Mit duktilen Gussrohren gegen den Klimawandel

Garmisch-Partenkirchen ist ein Markt und zugleich Kreishauptort des Landkreises Garmisch-Partenkirchen sowie Zentrum des Werdenfelser Landes. Trotz mehr als 26 000 Einwohnern ist Garmisch-Partenkirchen keine Stadt, jedoch eine von 13 sogenannten leistungsfähigen kreisangehörigen Gemeinden in Bayern.Garmisch-Partenkirchen liegt inmitten eines weiten Talkessels am Zusammenfluss der aus Tirol kommenden Loisach und der im Wettersteingebirge entspringenden Partnach, zwischen Ammergebirge im Nordwesten, Estergebirge im Osten und Wettersteingebirge – mit Deutschlands höchstem Berg, der Zugspitze, im Süden.

Diese topographischen Gegebenheiten sind nicht nur Anziehungspunkt für jährlich weit mehr als 300 000 Erholung suchende Gäste des Ortes, sondern stellen auch eine hervorragende Möglichkeit zur Erzeugung umweltfreundlicher Energie dar. Auf Grund der vielen Bergbäche mit hoher Wasserabgabe und der großen Höhenunterschiede wäre es Verschwendung, diese Geschenke der Natur nicht zu nutzen und damit einen Beitrag zu einer sauberen Umwelt zu leisten. Einst versorgten diese Bergbäche, wie die Esterbergquellen, ganz Garmisch-Partenkirchen mit Trinkwasser, bis sie letzthin, mit dem Ausbau des Grundwasserwerks Degernlahne, ihre Bedeutung verloren und nur noch als Notversorgung betrieben wurden. Diese Funktion erfüllen sie zwar heute noch, aber inzwischen haben sie eine zusätzliche Nutzung erfahren. Seit kurzem dient das Wasser der Esterbergquelle auch zur Stromerzeugung.

Im Jahr 2000 besuchten Experten vom Lehrstuhl und Versuchsanstalt für Wasserbau und Wasserwirtschaft der TU München unter anderem auch die Gemeinde Garmisch-Partenkirchen. Im Auftrag des Bayerischen Staatsministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Technologie untersuchten sie Potenziale bestehender Trinkwasserleitungen hinsichtlich der Nutzbarkeit zur Erzeugung von Strom. Im Zuge dieser Untersuchungen wurde festgestellt, dass die seit vielen Jahrzehnten bestehende Trinkwasseranlage Esterbergquellen geeignet wäre. Die beiden vorhandenen Trinkwasserleitungen DN 100 sollten mit zwei kleinen Anlagen umgerüstet werden. Als Alternative wurde, praktisch im Nebensatz, auch der Neubau einer neuen, größeren Druckrohrleitung als Möglichkeit aufgeführt. In den darauf folgenden Jahren verschwanden beide Vorschläge zunächst einmal in der Schublade. Erst als im Zuge einer Neuausrichtung der Werkstrategie, vor ein paar Jahren, der Erhöhung der Eigenversorgung höhere Bedeutung beigemessen wurde, entsann man sich der vorhandenen Untersuchungen. Nach eingehender Prüfung der beiden Varianten entschied man sich für die einstufige, große Variante, die ein Vielfaches an Energieausbeute versprach.

Im August 2007 wurde letztendlich mit dem Bau der Anlage begonnen. Dieser teilte sich im Wesentlichen in drei Schritte, dem Bau des Turbinenhauses, dem Bau der Quellfassungen und dem Bau der eigentlichen Turbinenleitung auf.

