ANDRITZ Hydro und Dillinger: Pumpspeicher-Technologie im Schulterschluss

Die Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien und damit auch der Bedarf an Energiespeichern gewann in den letzten Jahrenrasant an Bedeutung. Dadurch erfuhr auch die wichtigste und kostengünstigste Form der Energiespeicherung im großen Maßstab - die Pumpspeichertechnologie - einen starken Aufwärtstrend. Als einer der weltweit führenden Anbieter von elektromechanischen Ausrüstungen und Dienstleistungen für Wasserkraftwerke ist ANDRITZ Hydro mit Hauptsitz in Wien auch bei besonders herausfordernden Projekten ein gefragter Partner. Bei der Entwicklung anspruchsvoller Stahlkonzepte, großen Bauteilabmessungen und hohen Stückgewichten setzt der Experte auf Dillinger, weltweiter Technologieführer für maßgeschneiderte Grobbleche mit Hauptsitz in Dillingen/Saar. Beispielhaft für diese fruchtbare Zusammenarbeit stehen die Kraftwerksprojekte Kaunertal (Österreich), Nant de Drance (Schweiz) und Abdelmoumen (Marokko).

Die Stärke von Pumpspeicherwerken (PSW) ist die schnelle Reaktionsmöglichkeit auf Schwankungen bei Stromangebot und -nachfrage. Mit geringen Betriebskosten und Risiken sichert ihre Technologie gleichermaßen hohe Verfügbarkeit, Kapazität und Flexibilität. Das garantiert Energiekonzernen die geforderte Netzstabilität und Schwarzstartfähigkeit bei plötzlichem Stromausfall.

Über ANDRITZ Hydro

ANDRITZ Hydro ist einer der größten globalen Anbieter im Markt für hydraulische Stromerzeugung: Weltmarktführer im Bereich Rohrturbinen, Technologieführer bei Peltonturbinen und führend in Service und Modernisierung zur Leistungserhöhung bestehender Wasserkraftwerke. Das Portfolio umfasst das gesamte Spektrum an elektromechanischen Anlagen, Turbinen, Generatoren, Stahlwasserbau, Zusatzausrüstungen und Services für Wasserkraftwerke aller Typen und Größen - bis hin zu mehr als 800 MW Leistung je Turbineneinheit. 7.000 Mitarbeiter, 25 weltweite Standorte in Europa, Asien, Nord- und Südamerika kennzeichnen die marktnahe Präsenz des Unternehmens. Über 500 Pumpspeicherwerke mit einer Gesamtleistung von 40.000 MW hat ANDRITZ Hydro bis heute ausgerüstet.

Als Vice President Penstocks & Gates verantwortet Helmut Friedl bei ANDRITZ Hydro weltweit den Bereich Stahlwasserbau für Wasserkraftwerke mit den Schwerpunkten Druckrohrleitungen, Panzerungen, Verteilrohrleitungen mit Abzweigern, Rechen, Schützen und zugehörige Ausrüstungen. Federführend war er auch an den Projekten Kaunertal, Nant de Drance und Abdelmoumen beteiligt

Kaunertal: Zähigkeitswerte weit jenseits der Norm

Die Erweiterung des bestehenden Kraftwerks Kaunertal in Tirol markierte den Beginn einer verstärkten Zusammenarbeit mit Dillinger. Auf dem alpinen Hochtal in 2.000 Meter Höhe sollte durch Zubau eines künstlichen Speichersees als Oberstufe, einer zweiten Unterstufe sowie eines zweiten Kraftwerks die Kapazität um knapp 1.000 MW auf 1.370 MW erhöht werden. Dadurch wurde das bisherige Durchlaufwerk in ein Pumpspeicherwerk umgewandelt. Abrisse auf der Hangoberfläche erforderten zudem den Ersatz der bestehenden Druckrohrleitung durch eine neue Leitung unterhalb der Gleitlinie des Hangs. Bei ihrem Neubau galt es, auch die anstehende Vergrößerung der Kraftwerksleistung bereits zu berücksichtigen.

