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Verfahren zur Speicherung und Regelung strömenden Wassers für Schiffahrt-und
Kraftzwecke. Es wird seit einiger Zeit angestrebt, Schifffahrtstraßen in Kanälen
und Flüssen gleichzeitig der Wasserkraftausnutzung dienstbar zu machen.
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Die Erfindung sucht die oft einander widerstrebenden Bedürfnisse des
ungestörten Schiffsverkehrs und der dauernden Wasserkr aftausnutzung für die Erzeugung
von elektrischem Strom in Übereinstimmung ztt brinen, indem sie einerseits allen
wechseln-Z,
den Anforderungen der Stromverbraucher ohne besondere
Öl- und Dampfreserve, anderseits den Forderungen der -Schiffahrt nach möglichster
Gleichförmigkeit der Wassergeschwindigkeit durch größtmögliche Staunutzung und Vergleichmäßigung
des strömenden Wassers Rechnung trägt.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß drei verschiedene
Kraftwerksarten,_ nämlich Speicherwerke, Ausgleichwerke und Verbrauchwerke, in einer
Reihe von Kraftwerksgruppen so angeordnet und geregelt werden, daß sowohl innerhalb
jeder Kraftwerksgruppe die stoßweise aus den Speicherwerken austretenden Wassermengen
als auch innerhalb sämtlicher Kraftwerksgruppen die wechselnden Wassermengen der
natürlichen Wasserführung aufgefangen, vergleichmäßigt und in Kraft umgesetzt werden,
so daß einerseits im Kanal eine geregelte Wasserführung entsteht, die die Schiffahrt
nicht stört, und anderseits der Höchstwert an Energieausbeute erreicht wird. Dabei
werden die gleichartigen Kraftwerke zur Erzeugung und Abgabe von elektrischem Strom
zusammengeschlossen.
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Unter »Speicherwerken« werden solche Kraftwerke verstanden, die an
größere Speicherbecken und Gefällstufen des Kanals anschließen und bei rasch wechselndem
Strom zur Spitzendeckung dienen.
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Als »Ausgleichwerk -e« werden die unmittelbar unterhalb der Speicherwerke
liegenden Kraftwerke bezeichnet, weil sie, wie später gezeigt werden soll, die Aufgabe
haben, einerseits innerhalb jeder einzelnen Gruppe die bei Spitzenbelastung schwallartig
aus dem Speicherwerk austretenden Wassermassen, anderseits die natürlichen Wasserschwankungen
in dem Urfließzustand des Wasserlaufes-innerhalb der Gesamtheit aller Gruppen auszugleichen.
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Mit » Verbrauchwerken« werden die übrigen Kraftwerke bezeichnet, weil
die an sie angeschlossenen Nutznießer in jedem Fa1-1 den im flberschuß erzeugten
und angebotenen Strom verbrauchen müssen.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden (B a u i i, Z. d. V. D. I. igi9,
Seite 856), am Ende einer Reihe von Speicherwerken ein Gegenbecken mit dahinterliegendem
Kraftwerk anzuordnen, um das von den Speicherwerken ungleichmäßig dem Fluß entnommene
Wasser gleichmäßig über den Tag verteilt in den Fluß zurückzugeben. Dazu ist nötig,
daß (las Gegenbecken denselben Fassungsraum hatwie (las dem ersten Speicherwerk
vorgelagerte Speicherbecken. Bei dieser Regelung bleibt der Urfließzustand des Flußlaufes
hinter dem letzten Kraftwerk nach dem Zusammenmünden, des Flußlaufes durch den Kanal
durchaus erhalten. Es tritt auch keine Aufbesserung des Niederwassers hinter dem
letzten Kraftwerk ein. Die aus den einzelnen Speicherwerken bei jeder Belastungsspitze
austretenden Schwallwellen laufen durch den ganzen Kanal. Infolgedessen ist Schiffahrtbetrieb
auf einer derartigen Kanalstrecke nicht möglich, es sei denn, daß man einen Umführungskanal
von oberhalb des Speicherbeckens bis vor das Gegenbecken führt. Bei dieser Art der
Speicherung und Vergleichmäßigung des Wassers ist eine so weitgehende Staunutzung
des Wassers nicht möglich, .daß Öl- und Dampfreserven entbehrlich werden. Diese
Möglichkeit ist erst gegeben durch die vorstehend angegebene Dreiteilung der Kraftwerke;
wie später gezeigt werden soll.
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Auf der Zeichnung ist eine Ausführungsform einer Kraftanlage zur Ausführung
des Verfahrens gemäß der Erfindung in Abb. i schematisch dargestellt.
