Exkursionen in die Pumpspeicherkraftwerke Waldeck I und II in den Jahren 2006 und 2009

Nach Umsetzung unseres ehrgeizigen und bundesweiten Projekts Web+ am 03. Oktober 2016 ist dies der erste Bericht über eine lange vergangene Veranstaltung, der zunächst archiviert war und jetzt mit geringfügig ergänztem bzw. verändertem Text, fast durchgängig im Format 24 x 16 cm bei 300 dpi aufbereiteten Fotos und deren Vergrößerungsmöglichkeit veröffentlicht wird. Anlass ist die vor wenigen Tagen begonnene Freischaltung unseres Berichts über die Exkursion am 28.09. in die Staumauer am Edersee. Dieser ist auf diesen Bericht wie auch umgekehrt verlinkt. So begann der seinerzeitige Bericht vom 26.08.2009 unter dem gleichen Foto wie jetzt auch:

Mit einer Investitionssumme von 100 Mio. Euro sichert die E.ON Wasserkraft GmbH, Tochter der E.ON Energie AG, am nordhessischen Edersee langfristig ihre dortigen Stromerzeugungsanlagen. Diese bestehen aus dem Speicherkraftwerk Hemfurth am Fuße der Ederseestaumauer, dem 1932 in Betrieb gegangenen Pumpspeicherkraftwerk Waldeck I und dem 1974/75 in Betrieb genommenen Pumpspeicherkraftwerk Waldeck II. Das Laufwasserkraftwerk Affoldern mit einer Leistung von 2,7 MW und einem Arbeitsvermögen von 2,8 GWh am Auslauf aus dem Unterbecken der beiden Pumpspeicherkraftwerke gehört heute über einen Tausch von Erzeugungsanlagen der norwegischen Gesellschaft Statkraft.

Um den Leser dieses Berichts auf das Thema der Elektrizitätsgewinnung aus Wasserkraft in Nordhessen einzustimmen hier zunächst einige wenige geschichtliche und technische Vorbemerkungen, deren Grundlagen - vom Unterzeichner extrem zusammengefasst - dem Buch "Das Braunkohlenkraftwerk Borken in Hessen" unseres leider viel zu früh verstorbenen ehemaligen Vorsitzenden, Herrn Dipl.-Ing. Hans-Joachim Patte, Leiter des stillgelegten Kraftwerks Borken der damaligen PreußenElektra, heute Teil der E.ON Energie AG, entnommen wurden:

Erst in der Zeit nach dem ersten Weltkrieg und somit z. T. Jahrzehnte nach dem Beginn der Elektrifizierung der Städte in unserem Vereinsgebiet (z. B. in Kassel 1891, in Göttingen 1900) begann die Stromversorgung des ländlichen Raums. Ein Ansatzpunkt hierzu war u. a. die Errichtung der Ederseestaumauer und somit Schaffung eines großen Speicherbeckens für die jahreszeitunabhängige Wasserhaltung in der Weser und dem Mittellandkanal.
Geplant bereits kurz nach der Jahrhundertwende nahm das Speicherkraftwerk Hemfurth, heute mit einer Ausbauleistung von 20 MW und aufgrund des großen Speichervolumens des Edersees mit einem Arbeitsvermögen von 41,2 GWh versehen, im Jahr 1915 seine Arbeit auf und konnte kriegsbedingt mangels ausgebauter Leitungen nur ein begrenztes Gebiet des damaligen Fürstentums Waldeck über ein 8kV-Netz versorgen. Dieses Netz wurde nach Kriegsende erweitert und über eine 60kV-Leitung mit dem Umspannwerk Felsberg verbunden.

Versorgt wurden Landkreise in Nordhessen und Südniedersachsen, ein großräumiger überregionaler Verbund existierte zunächst noch nicht. Nach Inbetriebnahme des Braunkohlenkraftwerks Borken in 1923 und Laufwasserkraftwerken am Main entstand so im südlichen Preußen ein ständig wachsendes Verbundsystem, welches zwar auf jahreszeitlich schwankende Wassermengen in Laufwasserkraftwerken und bei Einhaltung der Wassermindestreserve in den Stauseen der Eder und Diemel reagieren, aber noch nicht kurzfristige Spitzen aufgrund fehlender Regelbarkeit der thermischen Kraftwerke wirtschaftlich abdecken konnte.