Das Auswahlverfahren

Mit dem Bau dieser Druckrohrleitung wurde ANDRITZ Hydro nach einem komplexen Vorauswahlverfahren beauftragt. So erhielten die potentiellen Lieferanten dieser Leitung vom Auftraggeber Bleche, um diese nach speziell entwickelten Verfahren auf Basis der ausgewählten Schweißzusatzwerkstoffe in ihren Schweißbetrieben zu verarbeiten. Ein unabhängiges Prüfinstitut überprüfte die Ergebnisse auf ihre Eignung für den Einsatz im Berg mit den anspruchsvollen TOFD- und Phased-Array-Prüfverfahren. Das Urteil floss in eine erste Bewerberbewertung mit ein. Die anschließende Verformung der Bleche zu einem Rohr mit über vier Metern Durchmesser und unterschiedlichen Wandstärken sowie das Schweißen von Rund- und Längsnähten waren im nächsten Schritt maßgebliche Elemente der Bewertung. Außerdem galt es für die Bewerber, einen Stahllieferanten zu finden, der wesentlich höhere Zähigkeitswerte als von der Norm vorgeschrieben nachweisen kann. Als maximal zulässige Streckgrenze erlaubte der Kunde Stähle der Güte S620. Für die Bifurkationen - Abzweigungen der Druckrohrleitung mit fünf Meter Durchmesser - galten darüber hinaus besondere Anforderungen an Größe und Dicke der eingesetzten Bleche.

Angesichts der relativ geringen benötigten Menge von 900 Tonnen und der mit dem Nachweis verbundenen Herausforderungen - optimierte Kerbschlagwerte im Grundwerkstoff und der Schweißverbindung sowie gebotene Wirtschaftlichkeit durch eine pünktliche Produktion mit minimaler Ausfallquote - war die Suche nach einem geeigneten Stahllieferanten keineswegs einfach. In Dillinger fand ANDRITZ Hydro den gesuchten Partner und wurde mit Lieferung, Design, Fertigung und Montage der Druckrohrleitung für das Kraftwerk Kaunertal beauftragt.

Nach intensiven Diskussionen zwischen dem Kunden, ANDRITZ Hydro, dem Betreiber, Tiroler Wasserkraftwerke (TIWAG) und Dillinger wurde das von Dillinger entwickelte Stahlkonzept verabschiedet. Auf dieser Basis produzierte der Stahlhersteller dann eigens für die Bifurkationen im Kraftwerk Kaunertal den hochfesten Markenstahl DILLIMAX S620 QL in den Dicken 90 bis 120 Millimeter.

Die Herausforderungen in Kaunertal

"Eine der großen Herausforderungen im Bau von Pumpspeicherwerken mit Rohrdurchmessern von fünf Metern und mehr ist die Stahlgüte", erklärt Helmut Friedl. Mit dem Durchmesser steigt auch die benötigte Wandstärke. Eine wirtschaftliche Fertigung der Kraftwerkskomponenten ermöglichen nur hochfeste, gut schweißbare Stähle, die eine Ausführung mit dünneren Wandstärken und dadurch kürzeren Fertigungs- und Montagezeiten erlauben. Zur höheren Festigkeit trägt das Kohlenstoffäquivalent (CEV) bei. Gute Schweißbarkeit der Stähle erfordert aber ein möglichst niedriges Kohlenstoffäquivalent. "Dillinger war bereit und fähig, für Kaunertal eine Lösung mit einem CEV unter dem Normwert zu entwickeln, die zugleich die Anforderungen an die maximal erlaubte Streckgrenze und Dimensionen erfüllte", lobt Friedl.

Eine weitere Besonderheit bei dem Projekt Kaunertal war eine kleine Fertigungsstätte, die ANDRITZ Hydro wegen der eingeschränkten Transportmöglichkeiten oben auf dem Berg erstellte. Dort schweißte der Anlagenbauer im Tal gefertigte Sechs-Meter-Rohre zu den benötigten zwölf Meter langen Segmenten mit unterschiedlichen Durchmessern zusammen. Diese wurden anschließend in den Berg transportiert und abgelassen.

Bei der Montage im Stollen kam ein weiterer, ausschlaggebender Grund für den Projektgewinn von ANDRITZ Hydro zum Tragen: die von dem Anlagenbauer für den gesamten Schrägschacht im Kaunertal eingesetzte WIG-Heißdraht-Schweißtechnik. Der dabei von Schweißautomaten verwendete, vorgewärmte Volldraht ohne Ummantelung minimiert den Wasserstoffgehalt im Schweißgut und somit das Risiko von Rissbildung. Alle Abzweigelemente für die Druckrohrleitung wurden ebenfalls in Einzelteilen auf dem Berg angeliefert. Dort wurden sie auf Formate zusammengeschweißt, die in den Stollen transportiert und zusammengebaut werden konnten. 2016 wurde die neue Druckrohrleitung des Wasserkraftwerks Kaunertal in Betrieb genommen. Die Inbetriebnahme der Oberstufe erfolgt voraussichtlich im Jahr 2032.