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Die Anlage umfaßt 14 Kraftwerke, a1 bis a14, die in dem schiffbaren
Kanal oder Fluß A-B eingebaut sind. b1 bis b14 bezeichnen künstliche oder natürliche
Speicherbecken, die auch durch den Stauinhalt der Kanalhaltungen selbst ersetzt
sein können. Die Anlage ist in vier Kraftwerksgruppen unterteilt. Die erste Gruppe
umfaßt die Kraftwerke a1 bis a5 und besteht aus einem Speicherwerk cal, einem Ausgleichwerk
a2 und drei Verbrauchwerken as, a4, a5.
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Die zweite Gruppe umfaßt die Kraftwerke 0 bis a8 und besteht aus einem
Speicherwerk aE, einem Ausgleichwerk.a' und einem Verbrauchwerk a8.
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Die dritte Gruppe umfaßt die Kraftwerke ag bis a1' und besteht aus
einem Speicherwerk a9, einem Ausgleichwerk alo und einem Verbrauchwerk all.
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Die vierte Gruppe umfaßt die Kraftwerke alt bis a14 und besteht aus
einem Speicherwerk a12, einem Ausgleichwerk als und einem Verbrauchwerk a14.
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Sämtliche Speicherwerke a1, as, as und all geben den erzeugten Strom
an eine Leitung cl ab, sämtliche Ausgleichwerke a2, d', all, als an eine Leitung
c2 und sämtliche Verbrauchwerke as, a4, a5, all, all und a14 an eine Leitung
c3. Von diesen Leitungen wird der Strom zu der Hauptschaltanlage eines Kanalabschnittes
s1, s2, s3 und von dort zu den Verbrauchstellen weitergeleitet. Diese drei verschiedenen
Stromläufe werden nachstehend _ als »Ringe« bezeichnet.
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Die Zahl der Kraftwerksgruppen richtet sich nach der Zahl der größeren
natürlichen oder künstlichen Speicherbecken, umfaßt aber stets mehrere Gruppen.
Die Zahl der Ausgleichwerke ist dieselbe wie die Zahl. der
Speicherwerke.
Die Zahl der Verbrauchwerke hinter dem Ausgleichwerk in jeder Gruppe ist beliebig.
Unter Umständen kann in einer oder der anderen Gruppe das Verbrauchwerk fehlen und
dafür in der benachharten Gruppe mehrfach vorhanden sein.
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Der in den drei Ringen erzeugte Strom ist entweder »Bedarfstroin«,
d. h. Strom, der unter allen Umständen zu jeder Tages- und Nachtzeit geliefert «-erden
muß, oder »Verbrauehstrom«, d. h. Strom, der im über-. schuß erzeugt und in jedem
Falle von den angeschlossenen Werken abgenommen werden muß. An den Ring der Speicher-
und Ausgleichwerke sind daher in der Hauptsache Überlandzentralen, Eisenbahnen u.
dgl. angeschlossen, während der Ring der Verbrauchwerke hauptsächlich an chemische
Inrlustrien gelegt ist, beispielsweise Stickstoffwerke, Luftsalpeterwerke, denen
man den Strom in großen Schwankungen jederzeit geben oder nehmen kann, ohne daß
der Betrieb dadurch eine Störung erleidet.
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Bei Bexlarfstrom ist zu unterscheiden zwischen sogenannten Spitzenstrom,
der plötzlich in seiner Größenordnung wechselt und in den Turbinen des c'-Ringes
erzeugt wird, und der allmählich veränderlichen Grundbelastung, die in der Hauptsache
in den Kraftwerken des c2- und c3-Ringes erzeugt wird. In erster Linie wird die
Grundbelastung durch den Ring der c2-Kraftwerke gedeckt, erst wenn diese nicht ausreichen,
werden die c3 -Kraftwerke als Pufferwerk zur Deckung herangezogen. Von den drei
verschiedenen Kraftwerkarten brauchen daher nur die Speicherwerke Regulierturbinen
mit selbsttätig wirkenden empfindlichen Öldruckreglern zu erhalten, um augenblicklich
bei Spitzenbelastung die entsprechend größere Wassermenge zur Verfügung zu haben
(Regulierwerke). Dagegen können die Ausgleich- und Verbrauchwerke vorwiegend mit
sogenannten Grundbelastungsturbinen ausgestattet werden, die entsprechend der allmählich
sich ändernden Grundbelastung langsam geöffnet und geschlossen «-erden (Grundbelastungswerke).
Durch die Teilung in Regulierwerke und Grundbelastungswerke wird die Gesamtanlage
wesentlich verbilligt und im Betriebe wirtschaftlicher gestaltet.
