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Schnörkellos und hocheffizient - ein Kraftwerkskonzept als Spiegel der Notwendigkeiten

Angesichts schwieriger wirtschaftlicher Rahmenbedingungen stand der Bau des Kleinkraftwerks Kremsbrücke unter dem Diktat eines möglichst rationalen Kraftwerkskonzepts.

Den Ingenieuren der Kärntner Elektrizitäts AG (Kelag), die für die technische Umsetzung verantwortlich zeichneten, gelang dabei der Spagat, ein Kleinkraftwerk ohne „Schnörkel“ und Extras zu verwirklichen, das zugleich nicht die geringsten Kompromisse in Sachen Effektivität, Langlebigkeit, Verfügbarkeit und Sicherheit eingeht. Mit einem geplanten Budget von rund 8,0 Mio. Euro konnte die Anlage im veranschlagten Budgetrahmen realsisiert werden. Im Jahr wird das neue Lieser-Kraftwerk circa 12 GWh elektrische Energie erzeugen.

Mehrere Projektwerber für einen Standort: Das muss nicht zwangsläufig in ein endloses Widerstreitverfahren münden. Manchmal werden auch Kompromisse geschlossen und aus dem Gegeneinander wird ein Miteinander. So geschehen beim Kraftwerk Kremsbrücke im Kärntner Grenzgebiet zum Salzburger Lungau, wo seit einigen Jahren Bemühungen für ein Kleinwasserkraftwerk gelaufen sind. Sowohl die Kelag als auch private Unternehmer wälzten Pläne für ein Kraftwerk. „Für uns ist die Lieser ja kein unbekanntes Gewässer. Wir betreiben hier mehrere Anlagen, bei manchen sind wir beteiligt. Daher war es für uns auch sinnvoll, auf den Zug aufzuspringen und gemeinsam mit den anderen Projektwerbern ein solides Kraftwerkskonzept auf die Beine zu stellen“, sagt Mag. Dipl.-Ing. Stefan Rupp von der Kelag.

Suche nach perfektem Kompromiss
Das Team der Kelag sollte in der Folge für die gesamte technische Abwicklung verantwortlich zeichnen und stand dabei vor einer zentralen Aufgabe: den perfekten Kompromiss zwischen solider Technik und hoher Wirtschaftlichkeit zu finden. Das war dem hohen Kostendruck geschuldet. „Wir haben versucht, hier besonders genau auf die Kosten zu achten. Das bedeutet, dass wir keine Risken oder Mängel tolerieren, aber auch keine unnötigen Extras und ‚Spielereien‘. Und dies spiegelt sich letztlich in der Ausführung des Kraftwerks von der Bachfassung bis zu den Maschinensätzen wider. Bei dieser Anlage kann man nichts mehr weglassen“, so Dipl.- Ing. Stefan Leitner. Dass die Projektpartner den Verantwortlichen der Kelag dabei besonders genau über die Schulter schauten, war den erfahrenen Kraftwerksbauern selbstredend bewusst. „Uns war bewusst, dass man als großer Energieversorger sich zuerst das Vertrauen verdienen musste, dass man auch strikt nach marktwirtschaftlichen Kriterien vorgehen kann. Aber ich denke, das ist uns gelungen.“  2017 wurde die Kraftwerksgesellschaft Kremsbrücke GmbH gegründet, an der ca. 75 Prozent von den privaten Unternehmern und die restlichen ca. 25 Prozent von der    Kelag gehalten werden. Im ersten Quartal 2017 erfolgte der Start für die Bauarbeiten.