Nant de Drance: Stahlwasserbauprojekt der Superlative

Beim Ausbau des Pumpspeicherwerks Nant de Drance in den Walliser Alpen in der Schweiz bewährte sich die Zusammenarbeit von ANDRITZ Hydro und Dillinger einmal mehr. Mit 900 MW installierter Leistung zählt dieses Wasserkraftwerk derzeit zu den leistungsstärksten in Europa. Sechs Francis Turbinen mit jeweils 150 MW Leistung machen Nant de Drance hochflexibel: In weniger als fünf Minuten kann das Kraftwerk bei Bedarf bei voller Leistung zwischen Pump- und Turbinenbetrieb wechseln. Mit einem Wirkungsgrad von über 80 Prozent gilt es als Benchmark für die Speicherung von Strom. In einem geschlossenen Kreislauf nutzt Nant de Drance den Höhenunterschied von zwei bestehenden Stauseen. Verbunden werden sie durch zwei parallele, vertikal verlaufende Triebwasserwege, die jeweils drei Pumpturbinen in einer riesigen Maschinenkaverne in 600 Meter Tiefe bedienen. Jeder dieser Triebwasserwege besteht aus einem zwei Kilometer langen Druckstollen und einem 425 Meter langen Vertikalschacht mit bis zu sieben Meter Durchmesser.

Der Auftrag an ANDRITZ Hydro umfasste Planung, Konstruktion, Lieferung, Montage und Inbetriebnahme der gesamten Ausrüstung der beiden Triebwasserwege. Sie liegen wie die Kaverne im Berginneren und werden durch einen fünf Kilometer langen Tunnel erschlossen. Zu dem beauftragten Leistungspaket von ANDRITZ Hydro gehörten auch die Drosselklappenverschlüsse für die oberen Schieberkammern, die Rollschützenverschlüsse für die untere Schützenkammer sowie die Einlaufrechen für die Ein- und Auslaufbauwerke.

Die Herausforderungen

Die großen Abmessungen der Anlagenteile, die auf sie einwirkenden Belastungen sowie die Arbeiten auf der Baustelle machten die Umsetzung zu einem höchst anspruchsvollen Stahlwasserbauprojekt. So mussten die Bauteile für den Triebwasserweg größtenteils vor Ort auf engstem Raum in Kavernen vorgefertigt werden. Für die Panzerung der Vertikalschächte hatte der Kunde zudem vorgegeben, lediglich die oberen und unteren Krümmer mit Stahl auszukleiden und die weniger druckbelasteten Teile mit vorgespanntem Beton zu panzern.

Bei der Wahl der hierfür eingesetzten Stähle setzte ANDRITZ Hydro erneut in großem Stil auf Qualitätsstähle von Dillinger. Insgesamt 3.276 Tonnen Stahl in bis zu 130 Millimeter Dicke lieferte der Grobblechspezialist für die Druckrohrleitung. "In den größeren Dickenbereichen und beim S355 ML haben wir uns einfach sicherer gefühlt mit den Materialien von Dillinger", begründet Helmut Friedl die Entscheidung.

Vor der Kaverne teilen sich die Vertikalschächte in Abzweiger mit unterschiedlichen Durchmessern. Im oberen Bereich, wo die Drücke noch nicht so hoch sind, kamen die thermomechanisch gewalzten S355-Bleche von Dillinger zum Einsatz. Sie erlaubten das Schweißen mit größerer Streckenenergie. Für die Panzerung der Krümmer wählte ANDRITZ Hydro DILLIMAX Markenstahl S690 QL1: Im oberen Abzweig wurden damit Wanddicken zwischen 29 und 90 Millimetern ausgeführt. Im unteren Krümmer am Fuß des Vertikalschachts wurde dieser Stahl bei allen Abzweigelementen für eine bis zu 55 Millimeter dicke Panzerung verwendet. Auch die Gehäuse der Schütze wurden aus diesem hochfesten vergüteten Stahl gefertigt. Für Bauteile mit besonderer Querzugbeanspruchung wie die Flansche im oberen Krümmer am Zugangsstollen und die innenliegenden Sichelbleche der Abzweiger wählte ANDRITZ Hydro bis zu 130 Millimeter dicke Grobbleche der Güte S690 QL1+Z35. Ende Mai 2020 erfolgte die Nassinbetriebnahme des Pumpspeicherkraftwerks Nant de Drance, indem die beiden Triebwasserwege erstmals befüllt wurden. Die vollständige Inbetriebnahme des Kraftwerks ist für das Jahr 2021 geplant.

