Eines wussten die Kraftwerksspezialisten der Kelag International ganz genau: So wie sich das Kraftwerk Medna im Vorprojekt aus dem Jahr 2009 darstellte, würde man es sicher nicht bauen.

Zu abenteuerlich wirkten die ersten Machbarkeitsstudien für das Kleinkraftwerk an der Sana, rund 80 km von Banja Luka entfernt. Um es realisieren zu können, bedurfte es einer umfassenden Optimierung. Dass diese jedoch nicht mit den neuen Plänen im Jahr 2012 abgeschlossen waren, sollte sich in weiterer Folge zeigen. Bedingt durch äußere Umstände musste das Konzept und zahlreiche Details – auch während der Bauphase – noch öfter angepasst werden, um das Projekt letztlich erfolgreich umsetzen zu können. Dass man von Seiten der Kelag International dank eigener Planungskompetenz immer wieder flexibel reagieren konnte, wurde dabei zum entscheidenden Erfolgsfaktor. Seit März 2018 ist das Kraftwerk Medna nun in Betrieb. Im Regeljahr wird es rund 25 GWh aus erneuerbarer Energie ans bosnische Netz liefern.

Seit nunmehr neun Jahren ist das Kärntner Energieunternehmen Kelag mit ihrer 100-Prozent-Tochter Kelag International in den Ländern Südosteuropas tätig. Man investiert selektiv in kleinere Wasserkraftwerke und Windturbinen – und dies durchaus erfolgreich: In Summe sind es 14 Wasserkraftwerke mit einer Gesamtkapazität von 57 MW, der Großteil davon bereits in Betrieb, für welche die Kelag International mit Unterstützung der Kelag-Kraftwerks­planung (Bauwesen, Elektrotechnik, Maschinenbau) federführend verantwortlich zeichnet. Ein erster Meilenstein der Unterneh-j mensgeschichte markierte die Akquise der slowenischen Inter- Energo 2009, die damals schon einige Konzessionen in die Übernahme mit einbrachte. „Die InterEnergo hatte Konzessionen für drei Kleinwasserkraftprojekte in der bosnischen Teilrepublik Republika Srpska in ihrer Schublade. Das waren die beiden Projekte Zapece und Novacovici, die in den letzten Jahren realisiert wurden, sowie das Projekt Medna an der Sana. Es ist nicht nur das leistungs- und ertragsstärkste Kraftwerk dieses Trios, sondern sollte auch weitaus am aufwändigsten umzusetzen sein“, sagt Dipl.-Ing. Ingo Preiss, Geschäftsführer der Kelag International und Projektverantwortlicher für das Kraftwerk Medna.

Triebwasser aus der Schlucht
Der Standort befindet sich etwa 80 Kilometer südlich der 200.000 Einwohner-Stadt Banja Luka, dem wirtschaftlichen Zentrum Bosnien-Herzegowinas, am Oberlauf der Sana. Die Region ist geprägt vom Karstgebirge, aus dem über einen Bereich von einigen hundert Metern mehrere Quellen zutage treten, die dann den kleinen Wasserlauf Sana bilden. „Im Anschluss an dieses Quellgebiet durchfließt der Fluss eine enge Schlucht, die sich über zweieinhalb bis drei Kilometern erstreckt. Dies ist der Bereich, der als Ausleitungsstrecke geplant und letztlich auch verwirklicht wurde. Für den Kraftabstieg war ein Stollenbau durch das Karstgebirge unerlässlich. Am Ende der Schlucht wird das Wasser im Maschinenhaus turbiniert und in die Sana zurückgeführt“, umreißt Ingo Preiss die Voraussetzungen und das entsprechende Kraftwerkskonzept.

