Wo Wasser seit Jahrhunderten Energie liefert, trifft heute Industriegeschichte auf moderne Automatisierung.
Die Wasserkraft hat an der Maxhütte Bergen eine lange Tradition. Heute wird das Wasser der Weißen Achen an diesem traditionsreichen Standort zur Erzeugung elektrischer Energie aus Wasserkraft genutzt.
Von der Wasserfassung über das Wasserschloss bis zum rund 24 Meter tiefer gelegenen Turbinenhaus erstreckt sich die Anlage über mehrere hundert Meter. Eine Besonderheit liegt dabei in ihrer räumlichen Ausdehnung: Wasserfassung, Wasserschloss und Turbinenhaus bilden eine gemeinsame Wasserkraftanlage, befinden sich jedoch an drei voneinander getrennten Standorten.
Genau diese Struktur stellte bei der Modernisierung der Steuerungs- und Automatisierungstechnik eine besondere Herausforderung dar.
Der Weg des Wassers – von der Wasserfassung bis zu den Turbinen
Wasserfassung
Rund 600 Meter vom Turbinenhaus entfernt wird das Wasser an einer Wehranlage in der Weißen Achen gefasst. Schützenzug und Rechenreiniger übernehmen dabei wichtige Aufgaben für Einlauf und Wasserführung.
Von hier fließt das Wasser über einen teilweise offenen Kanal rund 300 Meter weiter zum Wasserschloss.
Wasserschloss
Im Wasserschloss befinden sich ein weiterer Rechenreiniger, ein Überlauf und ein Schützenzug. Von hier gelangt das Wasser über eine Druckrohrleitung zu den rund 24 Meter tiefer gelegenen Turbinen.
Die ersten etwa 50 Meter der Rohrleitung verlaufen sichtbar. Anschließend führt sie für weitere rund 250 Meter im Erdreich bis zum Turbinenhaus.
Turbinenhaus im Tal
Im Turbinenhaus wird das Wasser auf zwei Francis-Spiralturbinen geleitet. Diese treiben zwei Synchrongeneratoren mit einer elektrischen Leistung von 50 kW und 70 kW an. Hier wird schließlich die Energie des Wassers in elektrische Energie umgewandelt.
Vom Anlagenbestand zum Modernisierungskonzept
Bereits rund ein Jahr vor der Angebotserstellung für die neue Schalt- und Steuerungstechnik hatten wir an der Maxhütte die Technik für die Kommunikation mit dem Direktvermarkter installiert.
Dadurch konnten wir die Wasserkraftanlage über einen längeren Zeitraum im laufenden Betrieb kennenlernen und uns ein genaues Bild vom Zustand der vorhandenen Technik machen. Dabei wurde deutlich, dass für einen zuverlässigen und zeitgemäßen Weiterbetrieb eine umfassendere Modernisierung der Steuerungs- und Automatisierungstechnik erforderlich war.
Gleichzeitig sollte weiterhin funktionsfähige Bestandstechnik nicht unnötig ersetzt werden.
So viel Bestand wie möglich – so viel neue Technik wie nötig.
Dieser Grundgedanke begleitete uns durch das gesamte Projekt.
Die Herausforderung: drei räumlich getrennte Stationen
Eine zentrale Herausforderung zeigte sich bereits bei der Bestandsaufnahme: das Kabel für die Pegelmessung zwischen dem Turbinenhaus und dem rund 300 Meter entfernten und 24 Meter höher gelegenen Wasserschloss war defekt. Da die Kabeltrasse teilweise unter einer geteerten Straße verläuft, wäre eine Erneuerung mit erheblichem baulichem Aufwand verbunden gewesen.
Bei einer Neuanlage würden die drei Stationen heute beispielsweise über Glasfaser miteinander verbunden. Im Bestand galt es jedoch, eine technisch zuverlässige und gleichzeitig wirtschaftlich sinnvolle Alternative zu entwickeln.
Wie lassen sich drei räumlich getrennte Anlagenteile zuverlässig miteinander verbinden, ohne dafür eine neue Kabeltrasse über mehrere hundert Meter zu errichten?
Eine Anlage – drei autarke Steuerungen
Die Lösung besteht aus drei eigenständig arbeitenden Steuerungsstationen für Turbinenhaus, Wasserschloss und Wasserfassung. Das Turbinenhaus wurde über DSL an das Internet angebunden, Wasserschloss und Wasserfassung jeweils über GSM/LTE. Die drei Stationen kommunizieren über eine verschlüsselte IP-Datenverbindung miteinander.
Entscheidend für das Konzept ist: Jede Station kann ihre wesentlichen Aufgaben autark vor Ort ausführen.
Wasserstände werden lokal erfasst. Rechenreiniger, Wehre und Schieber werden von der jeweiligen Steuerung vor Ort geregelt. Die grundlegenden Funktionen der Außenstationen sind damit nicht von einer permanent verfügbaren Internetverbindung abhängig.
Das ist an diesem Standort besonders wichtig, da sowohl Mobilfunk- als auch DSL-Verbindungen zeitweise unterbrochen sein können. Die Kommunikation wurde deshalb so ausgelegt, dass Verbindungsunterbrechungen erkannt und die Verbindungen anschließend automatisch wieder aufgebaut werden.
Damit verbindet das Konzept zwei wesentliche Anforderungen: lokale Betriebssicherheit und eine durchgängige Vernetzung der gesamten Wasserkraftanlage.