Aufgrund beengter Platzverhältnisse wurde es notwendig im Ortsbereich (Am Steinbruch/Münchner Straße) ein äußerst kompaktes Maschinenhaus einzurichten. Da sich das Maschinenhaus direkt an der Hauptzufahrtsstraße nach Garmisch-Patenkirschen befindet, war es weiterhin notwendig eine optisch in die Ortschaft passende Architektur zu verwenden. So wird den wenigsten Touristen jemals ins Bewusstsein kommen, was hinter den Mauern dieses kleinen Gebäudes passiert. Für die elektro-maschinelle Ausrüstung des Kraftwerks wurde die Firma Geppert aus Hall in Tirol beauftragt. Als maschinelle Ideallösung kam man auf eine zweidüsige Peltonturbine, da die Wasserabgabe der Quellen doch relativ stark zwischen einem Minimum von 44 l/s und einem Maximum von 154 l/s schwankt. Bei einer Fallhöhe von 502 m, der größten in Bayern, beträgt der Ruhedruck rund 50 bar. Somit schießt das Wasser mit circa 360 km/h aus den Düsen, was hohe Anforderungen an Material und alle rotierenden Teile des Maschinensatzes stellt. Logisch und konsequent, dass man für einen sicheren Betrieb der Anlage nicht nur eine starke Turbine, sondern auch einen starken Generator haben wollte. Mit 1500 Umdrehungen treibt die Geppert-Peltonturbine einen bürstenlosen Innenpol-Synchrongenerator mit eingebauter Erregermaschine aus dem Hause Hitzinger an. Der 3,15 Tonnen schwere Generator weist dabei eine Nennleistung von 830 kVA auf. Bei 75 % Nennstrom wird der Wirkungsgrad mit 96,5 % angegeben, bei 100 % liegt er bei 96,7 %.

Im Zuge der Neuverlegung der geplanten Turbinenleitung mussten auch zwei neue Quellfassungen für die drei vorhandenen Esterbergquellen erstellt werden. Diese wurden auf ca. 1205 m und 1190 m über N.N. mit einem Abstand von ca. 100 m errichtet. Zusammen mit der Einlaufhöhe des Maschinenhauses von 691 m N.N. ergibt sich somit ein geodätischer Höhenunterschied von ca. 500 m bzw. 50 bar. Zwar waren bereits Quellfassungen vorhanden, diese stammten jedoch aus der ersten Hälfte des letzten Jahrhunderts und waren auch nicht für die heutigen Erfordernisse ausgelegt. In früheren Zeiten waren die Quellfassungen, wie bereits angedeutet, für die Sammlung des für den Ort benötigten Trinkwassers zuständig und speisten lediglich zwei Trinkwasserleitungen DN 100. Da für den Betrieb der neuen Turbine aber nunmehr ein DN 400 benötigt wurde, mussten entsprechende Änderungen vorgenommen werden.

Schon bei der Planung der Maßnahme war man sich im Klaren darüber, dass hier sowohl an den Werkstoff der Leitung als auch an die Fertigkeiten der Verlegeteams größte Anforderungen gestellt würden. Diese begründeten sich vor allem aus dem teilweise extrem steilen und felsigen Gelände, der komplizierten Trassenführung, den herumlaufenden Bergkühen und den erwarteten hohen Drücken und Druckstößen. In Punkto Rohrleitungsmaterial entschieden sich die Gemeindewerke Garmisch-Patenkirchen grundsätzlich für duktile Gussrohre nach DIN EN 545 [1] mit einer form- und längskraftschlüssigen Steckmuffen-Verbindung nach DVGW-A 368 [2]. Eine derartige Verbindung hat nicht nur den Vorteil, dass fast komplett auf Widerlager verzichtet werden kann, sie bietet überdies erheblich Vorteile bei der Verlegung in steilem Gelände. Letztendlich bekam mit der BLS-Verbindung ein von Auftraggeber und Baufirma bis dato noch nicht eingesetztes System den Zuschlag.

