Wiege der Elektrifizierung in Chur

Autor: Roland Gruber , 06.11.2013

Seit etwas mehr als einem Jahr ist das Kraftwerk Chur-Sand nun mit seinem nagelneuen Maschinen-Trio wieder in Betrieb. Vorangegangen war eine umfangreiche Ertüchtigung der Anlage.

Dabei wurden unter anderem die drei bestehenden Maschinensätze aus den 1940ern ersetzt wurden. Dass das Retrofit-Programm erfolgreich verlaufen ist, belegen die Produktionszahlen eindrücklich: Bereits im vergangenen Jahr konnte eine Ertragssteigerung von knapp 18 Prozent gegenüber dem langjährigen Mittel erreicht werden. Im Regeljahr produziert das Kraftwerk, das einst der erste Stromversorger für die Stadt Chur war, rund 52 GWh. Die Betriebsgesellschaft GKC, an der neben der Bündner Hauptstadt auch angrenzende Gemeinden partizipieren, investierte rund 13 Millionen Schweizer Franken in das komplexe Umbauprojekt.

Im Südosten der Stadt Chur, wo sich die Arosabahn und das Flussbett der Plessur das enge Tal im Ortsteil Sand teilen, steht heute eines der modernsten Wasserkraftwerke Graubündens. Dabei vereint die Anlage wie kaum eine andere Hochtechnologie mit großer Tradition. Schließlich gebührt dem Kraftwerk in Chur der Status als „Wiege der Elektrifizierung“.

Die Wurzeln der Wasserkraftnutzung reichen über 150 Jahre zurück, als unweit des heutigen Standortes 1862 eine Baumwollspinnerei errichtet wurde. Eine 10 Meter hohe Staumauer wurde errichtet und ein Wasserrad wurde von der Kraft der Rabiosa, eines in die Plessur mündenden Wildbachs, bewegt. Über ein Transmissionsgetriebe und zahllose Riemen wurde die Kraft in die Fabrik übertragen, wo nicht weniger als 21.600 Spindeln angetrieben wurden.

Allerdings hatte die Spinnerei nicht allzu lange Bestand. 1886 wurde sie ein Raub der Flammen, brannte bis auf die Grundmauer ab. Mit einem Schlag waren 130 Mitarbeiter arbeitslos geworden. Fünf Jahre später übernahm die Stadt Chur die Liegenschaft. Zu dieser Zeit gab es in vielen Städten Überlegungen, sich die Vorteile der Elektrizität zunutze zu machen. So auch in der ältesten Stadt der Schweiz, in Chur – und bereits im Jahr 1892 segnete der Stadtrat das Vorhaben ab, am Standort der ehemaligen Spinnerei das erste E-Werk zu bauen. Dabei ging man höchst ambitioniert ans Werk: Das E-Werk Sand war nach Fertigstellung mit einer installierten Leistung von 400 PS eines der größten Kraftwerke der Schweiz. Außerdem setzte man damals schon auf Wechselstrom, und nicht auf Gleichstrom, wie in zahlreichen anderen Anlagen dieser Zeit.

AUSBAU IN ETAPPEN

Im Jahr 1906 erfolgte schließlich der Bau der Zentrale auf dem heutigen Standort. 3 Maschinen mit jeweils 250 PS Leistung nutzten über zwei getrennte Triebwasserwege von da an Wasser aus der Rabiosa und der Plessur. „Dem stetig steigenden Energiebedarf in den folgenden Jahrzehnten wollten die Stadtväter Anfang der 1940er Jahre Rechnung tragen – und 1945 wurde schließlich der Ausbau der Plessurstufe in Auftrag gegeben“, erzählt der Leiter des Kraftwerks Ing. Valentin Bargetzy. 

Eine neue Wehranlage, eine Entsanderanlage, zwei Wasserfassungen an Seitenbächen, ein 5,2 km langer Freispiegelstollen und die daran anschließende Druckrohrleitung und ein Wasserschloss wurden errichtet. Zudem wurde das Zentralengebäude umgebaut, um ausreichend Raum für die drei neuen Maschinen zu schaffen. „Anstelle der alten Rabiosa-Maschinen wurde eine neue Francisturbine mit 860 PS eingebaut, hinzu kamen die zwei neuen Plessur-Maschinensätze, die noch deutlich leistungsfähiger waren. Insgesamt standen nach Abschluss des Umbaus 1947 immerhin 12.000 PS Leistung zur Verfügung“, so der Kraftwerksleiter.

