Die erfolgreiche Planung und der Bau eines Wasserkraftwerks unter Berücksichtigung der räumlichen Gegebenheiten und ohne Beeinträchtigung des kommerziellen Verkehrs auf einer stark befahrenen Wasserstraße stellte eine Herausforderung für ein Versorgungsunternehmen im Mittleren Westen und die Ingenieure des Projekts dar. Dies ist ein Beispiel dafür, wie Zusammenarbeit und Innovation zum Erfolg führten. Foto mit freundlicher Genehmigung: Stantec
Erfolgreiche Wasserkraftprojekte erfordern ein hohes Maß an Planung und stellen die Ingenieure vor eine Vielzahl von Herausforderungen bei der Planung, Konstruktion und Installation. Die Bauherren müssen natürliche Gegebenheiten wie Verwerfungen und verwittertes Grundgestein, Umweltaspekte im Zusammenhang mit dem Abfluss während der Bauarbeiten und die Gefahr von Überschwemmungen bei Hochwasserereignissen berücksichtigen.
Stellen Sie sich das einmal vor. Genau das hat American Municipal Power (AMP) getan, als es beschloss, grüne Energie, in diesem Fall Wasserkraft, in sein Portfolio aufzunehmen, um Mitglieder in neun Bundesstaaten zu versorgen. AMP beauftragte MWH, das heute zu Stantec gehört, mit der Planung und dem Bau von vier Wasserkraftprojekten entlang des Ohio River, die an Schleusen und Dämmen des U.S. Army Corps of Engineers liegen.
Die Nutzung der Kraft des Flusses war von größter Bedeutung; die Planung musste das grüne Energiepotenzial bei niedriger Fallhöhe an jedem Standort maximieren. Die Arbeiten durften auch den Verkehr auf dem Fluss nicht beeinträchtigen, der nach dem Mississippi die zweithäufigste kommerzielle Nutzung in den USA darstellt.
Der Bau der Willow Island Hydroelectric Facility in der Nähe von St. Marys, West Virginia, stellte eine besondere Herausforderung dar, da sich die Anlage aufgrund ihrer Lage am Fluss von den anderen drei Anlagen unterscheiden würde. Es würde eine kleinere Grundfläche haben, da der Platz durch eine angrenzende Eisenbahnlinie begrenzt ist. Bauwagen und Großgeräte mussten außerhalb des Geländes untergebracht werden.
Das in Ohio ansässige Unternehmen The Ruhlin Company war der Hauptauftragnehmer des Projekts. Der Aushub und der Bau des Kofferdamms begannen im Juni 2011. Mit dem Bau des Krafthauses wurde im Dezember 2012 begonnen. Als Willow Island im Februar 2016 den vollen kommerziellen Betrieb aufnahm, war dies der Höhepunkt eines Prozesses, an dem in der Spitze 485 Arbeiter aus verschiedenen Unternehmen mit einer Vielzahl von Aufgaben beteiligt waren. Heute liefert das 44-MW-Kraftwerk saubere erneuerbare Energie und ermöglicht durch die Netzstabilität auch die weitere Entwicklung intermittierender erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie in der Region.
Ein Zwei-Turbinen-Konzept
Willow Island wurde zeitgleich mit drei anderen AMP-Wasserkraftwerken am Ohio River gebaut. Willow Island unterscheidet sich jedoch in einem wesentlichen Punkt: Es verfügt über zwei Rohrturbinen (Abbildung 1), während die anderen Anlagen – Cannelton (88 MW) in der Nähe von Hawesville, Kentucky; Meldahl (105 MW) in der Nähe von Maysville, Kentucky; und Smithland (76 MW) in der Nähe von Smithland, Kentucky – jeweils drei haben.