Es wurden ca. 3600 m duktile Gussrohre DN 400 mit verschiedenen Außenbeschichtungen und Wanddickenklassen, je nach Druckzone und Einbaubedingung, geordert. Für Rohre, welche unter Verkehrsflächen (ca. 1700 m) verlegt werden sollten, wurde eine PUR-Longlife Beschichtung vorgesehen. Eine in Deutschland weniger bekannte Beschichtung, hergestellt von den Tiroler Röhren und Metallwerken – einem Schwesterunternehmen der Buderus Giesserei Wetzlar GmbH. Diese Rohre wurden mit einer Umhüllung aus Riesel eingebaut. Hintergrund der Entscheidung Rohre aus Hall in Tirol zu verwenden, war nicht zuletzt die räumliche Nähe zum Einbauort. Durch die kurzen Transportwege – gerade einmal 70 km - konnte nicht nur zeitnah geliefert, sondern auch noch einen Menge LKW-Kilometer und somit CO₂ eingespart werden, was den Umweltschutzcharakter dieses Kraftwerkprojektes noch weiter unterstrich. Die restlichen 1900 m konnten durch Rohre mit einer Zementmörtel-Umhüllung nach DIN EN 15 542 [3] abgedeckt werden. Als Einbettungsmaterial für Rohre mit Zementmörtel-Umhüllung eignen sich gemäß DIN EN 545 [1] Böden beliebiger Aggressivität bei Korngrößen von bis zu 100 mm. Gerade in alpinen Bereichen, in denen der Antransport und Einbau von Kies oder Riesel größere Probleme bereitet, drängt sich ein solche Umhüllung geradezu auf.

Verschiedene
Wanddickenklassen

Eine weitere Unterteilung gab es mit Blick auf die Wanddickenklassen der Rohre. So wurden ca. 1500 m in Wanddickenklasse K11 und 2100 m in K9 verlegt. Die BLS-Verbindung weist in Wanddickenklasse K9 einen zulässigen Betriebsdruck (PFA) von 30 bar – mit K 11 von 35 bar auf. Folglich konnten die oberen 350 Höhenmeter – von insgesamt 500 m – komplett längskraftschlüssig und ohne Betonwiderleger erstellt werden. Überdies war es durch das ausgeklügelte BLS-System so gut wie nicht notwendig bauseitig an geschnittenen Rohren, zum Beispiel für den Einbau von Muffenbögen, Schweißraupen aufzutragen. Möglich war dies durch die Verwendung von so genannten Klemmringen aus dem BLS-Programm. Der Klemmring, verfügbar in den Nennweiten DN 80 bis 500, kann bis auf wenige Ausnahmen, an Stelle von baustellenseitigen Schweißraupen, eingesetzt werden. Durch den darüber hinaus gehenden Einsatz von BLS-Glattrohren konnte man das Schweißen auf der Baustelle in der Folge fast vollständig vermeiden.

Die unteren 150 Höhenmeter (35 bis 50 bar Betriebsdruck) wurden zwar ebenfalls längskraftschlüssig ausgeführt, mussten jedoch an Zwangspunkten, wie Abzweigen und Krümmern, zusätzlich durch Betonwiderlager gesichert werden. Da sich aber auch noch in diesem Bereich der Leitung relativ steiles und unwegsames Gelände befand, war die Verwendung von BLS-Verbindung auch hier zur Lagesicherung der Rohrleitung sehr hilfreich.

Wie in den Alpen nicht anders zu erwarten, wurde in großen Teilen der geplanten Rohrleitungstrasse Felsen angetroffen. So mussten im Verlauf der Bauarbeiten nicht weniger als 1600 m³ Fels herausgebrochen oder gefräst werden. Die Vorgabe ein stetiges Gefälle von
mindestens 1% in Richtung des Turbinenhauses einzuhalten, um die Leitung für eventuelle Revisionen komplett trocken laufen lassen zu können, erleichterte dabei nicht unbedingt die Verlegearbeiten. Als Folge war es nicht immer möglich, der vorhandenen Straße zu folgen, die von den Quellen fast direkt bis zum Auslauf der Leitung führte. So stellten sich dem Leitungsverlauf unter anderem ein Skihang, ein Steilhang und quer zur Verlegerichtung extrem steil abfallendes und bewaldetes Gelände in den Weg. In letztgenanntem Bereich gingen die Überlegungen zuerst in Richtung Verlegung und Antransport mittels Hubschrauber, was jedoch durch die für die Verlegung zuständige Baufirma (Fa. Hohenrainer aus Ohlstadt) verworfen wurde. Durch ihr bautechnisches Geschick und den Einsatz der Baukolonne konnte auch dieser Bauabschnitt in konventioneller, offener Bauweise verlegt werden. Sicherlich nur etwas für erfahrene Baufirmen aus dem hochalpinen Bereich.
Auch der Steilhang, welcher sich praktisch direkt an die bereits durchquerte Skipiste unterhalb der Daxkapelle anschloss, forderte das volle Geschick und nicht zuletzt den Mut der Baufirma. Mit einen maximalen Gefälle von nicht weniger als 80 Prozent (immerhin knapp 38°) an seiner steilsten Stelle, war es unumgänglich spezielle Gerätschaften einzusetzen und zusätzliche Sicherungsmaßnahmen in Form von Felsankern und Betonwiderlagern einzuplanen. Am oberen und am unteren Ende des Hanges mussten Betonwiderlager positioniert werden, während im Steilhang jede zweite Muffe mit einem Felsanker und einem Betonquerriegel fixiert und gleichzeitig die Grabenverfüllung stabilisiert wurde.

