Turbine mit allen dazugehörigen Installationen belief sich auf 200'000 Euro, was etwa 320'000 Franken entspricht.
Die einzigen Angaben die ich zur Turbinenanlage machen kann, ist was für ein Typ Turbine geeignet wäre und die Lage des Turbinenhauses. Nach der technischen Beschreibung wäre eine Ossberger Durchströmturbine aufgrund Wassermengenverlauf und Höhenunterschied ideal.
Die Lage des Turbinenhauses ist auf dem Übersichtsplan bei Kapitel 4.2 zu sehen. Das Turbinenhaus befindet sich neben dem Steilerbach, um das turbinierte Wasser direkt zurückzugeben. Zum Schutz vor Hochwasser befindet sich das Turbinenhaus hinter einer massiven Betonbrücke. Vorteil der eingezeichneten Lage ist unter anderem auch, dass das Turbinenhaus weit weg von Wohngebäuden ist und niemand vom Lärm gestört werden würde, obwohl sich der Lärm eines Kleinwasserkraftwerkes sehr in Grenzen hält. Ästhetisch würde man das Turbinenhaus als unauffällig betrachten, wegen den umliegenden Objekten und des Terrains.
Diese Kostenschätzung beruht auf Vergleichen und Berechnungstabellen, da ich für gewisse Anlageteile keine präziseren Angaben gefunden habe. Erhaltene Berechnungen wurden aufgerundet, da es üblich ist, dass mehr Kosten entstehen, als geplant wurde. Viel detailliertere Kostenberechnungen von Ingenieuren haben immer noch einen Toleranzbereich von ±10%.
| Fassungsbereich: | 200'000 Franken |
| Druckleitung: | 400'000 Franken |
| Turbinenanlage: | 300'000 Franken |
| Turbinenhaus: | 300'000 Franken |
| Kosten Total: | 1'200'000 Franken |
Dieser Betrag wurde mithilfe des Tarifrechners von der Website www.swissgrid.ch und der Berechnung mit der mein Lehrmeister die Ausbaugrösse definiert hat errechnet.
| Energie pro Jahr: | 600'000 kWh/a |
| Tarif: | 26 Rp./kWh |
| Erlös pro Jahr: | 150'000 Franken |
Dank den neuen Tarifen, welche Swissgrid während 25 Jahren auszuzahlen verspricht, sehen allgemein Kleinwasserkraftwerke und andere Energiegewinnungsanlagen sehr attraktiv aus. Bei Kleinwasserkraftwerken wird normalerweise über 40 Jahre berechnet, ob diese wirtschaftlich sind.
Meine Rechnung aber sieht so aus, ich würde das Kleinwasserkraftwerk Sufers gerne nach 20 Jahren abbezahlt haben. Das wären jährliche Raten von 60'000 Franken und mit den Zinsen sind das durchschnittlich 80'000 Franken, die man der Bank zurückzahlen müsste (Berechnung im Anhang zu finden). Total wären 400'000 Franken Zinsen, welche zu den Kosten des Kleinwasserkraftwerkes mit 1'200'000 Franken noch dazu kommen.
Dazu kommen noch die Unterhaltskosten für das Kleinwasserkraftwerk, welche sehr variieren können, je nach Unwetter, Bauschäden oder sonstigen unerwarteten Ereignissen. In diesem Falle gehe ich mal von eher schlimmeren Umständen aus und sage mal grob dass da 20'000 Franken pro Jahr an Kosten aufkommen. Der Reingewinn liegt also um die 50'000 Franken pro Jahr, was heisst, dass in den 20 Jahren, während man das Kleinwasserkraftwerk betreibt, die Gemeinde Sufers gut eine Million Schweizerfranken verdient.
Die zwei kleinen Dotierturbinen bringen keine wirklich nennenswerte Leistung im Vergleich zu der grossen Duchströmturbine. Die Dotierturbinen würden sich lediglich selbst abbezahlen und nach etwa sechs Jahren etwa 1000 Franken Gewinn bringen.
Das Kleinwasserkraftwerk Sufers wäre mit Sicherheit ein ,für die Gemeinde Sufers, wirtschaftliches Bauprojekt. Weltweit wird immer mehr nach „sauberer Energie“ verlangt, so gehöre dieses Kleinwasserkraftwerk auch als winzig kleiner Fussstapfen zur ökologischen Energiegewinnung.
Um meine SVA ein wenig abzurunden, kam ich auf die Idee, das Projekt Kleinwasserkraftwerk Sufers bei der bevorstehenden Gemeindeversammlung zu präsentieren und die Stimmbürger nach ihrer Meinung zu fragen.
Nicht einmal zwei Wochen bevor die Gemeindeversammlung stattfand, hatte ich meine letzte Wassermessung und die Feldaufnahmen gemacht. Sollte nicht heissen, dass ich davor untätig war, sondern dass die Beschaffung der Grundlagen sehr viel Zeit brauchte und somit noch keine Daten und Fakten zur Verfügung hatte. Anderseits hatte ich trotz den noch nicht vorhandenen Daten schon grobe Annahmen im Voraus getroffen.
