Binnenwasserstraßen: Abflüsse steuern und Wasserstände regeln
An den staugeregelten Bundeswasserstraßen ist eine genaue Einhaltung der vertraglich festgelegten Wasserstände erforderlich. Die Automatisierung hilft hier mit einer standardisierten Vorgehensweise und sorgt für einen reibungsfreien Betrieb.
Effizient und erneuerbar: Wasser bewegt! Deutschland verfügt über ein wirtschaftlich leistungsfähiges Wasserstraßennetz, das die Seehäfen an Nord- und Ostsee mit den Binnenhäfen verbindet. Die 7.350 km Binnenwasserstraßen bestehen zu 25 Prozent aus Kanalstrecken, zu 35 Prozent aus frei fließenden und zu 40 Prozent aus staugeregelten Flussabschnitten. Im Zusammenhang mit dem Staustufenbau wurden an den größeren Flüssen vielfach Laufwasserkraftwerke errichtet, die mit der erneuerbaren Ressource Wasser Strom erzeugen. Zu den staugeregelten Bundeswasserstraßen mit Wasserkraftnutzung zählen Weser, Oberrhein, Neckar, Main, Mosel, Saar und Donau mit einer installierten Leistung von derzeit ca. 750 Megawatt. Damit wird mit den Laufwasserkraftwerken etwa so viel Energie erzeugt, wie alle Schiffstransporte auf dem Wasser verbrauchen (vgl. Verkehrsinvestitionsbericht 2008).
Mindestfahrwassertiefe garantiert wirtschaftlichen Betrieb der Wasserstraßen
Die Stauziele der Bundeswasserstraßen – also die geforderte Wasserspiegelhöhe oberhalb einer Stauanlage – sind für die Schifffahrt ausgelegt und stellen ihr ganzjährig eine Mindestfahrwassertiefe bereit. Die Fahrwassertiefe bestimmt die maximal zulässige Ladung einer Fahrt und ist entscheidend für den wirtschaftlichen Betrieb der Wasserstraße. Um Grundberührungen und Brückenanfahrungen von Schiffen zu vermeiden, müssen die Stauziele sehr genau eingehalten werden. Beispielsweise beträgt die Stauzieltoleranz an der Mosel lediglich ± 5 cm; insofern ist hier exakte Beachtung geboten. An über 300 Wehranlagen ist die Wasser- und Schifffahrtsverwaltung des Bundes (WSV) verantwortlich für eine Stauregelung, die die Sicherheit und Leichtigkeit des Schiffsverkehrs bei konkurrierenden Nutzungen gewährleisten muss.
Abläufe standardisieren und automatisieren
Für den automatisierten Betrieb einer Staustufe werden Zuflüsse und Wasserstände, die an relevanten Gewässerabschnitten kontinuierlich mit Pegeln gemessen werden, in eine Leittechnik übertragen und dort aufbereitet, beispielsweise indem die schiffsinduzierten Wellen aus den Wasserständen herausgefiltert werden.
Regelalgorithmus kalkuliert den Wasserabfluss: Aus dem Vergleich der aufbereiteten Pegelwasserstände mit einem vorgegebenen Stauziel errechnet sich der Abfluss über das Wehr und/oder das Kraftwerk mit einem Regelalgorithmus. Dieser ist als Regler Bestandteil der Leittechnik. Die Automatisierung der Abfluss- und Stauzielregelung (ASR) wurde in einem Pilotvorhaben an den Moselstaustufen umgesetzt und wird dort mit Erfolg betrieben. Zurzeit wird die ASR für Neckar und Saar sowie kleinere Staugewässer bearbeitet.
Auch die automatisierte und koordinierte Bewirtschaftung mehrerer Stauhaltungen wird in der BAW untersucht und weiterentwickelt. Ziel ist es, jeweils eine Gesamtschau vorzunehmen und die entsprechenden Abschnitte „ganzheitlich“ zu regulieren: Entlang einer Stauhaltungskette sollen kleine Änderungen für die lokale ASR so vorgegeben werden, dass trotz großer Zuflussschwankungen die Stauziele möglichst genau gehalten werden, oder – technisch ausgedrückt – dass das Rückhaltevermögen der Stauhaltungen bestmöglich genutzt wird, um den Abfluss zu vergleichmäßigen.
