Stark

Wasser trifft Stahl

Infrastrukturbau
15.03.2022

Von: Redaktion Metall
Der Bau eines Kraftwerks erfordert anspruchsvolle Stahlkonzepte und einen Stahlhersteller, der wesentlich höhere Zähigkeitswerte als vorgeschrieben liefern kann.
Bild 10: Probezusammenbau eines Abzweigers mit außenliegendem Kragenblech für das PSW Nant de Drance.

Die Entwicklung von Wasserkraftwerken ist herausfordernd.  Anspruchsvoller Stahlkonzepte, große Bauteilabmessungen und hohe Stückgewichte verlangen viel Erfahrung und die enge Zusammenarbeit aller Projektbeteiligter. Bei der Erweiterung des Kraftwerks Kaunertal in Tirol/Österreich setzte Andritz Hydro, Anbieter von elektromechanischen Ausrüstungen und Dienstleistungen für Wasserkraftwerke auf den Grobblech-Experten 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. 

Hohe Ansprüche

Montage eines Abzweigers im Druckstollen des Kraftwerks Kaunertal.
Montage eines Abzweigers im Druckstollen des Kraftwerks Kaunertal.

Mit dem Bau dieser Druckrohrleitung wurde Andritz Hydro nach einem außergewöhnlich komplexen Vorauswahlverfahren beauftragt. So erhielten die potentiellen Lieferant*innen 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 Verformung der Bleche zu einem Rohr mit über vier Metern Durchmesser und unterschiedlichen Wandstärken sowie das Schweißen von Rund- und Längsnähten waren maßgebliche für die Wahl der geeigneten Blechehersteller*innen. Außerdem galt es, Stahllieferant*innen zu finden, die wesentlich höhere Zähigkeitswerte als von der Norm vorgeschrieben nachweisen konnten. 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. In Dillinger, als Experte für maßgeschneiderte Grobbleche, fand Andritz Hydro den gesuchten Partner: "Dillinger ist ein Experte für große Wandstärken", erläutert Andritz Hydro - Vice President Penstocks & Gate Helmut Friedl die damalige Wahl. Er ergänzt: "Zudem hat Dillinger eine größere Quette als andere Hersteller und kann somit diese anspruchsvollen Bleche nicht nur in der geforderten Dicke, sondern auch in entsprechend großen Abmessungen liefern." Nach intensiven Diskussionen 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. "Eine der großen Herausforderungen im Bau von Pumpspeicherwerken mit Rohrdurchmessern von fünf Metern und mehr ist die Stahlgüte", erklärt Helmut Friedl die Bedeutung der entsprechenden Herstellerkompetenz. 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. 2016 wurde die neue Druckrohrleitung des Wasserkraftwerks Kaunertal in Betrieb genommen. Die Inbetriebnahme der Oberstufe erfolgt voraussichtlich im Jahr 2032.

Stahlwasserbauprojekt der Superlative

Vertikalkrümmer für einen der Vertikalschächte im PSW Nant de Drance.
Vertikalkrümmer für einen der Vertikalschächte im PSW Nant de Drance.

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. 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 umfasste Planung, Konstruktion, Lieferung, Montage und Inbetriebnahme der gesamten Ausrüstung. Die Bauteile für den Triebwasserweg wurden größtenteils vor Ort auf engstem Raum in Kavernen vorgefertigt. 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 auf Qualitätsstähle von Dillinger. Insgesamt 3.276 Tonnen Stahl in bis zu 130 Millimeter Dicke lieferte der Grobblechspezialist für die Druckrohrleitung. 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 man 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 man 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.

Freiliegende Druckrohrleitung als Herausforderung

Montageabschnitt eines Krümmers für den mit Stahl ausgekleideten Triebwasserweg des Pumpspeicherwerks Abdelmoumen in Marokko.
 Montageabschnitt eines Krümmers für den mit Stahl ausgekleideten Triebwasserweg des Pumpspeicherwerks Abdelmoumen in Marokko.

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. Angesichts der für die freiliegende Druckrohrleitung und im Vertikalstollen in Dickenrichtung benötigten Dimensionen der S690er-Güten waren bei Abdelmoumen die lieferbaren Stückgewichte 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 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 man 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", weiß der Vize-Präsident. 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, wurden besondere Montagetechniken, wie gezielte Vorverformung bei gleichzeitiger Berücksichtigung der Verformung im Anbau eingesetzt. 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. (uw)

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