Logistische Herausforderungen
Beim Kraftwerk Kremsbrücke handelt es sich um ein Ausleitungskraftwerk an der Lieser, das eine natürliche Gefällestufe von knapp 59 m nutzt. Die Wehranlage besteht im Wesentlichen aus einer stählernen Wehrklappe, einem Fassungsbauwerk mit Seiteneinzug, an das ein 3-Kammer-Entsander anschließt, sowie einem technischen Fischpass, der in Vertical-Slot-Bauweise ausgeführt wurde. Die druckfeste Verbindung zwischen Fassung und Maschinenhaus wurde durch eine rund 1.900 m lange Druckrohrleitung, bestehend aus GFK-Rohren DN1700 bzw. DN1500, hergestellt. An deren unterem Ende befinden sich die beiden Maschinensätze, die in der Lage sind, eine Wassermenge von 5,3 m3/s zu verarbeiten.
Im Rahmen der baulichen Umsetzung kamen einige Herausforderungen auf die Verantwortlichen und die beiden beauftragten Baufirmen zu. Speziell die Verlegung der Druckrohrleitung sollte so manche Hürde parat halten. „Die behördlichen Auflagen erlaubten keine Totalsperre der Katschberg Bundesstraße, unter der die Druckrohrleitung großteils verlegt wurde. Eine Fahrspur musste immer offenbleiben, selbst in der Nacht. Mittels Ampelregelung ließ sich das ganz gut bewerkstelligen, war aber alles andere als einfach“, schildert der Projektleiter der Kelag, Dipl.- Ing. Jörg Friedrich. Besonderes Augenmerk wurde auf die Bettung und die Untergrundverdichtung gelegt, schließlich durfte es zu keinen Setzungen kommen. Mittels externer Überprüfungen wurde dies überwacht.

Mit Schrägschnitten um die Kurve
Bei der Wahl der Rohre setzten die Betreiber auf GFK-Rohre vom Typ FLOWTITE aus dem Hause Amiblu, geliefert von der Firma Etertec aus Klausen-Leopoldsdorf und verlegt von der Firma Fürstauer Bau. Dank der Endlos-Wickeltechnik und dem Sandwich-Aufbau gilt der Rohrtyp als äußerst widerstandsfähig sowohl gegen Innendruck als auch gegen Axialspannungen und gegen Stoß- bzw. Schlagbelastungen. Weitere Pluspunkte sind ihre Korrosions- und UV-Beständigkeit, sowie der niedrige Reibungskoeffizient, der sie letztlich für den Einsatz in der Wasserkraft prädestiniert. Das vergleichsweise geringe Gewicht ermöglicht ein einfaches Handling und erleichtert somit die Verlegung. Im Fall der Rohrverlegung im Liesertal kam ein weiterer Vorteil des FLOWTITE Rohres zum Tragen: die Möglichkeit, Schrägschnitte an den Rohrenden anzubringen. Auf diese Weise können die Radien einer kurvenreichen Rohrtrasse ohne zusätzliche Widerlager realisiert werden. „Bedingt durch die zahlreichen Kurven der Bundesstraße, der unsere Rohrtrasse im Wesentlichen folgt, haben wir von dieser Möglichkeit der Schrägschnitte Gebrauch gemacht und daher nur sehr wenige Fixpunkte errichten müssen. Das hat sehr gut funktioniert“, sagt Jörg Friedrich. Um den Belastungen in der Straße gerecht zu werden, kamen Rohre der Steifigkeitsklasse SN 10.000 zum Einsatz. Die Mindestüberdeckung beträgt 1,20 m. „Zum Teil beträgt die Überdeckung zur Auftriebssicherung auch mehr. In den betroffenen Abschnitten wurde die Rohrleitung mit Vlies ummantelt und unter zusätzlicher Auflast nach unten gespannt“, so der bauliche Projektleiter.

Rohrbrücke in Fachwerkskonstruktion
Eine spektakuläre technische Lösung im Rahmen des Rohrleitungsbaus stellt zweifellos die Rohrbrücke dar, die auf halbem Weg die Lieser auf einer Länge von 35 m überspannt. „Auf dieser Länge wäre eine selbstragende Stahlrohrlösung als Alternative wirtschaftlich nicht in Frage gekommen. Daher haben wir uns für eine Fachwerkskonstruktion entschieden, die von einem Kärntner Stahl- und Anlagenbauunternehmen geliefert wurde“, erklärt Jörg Friedrich. Die imposante Konstruktion wiegt selbst rund 25 Tonnen. Sie wurde in zwei Teilen angeliefert, vor Ort zusammengebaut und anschließend als Ganzes eingehoben. Bereits die Vorarbeiten für die Montage waren aufwändig. Man habe, so der Projektleiter, alleine zwei bis drei Wochen Bauzeit in die Herstellung der Auflager investiert. Mittels Spritzbeton und Mikropfählen sorgte die Baufirma für die Sicherung der Konstruktion.
Die auffällige Rohrbrückenkonstruktion lässt eine weitere Qualität des Gesamtprojekts erkennen – man versuchte, zusätzliche Synergieeffekte bestmöglich zu nutzen. Im Rahmen des Leitungsbaus wurde neben den üblichen Steuerungsleitungen auch noch eine Abwasserleitung der Gemeinde Krems mitverlegt. Auf der Fachwerkskonstruktion liegt somit auch die PP-Kanalleitung direkt neben der deutlich größer dimensionierten Druckrohrleitung, beide geschützt durch ein Trapezdach, das vor allem die Salzbelastung an den Rohren durch den unvermeidlichen Winterdienst­einsatz hintanhalten soll.

