Speicherkraftwerk Partenstein

Krafthaus Partenstein

Das Speicherkraftwerk Partenstein ist das erste Großkraftwerk Österreichs. Es liegt rund ein Kilometer nördlich der Ortschaft Untermühl in der Nähe der Einmündung der Großen Mühl in die Donau, in Oberösterreich. Mit einer elektrischen Engpassleistung von 33.800 kW setzte es bei der Einweihung Maßstäbe bei der frühen Elektrifizierung. Trotz eines Umbaues in den Jahren 1962 bis 1964, der das Regelarbeitsvermögen (RAV) auf 102 Mio kWh/a steigerte, rangiert es mittlerweile weit abgeschlagen in der Liste der leistungsstärksten Kraftwerke Österreichs.

Stauwehr und Stausee

Stausee Neufelden

Zum Bauzeitpunkt 1919/1924 musste zur Errichtung des Tagesspeichers (Lage48.48638888888913.997777777778) für den Aufstau der Großen Mühl ein kleiner Ort mit einigen Häusern und einer Kirche, genannt Langhalsen, der technischen Neuerung Platz machen. Noch heute, so erzählt man, könne man den Kirchturm im See bei günstigen Bedingungen heraufschimmern sehen, da damals nicht abgerissen, sondern nur geflutet wurde. Um die Große Mühl aufzustauen, war die Errichtung einer 17 Meter hohen Schwergewichtsmauer aus Bruchsteinmauerwerk mit quaderförmigen Granitblöcken mit den erforderlichen Wehrschützenfeldern zur Hochwasserentlastung, sowie eine unter dem Wasserspiegel liegende verschließbare Auslauföffnung mit vorgebautem Reinigungsrechen erforderlich. Die Kronenlänge der Schwergewichtsmauer beträgt 117 m, womit 736.000 m³ Speichervolumen erzielt wurden. Die Breite der Staumauerkrone beträgt ca. 5 Meter. Zudem ist, wie bei vergleichbaren Anlagen, am Grunde des Stausees bei der Wehrmauer eine Grundablassöffnung vorgesehen. Der Stausee liegt nördlich des Ortes Neufelden im oberen Mühlviertel im ehemaligen Bett der Großen Mühl. Der Ort Neufelden selbst liegt erhöht über dem eingeschnittenen Mühltal.

Triebwasserstollen

Beginnend bei der Auslauföffnung für das Betriebswasser schließt sich ein unterirdischer, begehbarer, kreisrunder Triebwasser-Felsstollen mit einer Gesamtlänge von 5,6 km und einem Durchmesser von 2,95 m an. Dieser verläuft in südlicher Richtung unterhalb des Ortes Kleinzell bis zu einer Geländekante, an der das ca. 600 m hoch liegende Mühlviertler Hochland abrupt um rund 180 m auf das Niveau des eingeschnittenen Donautales abfällt. Hier muss das sogenannte Wasserschloss Druckstöße aufnehmem, wie sie bei raschem Abstellen, zum Beispiel bei Turbinenschnellschluss, entstehen, und das in Richtung zum Krafthaus in die nachgeschaltete Druckrohrleitung einfließende Wasser bei Betriebsstörung absperren.

Druckrohrleitung

Die österreichweit erstmals gebaute geschweißte (nicht genietete) Stahl-Druckrohrleitung überwindet in einer Schneise der bewaldeten steilen Flanken des Tales der Gr. Mühl den Hauptanteil des nutzbaren Gefälles und endet im Maschinenhaus bei den Turbinen bzw. deren vorgeschalteten Kugelschiebern im Turbinengeschoss unterhalb der Generatoren. Die Rohrleitung ist 371 m lang und hat einen Durchmesser von 2.80 m vor, bzw. 1.70 m lichte Weite ab der Hosenverzweigung im Maschinenhaus. Die im steilen Gelände oberirdisch verlegte Rohrleitung ist innen und außen korrosionsgeschützt und an vielen Stellen am Boden verankert. Bevor das Triebwasser das Maschinenhaus erreicht, wird geodätisch 30 m oberhalb der Hauptturbinen über einen Entnahmeschieber Betriebswasser zu Kühlzwecken entnommen. Die hydraulische Ausbauwassermenge des Kraftwerkes beträgt 16 m³/s, bei einer Rohfallhöhe von 176,2 m und Nennfallhöhe von 165,5 m.