Webbasierte Visualisierung – die Gesamtanlage im Blick
Jede der drei Stationen – Turbinenhaus, Wasserschloss und Wasserfassung – verfügt über einen eigenen Webserver mit webbasierter Anlagenvisualisierung. Dadurch können die einzelnen Anlagenteile unabhängig voneinander aufgerufen, überwacht und bedient werden.
Die Visualisierung beschränkt sich dabei nicht nur auf die jeweils örtliche Station. Durch den Datenaustausch zwischen den drei Steuerungen stehen auch wichtige Betriebsinformationen der Gesamtanlage zur Verfügung.
So werden beispielsweise an Wasserfassung und Wasserschloss neben den lokalen Pegelständen und Betriebszuständen auch Leistung und Leitradstellung der beiden Turbinen angezeigt. Umgekehrt stehen im Turbinenhaus die für den Kraftwerksbetrieb relevanten Informationen der Außenstationen zur Verfügung.
Drei Stationen – gleichzeitig im Blick
Die webbasierte Anlagenvisualisierung verbindet Wasserfassung, Wasserschloss und Turbinenhaus. Lokale Prozesswerte und wichtige Betriebsdaten der Gesamtanlage sind übersichtlich dargestellt.
Übersicht zum Download (PDF)
Ein besonderer Vorteil der webbasierten Lösung ist, dass die Visualisierungen von Turbinenhaus, Wasserschloss und Wasserfassung gleichzeitig aufgerufen werden können. Der Betreiber kann damit die Prozesse an allen drei räumlich getrennten Stationen parallel beobachten und erhält einen direkten Überblick über den Zustand der gesamten Wasserkraftanlage.
Das Bild zeigt die drei gleichzeitig geöffneten Webvisualisierungen von Turbinenhaus, Wasserschloss und Wasserfassung. Die identische Uhrzeit und das identische Datum in allen drei Ansichten zeigen den parallelen Zugriff auf die drei Webserver.
Trotz dieser gemeinsamen Sicht bleibt das Steuerungskonzept bewusst dezentral: Jede Station besitzt eine eigene Steuerung und kann ihre wesentlichen örtlichen Aufgaben autark ausführen. Die webbasierte Visualisierung führt die relevanten Informationen zusammen, ohne die lokale Betriebssicherheit von einer permanent verfügbaren Datenverbindung abhängig zu machen.
Steuerung bleibt dezentral – die Information ist an jeder Station verfügbar.
Modernisierung im Turbinenhaus
Den umfangreichsten Teil der Modernisierung bildete die Steuerungs-, Schutz- und Überwachungstechnik im Turbinenhaus.
Bei beiden Turbinen wurde die bestehende elektrische Verstellung der Leiträder durch eine neue hydraulische Verstellung mit Proportional- und Stromregelventilen ersetzt.
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Auch die beiden Synchrongeneratoren wurden umfassend modernisiert. Sie erhielten jeweils eine neue AVR-Erregerelektronik, die direkt im Klemmenkasten des Generators verbaut wurde.
Ein wichtiger Aspekt des Projekts war der bewusste Umgang mit der vorhandenen Technik: der bestehende Leistungsschrank konnte weiterverwendet werden, während der Steuerschrank vollständig erneuert und an die neuen Anforderungen angepasst wurde.
Zur neuen Steuerungs-, Schutz- und Überwachungstechnik gehören unter anderem die Ansteuerung der beiden Turbinen-Zulaufschieber, die Regelung der neuen Hydraulik, der Generatorschutz mit DEIF GPU-3 Hydro sowie eine umfangreiche Lager-, Schwingungs- und Temperaturüberwachung von Turbinen und Generatoren.
Eine zusätzliche Sicherheitsfunktion wurde bei den beiden AUMA-Zulaufschiebern realisiert: Durch eine Batterieversorgung können diese auch bei einem Netzausfall geschlossen werden, sodass der Wasserzulauf zu den Turbinen unterbrochen werden kann.
Wasserschloss und Wasserfassung – autark gesteuert und überwacht
Im Wasserschloss wurden die Steuerung des Rechenreinigers und die Pegelmessung erneuert und um zusätzliche Sensorik ergänzt. Eine neue IP-Kamera ermöglicht zudem die visuelle Kontrolle des Rechenbereichs.
An der Wasserfassung wurden Rechenreiniger, Wehrsteuerung und Pegelmessung in die neue Steuerung integriert und ebenfalls um zusätzliche Sensorik erweitert. Eine auf einem Mast installierte PTZ-Kamera (Pan-Tilt-Zoom) ermöglicht die visuelle Überwachung von Rechen, Wehr und Einlaufbereich.
Beide Stationen verfügen über eine eigene LTE-Anbindung, arbeiten jedoch in ihren wesentlichen örtlichen Steuerungsfunktionen autark.
Historische Wasserkraft, modern vernetzt
Mit der Modernisierung wurde die Wasserkraftanlage der Maxhütte Bergen technisch neu aufgestellt, ohne funktionierende Bestandstechnik unnötig zu ersetzen.
So viel Bestand wie möglich – so viel neue Technik wie nötig war dabei ein wesentlicher Grundgedanke.
Heute arbeiten Turbinenhaus, Wasserschloss und Wasserfassung als drei autarke Steuerungsstationen, die über eine verschlüsselte IP-Kommunikation miteinander vernetzt sind. Die webbasierten Visualisierungen sorgen gleichzeitig dafür, dass die relevanten Informationen der Gesamtanlage dort verfügbar sind, wo sie benötigt werden.
Die Kraft des Wassers ist geblieben – die Technik dahinter wurde neu gedacht.
Über detaillierte technische Informationen des Projektes können Sie sich hier informieren.