Sicherung für labilen Hang
Auch bei der Realisierung der Wasserfassung  mittels Wehranlage war die Fa. Porr als ausführende Baufirma durchaus gefordert. Vor allem die beengte räumliche Situation sowie die geologischen Eigenschaften der angrenzenden Böschung verlangten nach soliden Lösungen. Jörg Friedrich: „Eine Starkniederschlagsphase im letzten Sommer hat zu leichten Hang­rutschungen geführt. Eine Hangsicherung war daher unumgänglich. Diese wurde schließlich mittels Spritzbeton und Ankern realisiert.“ Die erhöhte Wasserführung der Lieser hatte zum Glück keine negativen Auswirkungen auf die Wasserhaltung, die eine einigermaßen trockene Baugrube ermöglichte. Das gesamte Bauwerk wurde auf ein 150-jährliches Hochwasser ausgelegt und entspricht somit bereits den zukünftigen Vorgaben der Gefahrenzonenplanung der Behörden.
Auf der orographischen rechten Seite des Wehrbauwerks wurde die ebenfalls von der Kelag geplante Fischaufstiegshilfe angelegt. Aufgrund des geringen Platzangebotes fiel die Wahl auf einen Vertical-Slot-Pass, dessen Zwischenelemente aus Betonfertigteilen ausgeführt wurden. Er wurde nach den aktuellen Erkenntnissen der Fischökologie geplant und ist für die Äsche als lokalen Leitfisch ausgerichtet.

Herausforderungen im Stahlwasserbau
Als markantester Bauteil der Wehranlage springt natürlich die stählerne Wehrklappe ins Auge, die eine Dimension von 14 m x 2,5 m aufweist. Sie wurde von der Kärntner Maschinenfabrik, kurz KMF, geliefert. „Die KMF war uns als Fertigungsbetrieb bekannt und wurde zu einer Angebotslegung eingeladen. Am Ende des Vergabeprozesses wurde sie von uns als Bestbieter eingestuft“, so Stefan Leitner. Daneben lieferte die KMF noch weitere Schütze, sowie den Feinrechen samt vollautomatischer Rechenreinigungsmaschine. Um das Funktionieren der stahlwasserbaulichen Einrichtung auch bei Tiefsttemperaturen zu gewährleisten, wurden alle Vorbereitungen für Heizungen – etwa für die Sonden oder für die Schütze – getroffen.