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Bei kleinster Wasserführung wird in der Regel überhaupt kein Verbrauchstrom
zur Verfügung stehen, da dann die Verbrauchwerke zur Deckung des Bedarfstromes mit
herangezogen werden müssen. Bei normaler Wasserführung wird je nach dem Verlangen
an Bedarfstrom mehr oder weniger Verbrauchstrom zur Verfügung stehen. Bei übernormaler
Wasserführung kann in der Regel viel Verbrauchstrom erzeugt und abgegeben «-erden.
In diesem Falle kann die Erzeugung elektrischer Energie in den c2-und c3-Kraftwerken
durch weiteres Öffnen der Turbinen so gesteigert «>erden, daß in der Regel die Kraftwerke
des c2 -Ringes allein zur Deckung des Bedarfstromes genügen. Die c3-Kraftwerke stehen
dann restlos zur Erzeugung von Verbrauchstrom zur Verfügung. In jedem Falle geht
die Lieferung von Bedarfstrcm der von Verbrauchstrom vor. Die Verbrauchwerke stellen
also die erforderliche Reserve für die Lieferung von Bedarfstrom dar.
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Ist der Wasserzufluß gleich dem Wasserabfluß, so ist \ ormalbetrieb.
Die Kraftwerke aller drei Ringe haben untereinander denselben mittleren Wasserverbrauch,
und zwar die Kraftwerke des c2- und c3-Ringes den sekundlich gleichen Wasserverbrauch,
die Kraftwerke des c'-Ringes sekundlich nach unten und oben stark schwankenden Wasserverbrauch,
da sie Belastungsspitzen <lecken sollen. Auf den Ta.g als Einheit bezogen ist
jedoch der Wasserverbrauch der c'-Kraftwerke der gleiche wie der Wasserverbrauch
der c2- und c3-Kraftwerke. Normalbetrieb wird bei mittlerer Wasserführung des Flusses
die Regel bilden, kann aber im Einzelfalle bei Hochwasserführung wie bei N iederwasserführung
eintreten.
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Reicht die der jeweiligen Wasserführung entsprechende Stromerzeugung
zur Deckung des Bedarfes nicht aus, z. B. bei Nied`erwasser, so werden sämtliche
Speicherbecken zur Deckung des 1Iehrstroniverbrauches herangezogen (Entleerungsbetrieb).
In diesem Falle wird in der Regel Verbrauchstrom nicht abgegeben werden können.
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Ist der Wasserzufluß größer, als die Erzeugung des Bedarfstromes erfordert,
also in der Regel bei Hochwasser, so wird das Mehrwasser zum Teil zur Auffüllung
der Speicher und Kanalhaltungen verwendet (Füllbetrieb), zum Teil in den Kraftwerken
des c3-Ringes zur Erzeugung von Verbrauchstrom ausgenutzt. Die Auffüllung und Entleerung
der Speicherbecken kann je nach Wahl von unten oder oben erfolgen.
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Die dein Kanal sekundlich zufließende Wassermenge vor dem ersten Kraftwerk
sei beispielsweise O'. Dem Gesamtgefälle der Kraftstufen a' bis all entsprechen
daher beim restlosen Abarbeiten dieser Wassermenge O' eine Reihe von Einzelleistungen
izl bis 7t''' der Kraftwerke, die sich zu einer Gesamtleistung N' zusammensetzen.
Wird nun vorübergehend die zur Deckung des Stromverbrauchs erforderliche Gesamtleistung
N sehr rasch größer als N', so ist der Mehrbetrag N-N' zunächst aus den Kraftwerken
des Ringes c' zu decken, die zu -diesem Zweck die
entsprechend größere
Wassermenge 0 durch die Turbinenanlagen zum Abfluß bringen müssen. Die Mehrwassermenge
0-01 ist somit aus den vor den cl-Kraftwerken gelegenen Speicherbecken zu entnehmen
und ihnen bei steigender Wasserführung oder bei vermindertem Stromverbrauch zum
Zwecke der Auffüllung wieder zuzuführen.
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Wenn nun die aus den cl-Kraftwerken austretenden Wassermengen ohne
weiteres dem freien Durchfluß durch den Schiffahrtweg A-B überlassen würden, so
würde der Wechsel von Größtwassermenge und Kleinstwassermenge zu einem regellosen
Durcheinander der Wasserströmungen führen. An verschiedenen Stellen des Kanales
würden die Schiffe auf Grund aufsitzen, und an den dazwischenliegenden Stellen würden
die Fahrzeuge in wilder Strömung liegen, so daß eine regelrechte Schiffahrt ausgeschlossen
wäre.