1. Das Innenleben. Diese schematische Darstellung des Kraftwerks Willow Island zeigt, wie das Wasser aus dem Ohio River in die Anlage eintritt und durch die Turbine fließt, um Strom zu erzeugen. Das Kraftwerk ist so konzipiert, dass es das ganze Jahr über 24 Stunden am Tag weitgehend autonom arbeitet. Das Kraftwerk ist mit Personal besetzt, das täglich Sicherheits- und Betriebsinspektionen durchführt. Es sind sieben bis 10 Vollzeitmitarbeiter beschäftigt, wobei mindestens zwei Mitarbeiter pro Schicht vor Ort sind. Zusätzliches Personal befindet sich in einem zentralen Kontrollzentrum, um das Kraftwerk und andere AMP-Erzeugungsanlagen zu überwachen. Mit freundlicher Genehmigung: American Municipal Power
Stephen Panozzo, Stantecs Projektleiter für Willow Island, erklärte gegenüber POWER: „Willow Island liegt flussaufwärts von den anderen drei Projekten und hat daher einen etwas geringeren Durchfluss, weil es ein kleineres Einzugsgebiet hat. Je weiter man flussabwärts geht, desto mehr Abfluss gibt es, der zum bereits vorhandenen Fluss beiträgt, so dass je weiter man flussabwärts geht, desto mehr Fluss zur Verfügung steht.“
Der auf Willow Island erzeugte Strom wird laut AMP durch eine 1,6 Meilen lange Übertragungsleitung geleitet, die mit einer bestehenden Übertragungsleitung in West Virginia verbunden ist.
Panozzo betonte „den Wunsch, die Turbinen-Generatoren bei den vier Projekten im Wesentlichen gleich groß zu halten, um Einsparungen bei der Konstruktion, der Herstellung und schließlich beim Betrieb und der Wartung durch die gemeinsame Nutzung von Ersatzteilen und ähnlichem zu erzielen“. Er merkte an, dass AMP „den an jedem Standort verfügbaren Durchflussbereich mit den gewünschten Maschinen ausnutzen wollte, und durch eine technische Studie wurde festgestellt, dass zwei Turbinen-Generator-Einheiten auf Willow Island optimal sind.“
Die Turbinen und Generatoren der Anlage wurden von Voith Hydro aus York, Pennsylvania, entworfen und gebaut. Panozzo sagte, die „Turbinen haben eine garantierte Höchstleistung von 21,8 MW bei einer Netto-Nennfallhöhe von 16 Fuß und einer Synchrondrehzahl von 58,06 U/min“, und merkte an, dass die garantierte Leistung am Punkt des besten Wirkungsgrads 12,6 MW beträgt.
„Die beiden Einheiten sind mit horizontaler Welle, Kaplan-Laufrad, in der ‚Rohr‘-Konfiguration, und sind doppelt reguliert mit verstellbaren Laufradschaufeln und Leitschaufeln“, sagte er. „Jede Turbine hat drei Laufradschaufeln und 16 Schlupfklappen mit einem Laufraddurchmesser von 7,7 Metern. Die Generatoren haben eine Nennleistung von 23,72 MVA bei einer Nennspannung von 6,9 kV und einem Leistungsfaktor von 0,90. Der Rotor ist ein Scheibentyp mit 124 Polen und auf dem Zylinder montierten Feldwicklungen. Die Isolationssysteme des Stators und der Feldwicklungen bestehen aus Materialien der Klasse F, werden aber bei Temperaturen der Klasse B betrieben, um eine längere Lebensdauer zu erreichen. Der Generator ist mit pneumatisch betätigten Bremsen und einem Bremsstaubsammelsystem ausgestattet, um die Ansammlung von Bremsstaub im Kolben zu minimieren.“
Herausforderungen beim Bau
Der Bau auf Willow Island war mit zahlreichen Herausforderungen verbunden, die über die Notwendigkeit hinausgingen, die Bauwagen zu platzieren und die Ausrüstung außerhalb der Baustelle zu lagern. Panozzo merkte an, dass die gleichzeitige Durchführung von vier Projekten „eine Belastung für die Fertigungs- und Bauexpertise darstellte“, obwohl es auch einen Vorteil gab, da es „die Weitergabe von Wissen und Fähigkeiten an die nächste Generation ermöglichte.“ Außerdem konkurrierten andere örtliche Industrien, darunter die Öl- und Gasindustrie, um Bauarbeiter.
Das in New York ansässige Ingenieurbüro Mueser Rutledge Consulting Engineers (MRCE) leitete ein Team, zu dem auch Geocomp, ein Unternehmen aus Massachusetts, gehörte, das sich mit der Planung und Überwachung von Geostrukturen befasst, bei der Planung des Kofferdamms, einer zellenförmigen Struktur, die aus 16 Zellen mit einem Durchmesser von 63 Fuß und einer Höhe von 67 Fuß besteht. Der Kofferdamm war ein wasserdichtes Gehäuse, das es ermöglichte, die Bauarbeiten unterhalb der Wasserlinie durchzuführen. MRCE entwarf Hochleistungs-Felsanker, um den 60 Fuß tiefen Felseinschnitt für den Bau der Anlage zu stabilisieren.