Mein Vater gab mir den Tipp, meine Präsentation möglichst kurz zu machen und nur die für die Stimmbürger interessanten Informationen aufzuzeigen. Was könnte die Stimmbürger also interessieren? Eigentlich nicht eine wirklich schwierige Frage, da es immer etwa das Gleiche ist. Da wäre erst einmal, wie viel würde die ganze Anlage kosten und wie viel Geld würde diese Einbringen. Des weiteren, wo wird dieses Kleinwasserkraftwerk gebaut und wie würden die Bauwerke aussehen. Und zu guter Letzt, wie viel Wasser wird noch durch den Steilerbach hinunter fliessen, respektive wie viel Wasser fliesst den Steilerbach hinunter. Die Informationen über die Wassermengen war auch ein wenig zur eigenen Befriedigung, da ein paar Einwohner sich sicher schon fragten, was ich da im Steilerbach ständig tat.
So zeichnete, schrieb und skizzierte ich innert einer Woche (ich hatte noch die Rekrutierung dazwischen) insgesamt vier Folien auf zwei Seiten, welche ich meinem Vater gab, der diese Folien auf seinen Computer lud. Denn die Gemeindeversammlung fand mittels Beamer und meines Vaters Computers statt. Wenige Stunden vor der Gemeindeversammlung hatte ich also alles beisammen und war bereit, meine Arbeit den Stimmbürgern von Sufers zu präsentieren.
Am 28. November 2008 fand in Sufers die 3. Gemeindeversammlung des Jahres statt. Anwesend waren um die 50 Stimmbürger, die sich um 20:15 im Gemeindesaal versammelt haben. Für ein 125 Seelendörfchen waren ziemlich viele Stimmbürger anwesend, etwa die Hälfte der Stimmberechtigten. Grund für so viele Anwesende waren wieder einmal bestimmte Abstimmungen, auf welche ich nicht weiter darauf eingehen werde. Des weiteren wurde eine Projektierung eines Trinkwasserkraftwerkes der Wasserversorgung Sufers abgelehnt. Dieses Trinkwasserkraftwerk hätte in etwa die gleichen Kosten und Erträge gehabt wie mein projektiertes Kleinwasserkraftwerk. Das Trinkwasserkraftwerk wurde aber wegen ungeklärten Quellnutzungsrechten abgelehnt.
Meine Präsentation des Kleinwasserkraftwerkes fand erst gegen Schluss statt, um 22:30. Dann bot mich der Gemeindepräsident Rolf Gloor nach vorne und liess meine erste Folie auf der Leinwand erscheinen. So begann ich mit einer Einleitung, freisprechend, den Stimmbürgern zu erklären, dass es sich dabei um eine schulische Arbeit handle, aber dennoch auf realen Begebenheiten aufgebaut ist. Nach drei Minuten hatte ich die Folien kommentiert und stellte das Wort an die Stimmbürger, ob Fragen oder Einwände bestehen.
Abbildung 12: Folie 1 für die Präsentation an der Gemeindeversammlung
Abbildung 13: Folie 2 für die Präsentation an der Gemeindeversammlung
Es erhoben sich wenige Hände, ich suchte mir eine aus und bekam direkt ein Lob desjenigen zurück, dessen Hand ich ausgewählt habe. Das sei eine super Idee, die ich da präsentiert habe. Ich bedankte mich und suchte nach einer weiteren ausgestreckten Hand, eine Dame fragte mich wegen des dem Steilerbach zurückgegebenen Wassers, ob der Steilerbach dann trocken liegt. Darauf antwortete ich mit einem nein, es werden dauernd mindestens 70 Liter pro Sekunde den Steilerbach hinunter fliessen. Sie gab sich mit meiner Antwort zufrieden. Dann fragte mich eine weitere Person, ob es nicht möglich wäre, dieses Kleinwasserkraftwerk direkt in den Steilerbach zu bauen und somit keine Druckleitung zu erstellen. Ich versuchte ihm zu erklären, dass das keine gute Idee sei, da bei Unwetter grosse Steine den Steilerbach hinunter gespült werden und solch ein Kleinwasserkraftwerk zerstören könnte, des weiteren würde solch eine Anlage viel weniger Leistung bringen. Dies sah die Person, die mich das gefragt hatte, ein, kam aber gleich mit einer weiteren Anmerkung. Die zweite Variante der Leitungsführung (zu sehen im Anhang) sei zu aufwendig, da die Grabenarbeiten in solch steilen Hängen sehr aufwendig werden würden. Dazu gab ich ihm recht, eigentlich wusste ich es bereits, aber es ist mir nicht aufgefallen.