Maschinen auf Betonsockel gesetzt
Die elektromaschinelle Antwort auf die hydrologischen Gegebenheiten fiel von Seiten der erfahrenen Kraftwerksplaner der Kelag eindeutig aus: Einmal mehr setzte man auf die klassische Ein-Drittel-Zwei-Drittel-Ausführung, die in dieser Aufteilung mit den beiden ungleichen Maschinensätzen das Wasserdargebot der Lieser über das Jahr hinweg optimal abarbeitet. Die Ausschreibung für die elektromaschinelle Ausrüstung konnte die Firma Kössler für sich entscheiden. Ihr Angebot punktete mit der idealen Kombination aus Qualität, Effizienz und tollem Preis-Leistungsverhältnis, die letztlich die Verantwortlichen der Kraftwerksgesellschaft überzeugte. „Wir haben das Konzept und die Einbausituation mit vielen Details bereits im Vorfeld mit dem Team der Kelag durchgesprochen. Größe und Gewicht der Komponenten spielten dabei ebenso eine Rolle wie der Verlauf von Kühlwasser- oder Ölleitungen. Außerdem hatte man auch zur Wartungsfreundlichkeit und Zugänglichkeit diverse Überlegungen angestellt“, erinnert sich der verantwortliche Verkäufer aus dem Hause Kössler, Ing. Karl Wieder. Baulich entschied man sich in der Folge für eine Lösung, die bei Maschinensätzen dieser Größenordnung nicht üblich ist: Beide Maschinensätze wurden auf massive Betonsockel gesetzt. „Grundsätzlich werden Spiral-Francis-Maschinen ja von unten angespeist und weisen daher zumeist einen Klappenschacht auf. Aus Erfahrung wissen wir, dass sich darin über kurz oder lang Wasser sammelt, das wieder abgepumpt werden muss. Das wollten wir nicht. Zudem ist die Zugänglichkeit auf diese Weise optimal. Gerade für die Montagearbeiter ein hochgeschätzter Vorteil, wenn man bei der Arbeit stehen kann und nicht knien muss“, erklärt der Projektleiter für die elektromaschinelle Ausrüstung, Ing. Michael Kandutsch von der Abteilung Kraftwerksplanung Maschinenbau der Kelag. Er verweist darauf, dass auf diese Weise eben auch perfekte Wartungsmöglichkeiten gegeben seien, auch wenn diese aller Voraussicht nicht häufig genutzt werden müssten. Schließlich sind die Maschinen in Hinblick auf deren Wartung auf ein Minimum ausgelegt. Die Lagerungen im Leitapparat sind wartungsfrei, ebenso wie die Wellendichtung, bei der es sich um eine berührungslose Labyrinthdichtung handelt.
Die massiven Betonsockel für die beiden Maschinensätze wurden in die Bodenplatte eingebunden. Auf diese Weise konnten die Schwingbewegungen an den Maschinen unter 1 mm/s gehalten werden.

Ausgelegt auf Top-Wirkungsgrade
Großes Augenmerk wurde auch auf die Effizienz der eingesetzten Francis-Spiralturbinen gelegt. Über 92 Prozent Wirkungsgrad hatten die Turbinenspezialisten aus dem Hause Kössler vertraglich zugesichert. Laut erster Einschätzung der Zuständigen der Kelag liegt er nun sogar darüber. Die ausgezeichnete Performance verdankt die Turbine dem „hochgetunten“ hydraulischen Profil, das über alle Komponenten optimiert wurde – angefangen von der Spirale, den Stützschaufeln, über die Leitschaufeln und Laufradkanäle bis hin zum Saugrohr. Das gesamte hydraulische Profil der Turbine basiert dabei auf einem verifizierten Modelltest. Damit nicht genug. Um die beiden Maschinen bestmöglich an das schwankende Wasserdargebot der Lieser anzupassen, wurden die Laufradgrößen von den Ingenieuren der Fa. Kössler so gewählt, dass das Umschalten von der kleinen zur großen bzw. auch der Übergang in den Zwei-Maschinen-Betrieb ohne Leistungssprung erfolgen kann. Dazu wurden im Vorfeld schon alle kritischen Betriebsbedingungen simuliert.
Darüber hinaus wurde im Hause Kössler auch das im Lieferumfang enthaltene Verteilrohr strömungstechnisch optimiert, um die Rohrverluste zu minimieren. „Der Endpunkt der Rohrleitung, sowie die Einbausituation der beiden Maschinensätze waren vorgeben. Dazwischen galt es für uns, eine möglichst verlustarme Verteilrohrleitung zu designen. Per CFD-Rechnung wurde sie strömungstechnisch optimiert“, erklärt Projektleiter Florian Trost von Kössler. Der stählerne Bauteil wurde in drei Teilstücken angeliefert, vor Ort montiert, geschweißt und geprüft.

