Swiss Mountain Water Award 2005

Wettbewerb zur Umsetzung von innovativen Wasserprojekten im Schweizer Berggebiet, Trinkwasserkraftwerk Margi


Projektdokumentation

Sarnen, 22. Februar 2005; bpi ingenieure ag, 6060 Sarnen

1 Einleitung
Die Wasserversorgung der Gemeinde Sarnen versorgt rund 8'000 Einwohner des Gemeinde-gebietes von Sarnen auf einer Gesamtfläche von rund 77 km2 mit Trinkwasser. Sie bezieht den überwiegenden Teil des Quellwassers aus dem Gebiet der westlichen Flanke des Sarneraata-les aus einer Höhenlage zwischen etwa 1'500 und 900 m ü.M. Der Anteil Quellwasser an der Gesamtwasserproduktion liegt über 70%. Das Versorgungsgebiet erstreckt sich über ein sehr weites Gebiet und ist bedingt durch die hangorientierten Streusiedlungen stark in einzelne Druckzonen und –gebiete unterteilt.
Aus dieser rein geographisch bedingten Anlagedisposition heraus wird das Quellwasser über mehrere Stufen, in diversen Reservoiren und Leitungen zum Verbraucher geführt. Da der Schwerpunkt der Siedlung und somit auch der Schwerpunkt des Gesamtverbrauchs im Tal-boden liegt, werden die oberen Anlageteile der Wasserversorgung von grösseren Mengen durchflossen, als der eigentliche Verbrauch in den oberen Zonen auslösen würde.
2 Ausgangslage
Zur Einleitung des Trinkwassers in die tieferliegenden Reservoire und Druckstufen sind in vielen Fällen Armaturen zur Druckreduzierung eingesetzt. So auch im Falle des Reservoirs Margi. Der vor dem Reservoir vorhandene Leitungsdruck beträgt rund 15 bar und muss zur schadlosen Einleitung in die Reservoirkammern reduziert werden.
Die vorhandene Ausrüstung für diese Druckreduktion besteht aus einem Druckreduzierventil und einem Ringkolbenschieber des Kalibers 150 mm. Diese beiden Armaturen regulieren be-darfsabhängig den Reservoirzufluss.
Im Sommer 2004 sind beide Armaturen infolge Verschleisserscheinungen defekt geworden. Die hohe hydraulische Belastung mit einem Ruhedruck von über 15 bar hat bei beiden Arma-turen zu grossen Materialerosionen geführt, sodass diese ihre Funktion nicht mehr überneh-men konnten.
2.1 Lösungsmöglichkeiten
Gemeinsam mit der Wasserversorgung Sarnen sind verschiedene Lösungen des Problems dis-kutiert worden. Es sind zwei Lösungsansätze vorgestellt worden.
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2.1.1 Variante 1, Systemersatz
Ersatz Ringkolbenschieber inkl. Antrieb, Ersatz Druckreduzierventil
Gesamtkosten inkl. Montage ca. Fr. 25'000.-
Lebenserwartung: ca. 5-10 Jahre
2.1.2 Variante 2, Turbinierung
Einbau Peltonturbine mit Steuerung anstelle der bisherigen Druckreduzierung
Gesamtkosten inkl. Montagen ca. Fr. 128’500.-
Lebenserwartung: ca. 25-30 Jahre
Bei dieser Lösung darf von einem jährlichen Ertrag aus dem Verkauf der produzierten Energie von ca. Fr. 19'000.- ausgegangen werden.
2.1.3 Gegenüberstellung
Vergleicht man diese beiden Varianten über einen Zeitraum von ca. 25 Jahren (=Lebenserwartung), so stellt man ganz klar fest, dass sich die Variante 2 als wirtschaftlichere Lösung präsentiert.
Variante 1: (Lebensdauer 2-fach erreicht) 50'000.- (Aufwand)
Variante 2: 128’500.- minus 25 x 19'000.- -346’500.- (Ertrag)
(Diese Betrachtungen erfolgen ohne Unterhalts- und Kapitalaufwand)
Während im betrachteten Zeitraum in Variante 1 die Armaturen mindestens 2-mal ersetzt werden müssten, wirft die Variante 2 im selben Zeitraum alljährlich einen Ertrag in der Grös-senordnung von ca. 15% des investierten Kapitals ab.
2.1.4 Variantenentscheid
Die Wasserversorgung Sarnen hat sich angesichts dieses relativ pragmatischen, aber sehr klaren Vergleichs dafür entschieden, ein Projekt für die Turbinierung im Reservoir Margi ausar-beiten zu lassen. bpi ingenieure ag, 6060 Sarnen Trinkwasserkraftwerk Margi
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3 Projektbeschreibung
Das Projekt sieht vor, die Zulaufleitung zum Reservoir Margi neu über eine Pelton-Turbine zu führen. In Abhängigkeit des obenliegenden Wasserstandes im Reservoir Schönenbold wird der Durchfluss geregelt. Für den Fall eines Turbinendefektes wird ein Bypass erstellt, über den das Trinkwasser direkt ins Reservoir eingeleitet werden kann. Die Turbinenanlage läuft im Netzparallelbetrieb und gibt die erzeugte Energie ins öffentliche Stromnetz des EW Obwalden ab.
3.1 Anlagebestandteile
Die Gesamtanlage besteht aus den folgenden Hauptbestandteilen.
3.1.1 Turbine
Als Turbine wird eine vertikalachsige Peltonturbine eingesetzt. Die Mengenregelung erfolgt über eine geregelte Düse. Das Turbinengehäuse ruht auf einem runden Zementrohr NW 700 mm.
3.1.2 Generator
Als Generator wird ein Asynchrongenerator mit 27 kVA Leistung direkt auf der Turbinenwelle gekoppelt. bpi ingenieure ag, 6060 Sarnen Trinkwasserkraftwerk Margi
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3.1.3 Steuerung
Die Steuerung erfolgt über eine vom Leitsystem der Wasserversorgung unabhängigen Steue-rung, welche die Turbinenanlage regelt. Von Leitsystem wird der Wasserstand im obenliegen-den Reservoir übernommen, während die Betriebs- und Alarmmeldungen wiederum ins Leit-system der Wasserversorgung abgegeben werden. Mit dieser Disposition kann erreicht wer-den, dass der ordnungsgemässe Betrieb der Wasserversorgung durch die Energieproduktion nicht negativ beeinträchtigt wird.
3.1.4 Turbinengebäude
Auf der Betondecke des bestehenden Reservoirs Margi wird ein kleines, einfaches Gebäude erstellt, in welchem Turbine und Steuerung untergebracht sind.
Planausschnitt Turbinengebäude
3.1.5 Betrieb und Unterhalt
Innerhalb der Wasserversorgung Sarnen werden bereits seit mehreren Jahren zwei Turbinie-rungen betrieben. Die Erfahrungen zeigen, dass der betriebliche Unterhalt beinahe vernach-lässigbar ist. bpi ingenieure ag, 6060 Sarnen Trinkwasserkraftwerk Margi
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3.2 Leistungsdaten
Das Projekt rechnet mit den folgenden Leistungswerten der Anlage.

