Erneuerbare Energie für 7500 Haushalte

Die Druckleitung Chapfensee-Plons und das Kraftwerk (KW) Plons in der St. Galler Gemeinde Mels wurden 1948 erbaut. Nach 70 Jahren Betriebsdauer war die unter anderem schwermetallbelastete Anlage sanierungsbedürftig. Emch+Berger wurde mit Projektierungs- und Neubauarbeiten beauftragt und stiess dabei auf zusätzliches hydraulisches Potenzial.

Das Elektrizitäts- und Wasserwerk (EW) Mels beauftragte uns im Jahr 2015 mit der Projektierung der Erneuerung Stufe KW Plons und des Neubaus der Stufen Weissenstein und Chapfensee. Ziel des Auftrags war es, die Anlage per Februar 2019 in Betrieb zu nehmen, um die Gemeinde Mels mit nachhaltiger Energie für 7500 Haushalte zu versorgen. 
Konzessionsbedingt musste die Plangenehmigung innerhalb von zwei Jahren vorliegen. Auch für die Bauzeit standen lediglich zwei Jahre zur Verfügung. Durch den schlechten Zustand der Druckleitung und der beiden Staumauern bestand zudem aus Sicherheitsgründen jederzeit das Risiko einer vorzeitigen Ausserbetriebnahme der Anlage. 

Zusätzliches hydraulisches Potenzial
Der ursprüngliche Auftrag beinhaltete einen Neubau der Zentrale Weissenstein, den Umbau der Fassung des Cholschlagerbaches sowie der Zentrale Plons. Im Rahmen des Bauprojektes identifizierten wir indes zusätzliches, hydraulisches Potenzial. Dank dieser Erkenntnis liess sich ohne grossen Zusatzaufwand das Kraftwerk um die Zentrale Chapfensee erweitern, sodass schliesslich ein vierstufiges Wasserkraftwerk mit einer mittleren jährlichen Energieproduktion von 27 GWh realisiert werden konnte. 

Auf der Alp Mädems wurde auf 1655 m ü. M. ein Ausgleichsspeicher mit einem Fassungsvermögen von 500 m3 geplant. Dank einer Cross-Flow-Turbine liess sich das Quellwasser mit einer Fallhöhe von 46 m in einer ersten Stufe zur Produktion von Strom nutzen. Vom Ausgleichsspeicher bis zur nächsten Stufe wurden über 2750 m Gussrohre mit einem Durchmesser von 300 und 400 mm montiert. Und in Weissenstein installierte man auf 1065 m ü. M. eine zweidüsige Pelton-Turbine mit einer Leistung von 735 kW. 

Unmittelbar neben der Zentrale gelang es zudem, den Cholschlagerbach als zusätzliche Wasserquelle für die Stromproduktion zu fassen. Die seitliche Wasserfassung wurde mit einem System ausgerüstet, welches das Schwemmholz des Wildbaches abweist. Damit das Bachwasser turbiniert werden kann, errichtete man einen neuen Sandfang mit seitlich angeordneten Coanda-Rechen. Das so von Schwemmelementen und Sedimenten befreite Bachwasser und das bereits turbinierte Wasser wurden hydraulisch zusammengeführt und mittels GFK-Rohren mit einem Durchmesser von 1000 mm zur nächsten Stufe Zentrale Chapfensee geführt. Analog zur ersten Stufe fiel die Wahl wegen der geringen Fallhöhe von 30 m auf eine Cross-Flow-Turbine mit einer Leistung von 450 kW. Um das Landschaftsbild und die natürliche Umgebung der Moorlandschaft beim Chapfensee weitestmöglich zu erhalten, konzipierte unser Planungsteam die Zentrale Chapfensee als unterirdische Anlage.
 