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Nehmen wir z. B. den Fall an, daß die Turbinen des cl-Ringes Bahnstrom
liefern, also starke sekundliche Schwankungen in der Stromabnahme vorhanden sind,
so werden entsprechend jeder Stromschwankung im Ringe cl plötzliche Wassermengenschwankungen
hinter jedem Speicherwerk auftreten, da die empfindlichen Öldruckregler augenblicklich
auf jede Stromschwankung ansprechen und die Turbinen öffnen oder schließen. Die
bei Belastungsspitzen aus den Speicherwerken austretenden Schwallwellen werden nun
durch entsprechende Regelung der Turbinen der Ausgleichwerke so abgearbeitet, daß
trotz der ungleichen Wasserführung der cl-Kraftwerke das Wasser auf die Zeiteinheit
bezogen, vergleichmäßigt durch die Werke der Ringe c2 und c3 abfließt. Die Regelung
der Ausgleichkraftwerke muß dabei nicht plötzlich, sondern kann allmählich erfolgen
(siehe Abb. 2).
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In Abb. 2 ist der Abfluß aus dem Speicherwerk mit e, der Abfluß aus
dem Ausgleichwerk mit f bezeichnet. Die Zacken der Kurve stellen die Belastungsspitzen
dar. Man ersieht aus den beiden Linienzügen ohne weiteres, wie die Schwallwellen
nach dem Austritt aus dem Speicherwerk durch das Ausgleichwerk vollkommen vergleichmäßigt
werden, so daß sie die Schiffahrt nicht stören.
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Neben der Vergleichmäßigung der Schwallwellen haben die Ausgleichwerke
noch die weitere Aufgabe, auch den Urfließzustand des Wasserlaufes von Gruppe zu
Gruppe zu vergleichmäßigen, um Wasserverluste zu vermeiden und damit das Maximum
an Energieausbeute zu erreichen.
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Es sei z. B. der Fall angenommen, daß eine Hochwasserwelle durch die
Schiffahrtsstraße fließt.
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In Abb.2 sind die bei Spitzenbelastung auftretenden Schwallwellen
auf eine Hochwasserwelle e aufgesetzt. Der Linienzug f stellt infolgedessen zugleich
die Vergleichmäßigung der Hochwasserwelle innerhalb einer einzelnen Grappe dar.
Diese Vergleichmäßigung ist noch verhältnismäßig gering. Sie kann jedoch in den
nächsten Kraftwerkgruppen schrittweise weitergetrieben werden, so daß die Linie
f in eine der Wagerechten sich nähernde Kurve übergeht.
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In Abb.3 ist die schrittweise Vergleichmäßigung in den vier Kraftwerksgruppen
der Abb. i durch die Linienzüge i, 2, 3, ¢ dargestellt. Die Abbildung läßt erkennen,
daß die Kurve :2 des zweiten Ausgleiches dort ihren Wendepunkt 2- hat, wo die Ausgleichlinie
i des ersten Ausgleiches ihren Höchstwert ihat und umgekehrt, daß die Ausgleichlinie
2 dort ihren Höchstwert 2'n hat, wo die Ausgleichlinie i ihren Wendepunkt i1° hat.
Um diese Lage der Scheitel- und Wendepunkte der Kurve zu erreichen, werden die.
Turbinen der Ausgleichwerke zwecks Aufnahme der Hochwasserwelle nicht so weit geöffnet,
wie dies dem Steigen des Wasserspiegels vor dem Kraftwerk entspricht, d. h. daß
die Höchstöffnung mit dem Höchstwasserspiegel zusammenfällt, sondern die, Turbinen
stehen zum Zweck der Auffüllung des vorhandenen Stauraumes durch die Hochwasserwelle
auch noch bei abnehmendem Wasserspiegel weiter offen und werden erst dann langsam
wieder geschlossen,. wenn ein erneutes Steigen des Wasserspiegels gemeldet wird.
Wenn beispielsweise im Ursprungsgebiet des Flusses eine Ge-witterhochwasserwelle
abläuft, die in zwei bis drei Tagen durch die Kanalstrecke fließt, so können von
der Kraftverteilungsstelle aus je nach der Stärke und Dauer der Hochwasserwelle
rechtzeitig durch Strombelastung die entsprechenden Stauräume frei gemacht und durch
die Hochwasserwelle wieder zur Füllung gebracht werden.