  • Q = 9 l/s
    • Q = 18 l/s
      • Q = 14 l/s

Höhe Oberwasser [m ü.M.]

  • 1'058.10
    • 1'058.10
      • 1'058.10

Höhe Turbine [m ü.M.]

  • 905.15
    • 905.15
      • 905.15

Höhendifferenz geogr. [H geo]

  • 152.95
    • 152.95
      • 152.95

Wassermenge [Q in m3/s]

  • 0.009
    • 0.018
      • 0.014

Rohrkaliber [D in m]

  • 0.15
    • 0.15
      • 0.15

Rohrfläche [m2]

  • 0.017668125
    • 0.017668125
      • 0.017668125

Fliessgeschwindigkeit [m/s]

  • 0.51
    • 1.02
      • 0.79

Leitungslänge [L in m]

  • 1'280.00
    • 1'280.00
      • 1'280.00

Rauhigkeitsbeiwert [k]

  • 95.00
    • 95.00
      • 95.00

Rauhigkeitsverlust [Hvr]

  • 2.93
    • 11.73
      • 7.09

Nettohöhe [Hn] in m

  • 150.02
    • 141.22
      • 145.86

Nennleistung [N] in kW

  • 13.25
    • 24.94
      • 20.03

Wirkungsgrad Turbine

  • 0.75
    • 0.85
      • 0.80

Leistung Turbine [Nt] in kW
9.93
21.20
16.03
Wirkungsgrad Generator
0.90
0.93
0.91
Leistung Generator [Ng] in kW
8.94
19.71
14.58
approx. Jahresproduktion:

Minimalmenge

kW 8.94
h 2800
kW/h 25'033
Fr./kWh 0.16
Ertrag Fr.: 4'005.32
Maximalmenge
kW 19.71
h 2200
kWh 43'368
Fr./kWh 0.16
Ertrag Fr.: 6'938.87
Durchschnitt
kW 14.58
h 3600
kWh 52'499
Fr./kWh 0.16
Ertrag Fr. 8'399.88
Total
kW 14.06
h 8600
kWh120'900
Ertrag Fr.: 19'344.07