WEG ZUM WÄRTERLOSEN BETRIEB
Mit dem Auslaufen der Konzession im Jahr 1981 kam es zu Diskussionen über die künftigen Eigentumsverhältnisse. Als Folge wurde als neue Eigentümerin die Gemeindekorporation GKC gegründet, die von den angrenzenden Talgemeinden gemeinsam mit der Stadt Chur gehalten wird.

Zu dieser Zeit wurde das Kraftwerk noch von einer ganzen Mannschaft betreut. Bargetzy: „An diesem Standort waren damals 17 bis 18 Personen tätig. Es gab einen Zentralenchef, einen Obermaschinisten, Maschinisten sowie Werkstatts- und Hilfspersonal. Gearbeitet wurde im Vollschichtbetrieb rund um die Uhr. Dass dies in den 1990er Jahren nicht mehr zeitgemäß war, lag auf der Hand. 1996 wurde dann der Beschluss gefasst, die Anlage so zu modifizieren und mit diversen Hilfseinrichtungen auszurüsten, dass sie weitest gehend automatisch betrieben werden konnte.“

Zwischen 1996 und 2003 erfolgten diese Umbauten und Erweiterungen, diverse Aggregate, Hebepumpen und andere Komponenten wurden installiert. Vieles funktionierte nun automatisch. Mit jedem weiteren Automatisierungsschritt sank der Personalstand, bis das Kraftwerk nur mehr mit wenigen Mann am Laufen gehalten werden konnte.

MURE ZERSTÖRTE ALTEN DAMM
Just zu der Zeit, als der Automatisierungsprozess sich dem Abschluss entgegen neigte, kam es zu einer folgenschweren Naturkatastrophe: Die schweren Hochwässer im Jahr 2002 hatten eine Mure gelöst, die den alten Rabiosa-Stausee bis oben mit Schlamm, Geröll und Steinen verschüttete. „Die Experten konnten keine exakten Prognosen abgeben, wie sich die alte Staumauer nun unter dem gewaltigen Druck verhalten würde. Also beschloss man, diese bis auf die Hälfte abzutragen, damit man den Bereich langsam entleeren konnte. Ein Jahr später wurde sie dann zur Gänze abgerissen“, schildert der Kraftwerksleiter die Situation.

Die Reaktion der Verantwortlichen der GKC folgte prompt. Es wurde die Wirtschaftlichkeit eines neuen Stauwehrs geprüft – und auf Basis eines positiven Beschlusses auf Schiene gebracht. Für eine Staumauer wurde von Behördenseite allerdings keine Genehmigung mehr erteilt, stattdessen sollte eine Wehranlage realisiert werden, die in der Lage ist, über einen Durchlass ein Jahrtausendhochwasser abzuführen. „Daher wurde ein Wehr mit großem Durchlass, einem Segment, Wehrklappe und Spülschütz errichtet. Wir hatten damals auch die Behörden hinter uns, sodass das Projekt sehr schnell realisiert werden konnte. In nur 11 Monaten wurde die 15 Meter hohe Wehranlage errichtet und im Herbst 2004 in Betrieb genommen. Die Investitionskosten dafür lagen bei rund 4,7 Mio. Franken.“

MOTIVE FÜR DEN UMBAU
„Bitter war, dass die Rabiosa-Maschine im Jahr 2002 gerade fertig modifiziert für den automatischen Betrieb war – und sie wenig später durch das Unglück am Staudamm vom Triebwasser abgeschnitten war. Sie konnte also auch erst wieder 2004 anfahren“, erinnert sich Bargetzy.Vier Jahre später, im Jahr 2008, konkretisierte sich das Vorhaben für einen weiteren Meilenstein der Kraftwerkshistorie: Alle drei Maschinensätze inklusive Hilfsbetriebe sollten in einem stufenweise ausgeführten Umbauprozess ausgetauscht werden. Die Gründe für den Umbau waren triftig, hatten aber nichts mit einem vermeintlichen Leistungsabfall des bestehenden Maschinentrios zu tun.