Kleiner Generator mit großem Potenzial
Im Lieferumfang der Turbinenspezialisten aus Niederösterreich waren neben den Turbinen auch die beiden Generatoren enthalten, die ebenfalls bestmöglich für die herrschenden Bedingungen konzipiert und vorbereitet wurden. Bei der kleineren der beiden, die mit 750 Upm dreht und auf 930 kW ausgelegt ist, kommt ein Synchrongenerator aus dem Hause Hitzinger mit einer Nennspannung von 400 V zum Einsatz. Was die Maschine des Linzer Traditionsherstellers besonders auszeichnet, ist nicht nur ihre bewährt hohe Qualität und Robustheit, sondern auch ihre Effizienz, die im ­Zusammenspiel mit der effektiven Francis-­Spiralturbine für Top-Wirkungsgrade sorgt. Ausgelegt ist der mit Wälzlager ausgeführte Generator auf 1.110 kVA, er wurde zudem in einer brandhemmenden Ausführung der Kabel, Klemmen und Schutzrohre ausgeliefert. „Die Maschine ist mit einer bewährten Wälz­lagerkonstruktion ausgestattet, die maximale Lagertemperatur von 75°C wird nicht überschritten“, erklärt Michael Kandutsch, der in diesem Zusammenhang auf die Kühlung der Maschine Bezug nimmt: „Der kleinere Generator der Firma Hitzinger ist mit einer Luftkühlung versehen. Er trägt in den kalten Wintermonaten mit seinem Betrieb dazu bei, das Maschinenhaus zu    temperieren. Der Generator ist mit einem Zuluftfilter  inklusive  einer  Differenzdrucküberwachung ausgestattet.“
Als Besonderheit kam noch ein Schwungrad mit Bremseinrichtung auf der freien Welle zum Einsatz, das die Druckrohrleitung vor den Gefahren eines Druckstoßes im Ausmaß von 40 Prozent über Normaldruck bewahrt. Grundsätzlich stellen die Verantwortlichen der Kelag den Maschinen von Hitzinger ein sehr gutes Zeugnis aus. Man kenne die Qualität und die Charakteristik der Maschinen aus der „Stahlstadt“ sehr gut und schätze sie auch, so Michael Kandutsch.

Großer Generator mit außenliegendem Spannsatz
Weniger bekannt war den Verantwortlichen allerdings die große Maschine, also der Generator für die 1,8 MW-Turbine, die auf 3,53 m3/s Ausbauwassermenge ausgelegt ist. Diese treibt mit 600 Upm einen Synchrongenerator eines deutschen Herstellers an.  
„Die elektrischen Daten der Maschine, aber auch das gute Preis-Leistungsverhältnis haben uns überzeugt. Die gesamte Ausführung bestätigte letztlich unseren Eindruck, dass wir damit eine sehr gute, verlässliche und leistungsstarke Maschine installiert haben“, erklärt Stefan Leitner. Ausgelegt ist der 16 Tonnen schwere Synchrongenerator auf eine Nennleistung von 2,2 MVA bei einer Nennspannung von 900 V. Die Schleuderdrehzahl wird mit 1.300 Upm angegeben. Zur Erhöhung der Trägheitsmomente wurde eine entsprechende Schwungscheibe am freien Wellenende montiert. Neu für die Kelag war dabei, dass diese mit einem außenliegenden Spannsatz montiert wurde. „Wir kannten diese Variante noch nicht, mussten nach eingehender Prüfung aber einräumen, dass dies sehr gut funktioniert. Er bringt darüber hinaus beim Zentrieren der Welle gewisse Vorteile mit sich“, erklärt Stefan Leitner.

Kein Problem mit Lärm
„Grundsätzlich haben wir hier sehr ‚gutmütige‘ Maschinen, die mit einem Drehzahlbereich von 600 Upm und 750 Upm kaum für Lärmentwicklung sorgen. Dennoch war es wichtig, die Geräuschemissionen nach außen so weit wie möglich zu minimieren“, sagt Michael Kandutsch. Nicht zuletzt aus diesem Grund bot sich ein geschlossener Kühlkreislauf, konkret ein Luft-Wärme-Tauscher mit einem Rückkühler im Unterwasserkanal, für den größeren der beiden Generatoren an. „Für den großen Generator hätten wir ohne geschlossenen Kühlkreislauf einen Abluftkanal aus dem Gebäude benötigt, wodurch natürlich Lärmemissionen nach außen unvermeidbar wären“, so der Ingenieur der Kelag. Gerade in Hinblick auf das Maschinenhaus prüfte die Gemeinde die Einhaltung ihrer Vorgaben genau. Dies traf vor allem auf das äußere Erscheinungsbild zu: Größe, Außengestaltung, Dachform, Farbe – der Spielraum war begrenzt.
„Angesichts der begrenzten Platzverhältnisse wurde das von der Firma Porr errichtete Maschinenhaus sehr kompakt geplant und ausgeführt. Auch hier galt: Alles weglassen, was man weglassen kann. Als logische Folge wurde es für die Montagearbeiten daher auch sehr knapp“, erinnert sich Michael Kandutsch. Um die Maschinen überhaupt ins Krafthaus bringen zu können, musste eine Seite der angrenzenden Landesstraße gesperrt und ein Spezialkran hinzugezogen werden. Letztlich war das entscheidende Element die große Erfahrung der Monteure der Firma Kössler im Zusammenspiel mit dem Know-how der Verantwortlichen der Kelag, dass die Montagearbeiten dennoch reibungslos und zügig über die Bühne gingen.