Der Rückliefertarif von derzeit 16 Rp./kWh entspricht der gültigen Regelung gemäss Tarifblatt des EW Obwalden. Gesamtschweizerisch werden für erneuerbare Energieproduktionen 15 Rp./kWh vergütet.
4 Innovation
Der innovative Ansatz des Trinkwasserkraftwerkes Margi besteht weniger darin, dass hier aus-schliesslich neueste Technologie eingesetzt wird. Obwohl die eingesetzte Technologie der Wasserkraftnutzung bereits seit vielen Jahrzehnten bekannt ist, hat sie in den vergangenen Jahren eine positive Erneuerungsphase durchlebt, sodass man auch in diesem Bereich von neuerer Technologie sprechen darf.
Aus unserer Sicht besteht der innovative Ansatz aber eindeutig darin, dass hier anstelle einer relativ kurzfristigen Sanierung eine grössere Wertschöpfung insgesamt erreicht wurde. Dieser Variantenentscheid ermöglicht nicht nur längerfristig eine Refinanzierung der Investitionen, sondern darüber hinaus einen sinnvollen Beitrag zur Erzeugung erneuerbarer Energien. Die erzeugte Energie entsteht als eigentliches Nebenprodukt der Trinkwasserversorgung, wirft je-doch einen relativ grossen Nutzen innerhalb der Versorgung, aber auch darüber hinaus ab. bpi ingenieure ag, 6060 Sarnen Trinkwasserkraftwerk Margi
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5 Wertschöpfung
Die Wertschöpfung aus dem hier präsentierten Objekt ist aus verschiedenen Perspektiven zu betrachten.
5.1 Finanzielle Betrachtung
Die rein finanzielle Betrachtungsweise bringt in den ersten Jahren wohl einen erhöhten Bedarf an Investitionen, welche sich jedoch angesichts der unmittelbar einsetzenden Refinanzierung durch die Energieproduktion und der langen Lebensdauer der Anlage sehr rasch in eine posi-tive Wertschöpfung verändert. Bei einem Investitionsbedarf von Fr. 128’500.- und einem Net-to-Jahresertrag von ca. Fr. 18'000.- errechnet sich innert der 25 Betriebsjahren eine positive Wertschöpfung von Fr. 321’500.- (250% des Investitionskapitals). Im Durchschnitt der Jahre beträgt die rein finanzielle Wertschöpfung also rund 10% des Investitionskapitals.
5.2 Ökologische Betrachtung
Aus der Sicht der Ökologie kann die Wertschöpfungsbetrachtung insgesamt nur positiv ausfal-len. Sehr positiv zu werten ist die mit der Turbinenanlage erzeugte erneuerbare Energie. Durch die Nutzung der Wasserkraft werden weder Wasserressourcen, noch Flora oder Fauna beein-trächtigt. Das genutzte Wasser wird aus der Quelle bezogen und zu Trinkwasserzwecken ver-wendet. Ob im Zufluss eine Energieproduktion eingesetzt wird oder nicht, verändert weder die Ökologie noch die Landschaftselemente.
5.3 Wirtschaftliche Betrachtung
Die wirtschaftliche Betrachtung ist speziell im Hinblick auf die Fragestellung des Swiss Mountain Water Award interessant. Hätte die Wasserversorgung Sarnen sich für die Realisierung der Lösungsvariante 1 (Systemersatz) entschiedenen, hätte sie wohl im Moment weniger Kapital investieren müssen. Allerdings hätte der Einkauf der Spezialarmaturen im Standortkanton auch zu keinen Umsätzen geführt, da die Produktions- und Lieferstandorte solcher Armaturen ausserhalb des Kantons liegen.
Mit der Realisierung des Projektes konnte der überwiegende Teil der Investitionen durch das lokale Gewerbe realisiert und umgesetzt werden. Diese Betrachtung macht die aktive, aber auch die passive Wertschöpfung des Projektes bis hin zu den Steueraspekten sehr deutlich.
6 Schlussbemerkung
Das Projekt Trinkwasserkraftwerk Margi, Sarnen kann als innovatives Vorhaben im Bereich Wasser – Berggebiet – Energie bezeichnet werden. Die ausgewiesene sehr hohe Wertschöp-fung zeichnen das Projekt ebenso aus, wie die Tatsache, dass dieser Ansatz beispielhaft ist für ähnlich gelagerte Objekte im Alpenraum.


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