Kühlwasserturbine

Die für Kühlzwecke erforderliche Entnahmemenge von rund 50 Liter/s wird mit einer kleinen 55 kW- Peltonturbine zugeführt, dabei von H = 135 m entspannt, durch eine Filtereinrichtung geleitet und dem Kreislauf für die Wasserkühlung der Generatoren-Gleitlager in das Maschinenhaus zugeleitet. Die dabei mittels eines Asynchrongenerators gewonnene Energie wird über Kabel in den 400 V- Eigenbedarfsverteiler eingespeist und, sofern Bedarf besteht, verbraucht, bzw. über einen Netztrafo 400 V / 30 kV in die Verteilanlage des Mittelspannungs-Freileitungsnetzes eingespeist. Mit Ausnahme des technisch unumgänglichen Verbrauches an Strom für Hilfsbetriebe, wie Öldruckerzeugung für Lagerschmierung, Öldruckerzeugung für Turbinenregelung etc., geht keine kWh irgendwo verloren.

Gebäude für Maschinen und 110-kV-Hochspannungs-Schaltanlage

Das Maschinengebäude sowie ein Gebäude für die Aufnahme einer erstmals in Österreich errichteten 110-kV-Innenraumschaltanlage, zur Ermöglichung des Energieabtransportes über eine neue 110-kV-Hochspannungsfreileitung über Linz-Wegscheid nach Wien, zur Versorgung der Bundeshauptstadt Wien mit Strom, wurde in einer sparsamen Fachwerk-Betonbauweise im späten Jugendstil von dem berühmten Jugendstil-Architekten Mauriz Balzarek entworfen. Die typische Industrie-Architektur der Jahrhundertwende fügt sich hier harmonisch in den engen Kessel des Mühltales ein.

Turbinen aus der Errichtungszeit

Bei der Inbetriebnahme 1924 wurden zwei gegossene Francis-Spiralturbinen mit vertikaler Welle von der Firma Voith St. Pölten geliefert und montiert. Die luftgekühlten Siemens-Synchrongeneratoren, M1 und M2, jeweils mit Erregermaschine, nn = 600/min, saßen darüber und waren mit der Turbine fix gekuppelt.

Turbinenerneuerung

Als 1962 – 1964 der Donauspiegelaufstau durch das neu zur Errichtung kommende Donaukraftwerk Aschach um rund 10 m erfolgte, musste die Erneuerung und Anhebung der Francisturbinen bereits vollzogen sein. Das nach oben verlaufende Saugrohr ist ein Ergebnis der sich ergebenden Einbausituation. Weiters wurde dadurch der Einbau von Maschine M3 (Kaplan- Maschinensatz) mit Versorgung aus dem Überströmbecken notwendig.

Kaplan-Nachschaltturbinensatz

Mit der Turbinenerneuerung verbunden, war die bauliche Errichtung des unterirdischen Auslaufkanales, eines Überströmbeckens zur Versorgung einer Kaplan-Nachschaltturbine, M3, mit rund 2.400 kW Leistung zur Abarbeitung des noch 10 m betragenden Gefälles bei Ausbauwassermenge, hin zum Donauwasserspiegel (KW Aschach). Für den Fall fehlender Betriebsbereitschaft der Kaplanturbine M3, bei Betrieb der Hauptturbine(n) M1 und/oder M2, überströmt das ungenutzte Betriebswasser die flussseitig abgerundete (aus Strömungsgründen) wehrkronenartige Oberkante des Überströmbeckens, und das Wasser fließt ungenutzt nur wenige Meter zum Alt-Flussbett der Großen Mühl ab.