Gemäß Machbarkeitsstudie nicht machbar
2010 bekam die Kelag zum ersten Mal die Machbarkeitsstudie zu sehen. Dabei wurde schnell klar: So kann ein Kleinwasserkraftwerk nach heutigen Kriterien nicht errichtet werden. In der ersten Projektstudie war eine kleine Bachfassung geplant, von der aus das Wasser in einen Freispiegelstollen geleitet werden sollte. Am Ende des Kanals war ein Beton-Wasserschloss mit der stattlichen Höhe von 30 m vorgesehen – und von hier aus sollte dann das Wasser über eine steile Stahldruckrohrleitung zum Krafthaus geführt werden. Die Kernidee der zweiten Projektstudie beinhaltete eine 50 m hohe Bogenmauer aus Beton am Ende des Tals, wo der ganze Fluss aufgestaut werden sollte. „Sowohl die eine als auch die andere Idee kamen für uns nicht in Frage. Im Grunde waren beiden Ansätze für modernen Wasserkraftbau nicht mehr zeitgemäß“, erklärt der Projektleiter und verweist darauf, dass diese Ideen durchaus auch für Negativ-Publicity in den lokalen Medien gesorgt hatten. Für die Verantwortlichen der Kelag stand indes  fest, dass man – wie bei den Anlagen zuvor – keinerlei Kompromisse in Hinblick auf Nachhaltigkeit und umweltfreundliche Umsetzung machen wollte – und ein Kraftwerk nach gleichen Maßstäben zu errichten trachtete, wie man es auch in Österreich tun würde. 2012 lagen die ersten Pläne dafür vor.

Fassungsbauwerk mit Dimensionsproblem
Gemäß den neuen Plänen der Kelag-Kraftwerksplanung war eine klassische Bachfassung mit seitlichem Einlauf vorgesehen, an der eine maximale Triebwassermenge von 12,2 m3/s eingezogen werden kann. Durch den Stollen im Karstgebirge sollte eine GFK-Druckrohrleitung verlegt werden, die man mit Beton hinterfüllen wollte. Im Krafthaus sollten zwei baugleiche Francis-Turbinen zum Einsatz kommen. Dies wenig überraschend: Schließlich beträgt die Bruttofallhöhe 47 m. Die Idee wurde zu Papier gebracht, die Baugenehmigung eingeholt und das Projekt eingereicht. Von Seiten der Kelag war dafür ein Gesamtbudget von 15 Millionen Euro veranschlagt. Einer Umsetzung sollte damit nichts mehr im Wege stehen, oder doch?
„Das erste Problem war, dass sich nach Einholung und Auswertung aller Angebote die erforderlichen Summen zwischen 19 und 22 Millionen Euro bewegten. Darunter war es nicht machbar“, so Ingo Preiss. Das Hauptproblem, so der Projektleiter, lag in der enormen Größe der geplanten Bachfassung, die sechs Entsanderkammern aufwies. Eine effiziente Entsandung in Hinblick auf minimale Korngrößen war unumgänglich, wollte man mit Francis-Turbinen arbeiten.

Kaplan-Turbine für 47 m Fallhöhe
Dass unter Umständen auch eine andere maschinelle Lösung möglich wäre, wurde von Seiten der Firma Kössler angestoßen, dem niederösterreichischen Wasserkraftspezialisten, mit dem die Kelag auch schon bei anderen Projekten in Österreich und am Balkan konstruktiv zusammengearbeitet hatte. Was, wenn man statt der beiden Francis- eine Kaplan-Turbine einsetzen würde? Auf einen Schlag würde aus dem 6-Kammer-Entsander ein 2-Kammer-Sandfang werden, da die Kaplan-Turbine bekanntermaßen höhere Korngrößen problemlos toleriert. Zudem bietet die Kaplan-Maschine deutlich bessere Wirkungsgrade im Teillastbereich, auch wenn sie nicht ganz an die Spitzenwirkungsgrade einer Francis-Turbine herankommt. Doch: Gibt es am Markt eine Kaplan-Turbine, die auf eine Fallhöhe von 47 Meter ausgelegt ist? Von Seiten der Firma Kössler kam ein klares Ja. „Wir haben für die Kelag vor etwa 10 Jahren eine vergleichbare Kaplan-Spiralturbine geliefert. Das war auch der Anstoß zu untersuchen, ob eine derartige Kaplan-Lösung auch für die Gegebenheiten am Standort Medna möglich ist“, erzählt Ing. Karl Wieder, Key Account Manager im Hause Kössler. „Dank dem Know-how unseres Mutterkonzerns Voith Hydro im Großanlagenbau haben wir rasch ein passendes Maschinendesign gefunden. Es gibt ja auch in Betrieb befindliche Kaplan-Spiralturbinen mit 80 m Fallhöhe. Wir konnten hier auf einen Modellversuch und eine ausgeführte Maschine als Referenz zurückgreifen. Das hydraulische Design ist aber schon ziemlich speziell.“ Die Frage nach dem elektromaschinellen Equipment war somit beantwortet.  Ein Optimierungsschritt, mit dem man der Realisierbarkeit des Kraftwerks Medna ein großes Stück näher gekommen war.