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Die Kurve q. weicht von der Wagerechten nur wenig ab. Infolgedessen
herrscht hinter der vierten Kraftwerksgruppe im Unterwasser trotz der aufgenommenen
Hochwasserwelle gleichmäßige und sogar verbesserte Wasserführung. Als Grenzfall
wird angestrebt, daß das Wasser hinter dem letzten Kraftwerk unabhängig von dem
vor dem ersten Kraftwerk befindlichen wechselnden Urfließzustand völlig vergleichmäßigt
das ganze Jahr über zum Abfluß kommt.
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Durch diese Art der Staunutzung und Regelung wird im Endzweck erreicht,
daß über die Wehranlagen der Kraftwerke kein Freiwasser nutzlos abfließt. Die Energieausbeute
und Energiebereitschaft erreicht infolgedessen den höchstmöglichen Wert, so daß
01- und Dampfreserven entbehrlich werden.
Die Kraftwerke des c3-Ringes
sind die sonst durch Öl oder Dampf zu deckenden Reserven, die je nach der Wasserführung
Beclarfstroin oder Verbrauchstrom abgeben.
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Diese beiden Aufgaben der Ausgleichwerke, nämlich der Ausgleich der
Schwallwellen innerhalb jeder Kraftwerksgruppe und die Vergleichmäßigung des natürlichen
Fließzustandes innerhalb der Reihe der Kraftwerksgruppen, ergeben eine vollständige
Bindung für die hydraulische Regelung der Ausgleichkraftwerke. Diese Werke haben
daher keinen elektrischen Freiheitsgrad für die Stromversorgung. Außerdem sind aber
die Speicherkraftwerke elektrisch gebunden und haben daher keinen hydraulischen
Freiheitsgrad, da sie plötzliche Stromschwankungen durch entsprechend rasches Öffnen
und Schließen der Turbinen aufzunehmen haben. Eine störungslose Stromversorgung
mittels der Speicher- und Ausgleichkraftwerke allein ist daher unmöglich, wenn die
Ausgleichkraftwerke gemäß Ahb.3 geregelt werden. Es müssen Kraftwerke vorhanden
sein, deren Freiheitsgrad für die Stromversorgung nicht beschnitten ist. Das sind
die Kraftwerke des c3-Ringes. Für diese Werke besteht keine elektrische und keine
hydraulische Bindung, sondern umgekehrt völlige Freiheit der hydraulischen Regulierung
und Stromabgabe, da die angeschlossenen chemischen Industrien gestatten, die Stromlieferung
nach Belieben einzuschränken oder zu vergrößern. Wenn die Verbrauchwerke nicht vorhanden
wären, könnten die Ausgleichwerke unmöglich gemäß Abb.3 geregelt werden, weil dann
jeder Freiheitsgrad für die Stromversorgung wegfiele. Die Dreiteilung in Speicherwerke,
Ausgleichwerke und Verbrauchwerke dient also dein Zweck, für die gesamte Anlage
einen elektrischen und hydraulischen Freiheitsgrad zti schaffen, cler für Schiffahrts-
und Kraftzwecke erforderlich ist.
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Die Vergleichmäßigung der Wasserführung durch die Art der Regelung
nach Abb. 3 dient nicht allein zur Erhöhung der Energieausbeute, sondern kommt auch
der Schiffahrt zugute. Die Schiffe können durch die Haltungen hinter den Ausgleich-
und den Verbratichwerken unmittelbar durchgeschleust werden. Umführungskanäle für
die Schifffahrt sind lediglich um die Speicherwerke zu legen. Infolge der Vergleichmäßigung
kommt das Wasser unabhängig von dem vor dem ersten Kraftwerk befindlichen Urfließzustand
das ganze Jahr über mit erhöhtem Niederwasser zum Ab$uß. Die Sicherheit des Fahrbetriebes
ist daher auch bei Flußstrecken mit stark schwankender Wasserführung gewährleistet.
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Zusammenfassend kann gesagt werden, daß das Verfahren gemäß der Erfindung
ermöglicht, die wechselnde Wasserführung eines Flusses aufzunehmen, zu vergleichmäßigen,
in Kraft umzusetzen und die Kraft dem schwankenden Kraftbedarf angepaßt abzugeben,
ohne die Schiffahrt zu stören. Dieser Erfolg wird erreicht durch die Dreiteilung
der Kraftwerksgruppen und deren Verbindung und Regelung, die eine stetige und vergleichmäßigte
Wasserführung im Kanal und im Unterwasser entstehen läßt, welche die Schiffahrt
braucht, Öl- und Dampfreserven entbehrlich macht und die Möglichkeit gibt, den Hauptteil
der Kraftwerke mit vereinfachter Regulierung, also als sogenannte Grundbelastungswerke,
zu bauen.