Eigenbedarfsmaschinensatz

Der 0,4-kV-Eigenbedarfsverteiler wird von einem 400-kVA-Umspanner, 30/0,4 kV, welcher aus einem Abzweig der, in einem separaten Gebäude untergebrachten 30-kV-Hochspannungsschaltanlage, versorgt.

Peltonturbine

Da es jedoch bei stillstehenden Maschinen und gleichzeitigem Ausfall des 110-kV-Netzes möglich sein muss, einen Schwarzstart durchzuführen, besitzt das Kraftwerk in einem Untergeschossraum seit 1997 einen neuen Eigenbedarfmaschinensatz mit 400 kVA Bemessungsleistung. Eine 1-düsige Peltonturbine entnimmt über einen Absperrschieber das Betriebswasser aus der Druckrohrleitung mit Hn=153 m und führt es hinter der Turbine in das Überströmbecken ab. Das direkt fliegend auf der Generatorwelle befestigte Pelton-Laufrad ist in einem geschweißten Turbinengehäuse untergebracht. Die Verstellung der Düsennadel erfolgt mittels elektrischem Servomotor, der Strahlablenker im Gehäuse des Laufrades unterhalb der Einspritzdüse, wird ebenfalls mit Servomotor, sowie einem rasch arbeitenden mechanischen Gewichtsantrieb für Turbinenschnellschluss mittels Strahlablenker, betätigt.

Synchrongenerator

Der Synchrongenerator ist 4-polig, für eine Turbinendrehzahl von 1.500  min⁻¹ ausgelegt. Die gesamte Maschinensteuerung und -überwachung erfolgt durch einen, im Maschinensteuerschrank eingebauten Industriecomputer. Die erzeugte Energie, mit 3×400 V + Mp bei cos φ = 0,8 (320 kW) wird über 2 Parallelkabel YY 4x185 (Cu) zum Eigenbedarfsverteiler abgeführt. Um bei Stoßbeanspruchung durch diverse Verbraucher unempfindlicher zu sein, und aus der Notwendigkeit, bei schlagartiger Entlastung nicht durchzugehen, ist an der gegenüber der Generatorabtriebsseite auf der Generatorwelle ein Schwungrad mit ca. 1,6 m Durchmesser und 100 mm Stärke angebracht. Dieses Schwungrad ist Voraussetzung für eine inselbetriebsfähige Stromversorgung aller für den Betrieb notwendigen Hilfsbetriebe der beiden Großmaschinensätze M1 und M2.

Synchronisierung und Regelung

Die Schwungmasse bzw. das Schwungrad des Generators ermöglicht beim Anfahren das langsame Durchlaufen der Drehzahl im Bemessungsdrehzahlbereich, um der automatischen Synchronisiereinheit die erforderliche Zeit zum Messen der Generator-Außenleiterspannung und der Referenzspannung des Eigenbedarfsverteilers, sowie der wichtigeren Frequenz der Generatorspannung vor der Synchronisierungszuschaltung, zu erfassen. Die dazu benötigte Zeit für die Zuschaltung der Maschine an den bespannten Eigenbedarfsverteiler liegt bei ca. 1 – 2 Minuten. Bei Totalausfall des Stromnetzes ist ein Synchronisiervorgang nicht erforderlich, eine Referenzspannung des ausgefallenen Netzes ist nicht vorhanden bzw. null Volt. Die Stromversorgung des Computers erfolgt über einen 220VDC/220VAC-Wechselrichter, der seinerseits aus der Blei-Stationsbatterie 220V-GS versorgt ist. Die Servomotoren für die Leistungsregelung bzw. für den Strahlablenker werden über separate Wechselrichter für 220GS/230V-WS versorgt.

Geschichte

Die 1924 eingebaute Originalturbine inklusive offenem Schenkelpolgenerator war bis 1997 in Betrieb. Danach musste Sie dem oben beschriebenen Maschinensatz weichen.