Eingebunden ins Kelag-Leitsystem
Beengte Platzverhältnisse spielten auch bei der elektrotechnischen Ausrüstung des Maschinenhauses mit hinein. „Wie bei allen anderen Komponenten, galt auch hier das Prinzip: ­hohes Qualitätsniveau, aber keine unnötigen Extras. Aus Platzgründen, aber auch aus wirtschaftlichen Überlegungen haben wir uns für eine SF6-Schaltanlage entschieden, die sehr kompakt gebaut ist. Schließlich mussten wir auch mit dem vorhandenen Platz sehr sparsam umgehen. Die ganze elektrotechnische Ausrüstung wurde von SIEMENS Graz abgewickelt, und dies auf bewährt gute Art und Weise“, erklärt Dipl.-Ing. Dr. Peter Marek, der auf Seiten der Kelag für die Leit- und Sekundärtechnik verantwortlich zeichnete. Steuerungstechnisch wurde die Anlage perfekt auf die Wasserganglinie der Lieser ausgerichtet, auch wenn hier nach Einsetzen der Schneeschmelze noch letzte Optimierungsmaßnahmen erforderlich werden. Gleiches gilt selbstredend für die gestaffelte Restwasserabgabe, die dreimal im Jahr an das Wasserdargebot adaptiert wird.
Marek verweist darauf, dass die Visualisierung des SCADA-Systems an das gängige Erscheinungsbild anderer Kelag-Leitsysteme und an den gängigen Standard des Unternehmens angepasst und danach auch ins übergeordnete Leitsystem der Kelag eingebunden wurde, die von der Leitwarte aus auf das Kraftwerk zugreifen kann. Schließlich wurde die Kelag auch mit der Betriebsführung und Instandhaltung beauftragt.

Strom für 3.500 Haushalte
Seit 10. Februar befindet sich die Anlage nun im Probebetrieb. So langwierig sich die Kompromiss- und Partnerfindung im Vorfeld auch hinzog, so zügig sollten letztlich die Umsetzungsarbeiten über die Bühne gehen. Nachdem der Spatenstich Anfang Mai letzten Jahres erfolgt war, konnten die wesentlichen Bauarbeiten bereits vor Weihnachten abgeschlossen werden. „Dass wir sowohl im Kosten- als auch im Zeitplan eine Punktlandung schaffen konnten, verdanken wir auch den beteiligten Firmen, denen Anerkennung gebührt. Die Zusammenarbeit war wirklich sehr gut“, freut sich Mag. Dipl.-Ing. Christian Rupp. Rund 8 Millionen Euro wurden letztlich in das neue Kraftwerk investiert, das im Regeljahr etwa 12 Millionen kWh sauberen Strom ans Netz liefern wird. Damit können immerhin 3.500 Kärntner Haushalte versorgt werden.  
Das Kraftwerksteam der Kelag hatte bei dem Projekt in technischer Hinsicht viele bewährte Lösungen, aber auch gewisse Neuerungen parat und zeigte gleichzeitig, wie breit die Abteilung Kraftwerksbau aufgestellt ist. Von der Projektentwicklung angefangen, über die Ausschreibungen, Vergaben, Abnahmen, elektromaschinelle Bauaufsicht, Montageüberwachung, bis hin zur kaufmännischen Abwicklung konnte das Team sein Know-how einbringen. 


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