„Problematisch waren die Generatoren: Zum einen lag es daran, dass sich Revisionen äußerst aufwändig darstellten. Um an die Turbine zu kommen, musste der gesamte Generator demontiert werden. Das bedeutete, dass das Statorgehäuse über den Rotor gezogen werden musste, um dann die Rotorwelle herausziehen zu können. Speziell unter den beengten Bedingungen war dies eine echte Herausforderung. Hinzu kam, dass man die Generatoren – Baujahr 1947 – in den letzten Jahren nicht mehr auseinandernehmen konnte. Wäre es zu einem Generatorbrand gekommen, hätte man nur reagieren können. Angesichts der damals extrem langen Lieferzeiten für Generatoren hätte dies Stillstandszeiten bis zu 24 Monate bedeuten können“, erklärt der Fachmann aus Chur und nennt noch ein weiteres entscheidendes Motiv: „Unsere Konzession läuft noch bis zum Jahr 2061. Wir gehen davon aus, dass wir das Kraftwerk mit der neuen elektromaschinellen Ausrüstung über die nächsten circa 50 Jahre – also bis Konzessionsende – sehr gut betreiben können.“

BAUPROJEKT MIT TÜCKEN

In der Folge wurden die Turbinen, Generatoren, die Ölhydraulik, Kühlwassersysteme und die E-Technik separat ausgeschrieben. Die Projektierung wurde der Ingenieurgemeinschaft IM Maggia, Engineering SA, Lucarno, und dem Ingenieurbüro W. Deplazes, Surrein, übertragen. Die entscheidende Vorgabe dabei lautete, dass an den Konzessionsbedingungen nichts verändert werden dürfte, sämtliche Quoten und Durchflüsse mussten beibehalten werden.

Der Auftrag über alle drei Turbinen ging dabei an Andritz Hydro, Schweiz, ebenso wie die Steuerungs- und Automationstechnik. Die beiden großen Snychrongeneratoren für die zwei Plessur-Maschinen wurden von der Firma ELIN Motoren, Weiz, geliefert, der kleinere Synchrongenerator für den Rabiosa-Maschinensatz stammt aus dem Hause Marelli Motori.

Vor der Montage der brandneuen Stromerzeuger stand allerdings die Schaffung der erforderlichen baulichen Gegebenheiten, was sich nicht zuletzt in logistischer Hinsicht als Knacknuss für Planer und Baufirma entpuppte. Zum einen war die schützenswerte Bausubstanz des Zentralengebäudes zu berücksichtigen und zum anderen galt es, mit der extrem beengten Situation – bedingt durch die unmittelbare Nähe zur öffentlichen Straße, zu den Geleisen der Arosa-Bahn und zum Bachbett der Plessur – bestmöglich umzugehen.

NEUES QUARTIER FÜR DIE PELTONTURBINE

Im Oktober 2009 erfolgte der Startschuss für die Umbauarbeiten. Den Auftakt machte der Tausch der ersten Plessur-Maschine (Maschine 2). Dafür wurde im Januar 2010 eigens eine Trennwand zur benachbarten Maschine 1 (Rabiosa-Maschine) eingezogen, welche während der Umbauarbeiten an Maschine 2 weiterhin in Betrieb bleiben sollte. Nach Installation und Inbetriebsetzung des ersten neuen Maschinensatzes wurde die Trennwand weiter nach hinten versetzt, sodass man die zweite Plessur-Maschine (Maschine 3) demontieren konnte. „Zur echten Hürde wurde der Unterwasserkanal der Plessur-Maschinen. In der zweiten Bauetappe galt es, das Wasser aus der neuen Maschine 2 an der im Umbau befindlichen Maschine 3 vorbeizubringen. Als Lösung wurde von dem Planer ein spezieller Bypass konzipiert, über den man bis zu 3,8 m3/s ausleiten konnte“, erläutert Bargetzy.

Im Oktober 2011, also zwei Jahre nach Baubeginn, waren die beiden großen Plessur-Maschinensätze erfolgreich umgebaut und in Betrieb. Für Maschine 1, also den Rabiosa-Maschinensatz, war nun kein Platz mehr in der alten Maschinenhalle vorgesehen. Sie wurde in die angrenzende Halle verlegt, in der zuvor die 10.000 kVA-Schaltanlage untergebracht war. Letztere wurde außerhalb des Zentralengebäudes auf ein kleines Areal gegenüber, zwischen Straße und Flussbett der Plessur umgesiedelt.

„Auch der Umbau für Maschine 1 gestaltete sich sehr aufwändig: Der Unterwasserweg wurde komplett erneuert. Auch die Druckleitung mussten wir ersetzen und unter den Bahnschienen der Arosa-Bahn sowie unter der angrenzenden Straße verlegen. Das stellte sich als schwieriges Unterfangen heraus“, geht der Kraftwerksleiter auf die Herausforderungen im Bauverlauf ein. Besonders die enge Nachbarschaft zu den beiden Verkehrs-Infrastruktureinrichtungen – Straße und Bahn – erschwerten die logistische Planung beträchtlich: „Sämtliche großen Bauteile, Generatoren wie Turbinen, konnten nur nachts angeliefert und eingehoben werden, wenn der letzte Zug der Arosa-Bahn (gegen 1:00 Uhr) gefahren war.“

PUNKTLANDUNG IM ZEIT- UND KOSTENPLAN

Trotz der teils erheblichen Hürden gelang es den Projektverantwortlichen, Bauphase 3 sogar vor dem Zeitplan abzuschließen und die neue Rabiosa-Maschine bis März 2012 ans Netz zu bringen. Damit war das Umbaukonzept zur Gänze aufgegangen. Alle drei Maschinen konnten in der vorgegebenen Zeit erneuert werden – und dies mit minimalen Stillstandszeiten der Anlage. Gerade einmal zwei Monate war das Kraftwerk in dieser heiklen Phase außer Betrieb.