Im Zusammenhang mit der automatisch erfolgenden Spannungsregelung sei noch zum Generator erwähnt, dass der Wirkungsgrad eines Generators mit steigendem sin φ bzw. fallenden cos φ ebenfalls fällt. Die gewählte eindüsige Pelton-Hochdruckturbine ist für den vorliegenden Einsatz die geeignetste Turbine.

Turbinen-Funktionsweise

Die neu eingebauten Francisspiralturbinen, geliefert von der Firma Voith St. Pölten, weisen ein erwähnenswertes Konstruktionsmerkmal auf. Üblicherweise wird das Wasser in das liegende Spiralgehäuse bei senkrechter Welle tangential zugeführt, tritt aus dem Spiralgehäuse aus und damit zugleich radial in den Leitapparat ein. Die stromlinienförmigen, schwenkbar gelagerten Leitschaufeln lenken den Eintrittsstrahl ca. 45 Grad zur Tangente in Drehrichtung des Laufrades um, um im Zusammenwirken mit der Umfangsgeschwindigkeit, die resultierende Relativgeschwindigkeit in die schräg zur Tangente am Eintrittsort stehenden Schaufeln zu lenken, dass es so stoßfrei in das Laufrad eintritt, so, dass das Wasser völlig ungestört in die Schaufelkanäle, Zwischenraum zwischen 2 Schaufeln, eintritt. Nun durchströmt das Wasser in gekrümmter Bahn den Schaufelkanal, teils noch radial, aber bereits mit axialer Komponente zum Ende des Schaufelkanales in Richtung nach oben. Hier sind die Winkel und die nicht unerhebliche Wasseraustrittsgeschwindigkeit, sowie die Umfangsgeschwindigkeit des Laufradinnendurchmessers so abgestimmt, dass aus den 3 Vektoren plötzlich jede radiale Komponente verschwunden ist und nur mehr eine ruhig nach oben in das Saugrohr strömende Wassersäule daraus resultiert. Die Verlusthöhe ist mit

$h = \frac{v^2}{2 \cdot g}$

ausreichend, um das Wasser bis zum Saugrohrende zu bewegen, wo durch eine sachte kontinuierliche Saugrohrerweiterung (Diffusor) noch ein Energiegewinn ermöglicht wird. Erst hier hat das Wasser die gewünschte minimale energiearme Geschwindigkeit, die jedoch gerade noch ausreicht, um dem nachströmenden Wasser Platz zu machen. Sollte eine Turbine 100% Wirkungsgrad erreichen müssen, müsste das herausfließende Wasser beim Saugrohraustritt stehend sein, dann hätte es keine Energie mehr in sich. Da dies nicht möglich ist, ist auch die bestens berechnete und gefertigte Turbine nie 100%-ig in der Ausbeute des vorhandenen Potenzials, dem Wasser des Speichersees. Außerdem gibt es unvermeidliche Druckverluste beim Durchströmen des Betriebswassers durch den hydrodynamisch geformten Leitapparat und durch die räumlich gekrümmten Schaufelkanäle des Laufrades selbst, man spricht von der Laufradverlusthöhe in m Wassersäule beim Nenndurchfluss. Der hydraulische Wirkungsgrad der Turbine dürfte etwa bei 90 – 91% liegen. Höhen-Verluste im kreisrunden Felsstollen und der Stahl- Druckrohrleitung sind je nach Betriebsart (Leistung) verschieden und sind im genannten Turbinenwirkungsgrad unberücksichtigt. Die Verluste einer hydraulischen Anlage schwanken vom Nenn-Wirkungsgrad bei 100% Last, bis zum Teilwirkungsgrad, im Falle von Laufwasserkraftwerken, nicht bei Speicherkraftwerken, denn da sind die Leistungen zumeist konstant im Nennbereich, außer beim Anfahren und Abstellen.

