Tiroler Wehre sind seit über einem Jahrhundert eine Standardlösung für die Wasserkraft im Gebirge. Sie sind günstig zu bauen, mechanisch einfach, und sie funktionieren: bis zu dem Tag, an dem sie versagen.
Dieser Tag kommt bei Hochwasserereignissen. Der flache Grobrechen des Tiroler Wehrs liegt waagerecht über einem geneigten Wehr, mit einem Stababstand, der groß genug ist, um kleines Geschwemmsel und Sediment durchzulassen. Wenn ein Hochwasser Baumstämme, Äste, Kies oder einen anhaltenden Sedimentschub heranführt, verstopft der Rechen innerhalb von Minuten. Die Stromerzeugung fällt auf null. Das Betriebspersonal muss mit Handwerkzeug hinabsteigen und den Rechen reinigen: manchmal während des Hochwassers, manchmal noch Tage danach. Viele Betreiber von Kleinwasserkraftanlagen (SHP) berichten uns dasselbe: Sie haben durch Verstopfungsereignisse mehr Jahreserzeugung verloren als durch jedes andere betriebliche Problem.
Deshalb ist die Umrüstung von Tiroler Wehren auf Coanda-Rechen zu einer der häufigsten ADENCO-Projektarten geworden. Coanda-Rechen reinigen sich genau bei den Hochwasserereignissen selbst, die Tiroler Wehre außer Betrieb setzen. Sie nutzen steilere Rechenwinkel (bis zu 50° gegenüber den für ein Tiroler Wehr typischen 17°) und engere Spaltweiten, um eine Scherströmung durch den Rechen zu erzeugen, während Geschwemmsel unter dem eigenen Gewicht über die Siebfläche nach unten und über die Unterkante (Abwurfkante) abgleitet.
Dieser Leitfaden führt durch die Nachrüstungsentscheidung: wann sie die richtige Wahl ist, welche baulichen Arbeiten (Beton) erforderlich sind, drei von uns ausgeführte Nachrüstungsarten und die häufigen Fehler, die aus einer sauberen Nachrüstung eine teure Lektion machen.
Warum Betreiber Tiroler Wehre nachrüsten
Die wirtschaftliche Begründung für eine Nachrüstung ist fast immer dieselbe Rechnung, nur mit anderen Zahlen.
Ein Wasserkraftwerk mit einem Tiroler Wehr in der Schwarzmeerregion hat seine Erzeugungsverluste über drei Jahre erfasst. Die jährlichen Verstopfungen bei Hochwasserereignissen führten im Mittel zu 11 Tagen ohne Erzeugung, dazu weitere 19 Tage mit verminderter Erzeugung, während das Betriebspersonal Teilverstopfungen beseitigte. Bei einem 4-MW-Kraftwerk mit einem Kapazitätsfaktor von 40 % und einer Einspeisevergütung von rund 0,075 € je kWh entsprachen diese 30 Tage mit ausgefallener und verminderter Erzeugung etwa 25.000 € entgangenen Erlösen pro Jahr, noch ohne die Lohnkosten der manuellen Reinigung und den Verschleiß am Grobrechen selbst, der entsteht, wenn das Personal Werkzeuge zwischen die Stäbe zwängen, um Geschwemmsel zu lösen.
Das ist die häufige Verlustart mit geringem Schaden. Es gibt auch eine seltene, aber schwere Art: ein einzelnes großes Hochwasserereignis, das den Grobrechen physisch verformt. Wenn sich ein Baumstamm bei Bemessungsgeschwindigkeit zwischen den Stäben verkeilt, kann er die Stäbe dauerhaft verbiegen. Der Ersatz des Rechens kostet je nach Bauwerk 30.000 bis 80.000 €. Ein schlechtes Jahr vereint beide Arten.
Bei einer Coanda-Nachrüstung tauschen Sie diese laufenden Kosten gegen eine einmalige Investition. Der Nachrüstrechen selbst macht nur einen Bruchteil der Investitionskosten (CAPEX) des Wasserkraftwerks aus. Die Betonarbeiten hängen von der Art der Nachrüstung ab (dazu unten mehr). Und nach der Montage arbeitet der Rechen im Reinwasserbetrieb bis zu 25 Jahre (15 bis 20 Jahre in hochwassergefährdeten, sedimentreichen Flüssen) zusammen mit dem ursprünglichen Betonbauwerk.
