Hydrologische Beweissicherung, Hochwasserschutz und Bauwerksschutz im Bereich Wasserkraftanlagen

Anwender:

Die beiden Unternehmen UNIPER und Verbund-Innkraftwerke, betreiben in Deutschland 118 Wasserkraftwerke.

Die meisten Kraftwerke sind Laufwasserkraftwerke, die rund um die Uhr Strom produzieren und jederzeit verfügbar sind. Speicher- und Pumpspeicherkraftwerke, die in Sekundenschnelle ins Netz einspeisen können, runden den Kraftwerkspark ab.

Wasserkraft spielt unter den regenerativen Energien eine besondere Rolle, da sie rund um die Uhr zuverlässig zur Verfügung steht. Zusammengerechnet produzieren beide Unternehmen mit ihren Wasserkraftwerken rund 10 Milliarden Kilowattstunden Strom. Das reicht um den Jahresbedarf von weit über 2 Millionen privater Haushalte zu decken

Aufgabenstellung:

Die Aufgabenstellung kann man in drei Bereichen zusammenfassen.

Hydrologische Beweissicherung:

Diese wird in den Wasserrechtsbescheiden gefordert. Hier geht es vor allem darum, die Rechenschaft durch Daten bei Gericht den Schaden / nicht Schaden zu Beweisen. Die Wasserwirtschaftsämter sind auch Nutznießer, da sie bei Bedarf die Daten anfordern können.

Hochwasserschutz:

Hier geht es vor allem darum, dass Ingenieurbüros, Hochwasser Modellierungen aus dem Datenarchiv erstellen können. Aber auch Damm und Deich Bauwerke den heutigen Klimawandel anzupassen. ( HQ10 / HQ100 / HQ1000)

 Bauwerksschutz:

Hier wird vor allem der Sohlenwasserdruck (Kraftwerk) und Sickerlinie (Wasserstand im Damm), Sickerwasser gemessen.

Der Sohlenwasserdruck ist eine Bauwerksicherung (Standfestigkeit) die der Statik dient.

Dabei wurde das Bauwerkgewicht zur Bauzeit in der Statik gegen den Wasserdruck im Stauraum berechnet zu dem damaligen Grundwasserdruck.

Erhöht sich der Grundwasserspiegel, würde sich die errechnete Statik aufheben, weil erhöhter Grundwasserstand höheren Druck auf die Bodenplatte ausübt.

Beim Sickerwasserstand in den Staudämmen ist es ähnlich wie bei der Sohlendruckmessung, dass hier ständig die Standfestigkeit des Damms überwacht werden muss.

Zu lösende Probleme:

Zu den Anfangszeiten der Pegelerfassung mussten noch ständig Mitarbeiter vor Ort, um die Pegelstände „von Hand“ zu ermitteln und zu protokollieren.
Später wurden dann die ersten Datenlogger eingebaut, bei denen allerdings auch die Daten zyklisch, mittels Laptop oder speziellen Auslesegeräten, an der Messstelle, ausgelesen werden mussten.
Zudem wurde in den Wasserrechtsbescheiden gefordert, das z.B. bei 75% der Messstellen eine 28 tägige und bei 23% sogar eine 14 tägige Kontrollmessung von Hand, durchgeführt werden muss.
Da wir hier bei beiden Konzernen von ca. 1.500 Messstellen sprechen, ist der Personal- und Kostenaufwand natürlich immens.
Ein weiteres Problem waren Datenlücken, z.B. in Folge von defekten, beschädigen, überschwemmten oder durch Vandalismus beschädigter Messstellen.
Der Anwender spricht hier von Datenqualität.
Diese Datenlücken konnten meist erst erkannt werden, wenn die nächste zyklische Auslesung der Messstelle erfolgte.