Aus diesem Grund wurde ab 1932 das Pumpspeicherkraftwerk Waldeck I mit vier Maschinensätzen je 35 MW in Betrieb genommen. Mit diesem gelang es, elektrischen Strom, der großtechnisch ja nicht speicherbar ist, quasi "auf die hohe Kante zu legen". Hierunter ist zu verstehen, dass elektrische Energie aus kostengünstig arbeitenden Grundlastkraftwerken wie dem Braunkohlenkraftwerk Borken in Zeiten schwacher Netzbelastung dazu verwendet wird, Wasser aus einem Speicherbecken im Tal zunächst in ein solches auf einem Berg zu pumpen. In Zeiten großer Netzbelastung wird dieses Wasser dann wieder abgelassen und erzeugt über eine Turbine wertvollen Spitzenlaststrom.

Soweit ein kurzer Auszug aus den geschichtlichen Zusammenhängen. Es ist sicherlich müßig, hier auf weitere Einzel- und Besonderheiten der Pumpspeicherkraftwerke im Allgemeinen und bezogen auf Waldeck I und II im Besonderen einzugehen. Der wesentliche Teil unserer Leser ist hierüber aufgrund seines Studiums der Elektrotechnik, des Maschinenbaus und auch des Bauwesens bestens informiert.

Nach dem zweiten Weltkrieg entstand bei rasant ansteigender Wirtschaftsleistung weiterer erheblicher Bedarf zur Abdeckung der Lastspitzen und führte zum Bau des Pumpspeicherkraftwerks Waldeck II mit einer Leistung von 2 x 220 MW. Beide Maschinensätze werden auch als Phasenschieber zur Blindleistungskompensation eingesetzt. Dieses Kraftwerk wurde im Gegensatz zum Kraftwerk I nicht am Ufer des Unterbeckens, sondern in einer Kaverne unterhalb des die Landschaft beherrschenden Peterskopfes, östlichster Ausläufer des rheinischen Schiefergebirges, errichtet. Das bestehende Unterbecken wurde erheblich erweitert, das Oberbecken II südwestlich oberhalb des Oberbeckens I von Waldeck I gebaut und mit einer Verbindung zum bestehenden Oberbecken I versehen. Der Unterzeichner erinnert sich tief beeindruckt an die Ausmaße der Kaverne während des bergmännischen Ausbruchs.

"Im Sommer 2005 begann die Ertüchtigung des 1974 erbauten Kavernenkraftwerks Waldeck II. Die beiden Maschinensätze zu je 220 MW werden nacheinander komplett überholt und die gesamte Leittechnik erneuert. Eine Maschine bleibt während der Sanierungsphase zur Sicherung der Spitzenlasterzeugung immer in Betrieb. Weitgehend am Ende ihrer Lebensdauer sind die Anlagen des Pumpspeicherwerkes I, welches 1932 gebaut wurde und über die am Hang sichtbare Rohrleitung mit dem Oberbecken verbunden ist. Die Planungen sehen den Erhalt und die Sanierung von zwei der vier Turbinen vor sowie den Bau eines neuen Schachtkraftwerkes mit einer Leistung von 70 MW. Uns bietet sich durch den Ausbau eines der großen Maschinensätze des Werkes II der Blick auf gut dreißig Jahre alte Aggregate in zumindest teilzerlegtem Zustand."

So hatten wir unsere Exkursion zum 3. Februar 2006 seinerzeit im Internet und in den kurzfristigen schriftlichen Mitteilungen an unsere Mitglieder und eingeführte Gäste angekündigt. Und sie wurde ein voller Erfolg. Nach ersten Informationen im ansonsten allgemein zugänglichen Besucherzentrum des Kraftwerks erfuhren wir in einem Vortrag und beim Rundgang zahlreiche, sonst nicht zu erlangende Details durch unseren hoch engagierten Referenten und Führer durch die Anlagen, Herrn Dipl.-Ing. Jens Müller.

Und da im Kraftwerk Waldeck II gearbeitet wurde, ein Maschinensatz weitgehend zerlegt war und somit nicht immer ein freier Blick für ein Foto gegeben war, hier zunächst ein Blick aufs Modell.
An diesem Modell, fotografiert im öffentlich zugänglichen Besucherzentrum, ist sehr gut die vertikale Anordnung des Maschinensatzes in der Kaverne, aus Plexiglas nachgebildet, zu erkennen. Die obere blau lackierte Maschine ist die Francisturbine mit der radialen Wasserzuführung vom Oberbecken über einen Oberwasserkugelschieber von links in den Leitapparat, dem zentralen Turbinenrad mit den Turbinenschaufeln und der axialen Wasserabführung nach oben über den Unterwasserkugelschieber nach rechts. In der Mitte befindet sich der Motor-Generator, eine 16-polige Synchronmaschine mit einer Drehzahl von 375 U/min und einer Leistung von 240 MW. Die untere blau lackierte Maschine ist die Pumpe mit der axialen Wasserzuführung vom Unterbecken über einen Unterwasserkugelschieber von unten, dem zentralen Pumpenrad mit den Pumpenschaufeln und der radialen Wasserabführung nach links über einen Oberwasserkugelschieber.