Auf Grund jahreszeitlicher Zwänge teilte man die Baumaßnahme in mehrere Abschnitte auf. Der Startschuss fiel im August oberhalb des bereits beschrieben Steilhanges. Es wurde die Skipiste durchquert (diese musste im Winter wieder befahrbar sein), die Daxkapelle passiert und dem Straßenverlauf in Richtung der Esterbergquelle gefolgt, soweit es die Vorgaben und das Wetter erlaubten. Mit Einbruch des Winters, der in diesen Regionen recht früh eintrifft, konnte „am Berg“ nicht weiter gearbeitet werden, so dass die Baustelle in diesem Bereich temporär bis zum nächsten Frühling ruhen musste. Somit konnte nur noch im Tal, zwischen Ortsausgang und Fuß des Steilhanges, eine Zeit lang weitergearbeitet werden, bis auch hier der Winter herein brach. Da sich der Winter 2007/2008 als sehr hart und ungewöhnlich lang herausstellte, konnte die Baufirma die Arbeiten im Folgejahr erst im April wieder aufnehmen.
Nach Wiederaufnahme der Arbeiten wurde im oberen Bereich, teilweise entlang der Straße - teilweise quer in einem bewaldeten Steilhang, die Leitung bis zu den im Bau befindlichen Quellfassungen verlängert. Gleichzeitig begann man die Leitung im Steilhang und innerhalb der Ortslage zu verlegen.

Auf Grund der beschriebenen drei Bauabschnitte waren zwei Zusammenschlüsse der einzelnen Leitungsabschnitte notwendig. In Anbetracht der zu erwartenden hohen Drücke, von 35 bzw. 50 bar, war eine Realisierung mit den sonst üblichen Formstücken (z.B. U-Stücken oder EU-Stücken) nicht möglich. Man entschied sich daher für eine formstückfreie Zusammenführung der Rohrleitungsenden. Mit Unterstützung der Buderus-Anwendungstechnik gelang es diese Aufgabenstellung zügig zu lösen. Hierfür mussten einige Rohrlängen links und rechts der geplanten Verbindungsstellen offen gelassen, jeweils ein Rohrstück auf die passende Länge geschnitten und mit einer Schweißraupe versehen werden. Anschließend wurden die beiden Enden der zu verbindenden Teilabschnitte aus der Achse geschwenkt, das vorbereitete Rohrstück montiert, der Rohrstrang dann wieder in die Achsen zurück geschwenkt und gleichzeitig der Lückenschluss vollzogen. Auf diese Weise konnten man alle Bauabschnitte problemlos miteinander, ohne Einsatz von Formstücken, verbinden. Die beiden für die Zusammenschlüsse aufgebrachten Schweißraupen, waren dann auch die Einzigen, die im gesamten Bauvorhaben nachträglich geschweißt werden mussten.