Betreiber, die eine Nachrüstung hinauszögern, tun dies meist, weil ihnen nicht bewusst ist, dass ein Coanda-Rechen für ihre bestehende Wehrgeometrie überhaupt in Frage kommt. Die gute Nachricht: Die meisten bestehenden Tiroler Wehre sind nachrüstbar, teilweise ganz ohne Änderung am Beton.
Wann eine Nachrüstung die richtige Wahl ist
Fünf Bedingungen, nach Bedeutung geordnet:
1. Verstopfung ist Ihr größtes betriebliches Problem. Wenn Sie durch Verstopfung mehr Stromerzeugung verlieren als durch jede andere Ursache (Ausfälle, Niedrigwasserzeiten, Netzprobleme), amortisiert sich die Nachrüstung rasch. Ist Verstopfung im Vergleich zu einem anderen Engpass nur eine kleine Störung, beheben Sie zuerst diesen.
2. Am Standort stehen unterhalb der Wehrkrone mindestens 0,45 m Fallhöhe (Absturzhöhe) zur Verfügung. Coanda-Rechen benötigen diesen Absturz, um über dem Rechen eine schießende Strömung (Froude-Zahl > 1) für die Selbstreinigung aufrechtzuerhalten. Die meisten Tiroler Wehre haben 1 bis 2 m verfügbare Fallhöhe, sodass dies in der Regel zutrifft. Bei grenzwertiger Fallhöhe zeigt Ihnen eine Prüfung durch einen Ingenieur von ADENCO, ob die Geometrie funktioniert.
3. Ihr Wehr ist mindestens 150 mm breit. Das ist die kleinste Coanda-Standardeinheit (ADENCO-45-0.15), darunter empfehlen wir keinen Rechen. Breitere Wehre sind kein Problem: Anlagen aus mehreren Einheiten decken jeden größeren Durchfluss ab.
4. Das Einlaufbauwerk aus Beton ist in gebrauchsfähigem Zustand. Eine Coanda-Nachrüstung repariert keinen schadhaften Beton. Ist Ihr Wehr gerissen, unterspült oder stark erodiert, sanieren Sie es zuerst oder planen Sie den Neubau als Teil des Nachrüstprojekts ein.
5. Das Wasserkraftwerk soll noch mindestens 10 Jahre in Betrieb bleiben. Die Nachrüstkosten werden über die künftige Stromerzeugung amortisiert. Eine Anlage kurz vor Ablauf ihrer Konzession ohne absehbare Verlängerung ist eine andere Entscheidung.
Treffen alle fünf Bedingungen zu, ist die Nachrüstungsentscheidung eindeutig. Treffen drei oder vier zu, sprechen Sie mit einem Ingenieur. Bei zwei oder weniger ist eine Nachrüstung wahrscheinlich nicht Ihr wirksamster Schritt.
Was bleibt, was sich ändert
Die angenehme Überraschung bei den meisten Nachrüstungen von Tiroler Wehr auf Coanda ist, wie viel der vorhandenen Infrastruktur erhalten bleibt.
Bleibt bestehen (bei den meisten Nachrüstungen):
- Das Wehrbauwerk aus Beton (die Schwelle selbst).
- Die Wasserfangkammer unterhalb des Rechens.
- Die Hochwasserentlastung als Bypass, sofern vorhanden.
- Der Anschluss an die Druckrohrleitung (Einlauf).
- Die Stirnwand und die Anströmgeometrie, in den meisten Fällen.
Änderungen (immer):
- Das Siebpaneel selbst. Der Tiroler Grobrechen wird ausgebaut und durch ein Coanda-Spaltsieb ersetzt.
- Häufig auch der Tragrahmen der Siebauflage, ausgelegt auf die Geometrie des neuen Siebs.
Möglicherweise zu ändern (standortabhängig):
- Der Querschnitt der Wehrkrone, wenn das Tiroler Wehr auf eine strömende Anströmung ausgelegt war und der Coanda-Rechen schießenden Abfluss benötigt.
- Die Neigung der Siebauflage, wenn das Tiroler Wehr bei 15-20° lag und die Auslegung des Coanda-Rechens einen steileren Winkel (40-50°) erfordert.