Nicht nur Zeitrahmen, sondern auch der veranschlagte Kostenrahmen konnte eingehalten werden. Rund 13 Millionen Franken wurden in das Projekt investiert, in dessen Verlauf eines der traditionsreichsten Kraftwerke Graubündens zugleich zu einem der modernsten wurde. Das liegt zum einen an den wirkungsgradstarken Maschinen von Andritz Hydro, Elin Motoren sowie Marelli, und zum anderen auch an der modernen Steuerungstechnik. Diese sorgt dafür dass das Maschinentrio nun vollautomatisch im Wirkungsgradoptimum betrieben werden.

FÜR INSELBETRIEB KONZIPIERT

Das Wasser der Rabiosa wird nun von einer 5-düsigen vertikalachsigen Peltonturbine, hergestellt im Andritz-Werk Kriens, abgearbeitet. Diese ist bei einer Nettofallhöhe von 89,50 m und einem Ausbaudurchfluss von 0,99 m3/s auf 684 kW Leistung ausgelegt. Die Rabiosa-Turbine (Maschine 1) mit ihren 5 Düsen besticht durch die hervorragende Regelbarkeit. Speziell, wenn in den Wintermonaten das Wasserdargebot stark absinkt, können kleine Lasten mit diesem Maschinensatz noch mit sehr gutem Wirkungsgrad turbiniert werden. Hinzu kommt die wichtige Funktion als Inselbetriebsmaschine. Bargetzy: „Sollte Chur durch einen Netzausfall ohne Strom sein, können wir zumindest über diese Maschine den Kraftwerksbetrieb aufrechterhalten. Den Eigenverbrauch von 50 bis 60 kW können wir damit überlicher Weise sehr gut abdecken.“

Die beiden neuen Plessur-Turbinen sind dagegen ihrer Wirkungsgradcharakteristik entsprechend vorrangig Spitzenlastmaschinen. Es handelt sich um horizontalachsige Francisturbinen, ebenfalls aus dem Hause Andritz Hydro, die bei einer Nettofallhöhe von 154 m und einem Ausbaudurchfluss von 3,50 m3/s auf eine Nennleistung von jeweils 4,8 MW ausgelegt sind. Beide Turbinen treiben jeweils einen Synchrongenerator von Elin Motoren an, konzipiert für jeweils 5,5 MVA Nennscheinleistung. Üblicherweise produzieren die beiden Plessur-Maschinen deutlich mehr als 90 Prozent des im Kraftwerk Chur-Sand erzeugten Stroms. Der Rest entfällt auf die Rabiosa-Turbine.

BEACHTLICHES ERZEUGUNGSPLUS

Vor dem Umbau lag das Gesamt-Regelarbeitsvermögen der Anlage bei 48 GWh, heute können die Betreiber mit etwa 52 GWh im Regeljahr rechnen. Das bedeutet ein Plus von rund 8 Prozent. „Dieser Wert liegt in dem Bereich, den wir uns von den neuen Maschinensätzen erhofft hatten. Man darf ja nicht vergessen, dass weder an der Wassermenge, noch an der Fallhöhe etwas verändert wurde – und dass auch früher schon sehr gute Turbinen hergestellt wurden. Insofern ist eine Steigerung zwischen 6 und 8 Prozent sehr beachtlich“, sagt Bargetzy.

Im Juni letzten Jahres feierten die Churer ihr großes, erneuertes Traditionskraftwerk im Südosten der Stadt mit einem gebührlichen Einweihungsfest. Die Bedeutung der Anlage ist immer noch sehr hoch. Schließlich kann damit rund ein Viertel des gesamten Strombedarfes der Stadt bereitgestellt werden. Und mit seiner neuen Ausrüstung sollte die Anlage nun bis zum Ende der Konzessionsdauer 2061 problemlos einen zuverlässigen und wirtschaftlichen Erzeugungsbetrieb bewerkstelligen können.

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