Abdelmoumen: Freiliegende Druckrohrleitung als Herausforderung

Für das neue Pumpspeicherwerk Abdelmoumen im Südwesten von Marokko, 70 Kilometer nordöstlich von Agadir, liefert ANDRITZ Hydro die gesamte elektromechanische Ausrüstung: "Ein echtes From-Water-to-Wire-Package", freut sich Helmut Friedl. Der Auftrag umfasst neben der Konstruktion, Fertigung, Lieferung, Montage und Inbetriebnahme von zwei reversiblen 175 MW-Pumpturbinen auch - gemeinsam mit dem Konsortialführer Vinci Construction - den Bau des technisch anspruchsvollen drei Kilometer langen Triebwasserwegs. Die Pumpturbinen sind für 20 schnelle Betriebsartwechsel am Tag zur schnellen Reaktion und Netzregulierung ausgelegt. Der mit Stahl ausgekleidete Wasserweg besteht aus einer streckenweise freiliegenden, zwei Kilometer langen Druckrohrleitung, über 700 Meter Tunnel und drei Schächten mit über 60 Meter Tiefe.

Im Gegensatz zu den beiden vorgenannten Projekten fertigt ANDRITZ Hydro für das Kraftwerk Abdelmoumen alle Anlagenkomponenten auf der Baustelle. Die hohen Materialanforderungen an die dabei eingesetzten Stähle und besondere Herausforderungen bei Fertigung und Montage sprachen deshalb erneut für Dillinger. Aber auch die schnelle Reaktion und Entwicklungskompetenz des Stahlherstellers in der Angebotsphase spielten in der Lieferantenauswahl eine große Rolle.

"Wir brauchen die Informationen manchmal sehr kurzfristig, da wir immer kürzere Zeit haben, um ein Angebot zu erstellen. Hier ist der Service von Dillinger wirklich sehr, sehr gut", lobt Helmut Friedl. Dazu zählt für ihn auch, dass "... mit offenen Karten gespielt wird, wenn man Probleme hat" und "... man gerade bei Problemlösungen einen sehr amikablen Zugang hat".

Unterstrichen wird dieser Service aus seiner Sicht durch die sehr sicheren metallurgischen Vorhersagemodelle von Dillinger, um Kundenspezifikationen auf ihre Machbarkeit zu überprüfen. Auf Basis von neuronalen Netzen werden diese smarten Modelle kontinuierlich trainiert, so dass die Saarländer bereits vor der Produktion eine zuverlässige Aussage zur Umsetzbarkeit der gewünschten Eigenschaften und Risikobewertung machen können.

Mit 9.600 Tonnen Lieferumfang - neben S500 QL und S690 QL auch hochfester thermomechanischer Stahl S690 ML - deckte Dillinger den gesamten Stahlbedarf für das neue Pumpspeicherwerk in Marokko ab. "Wir waren durch die Services bei Kaunertal und wie Nant de Drance abgewickelt wurde, sehr zufrieden mit den Leistungen von Dillinger", erläutert Helmut Friedl die erneute Entscheidung für diesen Hersteller. Dazu zählte für ANDRITZ Hydro - neben den lieferbaren Tafelgrößen - auch die außergewöhnliche Lieferfähigkeit: "Dillinger hat in der Vergangenheit auch für hohe Qualitäten immer extrem gute Lieferzeiten gehabt und kann diese auch für große Mengen zusagen."

Angesichts der für die freiliegende Druckrohrleitung und im Vertikalstollen in Dickenrichtung benötigten Dimensionen der S690er-Güten waren bei Abdelmoumen zudem die lieferbaren Stückgewichte für ANDRITZ Hydro erneut von besonderer Bedeutung. "Die Blechlänge richtet sich immer nach dem Durchmesser - hier bis zu fünf Meter. Größere Stückgewichte bedeuten gerade bei dicken Blechen weniger Längenlimitierung", sagt Helmut Friedl. Er ergänzt: "Dadurch ist auch bei den hier erforderlichen großen Durchmessern nur eine Längsnaht erforderlich."

Für den freiliegenden Teil der Druckrohrleitung kamen - abgesehen vom oberen Bereich, wo 20 Millimeter dicke Bleche verwendet wurden - 40 Millimeter dicke, thermomechanisch gewalzte Bleche zum Einsatz. Für den Abzweiger wählte ANDRITZ Hydro 60 Millimeter dickes Blech der Güte S690 QL, für das innenliegende Sichelblech in diesem Abzweiger sogar eine Stärke von 100 Millimetern. Zusätzlich übernahm Dillinger bei diesem Projekt auch die gesamte Kantenanarbeitung sowie das Zuschneiden zur Herstellung von Formteilen wie Rohrbögen. Insbesondere für Stähle der Güte S690 entsteht bei diesen Fräskanten - anders als beim thermischen Schneiden - keine Aufhärtung. Dadurch werden die Materialeigenschaften nicht beeinflusst und das Risiko von Härterissen wird minimiert.