Kundenwünsche:

  • Autark abreitendes System, mit langen Batteriestandzeiten
  • Automatischer Datentransfer ins Internet
  • Selbstständige Verifizierung der Messwerte
  • Alarmierung bei Datenausfall
  • Vandalismussicherheit
  • Robuste und Überflutungssichere Hardware

Flusspegelmessung; Datenlogger und Sensoren im Pegelrohr am Steg verbaut

Grundwassermessung im Damm

Sohlendruckmessung zur Bauwerkssicherung

Ausführung:

ACS-Control-System hat bei beiden Unternehmen, bereits ab dem Jahre 2004 die Messstellen mit Pegelmessungen und Datenloggern ausgerüstet.
Damals meist noch reine Datenlogger ohne Datenfernübertragung.
Seit dem Jahre 2019 rüsten wir nun die bestehenden Messstellen auf das neue IOT-System von ACS-Control-System um.
Eine Messstelle sieht in der Regel so aus, dass sie aus einem hydrostatischen Drucksensor, einem Ultraschall- oder Radarsensor und dem Datenlogger besteht.
Die hydrostatischen Drucksonden, mit kapazitiver keramischer Messzelle, komplett im Edelstahlgehäuse, vereinen gleichzeitig die Genauigkeit und Langzeitstabilität der Messzelle mit der Robustheit gegen mechanische Beschädigungen.
Mit diesen Sensoren wird über den hydrostatischen Wasserdruck, der Wasserstand an der Messstelle ermittelt.
Der Ultraschall- oder Radarsensor, ebenfalls eingebaut in der Messstelle, dient dazu, zyklisch einen Referenzmesswert des Wasserstandes, zu ermitteln.
Durch diesen patentierten Aufbau der Messstelle ist es möglich, die Messwerte automatisch verifizieren zu lassen und somit den Aufwand für Kontrolllotungen vor Ort auf ein Minimum zu reduzieren.
Bei Abweichung der beiden Messwerte über eine vom Anwender einstellbare Toleranz, erfolgt automatisch eine Alarmierung.
Bei den Datenloggern sind Fernübertragungsmodule der neuesten Technologie verbaut. Diese können die Daten via LTE-M und NB-IoT Netze, über einen VPN-Tunnel, direkt in die WEB-Cloud übertragen. Das System ist absolut anwenderfreundlich aufgebaut und kann einfach vor Ort über Bluetooth mit einer kostenlosen App parametriert und gestartet werden. Durch die verbauten E-SIM-Karten erfolgt die Datenübertragung, europaweit mit allen Providern und es müssen keine SIM-Karten und Mobilfunkverträge vom Kunden bereitgestellt werden.
Der Energieverbrauch der gesamten Sensorik und des Datenloggers konnte so optimiert werden, dass in der Standardkonfiguration, die Standzeiten der Batterien meist über 10 Jahre liegen.
UNIPER und VERBUND-Innkraftwerke nutzen das ACS-WEB-Portal vor allem als Serviceportal für ihre Messstellen. Dabei können die Messwerte schnell und aussagekräftig analysiert und mit anderen Messstellen verglichen werden.
Auf dem ACS-Portal werden aber nicht nur die Messwerte gespeichert, sondern es ist möglich, die Parameter der Geräte zu verändern, Fotos der Messstelle einzublenden, Alarme zu versenden, den Standort der Messstelle via Google Maps zu zeigen usw.
Das ACS-Portal wird deshalb von den Anwendern sehr geschätzt, da hier sofort erkennbar ist, welche Messstellen z.B. im Alarm laufen, komplett ausgefallen sind, z.B. durch Beschädigung im Hochwasserfall, oder einfach nur eine Wartung benötigen.
Vom ACS-WEB-Portal aus, werden bei beiden Unternehmen die auflaufenden Messdaten dann zeitnah, an deren Server weitergleitet. Diese Weiterleitung der Daten findet dann in einem speziell in der Wasserwirtschaft weit verbreitetem zrxp-Format statt.

Vorteile:

  • Keine externe Spannungsversorgung notwendig
  • Lange Standzeiten der Batterien
  • Einfache Bedienung vor Ort via Bluetooth und kostenloser App
  • Selbstverifizierende Messwerte; wenig Kontrollmessungen nötig
  • Von der Sonde bis zur WEB-Cloud, alles aus einer Hand
  • Datenschutzkonzept nach neuesten Richtlinien; Kritische Infrastruktur
  • Ständiger Zugriff auf Messwerte und Parameter via Internet
  • Schnelle Übersicht über den Status aller Messstellen
  • Vielfältige Wege der Alarmierung möglich
  • Automatischer Export der Daten in die Kunden IT-Struktur
  • Hohe Datenqualität durch selbstüberwachende Messstellen
  • Robustes Meßsystem, Überflutungssicher