Betonschale statt GFK?
Was den Verantwortlichen der Kelag allerdings darüber hinaus Kopfzerbrechen bereitete, war die Frage nach dem Kraftabstieg. GFK­-Rohre waren zum damaligen Zeitpunkt sehr teuer, sodass damit der avisierte Kostenrahmen noch nicht erreichbar war. Man suchte auch hier nach Alternativen. „Anstelle der ursprünglich geplanten GFK-Leitung wollten wir es mit einer dichten Innenschale aus 30 cm dickem, armiertem Beton versuchen. Wir schrieben diese Variante neu aus – und lagen auf einmal kostenmäßig im Plansoll“, so der Projektleiter.
Nachdem die Baugenehmigung hinsichtlich Stollen, Fassungsdesign und der neuen elektromaschinellen Lösung angepasst wurde, konnten die Bauarbeiten im Herbst 2014 beginnen. Sämtliche Bauvorbereitungen hinsichtlich Infrastruktur, Betonmischanlagen etc. wurden bis Jahresende durchgeführt, bevor im Jänner 2015 die Arbeiten am Stollenbau starten konnten. Von zwei Seiten wurde der Stollen durch das Karstgebirge mittels konventionellem Vortrieb (Bohren und Sprengen) vorangetrieben. Im Sommer des selben Jahres wurde zugleich auch mit dem Bau von Krafthaus und Wasserfassung begonnen, wobei dabei eine Hangsicherung mit Spritzbeton und Litzen-Ankern erforderlich wurde. Im August 2016 war es schließlich soweit: Stollendurchbruch – ein Meilenstein für das Kraftwerksprojekt. Die Baufirma habe – so Ingo Preiss – wirklich sehr gut gearbeitet.

Konzept Betonschalung scheitert
Weniger zufrieden konnten die Verantwortlichen mit den weiteren Arbeiten im Stollen sein. „Die beauftragte Baufirma hatte im September 2016 von der Mitte aus damit begonnen, die Auskleidung in beide Richtungen im Zweischichtbetrieb herzustellen. Doch es folgte dabei ein Problem auf das nächste: Zuerst mit den Schalwägen, dann mit der Armierung und zu guter Letzt mit den heftigen und leider unvermeidlichen Wassereinbrüchen im Karst“, erinnert sich der Kärntner Ingenieur. 240 Meter Auskleidung, so sah das Ergebnis nach 6 Monaten aus. Die Baufirma war insolvent, und der Bauherr erneut auf der Suche nach einer anderen Lösung. „Besonders die Wassereinbrüche erschwerten die Betonarbeiten im Stollen massiv, der nach jedem Starkregen geflutet wurde. Und fürs Betonieren braucht man doch eine gewisse Trockenheit. Das Injizieren im Fels stellte sich dabei ebenfalls als Sisyphos-Arbeit heraus. Aus diesem Grund suchten wir noch einmal das Gespräch mit einem GFK-Anbieter, und zwar mit der Firma Etertec aus Niederösterreich“, sagt Ingo Preiss. Zu dieser Zeit, gegen Ende 2016, waren die Preise für GFK-Rohre  wieder deutlich günstiger geworden, die ursprünglich angedachte GFK-Variante rückte somit wieder in greifbare Nähe.