Die Arbeiten in der ersten Phase bei unserem Besuch im Februar 2006 am Pumpspeicherkraftwerk Waldeck II umfassten neben der Erneuerung der Kraftwerksleittechnik, der Revision an Nebenanlagen und der Sanierung des Oberbeckens und Stahlwasserbaukomponenten die Ertüchtigung der ersten Anlage (Maschine 5) von ursprünglich 220 MW Leistung auf jetzt 240 MW. Hierzu gehörten Arbeiten am Stator und Rotor des Motor-Generators, an Turbine und Pumpe und den vier Kugelschiebern. Die gleichen Arbeiten werden in der zweiten Phase in 2009/2010 an der zweiten Anlage (Maschine 6) durchgeführt.

Vorschriftsgemäß ausgestattet mit Schutzhelmen und Sicherheitsschuhen begannen wir den Rundgang durch das Kraftwerk Waldeck II im Kabelausleitungsstollen, betrachteten die dort verlegten wassergekühlten 400kV-Kabel und stiegen dann über eine Treppe in die Kaverne, welche sich 40 m tief unter dem Spiegel des Unterbeckens befindet. Diese Anordnung ist erforderlich, um Kavitation an der Pumpe zu vermeiden. Über einen Gang, knapp unter der Kalotte der Kaverne in Höhe der Kranbahn angebracht, hatten wir dann einen ersten Blick in die Maschinenhalle und sahen die ausgebauten Teile der Maschine 5. Über die Warte mit den Räumen für Steuerung und Schutz stiegen wir in die Maschinenhalle ab.

Hierbei betrachteten wir auch die 400kV-Kabelendverschlüsse am Maschinentransformator, die 6kV-Mittelspannungsschaltanlage für die Eigenbedarfstrafos und Entwässerungspumpen und den Maschinentransformator der Maschine 5 mit 273 MVA Nennleistung, 400/15,75 kV Nennübersetzung, 2 x 13 Anzapfungen für einen Spannungsbereich von 460,36 bis 339,64 kV, geschaltet über Stufenschalter, 394/10.007 A Nennstrom und der Schaltgruppe YNd5.

In der Maschinenhalle konnten wir Rotor und Stator des Motor-Generators betrachten und erfuhren hier von Herrn Müller weitere Einzelheiten zur Ertüchtigung von Waldeck II. Der Stator wiegt rund 240 Tonnen und wurde wie die Erregeranlage komplett neu hergestellt. Das nebenstehende Bild zeigt den Wickelkopf mit den eingelegten und verschalteten Stäben, das Bild in der unteren Bildergalerie das Innere des Stators mit dem Arbeitsgerüst. Der Rotor hat bei einem Gewicht von ca. 375 t einen Durchmesser von etwa 5,1 m. Nach der Komplettreinigung des Rotors wurden alle Bauteile geprüft und notwendige Reparaturen durchgeführt. Hierzu gehörte z. B. die Erneuerung der Polabstützung. Der Zusammenbau des Stators erfolgte auf dem Montageplatz in der Kaverne. Nach dem Einbau des Stators wird der Generatorläufer wieder eingesetzt und mit Turbine und Pumpe gekuppelt.

Der Einsatz der Francis-Turbine erfolgt mehrmals täglich und mit häufigem Lastwechsel zwischen Minimal- und Volllast zur Netzregelung oder Produktion von Spitzenlaststrom. Die besonders beanspruchten Turbinenregelorgane und Wellenlager sowie alle anderen Turbinenteile wurden nun nach jahrzehntelangem Betrieb im Herstellerwerk geprüft, Schäden behoben sowie Verschleiß und Korrosion beseitigt. Mit dem strömungsoptimierten Laufrad verfügt die Anlage jetzt über 240 MW.