Der Bau des Kofferdammes – und seine Beseitigung – war nur eine der besonderen Herausforderungen beim Bau an einem Fluss. Panozzo: „Der Flusspegel am Willow-Island-Damm ist etwas unberechenbar und steigt und fällt ohne Vorwarnung. Dies erwies sich als Herausforderung, nachdem der Fangedamm entfernt worden war, obwohl das Krafthaus so konzipiert ist, dass es bei Hochwasser überflutet werden kann. Während der letzten Bauphase blieben die Luken des Krafthauses offen, um den Zugang zu den Turbinen/Generatoren zu ermöglichen. Mehrmals musste die Baufirma ihre Ausrüstung aus dem Krafthaus entfernen und die Dachluken montieren, manchmal nur einen Tag vorher.“
Pleasants County, in dem sich St. Marys befindet, ist bekannt für seine Felsen und Sandsteinblöcke sowie das steile Gelände entlang des Flussufers. In einem Gebiet, das als Raven Rock bekannt ist, mussten Flussschiffe vor dem Bau von Schleusen und Dämmen auf dem Fluss oft warten, wenn der Wasserstand zu niedrig war, um den Fluss zu befahren. Viele der Felsen entlang des Ufers sind mit Inschriften versehen, die offenbar von Flussreisenden verfasst wurden, die auf den Anstieg des Wassers warteten.
„Während des Felsabbaus wurde entlang der Uferwand des Kraftwerks eine Überschiebungsstörung freigelegt“, sagte Panozzo, was den Einbau von Felsbolzen und die Verwendung von Spritzbeton erforderlich machte. Ursprünglich war vorgesehen, den Felsaushub für das Fundament des Krafthauses sowie Teile des Zufahrts- und Abwasserkanals, die in den Fels reichen, mit konventionellen Bohr- und Sprengverfahren durchzuführen. Nachdem jedoch die Linienbohrungen entlang der Baugrube abgeschlossen waren, entschied man sich für den mechanischen Aushub des Gesteins mit Planierraupen, einem Bagger mit Brecher und Felsradsägen anstelle von Bohr- und Sprengarbeiten. Darüber hinaus wurde eine Asphaltschleifmaschine eingesetzt, um vertikale und horizontale Felsoberflächen auf die endgültige Linie und das endgültige Niveau zu bringen, wenn die Planierraupen nicht in der Lage waren, die Felsoberflächen innerhalb der erforderlichen Toleranzen abzutragen.“ Große Bulldozer entfernten schließlich etwa 410.000 Kubikmeter Gestein.
Gemeinschaftsnutzen
Panozzo sagte, dass das Willow Island-Projekt 79 AMP-Mitgliedsgemeinden mit Strom versorgt. Seine Grundlasterzeugung gewährleistet die Netzstabilität und ermöglicht den Bau weiterer erneuerbarer Energiequellen wie Wind- und Solarenergie in der Region und deren Anschluss an das Netz. Laut Panozzo kompensiert das Kraftwerk für saubere Energie jährlich etwa 146.000 Tonnen Kohlendioxidemissionen.
Und es gibt noch weitere Vorteile, die über die Bereitstellung von Strom hinausgehen. Das Projekt ist auch für den Bau einer Zufahrtsstraße, von Angelstegen, einer Picknick-Hütte, öffentlichen Toiletten, betonierten Gehwegen und Parkplätzen als Teil eines 14 Hektar großen Erholungsgebiets verantwortlich. Und es soll noch jahrelang Strom aus Wasserkraft liefern.
„Diese Anlage wurde mit Blick auf die nächste Generation konzipiert“, erklärte Panozzo gegenüber POWER. „Bei routinemäßiger Wartung wird es mindestens 60 bis 70 Jahre lang laufen und unseren Enkelkindern saubere, zuverlässige Energie liefern.“ ■
-Darrell Proctor ist Mitherausgeber von POWER.