Betonhinterfüllung als Kostentreiber
Nun stellte sich die Frage nach dem Wie. In welcher Form konnten die Rohre verlegt und vor allem hinterfüllt werden? Da die Firma Etertec schon zuvor Projekte erfolgreich abgewickelt hatte, bei denen in bestehende Betonstollen Rohre eingezogen und danach mit Beton injiziert wurden, kam diese Variante aufs Tapet der Planer. Das Problem dabei war allerdings der Abstand zwischen dem grob ausgebrochenen Stollen und dem zu verlegenden Rohr. Bei variierenden Distanzen von 0,20 bis 1,0 m wären für das Hinterfüllen Unmengen an Beton hineingeflossen. Abgesehen davon hätte es eines speziellen Betons bedurft, der sich über Längen von 1,5 km pumpen lässt, wenn man das Hinterfüllen in einem Zug durchführen wollte. „Wir haben dafür Angebote eingeholt. Alleine das Hinterfüllen hätte bei dieser Variante rund 2,5 Mio. Euro gekostet“, rechnet der Projektleiter vor. Im März 2017 wurde in Zusammenarbeit mit der Firma Etertec ein neues Stollenkonzept mittels GFK-­Rohren erarbeitet und der Vertrag mit einer neuen Baufirma aus Banja Luka für die Fertigstellung des Stollens unterzeichnet. Nun sollte die Rohrleitung auf Sätteln aufgeständert werden.

Ausgeklügelte Verlegemethode
Die zwei wesentlichen Kriterien für das so genannte „Inlining“, also der Rohrverlegung im Stollen, waren zum einen die Frage nach dem Einbringen und zum anderen nach dem Zusammenbau der Rohre. Beides verlangt Know-how und Erfahrung, speziell wenn – wie im vorliegenden Fall – der Freiraum zwischen Stollenwand und Rohr kaum mehr als 20 bis 40 cm beträgt. Um die Rohre in den Stollen einzubringen, musste die Baufirma daher spezielle Fahrzeuge bauen. Zudem benötigte man ein besonderes Gerät für den Zusammenbau. Ingo Preiss: „Mithilfe einer Kragarm-Konstruktion wird das Rohr hydraulisch angehoben und dann zusammengeschoben. Es war unerlässlich, dass das Team der Baufirma diese Methode zuvor trainierte. Vor dem Krafthaus wurde also der Zusammenbau mit den Rohren simuliert, was sich letztlich auch bezahlt gemacht hat.“ Doch der Rohrverlegung stand noch etwas im Wege: die 240 m Betonauskleidung, die in der Mitte des Stollens ja zuvor fertiggestellt worden waren. Sie würde, wenn einmal die Rohrleitung verlegt ist, zu einem „Flaschenhals“, einer Engstelle werden, die bei jedem Wassereinbruch eine Flutung verursacht und zu einem permanenten Wasserstand im Stollen geführt hätte. Die Lösung dafür war ein 1,5 m breiter Kanal, der über die gesamte Länge des Stollens, also 2,4 km, ausgeschnitten werden musste. Um den Bereich mit dem armierten Beton aufzuschneiden, musste die Betonschneidemaschine extra dafür adaptiert werden. Wie der Projektleiter betont, war diese Aufgabe keine einfache, zum Teil wurde gesprengt, in anderen Bereichen sogar von Hand gearbeitet. Über 4 Monate erstreckten sich die gesamten Vorbereitungsarbeiten, ehe man sich an die Verlegung der Druckrohrleitung machen konnte.

Ideallösung mit Rohrsätteln
Was die Wahl des Rohrtyps anging, setzten die Betreiber auf das System Flowtite von Amiblu. Im oberen Stollenbereich – bis zum betonierten Abschnitt – kamen Rohre vom Durchmesser DN2800 zum Einsatz, darunter DN2600. Es handelt sich dabei um bewährte GFK-Rohre, hergestellt im kontinuierlichen Wickelverfahren, mit einer Steifigkeit von SN5000. Sowohl was die Verlegemethodik, als auch was die Aufständerung auf den Sätteln angeht, arbeiteten Kelag und die Baufirma eng mit dem niederösterreichischen Rohrlieferanten Etertec zusammen. „Die gesamte Aufständerung wurde von uns gemeinsam mit der Firma Etertec entwickelt und realisiert. Jedes Rohr wird von zwei Sätteln getragen, wobei das eine – ausgeführt mit einer Gummiauflage – als Fixlager, das andere als Gleitlager dient, das leichte Längsbewegungen zulässt. Zusätzlich sind die Rohre über spezielle Spanngurte auf den Sätteln fixiert“, so der Projektleiter. „Während der Bauphase mussten wir sogar ein Loch in die Rohrleitung bohren. Der Grund dafür war ein massiver Wassereinbruch im Karst. Und zum zu verhindern, dass die Rohrleitung während der Verlegearbeiten aufschwimmt, mussten wir Wasser zum Beschweren in die Rohrleitung bringen.“ Rund 4 Monate nahmen die gesamten Verlegearbeiten in Anspruch. Mit der erfolgreichen Druckprobe am 22. Februar dieses Jahres konnten die aufwändigen Arbeiten zur Erstellung des Kraftabstiegs abgeschlossen werden.