- Die Höhe der Stirnwand, wenn der Oberwasserspiegel angehoben werden muss, um die richtige Anströmgeometrie zu erreichen.
Der Umfang der Betonarbeiten bestimmt den Typ der Nachrüstung. Drei Typen decken die meisten Standorte ab.
Drei Nachrüstungstypen
Typ 1: Direkter Paneeltausch
Die günstigste Nachrüstung. Das neue Coanda-Siebpaneel passt in die vorhandene Siebauflage und wird dort verschraubt, wo zuvor der Grobrechen saß. Keine Änderung am Beton. Die Fertigung dauert bei Standardbestellungen 2-4 Wochen (bis zu 6 Wochen bei Anlagen mit mehreren Einheiten und bis zu 8 Wochen bei Reihen von mehr als zehn Einheiten); die Montage 1-2 Tage; die Inbetriebnahme erfolgt am selben Tag.
Wann das funktioniert: Die vorhandene Wehrgeometrie liefert bereits eine Anströmung innerhalb der Auslegungsgrenzen für einen Coanda-Rechen (Fallhöhe ≥ 0,45 m, Überströmgeschwindigkeit 1,8-3,7 m/s beim Bemessungsdurchfluss), und die vorhandene Siebauflage ist maßlich mit einem Coanda-Paneel kompatibel.
Praxisbeispiel: die Nachrüstung TISKI Trabzon für TISKI (Wasser- und Abwasserbetrieb Trabzon): 64 Coanda-Rechen in zwei Stufen geliefert, als Ersatz für die vorhandenen Einlaufplatten des Tiroler Wehrs an alternden kommunalen Einlaufbauwerken. Kein Neubau des Wehrs erforderlich.
Typ 2: Teilweiser Umbau des Wehrs
Der mittlere Typ. Das Siebpaneel wird ersetzt UND die Wehrkrone wird umgeformt oder die Neigung der Siebauflage wird geändert. Die Betonarbeiten beschränken sich auf wenige Kubikmeter: eine Änderung des Querschnitts der Wehrkrone oder eine neue, steiler geneigte Siebauflage, die auf das vorhandene Wehr aufgeschraubt wird.
Wann das funktioniert: Das vorhandene Wehr ist statisch einwandfrei, aber geometrisch falsch: typischerweise ein Tiroler Wehr mit 15-20°, das für eine korrekte Scherströmung zu einem Coanda-Rechen mit 40-50° werden muss. Die vorhandene Struktur liefert das Fundament, der Umbau die Geometrie.
Praxisbeispiel: die Nachrüstung Seydioğlu WKW (Wasserkraftwerk) Trabzon: ursprüngliches Tiroler Wehr mit 17° ersetzt durch einen Coanda-Rechen mit 50°, was eine vollständige Neuauslegung des Wehrquerschnitts erforderte. Der ursprüngliche Betonsockel blieb erhalten; der siebtragende Teil wurde in der richtigen Geometrie neu aufgebaut.
Typ 3: Vollständiger Neubau der Wasserfassung
Der aufwendigste Typ. Die Auslegung des Coanda-Rechens gibt ein neues Wehr, eine neue Stirnwand, alles neu vor. Die Betonarbeiten liegen in der Größenordnung von mehreren zehn Kubikmetern Beton zuzüglich Bewehrung.
Wann das funktioniert: Die vorhandene Wasserfassung ist in schlechtem baulichem Zustand ODER die vorhandene Geometrie ist so weit von der Eignung für einen Coanda-Rechen entfernt, dass ein stückweiser Umbau mehr kostet als ein vollständiger Neubau.
Dieser Typ ist seltener als die ersten beiden. Die meisten Nachrüstungen an Tiroler Wehren fallen unter Typ 1 oder 2.
Durchgang durch ein ADENCO-Nachrüstprojekt: TISKI Trabzon
Das Projekt TISKI Trabzon ist eine nützliche Fallstudie, weil es zeigt, wie eine saubere Nachrüstung vom Typ 1 von Anfang bis Ende aussieht.
Standort: Alternde kommunale Rohwasserfassungen im Netz von TISKI. Mehrere Entnahmestellen in einem regionalen System. Die ursprünglichen Grobrechen waren Platten nach Art des Tiroler Wehrs, mit einem Stababstand, der für eine feine Filtration zu groß war, und einer Neigung, die für die Selbstreinigung zu flach war.