Wie schon als Besonderheit erwähnt, strömt das Wasser dieser Turbinen nach verrichteter Arbeit beim Austritt nicht nach unten, wie normalerweise üblich, sondern in diesem Falle nach oben, und anschließend durch einen 90°-Krümmer horizontal in ein Überströmbecken. Dieses Einleiten erfolgt von beiden Turbinen, wenn beide in Betrieb sind. Um die noch übrige Gefällshöhe zum Donaurückstau von rund 10 m mit vollem Betriebswasser der Großturbinen restlos zu nützen, wird das Wasser aus dem Überströmbecken einer Kaplanturbine zugeführt. Diese gibt dann nach Abarbeitung dieses Rest- Potenzials das nun ruhig ausströmende Wasser an den unterhalb liegenden Auslaufkanal (Felsstollen) ab, der rund 100 m weit zum nunmehr rückgestauten Alt-Mühl-Bett führt.

Turbinenbesonderheit

Die besondere Konstruktion der Turbine liegt darin, dass die Turbinenwelle koaxial in dem nach oben abgehenden Saugrohr verläuft, solange, bis die Welle beim Außenbogen des darauf ansetzenden 90°-Saugrohrkrümmers durchtritt. Die Turbinenwelle liegt sozusagen schräg in der Saugrohrströmung, strömungstechnisch unschön, jedoch bei der Saugrohrquerschnittswahl einkalkuliert. Eine vorhandene und möglicherweise dadurch geförderte Kavitationsneigung wird durch Einblasen von Pressluft beseitigt.

20 MVA / 5-kV-Hauptmaschinen M1 und M2

Die beiden schon erwähnten Hauptgeneratoren aus den Jahren 1963/1964 sitzen mit vertikaler Welle über den gegossenen Francis Spiralgehäuse- Turbinen mit Kugelschieber-Absperrorgan, im eigenen Generator-Geschoss, von denen sie von unten, aus dem Turbinengeschoß, mittels einer Wellenflanschverbinung direkt angetrieben werden. Die Erregermaschinen der jeweiligen Generatoren 1 und 2 sitzen wiederum auf den oberen Lagerschildern. Die Drehzahl der Siemens- Synchrongeneratoren beträgt 600  min⁻¹. Gekühlt wird mit Luft. Die Nennleistung beträgt 16,125 MW bei 5 kV Betriebsspannung. Der Nenn- Leistungsfaktor cos φ = 0,8. Die Energieableitung vom Maschinen- Klemmenkasten erfolgt direkt mit blanker Al-Verschienung und mittels keramischer Wanddurchführungen zur nahen 5-kV-Hochspannungsschaltanlage, in der auch die Sternpunktbehandlung, erforderlich für Generatorschutz- Zwecke (Bütowtrafo für Wicklungserdschlußerfassung), erfolgt.