Herausforderung der Maschinenauslegung
Zeitgleich zu den Rohrverlegearbeiten wurden bereits die Trockentests an der maschinellen Ausrüstung vorgenommen. Gerade die Turbinenwahl spielte eine zentrale Rolle in der Optimierung des Kraftwerksprojekts. Die Wasserkraftspezialisten der Firma Kössler waren mit der Auslegung und Konstruktion der Kaplan-Spiralturbine für die Gegebenheiten am Kraftwerk Medna durchaus gefordert. Dazu Karl Wieder: „Die Herausforderungen sind auf der mechanischen Seit: Das betrifft den ganzen Verstellmechanismus, der in der Nabe des Laufrades untergebracht ist. Es betrifft die Auslegung des Wellenstrangs in Hinblick auf die biegekritische Drehzahl, um die geforderten Sicherheiten zu beherrschen und natürlich galt es auch, den Stand der Technik in Sachen Wartung und Ökologie umzusetzen. Für die kritischen Bauteile wurden umfangreiche Berechnungen und Festigkeitsuntersuchungen durchgeführt. Hier nutzen wir die Möglichkeiten der 3D-Konstruktion, um mit FE (Finite Elemente) die Belastungen genau zu analysieren und danach die Dimensionen und Querschnitte zu optimieren.“
Der Leitapparat und das Laufrad wurden komplett rostfrei ausgeführt, die Turbinendeckel sind zusätzlich mit Carbid als Verschleißschutz beschichtet. Ebenso wurden die Lauf­flächen der Wellendichtung durch Beschichtung gegen Abrasion geschützt. Um einen sicheren und zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, wurde die Maschine mit einer umfangreichen Instrumentierung versehen. Die gesamte Verlustleistung von der Generatorwicklung und den Lagern wird über ein Kühlwassersystem aus dem Kraftwerk geleitet. Nur so ließ sich ein derartig leistungsstarkes Maschinenensemble in einem kompakten Maschinenhaus unterbringen. Kössler lieferte darüber hinaus auch die Sicherheitsabsperrklappe vor dem Spiraleinlauf, wobei hier auf möglichst geringe Verlustbeiwerte großer Wert gelegt wurde.

Transiente Zustände unter Kontrolle
Ein weiterer, sehr wichtiger Punkt in der Auslegung der Maschinen ergab sich aus der Druckstoßproblematik. Durch den relativ langen Triebwasserweg bedingt, besteht die Gefahr, dass sich kritische Druckzustände einstellen, die bei Netzabschaltung entstehen. Diese Extremzustände hatten die Ingenieure der Firma Kössler durch genaue transiente Berechnung simuliert und letztlich die optimale Lösung entwickelt. Karl Wieder: „Für uns bestand die große Herausforderung in der Beherrschung des Druckstoßes. Zu diesem Zweck wurde vom Generatorhersteller TES ein Maximum an Schwungmasse in den Generator eingebaut. Zusammen mit dem gewählten Trägheitsmoment der Maschine und einer besonderen Reglerkonfiguration für den Leitapparat lässt sich nun der Betrieb innerhalb der Grenzwerte gut beherrschen.“
Der Generator befand sich ebenfalls im Lieferumfang der Firma Kössler – und wurde in entsprechend enger Abstimmung mit dem tschechischen Generatorhersteller TES entworfen und für den Einsatz adaptiert. Von Seiten der Kelag wurde großes Augenmerk auf eine nachvollziehbare Berechnung und die Dokumentation gelegt. „Für die Kelag ist das Thema Sicherheit sehr wichtig. Daher war auch in diesem Fall ein stringentes Sicherheitskonzept vorgegeben. Nicht zuletzt deshalb wurde neben dem elektrischen Überwachungs- und dem Auslösekonzept zusätzlich eine rein mechanische Notschlussauslösung realisiert“, so Karl Wieder.