Betriebsproblem: Anhaltende Verstopfung bei starkem Geschwemmselanfall. Die manuelle Reinigung war das übliche Betriebsverfahren. TISKI wendete im gesamten Netz jede Woche Personalstunden für die Reinigung auf.
Entscheidung zur Nachrüstung: Direkter Paneeltausch an jeder Entnahmestelle. Die vorhandenen Betonwehre und Tragkonstruktionen waren einwandfrei. Nur die Siebpaneele mussten getauscht werden.
Technische Erfassung: ADENCO nahm jede Entnahmestelle auf, maß die vorhandene Geometrie und dokumentierte sie und legte Coanda-Rechen aus, die zu den vorhandenen Einbaumaßen passten. Wo sich die Maße zwischen den Fassungen unterschieden, wurden die Rechen angepasst, statt jeder Fassung eine einzige Ausführung aufzuzwingen.
Fertigung: Zwei Lieferstufen: Stufe 1 (22 Rechen), dann Stufe 2 (42 Rechen). Insgesamt 64. Alle aus 304 Edelstahl.
Montage: Keine Betonarbeiten. Die vorhandenen Rechenplatten wurden abgeschraubt, die neuen Coanda-Rechen in dieselben Auflager geschraubt. Je Fassungsstandort betrug die gesamte Stillstandszeit weniger als einen halben Tag.
Ergebnis: Kein Stromverbrauch (die Rechen sind passiv). Selbstreinigend über den gesamten Betriebsdurchflussbereich. Die verstopfungsbedingten Personalstunden im Netz sanken auf ein Niveau, das TISKI als "vernachlässigbar" bezeichnet.
Die Gesamtinvestition des Projekts lag um eine Größenordnung unter einem Neubau der betroffenen Einlaufbauwerke. So sieht der Kostenvergleich einer Nachrüstung in der Praxis aus.
Häufige Fehler bei der Nachrüstung
In 12 Jahren Coanda-Nachrüstungen treten immer wieder dieselben fünf Fehler auf. Vermeiden Sie diese, und Ihr Projekt läuft reibungslos.
Fehler 1: Die Spaltweite zu fein festlegen. Die Versuchung besteht darin, einen engeren Spalt zu wählen, als die Anwendung erfordert, in der Annahme, "enger ist besser". Das ist nicht so. Engere Spalte verlegen sich schneller, erhöhen den Druckverlust und erfordern eine geringere Neigung des Keildrahts, die die Überströmgeschwindigkeit begrenzt. Wählen Sie die Spaltweite passend zur Anwendung: typischerweise 1,0 mm für Wasserkraft mit mäßigem Geschwemmsel, enger nur für Fischschutz oder die Abscheidung feiner Partikel. Eine größere Spaltweite nur, wenn viel Geschwemmsel anfällt und keine feine Filtration erforderlich ist.
Fehler 2: Die Anströmgeometrie ignorieren. Ein Coanda-Rechen ist nur so gut wie die Strömung, die auf ihn trifft. Ist die Anströmung turbulent (ungleichmäßige Wehrkrone, asymmetrisches Becken hinter dem Wehr, ungewollte Überströmungen des Wehrs), verstopft der Rechen stoßweise, statt sich selbst zu reinigen. Messen und dokumentieren Sie die Anströmgeometrie genau während der technischen Erfassung, nicht am Tag vor der Montage.
Fehler 3: Verzicht auf die Prüfung durch einen Ingenieur an ungewöhnlichen Standorten. Die meisten Nachrüstungen an Tiroler Wehren verlaufen nach Lehrbuch. Manche nicht: ungewöhnliche Werte der Fallhöhe, ungewöhnliche Wehrbreiten, ungewöhnliche Geschwemmsel-Signaturen, sehr hohe oder sehr niedrige Bemessungsdurchflüsse, Nachrüstungen in Verbindung mit Anforderungen an den Fischschutz. Genau an diesen Standorten macht sich die Prüfung durch einen Ingenieur bezahlt. Unser Auslegungstool zeigt bei diesen Bedingungen automatisch einen Hinweis an und leitet sie vor Beginn der Fertigung an einen ADENCO-Ingenieur zur Prüfung weiter.