Interdisziplinäres Denken gefragt
Jeder gestaute Flussabschnitt, eine sogenannte Regelstrecke, weist in Kombination mit seinen Verschlussorganen aus Wehr und Kraftwerk (Stellorgane) ein individuelles Regelverhalten auf. Dennoch sollte versucht werden, die Automatisierung einer Staustufe bzw. einer Kette von Staustufen soweit wie möglich zu standardisieren. Weitere Herausforderungen beim Übergang in die Automatisierung sind die Übertragungstechnik, die Anforderungen an die IT-Sicherheit und an die technische Infrastruktur (zum Beispiel in puncto Maschinensicherheit) sowie die Einhaltung rechtlicher und gesetzlicher Rahmenbedingungen. Hierzu gehört auch, auf welche Weise die Verantwortlichkeit der Wasserführung zwischen WSV und Energieversorgungsunternehmen organisiert wird. Kurz: Die Automatisierung erfordert eine intensive und interdisziplinäre Abstimmung aller beteiligten Stellen – vom Stahlwasser- und Maschinenbau über die Mess-, Elektro- und Regelungstechnik bis hin zur Fluss- und Bauwerkshydraulik.
Der Beschreibung des Stellorgans Wehr liegen Wehrkennlinien zugrunde, die den spezifischen Zusammenhang zwischen Verschlussstellung, Abfluss, Ober- und Unterwasserstand beschreiben. Diese werden in der BAW meist in Labormodellen ermittelt. Für die Beschreibung der Regelstrecke werden in der BAW hydrodynamisch-numerische Modelle erstellt.
Am Rechner simuliert: Wechselwirkungen, Hydraulik und Regelungstechnik
Jede Regelung beschreibt ein rückgekoppeltes Systemverhalten: Bei einem falsch eingestellten Regler können instabile Zustände in der Flussstauhaltung auftreten. Bemerkbar machen sie sich in Wasserstandsschwankungen mit wachsender Amplitude. Daher muss die Regelung einer Staustufe vorab am Rechner durchgespielt und für gut befunden werden. Hierzu bildet die BAW die Hydraulik der Regelstrecke und der Stellorgane sowie die Leittechnik in mathematischen Modellen ab. Die gemeinsame Simulation von Hydraulik und Leittechnik zeigt nun auf, wie sicher, schnell und robust die Regelung arbeitet. Durch Variation der maßgebenden Parameter kann der Regler optimal eingestellt werden.
Umsetzung zeigt erste Erfolge und deutliche Qualitätssteigerung
Dann wird es "real": Die in der BAW entwickelte Leittechnik – bestehend aus Regler, digitalen Filtern und Signaltransformationen – muss aus der Entwicklungsumgebung auf eine echtzeitfähige Zielplattform, wie zum Beispiel eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS), überführt werden. Die Übersetzung in eine andere Programmierumgebung ist allerdings sehr zeitaufwändig und fehleranfällig. Daher sucht die BAW nach Möglichkeiten, einen ausführbaren Code direkt auf eine Zielplattform zu übertragen. Und in der Hinsicht gibt es bereits vielversprechende Ergebnisse, die eine deutliche Qualitätssteigerung erwarten lassen.
Kontinuierliche Annäherung zwischen mathematischem Modell und Regelbetrieb
Die mathematischen Modelle der Flussstauhaltungen und Wehre, die Messungen der maßgebenden Größen Zufluss und Wasserstand und die Implementierung der Leittechnik können immer auch fehlerbehaftet sein und damit zu unerwünschten Abweichungen zwischen Modell und Realität führen. Aus diesem Grunde begleitet die BAW seit Jahren den Wirkbetrieb und arbeitet mit der WSV und den Kraftwerksbetreibern kontinuierlich an einer stetigen Verbesserung des Automatikbetriebes.