Die vierte und letzte Stufe der Kaskade vom Chapfensee bis in die Talebene in Plons bildete schliesslich das Herzstück des gesamten Wasserkraftwerks. Auf einer Länge von über 1600 m wurde in teilweise sehr steilem und alpinem Gelände eine Druckleitung aus Gussrohren verlegt. Mehr als 530 Höhenmeter galt es dabei zu überwinden, was hohe statische und baulogistische Herausforderungen mit sich brachte. Die Rohre mit einem Durchmesser von 800 mm mussten mit mehreren Fixpunkten im Felsen verankert werden. Für den grössten Fixpunkt wurden allein über 100 m3 Beton eingebaut. Die bestehende Zentrale Plons erfuhr minimale bauliche Anpassungen, damit die neue zweidüsige Pelton-Turbine mit einer Leistung von 7.2 MW montiert werden konnte.

Berücksichtigung der umweltbedingten Auflagen
Da die Zentrale Plons unter Heimatschutz steht, konnte das bestehende Bauwerk nicht komplett umgebaut werden. Dank einer engen Zusammenarbeit mit dem Fachplaner Elektro und den Turbinenlieferanten liess sich die Turbinengeometrie und -lagerung so optimieren, dass für die baulichen Veränderungen des Generatorraums eine überzeugende Lösung gefunden werden konnte. 

Da sich die Zentrale Plons in unmittelbarer Nähe zum Siedlungsgebiet befindet, stellte das Einhalten der gesetzlich zulässigen Lärmimmissionen infolge Körperschall eine weitere Herausforderung dar. Wir planten daher eine schwimmende Lagerung von Turbine und Generator, was zu einer massiven Reduktion der Erschütterungen und somit des Körperschalls führte. Auch das Zurückführen des turbinierten Wassers in den Wasserkreislauf realisierten wir mit einem 320 m langen Unterwasserkanal. Damit liessen sich die Wassergeräusche dank geeigneter hydraulischer Bemessung bestmöglich minimieren.

Zusätzlich galt es, Ersatz- und Ausgleichsmassnahmen für die baulichen Eingriffe vorzusehen. Hierzu wurden der Schmelzibach und der Cholschlagerbach revitalisiert, wobei beim Schmelzibach eine elegante Lösung aus einer Kombination von Hochwasserschutz und Revitalisierung gefunden werden konnte. Die Verbreiterung des Baches führte gleichzeitig zu einer Reduktion des Hochwasserrisikos. Auch die neue Strassenbrücke konzipierten wir mit Fokus auf ein minimales Risiko einer Verklausung bei Hochwasser. Zahlreiche positive Rückmeldungen aus der Bevölkerung zeigten uns die hohe Akzeptanz für das Projekt, das auch eine Aufwertung für Ökologie und Biodiversität mit sich brachte. 

Umgang mit Altlasten
Die 70 Jahre alte Druckleitung Chapfensee-Plons aus Stahl wurde komplett zurückgebaut und dekontaminiert und das Material zur Wiederverwendung aufbereitet. Es stellte sich heraus, dass die Druckleitung mit verschiedenen Schadstoffen belastet war. Neben Schwermetallen, polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffen (PAK) waren auch polychlorierte Biphenyle (PCB) vorhanden. Der umliegende Boden war ebenfalls belastet und musste fachgerecht rückgebaut und entsorgt werden. Die Stahlrohre wurden in einem speziellen Verfahren in einem luftdichten Zelt geschnitten, anschliessend zum Schutz von Umwelt und Mitarbeitenden in einer Folie verpackt und zur Dekontamination abtransportiert. 

Erneuerung der Staumauern
Zum Projekt gehörte auch die Erneuerung der beiden Staumauern des Chapfensees mit einem Stauvolumen von 430 000 m3. Die Bauarbeiten für die Erneuerung erfolgten in den Wintermonaten bei Niedrigwasser. Die Erneuerung umfasste im Wesentlichen einen Ersatz der vorhandenen Abdichtung. Um diese trotz tiefen Temperaturen durchführen zu können, musste die Mauer komplett eingehaust und beheizt werden.

Fazit
Der enorme Einsatz aller Beteiligten, die kurzen Entscheidungswege und die Flexibilität der Projektbeteiligten führten zu einer termingerechten Inbetriebnahme sämtlicher Druckstufen unter Einhaltung des Budgets – und darüber hinaus zu einer durch die vierte Kaskade realisierten Leistungssteigerung.

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Author/s
Markus Heinzmann
Emch+Berger AG Bern