Fehler 4: Zu niedrig angesetzte Werkstoffgüte. 304 Edelstahl ist die Standardwahl für Süßwasser führende Gebirgsbäche; 316L wird gewählt, wo das Wasser Chlorid oder Meerwassereinfluss führt. Keiner von beiden ist die richtige Wahl für stark chloridhaltiges Wasser (geothermal, küstennah-ästuarin, warm brackig). Wer für eine Wasserchemie, die Duplex 2205 oder Super Duplex 2507 erfordert, eine austenitische Güte wählt, macht aus einem auf 25 Jahre ausgelegten Rechen einen, der 5 Jahre hält. Bestätigen Sie die Wasserchemie (eine gemessene Analyse, keine Annahme) vor der Fertigung.
Fehler 5: Keine Schutzstäbe dort, wo sie gebraucht werden. Betriebsumgebungen mit „starkem Geschwemmsel“ und „Hochwasserrisiko“ benötigen vorgelagerte Schutzstäbe (Edelstahlstäbe, die vor dem Keildraht montiert sind und den Aufprall von Steinen und Holz aufnehmen). Baumstämme und grober Kies können Siebpaneele aus Keildraht bei den Fließgeschwindigkeiten eines Hochwasserereignisses beschädigen. Schutzstäbe kosten einen kleinen Bruchteil des Rechens, den sie schützen. Wenn an Ihrem Standort bei Hochwasserereignissen jemals großes Geschwemmsel aufgetreten ist, sehen Sie diese vor.
Checkliste für die Angebotsanfrage (RFQ) zur Nachrüstung eines Tiroler Wehrs
Wenn Sie bereit sind, ein Angebot für die Nachrüstung eines Tiroler Wehrs anzufordern, senden Sie diese Angaben an die Technik von ADENCO. Je vollständiger die Informationen, die Sie bereitstellen, desto genauer das von einem Ingenieur geprüfte Angebot.
- Bestehende Wehrgeometrie: Breite, Schwellenquerschnitt, derzeitiger Winkel des Grobrechens, verfügbare Fallhöhe (Absturzhöhe) unterhalb der Wehrkrone.
- Bemessungsdurchfluss in l/s oder m³/h. Sowohl maximaler als auch minimaler Betriebsdurchfluss.
- Angaben zum derzeitigen Grobrechen: Stababstand, Gesamtfläche, Auflagerausbildung.
- Art des Gewässers: Fluss / Gebirgsbach / Kanal / Speicher; saisonales Abflussregime; Vorgeschichte der Eisbildung, falls vorhanden.
- Art und Menge des Geschwemmsels: was derzeit hängen bleibt (Laub / Äste / Kies / Schlamm / gemischt); Vorgeschichte von Hochwasserereignissen.
- Wasserchemie: pH-Wert, Chloridgehalt (mg/L), gelöste Feststoffe insgesamt (TDS), Sedimentfracht. Laboranalyse, sofern vorhanden.
- Anforderungen an den Fischschutz, falls vorhanden. Konformitätskriterien der örtlichen Aufsichtsbehörde.
- Fotos: derzeitige Wasserfassung, Wehr, Detail des Grobrechens, Anströmgeometrie, Sammlung im Unterwasser.
- Ausschreibungs- oder Lieferterminplan: gewünschter Termin der Inbetriebnahme, Vertrags- oder Nachunternehmerstruktur.
Sie können dies als formlose RFQ über das Kontaktformular einreichen oder zunächst in das Auslegungstool eingeben, um vor der förmlichen RFQ eine vorläufige Konfiguration zu erhalten. Das Ergebnis des Auslegungstools hat Ingenieurqualität und ist die 5 Minuten wert; es nimmt dem Angebotszyklus den größten Teil des Hin und Her.
Die Nachrüstung von einem Tiroler Wehr auf einen Coanda-Rechen gehört zu den wirksamsten Investitionen, die einem mittelgroßen Kleinwasserkraftwerk zur Verfügung stehen. Der Umfang der Betonarbeiten ist in der Regel gering. Der betriebliche Gewinn ist in der Regel groß. Und der Kostenvergleich der Nachrüstung fällt an nahezu jedem Standort günstig aus, an dem Verstopfung das wesentliche betriebliche Problem ist.
Wenn die Wasserfassung als Tiroler Wehr Sie Erzeugung kostet, rüsten Sie nach. Der neue Rechen amortisiert sich schnell.