Die Pumpe verfügt über aufwändige bewegliche Laufrad-Labyrinthdichtungen, die im eingefahrenen Zustand bei Pumpbetrieb für einen guten Wirkungsgrad sorgen. Im Turbinenbetrieb, bei dem das Pumpenlaufrad mit der Maschinenwelle rotiert, werden die Labyrinthringe zur Vermeidung von Verlusten, die in den engen Laufradspalten entstehen würden, ausgefahren. Aus dem gleichen Grund wird die Pumpe im Turbinenbetrieb ausgeblasen. Besonders die mit Verschleiß behafteten Bauteile wurden neben anderen im Herstellerwerk geprüft und instandgesetzt. Die stark vorangeschrittene Korrosion wurde beseitigt.

Die vier Ober- und Unterwasserkugelschieber haben die Aufgabe, die Zuströmung von Wasser zur Pumpe bei Turbinenbetrieb und umgekehrt zur Turbine bei Pumpbetrieb abzusperren. Darüber hinaus haben diese Absperrorgane neben den Einlaufschützen am Ober- und Unterbecken eine wichtige Sicherheitsfunktion bei Maschinenstörungen und bei Revisionsmaßnahmen. Dabei sind Betriebsdrücke von 36 bis 38 Bar zu beherrschen. Zur Revision wurden die Kugelschieber, mit Stückgewichten von 90 bis 160 Tonnen ausgebaut, zerlegt und mit Schwertransportern in die Herstellerwerke gefahren. Dort wurden die Lager der Drehkörper, die den Rohrleitungsquerschnitt absperren, instand gesetzt und die für die Absperrfunktion notwendigen Stellmotore und Absperrelemente überholt bzw. erneuert. Alle anderen Teile wurden geprüft und mit neuem Korrosionsschutz versehen.

Über den Zufahrtstollen verließen wir damals im Februar 2006 die Kaverne und betraten das Pumpspeicherkraftwerk Waldeck I aus dem Jahr 1932.

Hier gingen wir durch die Maschinenhalle, in der zwei der vier Maschinensätze zu je 35 MW Leistung voraussichtlich 2007 stillgelegt werden und durch ein neues Schachtkraftwerk mit einer Pumpturbine mit 70 MW Leistung ersetzt werden. Die beiden verbleibenden Maschinensätze werden in Revision genommen und weiterhin zur Spitzenstromerzeugung genutzt. Danach betraten wir die Leitwarte, aus der die beiden Pumpspeicherwerke Waldeck I und II gesteuert werden. Nach einer abschließenden Diskussion über Gesehenes und Gehörtes im Vortragsraum des Besucherzentrums war diese Exkursion beendet. Ein erneuter Besuch nach Inbetriebnahme des noch zu bauenden Schachtkraftwerks wurde für einige Jahre später vereinbart.

Nun, dieser Zeitpunkt kam dann  im Sommer 2009. Am 7. August trafen sich bei herrlichstem Sonnenschein erneut zahlreiche Mitglieder und Gäste des VDE Kassel bei Herrn Dipl.-Ing. Jens Müller in Edertal-Hemfurth, um etwas über den neuen Maschinensatz von 70 MW in vertikaler Anordnung zu erfahren, der zwei der fast achtzig Jahre alten horizontal angeordneten Maschinensätze ersetzen sollte. 

Die Inbetriebnahme dieses Schachtkraftwerks mit einer Leistung von 70 MW als Ersatz der beiden abgebauten Anlagen erfolgte Ausgang des Winters 2009. Am 13. März, nur wenige Tage danach, ereignete sich jedoch ein sehr bedauerlicher Schaden am Motor-Generator, der bis in diese Tage durch eine Neubewicklung des Stators und einen neuen Rotor behoben werden sollte. Aufgrund dieser Ereignisse bekamen wir Ende Juli die Genehmigung zu einer Besichtigung und wurden in mittlerweile gewohnter Weise durch Herrn Müller nach umfangreichen Informationen im Vortragsraum des Besucherzentrums durch die neue Anlage geführt.

Wir begannen am Unterbecken vor der neuen Kraftwerkshalle. Unter dieser Freifläche befindet sich der vom axialen Zu- und Ablauf der Pumpturbine kommende "Schwanenhals", der mit ca. 30 m Wassersäule für eine Vermeidung der Kavitation sorgt. Danach ging es mit dem Fahrstuhl auf die Ebene -7. Dort konnten wir den Unterwasserkugelschieber betrachten. Eine Ebene höher standen wir auf dem Umgang um die Pumpturbine und konnten die Einzelverstellung der Leitschaufeln des stationären Teils der Pumpturbine betrachten. An jedem der Verstellzylinder befand sich ein linearer Weggeber zur Stellungserfassung.