Um meine Präsentation zu beenden, stellte ich die Frage an alle anwesenden Stimmberechtigten, ob sie einer Weiterführung meiner Idee zustimmen würden oder ob sie dagegen wären. Wer einer Weiterführung der Idee des Kleinwasserkraftwerkes Sufers zustimmt, soll dies bezeugen durch Handerheben, fragte der Gemeindepräsident die anwesenden Stimmbürger. Fast alle Hände wurden erhoben, da dieser Moment nur sehr kurz war, konnte ich nicht erkennen, ob da keine erhobenen Hände zu finden waren. Wer gegen das Weiterführen der Idee des Kleinwasserkraftwerkes Sufers ist, soll dies zeigen durch Handerheben, kam wiederum vom Gemeindepräsident an die anwesenden Stimmbürger. Eine Hand erhob sich, es war die Person, welche mir gesagt hatte, dass die 2. Variante der Leitungsführung zu aufwendig wäre. Als Begründung seiner Ablehnung meinte er, es wäre ihm lieber wenn man den Steilerbach so lässt wie er ist. Es blieb so im Raum stehen und ich war für meinen Teil fertig.
Kurz darauf war die Gemeindeversammlung geschlossen und es gab noch ein bisschen was zu trinken und zu essen. Da kamen noch einige Einwohner zu mir und machten Komplimente zu dieser Idee und Gleichaltrige noch ein paar witzige Anmerkungen.
Zu meiner selbstständigen Vertiefungsarbeit hielt ich diese Art von Umfrage als am geeignetsten. Da es direkt an die betreffenden Leute ging und diese gleich Fragen und Einwände an mich richten konnten. Die Umfrage ist nicht schwarz auf weiss festgehalten, soweit ich weiss, dafür habe ich aber um die 50 Leute die meine obigen Aussagen bezeugen können.
Wäre ein Kleinwasserkraftwerk Sufers wirtschaftlich? Im Kapitel 5.3 wurde diese Frage eigentlich beantwortet. Das Kleinwasserkraftwerk Sufers wäre wirtschaftlich, mit um die 50'000 Franken Reingewinn pro Jahr auf 20 Jahre hinaus. Nach diesen 20 Jahren, je nach Zustand der Anlage, wäre der Reingewinn pro Jahr dann um die 120'000 Franken. Für eine kleine Gemeinde wie Sufers ist das viel Geld.
Jedoch gibt es eine alternative Variante. Angenommen bei der Firma Swissgrid wäre der Kostendeckel für Wasserkraftwerke erreicht, wie es bei der Photovoltaik bereits der Fall ist, so könnte Swissgrid keine Einspeisevergütung für das Kleinwasserkraftwerk Sufers liefern. Dann müsste man die produzierte Energie an private Elektrizitätswerke als Ökostrom verkaufen, welche nicht solch hohe Tarife pro Kilowattstunde (kWh) zahlen würden, wie Swissgrid. Diese Tarife liegen derzeit etwas über der Hälfte derjenigen von Swissgrid, was die Rentabilität in Frage stellen würde.
Dazu bleibe ich aber ziemlich zuversichtlich, dass die alternative Variante nicht eintrifft, da Swissgrid den grössten Kostendeckel für Wasserkraftwerke bereitstellt. Des weiteren gewinnt ökologische Energiegewinnung immer mehr an Bedeutung, was soviel heissen mag, dass sich in diesem Markt in den nächsten paar Jahren viel tut. Was sich in den nächsten Jahren tut, wird mit Sicherheit zugunsten solcher ökologischer Energiegewinnungsanlagen passieren.
Was mich bei dieser Arbeit sehr erstaunt hat, ist wie schnell sich andere Leute auch für diese Thematik interessieren. Irgendwie ist bei den meisten Leuten, mit denen ich über dieses Thema diskutiert habe, die Faszination für Wasserkraftwerke grösser, als für Windkraftwerke oder Photovoltaik. Persönlich finde ich Wasserkraftwerke auch die bessere Energiegewinnung der ökologischen Energiegewinnungsarten, weil Wasserkraftwerke unabhängig von Sonneneinstrahlungen und Windverhältnissen immer laufen, solange Wasser fliesst.
Momentan bin ich daran, über die Art der Weiterführung dieses Kleinwasserkraftwerkes Sufers nachzudenken. Die Möglichkeit dazu habe ich bereits gefunden, dabei handelt es sich um die sogenannte Facharbeit, welche anfangs 2009 ansteht. Da werde ich mit einem Mitschüler versuchen das ganze Projekt Kleinwasserkraftwerk Sufers soweit fertig zu stellen, um es der Gemeinde Sufers vorzulegen, sodass einer baldigen Verwirklichung des Projekts nichts mehr im Wege stehen sollte.
Insofern bin ich froh darüber, dank der SVA einem gewissen Zweck dienen zu dürfen. Es lässt einem das Gefühl aufkommen, dass die benötigte Zeit nicht nur für sich selber gebraucht wurde.
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© Gloor Sufers, 18. Dezember 2008, erneuert am 22.12.2008