Im Anschluss an die komplette Verlegung der 3600 m Rohrleitung schloss sich selbstverständlich eine Innendruckprüfung an. Auf Grund des vorab berechneten zu erwartenden Druckstoßes konnte der Prüfdruck auf 61 bar festgelegt werden. Bei einem Druck von 61 bar wirkte am Endverschluss, einem X-Stück PN 63, eine Schubkraft von rund 900 kN. Für das untere Ende der Leitung, also die Einführung in das Maschinenhaus, kam ein Stahlsonderformstück zum Einsatz. Dieses Formstück wurde als ca. 2 m langes F-Stück, DN 400, PN 63 mit 3 Mauerflanschen und einer BLS-Schweißraupe ausgeführt. An diesem F-Stück wurde ein X-Stück mit 2“-IG-Bohrung montiert und mit einem fernbedienbarem Ventil und einen Hochdruckschlauch zur späteren Entleerung versehen. Die Druckbeaufschlagung erfolgte vom oberen Ende aus. Nach erfolgreicher Prüfung entsprechend dem Normalverfahren gemäß DIN EN 805 [4] konnte die Leitung als dicht abgenommen werden.
Es folgten noch Rekultivierungsarbeiten und die Fertigstellung der Quellfassungen.

Seit Ende Januar 2009 läuft die Anlage im Probebetrieb ohne jede Beanstandung. Bei der gegebenen Fallhöhe von 502 m und einer Ausbauwassermenge von 154 l/s beträgt die Nennleistung 636 kW. Der erzeugte Strom wird ins eigene Netz der Gemeindewerke Garmisch-Partenkirchen eingespeist. Rund 3,1 GWh sauberer Strom aus der Kraft der Esterbergquellen werden pro Jahr erwartet. Damit präsentiert sich die Anlage am Fuße des Wank als hoch wirtschaftlich. Schließlich kommt die Gemeinde mit dem neuen Kraftwerk, das Strom für ca. 700 Vier-Personen-Haushalte erzeugen kann, in den Genuss des neuen, mit 1. Januar 2009 in Kraft getretenen Einspeisetarifs von 12,67 C/kWh. Damit sollte die Anlage in weniger als zehn Jahren bereits die gesamten Investitionskosten von 1,73 Millionen Euro eingebracht haben. Außerdem erspart das neue Kraftwerk der Atmosphäre jährlich rund 2960 t Kohlendioxid. Seine Aufgabe als Trinkwassernotversorgung bleibt weiterhin bestehen. Ein Abzweigrohr ist in der Druckrohrleitung installiert, so dass im Fall der Fälle jederzeit wieder von Stromversorgung auf Trinkwasserversorgung umgeschaltet werden kann. Für das Skisport-Zentrum im Werdenfelser Land ist das Kraftwerk ein weiterer Schritt zur Stärkung der Eigenversorgung in Sachen Energie. Und das Streben nach Unabhängigkeit geht weiter. In zehn Jahren sollen rund 40 Prozent der Energie in der 26 000 Einwohner zählenden Gemeinde selbst erzeugt werden.

Obwohl eine Druckleitung DN 400, mit einem Prüfdruck von 61 bar, noch dazu in einem schwierigen Gelände, mit Sicherheit eine nicht unwesentliche Herausforderung an alle Beteiligten stellte, konnte das Kraftwerksprojekt „Esterberg“ in Garmisch-Patenkirchen ohne außerplanmäßige Verzögerungen realisiert werden.
Einen nicht unwesentlichen Beitrag hat hierzu u.a. die einfach zu montierende, aber zugleich hoch belastbare BLS-Verbindung beigetragen. Im Zusammenspiel mit der robusten Zementmörtel-Umhüllung konnte so zügig und preiswert gearbeitet werden. Einen sehr großen Anteil am Gelingen dieser Maßnahme haben natürlich auch die Gemeindewerke Garmisch-Patenkirchen, die durch Ihre eigenständige und ausgefeilte Planung den Grundstein gelegt haben und gleichzeitig die Bauüberwachung inne hatten. Die gute Zusammenarbeit mit der Fa. Hohenrainer und die technische Unterstützung der Maßnahme vor Ort durch die Anwendungstechnik der Buderus Giesserei Wetzlar GmbH und die Tiroler Röhren und Metallwerke, taten ihr Übriges.
Das die Gemeindewerke Garmisch-Patenkirchen mit dem bei dieser Maßnahme erstmalig von ihnen eingesetzten BLS-System hoch zufrieden waren, zeigt sich nicht zuletzt in einem fast direkt anschließenden Folgeauftrag für eine Transportleitung von GAP nach Grainau.n