Die Nennleistung der Turbine beträgt 70 MW und ist gleichzeitig auch die Nennleistung der Pumpe. Sie ist bei einer Bruttofallhöhe von knapp 300 m und einer Nenndrehzahl von 500 U/min für einen maximalen Durchfluss von 28 m³/s im Turbinen- und 24 m³/s im Pumpbetrieb ausgelegt. Die Einbautiefe des Laufrads liegt 30 m unterhalb des Wasserspiegels des Unterbeckens auf 176 m NN. Oberhalb der Pumpturbine kann die Zwischenwelle zum Motor-Generator ausgebaut werden. Dies ermöglicht eine Turbinenrevision ohne Demontage des Generators.

Wieder eine Ebene höher war durch einen Türdurchgang hindurch ein Blick auf den Stator des Motor-Generators mit seinen Kühleinrichtungen möglich. Auf einem Bild in der Bildergalerie weiter unten sind die Wickelköpfe der Stabwicklung erkennbar. Erneut die Treppen hinauf war von einem breiten Umgang ein umfassender Überblick über den Motor-Generator möglich. Die Abdeckungen für die Kühlluftführung waren wegen des noch nicht erfolgten Einbaus des Rotors nicht montiert. Der Motor-Generator hat eine Nennleistung von 80 MVA und eine Nennspannung von 10,5 kV. Über einen Anfahrumrichter wird der Maschinensatz im Pumpbetrieb hochgefahren. Über einen im Freien stehenden, weiter unten in der Bildergalerie wiedergegebenen  Maschinentransformator gleicher Leistung wird die Energie ins 110-kV-Netz eingespeist bzw. im Pumpbetrieb aus ihm bezogen. Die Zuleitung vom Transformator zur Maschine erfolgt über die gelb lackierten Rohre. 

Darüber befindet sich auf einer in den Schacht hineinragenden Plattform der Phasenumkehrtrenner für die Polwendung. Bei einer Pumpturbine muss wegen der gemeinsamen Nutzung des Läufers im Pump- und Turbinenbetrieb ein Drehrichtungswechsel vorgenommen werden. Dieser erfolgt durch den Polwender mit der Vertauschung zweier Leiter. Auf Hallenebene wieder angekommen stand der neue Rotor des Motor-Generators, fertig für den Einbau, neben der Begrenzung zum offenen Schacht.
Es war für den Unterzeichner nicht möglich, in diesem Bericht auf alle Details der ausführlichen Erläuterungen durch Herrn Dipl.-Ing. Jens Müller, einzugehen. Dazu wären ein Tonmitschnitt oder mehrere Protokollanten erforderlich gewesen, denn die Kamera musste ja neben dem Gang durch die weitläufigen Anlagen auch noch bedient werden.

Interessierten Lesern dieses Berichts werden die beiden Bücher von Herrn Uli Klein (Edertal) empfohlen, erschienen zur Serie der HNA Hessische Allgemeine im Wartberg Verlag (Gudensberg-Gleichen):

• 100 Jahre Mythos Edersee - Tränen, Bomben, Paradies
• Ein Jahrhundert Edersee - Vom Bau der Talsperre zum Weltnaturerbe

Hierin sind, von Herrn Klein dankenswerterweise zur Verfügung gestellt, neben vielen anderen Bildern auch die beiden Schwarz-Weiß-Bilder vom Bau der Druckrohrleitung auf den Peterskopf und die beiden Farbbilder vom Bau der Kaverne und den beiden Maschinensätzen in der Kaverne abgebildet. 

Weitere Bilder von den Exkursionen zu den Pumpspeicherkraftwerken am Edersee haben wir Ihnen mit der Möglichkeit zur Vergrößerung am unteren Ende dieses Berichts bereitgestellt.

Da wir in 2006 auch eine Exkursion zum Pumpspeicherkraftwerk Goldisthal im Thüringer Wald unternommen haben erreichen Sie den Bericht hierüber unter diesem Link.

Und da wir auch im Jahr 2016 eine Exkursion zu den wasserbaulichen Anlagen am Edersee unternommen haben und hierüber berichten, gelangen Sie mit diesem Link zu einem aktuellen Bericht vom 26.12.2016, der über die Anlagen am Edersee weitere Informationen liefert.

Und zusätzliche, eher für die Allgemeinheit geschriebene Informationen über die Kraftwerksgruppe am Edersee erhalten Sie über diesen Link zu Wikipedia. 

Wolfgang Dünkel
Öffentlichkeitsarbeit

(last update 28.12.2016, ursprünglich 26.08.2009)