Der Leistungsabtransport von dieser 5-kV- Schaltanlage in Richtung 110-kV-Netz erfolgt zunächst über eine 6-fach parallele 10 kV Einleiter-Kabelverbindung bis zum Maschinenumspanner 1 und 2, je 5 kV/110 kV und 20 MVA Nennleistung, nur durch eine kurze Schienenverbindung, die Trafo- und Gerätetransporte zur westlich dahinter liegenden Freiluftschaltanlage, erlaubt, vom Schalthaus getrennt. Darüber hinaus Al-verseilt in die 110-kV-Schaltanlage bzw. über den 110 kV- ölarmen Leistungsschalter einspeist. Diese sind mit über Verteilautomaten mit 220VGS für den Federkraftspeicherantriebs- Aufzugsmotor versorgt, standardausgerüstet mit je einer Leistungsschalter Ein/Aus- Spule und 2 separaten Schutz- Auslösespulen für normalen Trafo-Differentialschutz und Reserveschutz versehen. Letzterer, angespeist von einem separaten auslöseenergieautarken Verteilautomaten aus einer DC-Verteileinrichtung, um das Überstromzeitrelais zu versorgen. Der Leistungsschalter, aufgestellt in einer mit Stahlblech- Fügeltoren abgeschlossenen und damit separierten Schalterbox, von dort schließlich über 110 kV Stromwander die Trennerwurzel-Verbindung und Drehtrennschaltern im Obergeschoß des historischen Gebäudes, anspeist. Das bewusst aus Platzgründen deckenlos gebaute heutige Baudenkmal, bietet Einsicht in die Sichtbeton- Fachwerksarchitektur des Jugendstil- Bauwerkes, des Balzarek- 110 kV Schaltgebäudes. An deren Deckenquerstreben sind die Keramikstützer der der 50 mm Durchmesser-Al-Rohrsammelschiene im 110-kV-Schalthaus hängend montiert. Die einzelnen Sammelschienentrennschalter sind von 220 VGS-Antriebsmotoren mit Spindelgetriebe und mechanischem Kupplungsgestänge mit zwischengelagerten 30 Durchmesser korrossionsfreien Stahlwellen, sowie Antriebshebel, die über 90°-Umlenkungen letztlich am Basissockel der Drehsäule kräftemäßig wirken, angetrieben. Die 220V GS- Stromversorgung der Motoren erfolgt aus dem jeweiligen Alu-Abzweigs-Steuerschrank. Die letzte Etappe der Antriebskinematik endet beim Antriebshebel der zwischen den beiden äußeren Trennerpolen vertikal kugelgelagerten keramischen Drehsäule, die die Trennmesser, mit an den Kontaktstellen versilberten Kupferstrombahnen, trägt. Ebenso gilt dies für die zweite Maschine. Damit kann die erzeugte regenerative Edel- Energie über die besagte beschriebene Sammelschiene und den ähnlich bestückten Leitungsschaltfeldern den Weg zu den Verbraucherschwerpunkten antreten. Glücklicherweise haben die frühen Pioniere, wie Dr. Josef Stern und Franz Hafferl, mit der Firma Stern & Hafferl, als Vorgängerorganisation der Energie AG Oberösterreich, als jetziger Hauptversorger Oberösterreichs, die Elektrifizierung des Bundeslandes Oberösterreich diese Energie- Weitsicht besessen und den Schatz früh im Jahr 1924 gehoben, zum Nutzen Vieler, so dass selbst in den ersten Jahrzehnten vorzüglich die Bewohner der Bundeshauptstadt Wien davon profitierten. In den bisher rd. 85 Betriebsjahren wurden 102 Mio.x 85 Jahre entspricht rund 8,5 Milliarden kWh der Mühlviertler Hauptfluß Große Mühl, als Arbeitstier dazu eingespannt, ohne ihn in seiner Natürlichkeit und Einzigartigkeit zu verletzen bzw. zu überfordern, zu aller Nutzen, für diese und zukünftige Generationen.

Automatisierung, Leittechnik und Fernwirken

Seit 1997 ist die gesamte Kraftwerksanlage einschließlich Stauwehr und Absperrorgane im Wasserschloss, mit all ihren Komponenten, mit Leittechnik ausgerüstet. Der automatisierte Fernbetrieb erfolgt von der Warte des Pumpspeicherkraftwerk Ranna der Energie AG Oberösterreich , sowie auf Befehl des Zentrallastverteilers der EAG in Linz-Wegscheid.

Gebäude

Das Kraftwerk Partenstein wurde, wie auch das Kraftwerk Steyrdurchbruch, vom Jugendstil-Architekten Mauriz Balzarek entworfen. Die typische Industrie-Architektur der Jahrhundertwende fügt sich hier harmonisch in den engen Kessel des Mühltales ein. Der Barockbrunnen neben dem Krafthaus und eine Statue des Heiligen Johannes Nepomuk neben der Brücke, stammen aus dem ehemaligen Schloss Langhalsen, das ebenfalls vom Stausee überflutet wurde.

Weblinks

• EAG – Speicherkraftwerk Partenstein

48.43361111111113.986111111111

Koordinaten: 48° 26′ 1″ N, 13° 59′ 10″ O