Für ANDRITZ Hydro entfiel folglich nahezu vollständig das bei thermischen Schneiden notwendige händische Wegschleifen von bis zu zwei Millimetern aufgehärteter Zonen an den Kanten. Neben dadurch wesentlich kürzeren Verarbeitungs- und Fertigungszeiten vereinfachten die von Dillinger gelieferten Fräskanten auch die Montage.

"Eine freiliegende Druckrohrleitung mit bis zu 4,80 Metern Durchmesser und mehreren Zugängen muss sich dem Gelände anpassen und ist deshalb viel schwieriger zu montieren als eine im Stollen", sagt der Experte von ANDRITZ Hydro. Das in Marokko herrschende Klima erschwert dies zusätzlich, da während der Montage die Einwirkung der Sonne berücksichtigt werden musste. Um die eingetragene Strahlungswärme zu kompensieren, setzte ANDRITZ Hydro besondere Montagetechniken wie gezielte Vorverformung bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Verformung im Anbau ein. Für die Arbeiter, die die Schweißarbeiten bei Umgebungstemperaturen von über 40 Grad Celsius im Rohr ausführen, ist dabei das materialabhängig erforderliche Vorwärmen der Schweißnähte auf bis zu 150 Grad Celsius eine zusätzliche Belastung. Die Inbetriebnahme des neuen Pumpspeicherwerks Abdelmoumen ist für das Jahr 2022 geplant

Weitere Projekte

Bei zwei weiteren Pumpspeicher-Projekten in Österreich ist ANDRITZ Hydro mit Stahl von Dillinger aktuell in der Angebotsphase. Generell ist Helmut Friedl davon überzeigt, dass Pumpspeicherung weltweit noch sehr stark an Bedeutung gewinnen wird - mit immer größeren Durchmessern der Rohrleitungen. Sie erfordern den Einsatz von hochfesten Stählen und hohen Stückgewichten, um die Bauzeit zu verkürzen und die Wirtschaftlichkeit des Projektes zu gewährleisten. Mit Dillinger an seiner Seite weiß er sich dafür gut gewappnet. Das gilt umso mehr, als ANDRITZ Hydro sich auch bei sehr herausfordernden Projekten als ein verlässlicher Partner für Planer und Bauherren versteht: "Wir verfügen über den erklärten Willen, die technischen Fähigkeiten und die personellen Möglichkeiten, auch solche Projekte in der vorgegebenen Zeit umzusetzen", betont Helmut Friedl. "Dafür braucht man aber auch auf der anderen Seite einen Partner, bei dem man sich darauf verlassen kann, dass er bei einem Problem ebenfalls alles daran setzt, es zu lösen. Bei Dillinger können wir uns darauf verlassen."

Über die Dillinger Hüttenwerke

Seit über 330 Jahren lebt Dillinger eine einzigartige Leidenschaft für Stahl. Ein wortwörtlich gewichtiges Erfolgsprodukt treibt heute Dillinger hierbei an: Stahl vom Erz bis zum maßgeschneiderten Grobblech und einbaufertigen Element. Ein breites Erfahrungsspektrum, eine starke Forschung und Entwicklung, kontinuierliche Investitionen und eine vernetzte Innovationsfähigkeit machen den Grobblechhersteller zum weltweiten Qualitäts- und Technologieführer, dessen Stahlgüten mehrheitlich jünger als zehn Jahre sind. Mit diesen Hochleistungswerkstoffen für Einsätze, die unter widrigsten Bedingungen extreme Belastbarkeit erfordern, gehören die Geschäftsbereiche für Stahlbau, Maschinenbau, Offshore, Offshore-Windkraft, Linepipe, Baumaschinen, Bergbau oder Kesselbau zu den bevorzugten Partnern der Branchenbesten.

Quelle: AG der Dillinger Hüttenwerke / Bilder: ANDRITZ Hydro

Bildhinweise:
Vorschaubild: Transport für das Projekt Kaunertal (A)
Beitragsbild oben: Vormontage für das Projekt Kaunertal
Beitragsbild Mitte: Montage für das Projekt PSW Nant de Drance (CH)
Beitragsbild unten: Montageanschlussstück für das Projekt in Marokko