Eigenkompetenz bedeutet Flexibilität
Durch diese Schwungmasse erhöhte sich das Gewicht des Generators von ursprünglich 40 auf letztlich 55 Tonnen. Das hatte zur Folge, dass der Generator nun nicht mehr in einem Stück in das durchaus unwegsame Hochplateau des Kraftwerksstandorts geliefert werden konnte. Rotor und Stator mussten vor Ort wieder zusammengebaut werden. „Da es sich ja um einen vertikalen Maschinensatz handelt, musste der Läufer von oben in den Stator eingehoben werden. Dies machte eine weitere bauliche Adaption erforderlich: Wir mussten für diesen Montageschritt das Krafthaus noch um 1,5 m erhöhen“, erklärt Ingo Preiss. Er betont in diesem Zusammenhang, wie wichtig es bei einem derartigen Projekt ist, die Planungskompetenz und Autorität in den eigenen Händen zu haben: „Es ist schon ein gewaltiger Vorteil, wenn man die gesamte Planung in der eigenen Hand hat und nicht von Dritten abhängig ist. Wenn es darum geht, etwaige Änderungen schnell und unbürokratisch durchzuführen, können wir uns auf unsere Kraftwerksabteilung im eigenen Haus verlassen.“ Generell liegt wie bei fast allen Kraftwerksprojekten der Kelag eine sehr große Eigenleistungstiefe vor. Von der Projektentwicklung, über die Einreichplanung, Bauplanung, dem elektromaschinellen Konzept, der Ausschreibung, Vergabe, Bauaufsicht, bis hin zur Montagekoordination und der Inbetriebsetzung, vertraut die Kelag auf ihre eigenen Kompetenzen.
Dennoch – merkt Ingo Preiss an – funktioniere es nicht ohne gute Partner und ein gutes Netzwerk auf lokaler Ebene. Man brauche kompetente Partner, die selbst pro-aktiv Lösungen liefern und mit dem Bauherrn auf Augenhöhe kommunizieren können.
Nach europäischem Standard gebaut
Die Projektgeschichte des Kraftwerks Medna in Bosnien-Herzegowina ist eine lange, von der Projektentwicklung bis zur Fertigstellung dauerte es immerhin 7 Jahre, wobei alleine 3 davon auf die bauliche Umsetzung entfielen. In Hinblick auf die verschiedenen Behördenverfahren bestünden – so der Fachmann der Kelag – kaum wesentliche Unterschiede zu den hohen Standards in Mitteleuropa. Nur mit professioneller Planung und einem nachhaltigen Konzept erlange ein Projekt letztlich grünes Licht von Seiten der bosnischen Behörden. Die Überprüfungen im Bauverlauf waren streng. So wurden regelmäßig Trübe-, Lärm- und Vibrationsmessungen durchgeführt und von offiziellen Inspektoren auf Einhaltung überwacht.
Am 14. März dieses Jahres konnte das Kraftwerk seinen Probebetrieb aufnehmen. Im selben Monaten fand zudem die feierliche Einweihung der Anlage statt, bei der zahlreiche prominente Vertreter aus Wirtschaft und Politik ihre Aufwartung machten. Die Einweihungsfeier spiegelte somit auch den hohen Stellenwert wider, den das Kraftwerk für die Region einnimmt. Im Vergleich zu den beiden zuvor errichten Kleinwasserkraftwerken Novocavici mit 18 GWh und Sapece mit 15 GWh Jahreserzeugung liefert das neue Kraftwerk Medna deutlich mehr Strom ans Netz – im Regeljahr knapp 25 GWh. Das Projekt Medna zeigte letztlich eines ganz deutlich: Es lohnt sich, flexibel zu denken und von Anfang bis Ende des Projektes Optimierungsoptionen eine Chance zu geben.