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Im Rahmen des Netzausbauprojekts Wahle-Mecklar sind insgesamt drei Erdkabelabschnitte zu errichten. Um die möglichen Vorteile der Kabelpflugtechnologie nutzen zu können, hat sich der Übertragungsnetzbetreiber TenneT entschlossen, dort die Eignung und Möglichkeiten dieses Verlegeverfahrens zu untersuchen und hat ein entsprechendes Entwicklungsvorhaben initiiert.

Die Energiewende erfordert neue Stromleitungen. Deshalb wird auch in der Mitte Deutschlands das Netz von Nord nach Süd verstärkt. Die 230 km lange Verbindung Wahle-Mecklar ist einer der Grundsteine für die Energiewende und führt vom Umspannwerk Wahle bei Braunschweig in Niedersachsen nach Mecklar in der Nähe von Bad Hersfeld in Hessen. Sie wird die Übertragungskapazität für Windenergie in der Nord-Süd-Achse erhöhen und die Versorgungssicherheit und Netzstabilität in Südniedersachsen und Nordhessen auch zukünftig gewährleisten.

Der größte Teil dieser neuen Höchstspannungsleitung wird als Freileitung errichtet. Wahle-Mecklar gehört jedoch zu den Pilotvorhaben, für die das Energieleitungsausbaugesetz (EnLAG) den abschnittsweisen Einsatz von Erdverkabelung auf der Drehstrom-Höchstspannungsebene ermöglicht. Entsprechend werden auf insgesamt knapp 21 km drei Erdkabeltrassen realisiert. Der mit ca. 13 km bundesweit längste Abschnitt seiner Art im Drehstromhöchstspannungsbereich liegt zwischen Lesse (Stadt Salzgitter im Landkreis Wolfenbüttel) und Holle im Landkreis Hildesheim. Der Trassenverlauf der Wahle-Mecklar-Leitung ist in Abbildung 1 dargestellt. Für die Verlegung von Drehstromhöchstspannungserdkabeln gibt es derzeit zwei Standardverfahren. Üblicherweise erfolgt der Bau der Erdkabelanlagen in offener Grabenbauweise mit Leerrohren. Bei der Querung von Hindernissen, wie beispielsweise Verkehrswegen, Gewässern und Fremdleitungen, kommen in der Regel Horizontalbohrungen (HDD) zur Unterquerung zum Einsatz. Im 13 km langen Erdkabelabschnitt zwischen Lesse und Holle werden daher rund 2,5 km im HDD-Bohrverfahren verlegt.

Als eine Alternative zur offenen Grabenbauweise könnte sich, auf geeigneten Teilstrecken, das Mehrfachpflugverfahren erweisen. Bei diesem Verfahren werden die Leerrohre mittels eines speziell entwickelten Pfluges in den Boden eingebracht. Erfahrungen mit der Kabelpflugtechnologie liegen bisher nur für niedrigere Spannungsebenen vor. Aus diesem Grund muss TenneT als für Wahle-Mecklar verantwortlicher Übertragungsnetzbetreiber im Vorfeld eines solchen Einsatzes zunächst einmal technische Pionierarbeit leisten, um die Eignung für die Spannungsebene von 380 kV zu prüfen und an den Stand der Technik heranzuführen. Das langfristige Ziel ist es, mit dem Mehrfachpflugverfahren die Möglichkeiten der verschiedenen Verlegetechniken für den Erdkabeleinsatz im Drehstromhöchstspannungsbereich zu erweitern. Ziele sind zudem die Verringerung von Einschränkungen für Landwirte sowie die Einsparung von Baukosten und damit auch eine größere Akzeptanz in der Bevölkerung. Der Beitrag gibt einen aktuellen Überblick in den Stand des Entwicklungsvorhabens Mehrfachpflug im Projekt Wahle-Mecklar.

Voraussetzungen für die Erprobung der Kabelpflugtechnologie

Bei der offenen Bauweise werden die zwei Stromkreise mit jeweils sechs Phasen in zwei Kabelgräben errichtet, deren Sohlbreite jeweils ca. 5,5 m beträgt. Die Standardverlegetiefe beträgt 1,6 m (Rohrachse). In der offenen Bauweise werden zunächst die Leerrohre eingebaut. In einem zweiten separaten Arbeitsschritt werden dann die Erdkabel in die Leerrohre eingezogen. Der Kabelgraben wird immer nur abschnittsweise geöffnet, der Erdaushub getrennt nach Schichten gelagert und unmittelbar nach Verlegung der Leerrohre wieder schichtgerecht verfüllt. In der Regel steht eine Arbeitsstreifenbreite von ca. 50 m zur Verfügung. Zwischen den Kabelgräben verläuft die 5,5 m breite temporäre Baustraße. Die Außenbereiche (etwa 15 m beidseitig) sind für die Lagerung der Bodenmieten für Mutterboden und tiefer gelegenes Erdreich vorgesehen. Der Aufbau eines Kabelgrabens ist in Abbildung 2 exemplarisch dargestellt. Nach Abschluss der Arbeiten und im Anschluss an eine Rekultivierungsphase kann der Boden wieder landwirtschaftlich genutzt werden.

Alternativ zur offenen Bauweise bestünde die Möglichkeit, die Kabelschutzrohre mithilfe eines Kabelpflugs in den Boden einzupflügen. Um die Betriebssicherheit zu gewährleisten, ist von zentraler Bedeutung, dass die Leerrohre eines Teilsystems (bei 380 kV-Drehstrom sind das drei Kabel) nach der Verlegung exakt in der richtigen Tiefe und im richtigen Abstand zueinander liegen. Zu bedenken ist, dass die Leerrohranlage während des Einzugs der Kabel, die mit einer Zugkraft von bis zu 12 t erfolgt, stabil bleiben muss. Für diese anspruchsvollen Anforderungen liegen noch keine gesicherten bautechnischen Erkenntnisse mit der Kabelpflugtechnologie vor. Aus diesem Grund ist die Erprobung einer zu diesem Zweck weiter entwickelten Kabelpflugtechnologie erforderlich. Es muss gezeigt werden, dass die beschriebenen Anforderungen genauso sicher und effektiv erfüllt werden können wie bei der offenen Bauweise im Kabelgraben. Neben den erläuterten bautechnischen Anforderungen ist eine weitere wesentliche Voraussetzung zur Erprobung der Kabelpflugtechnologie das Vorhandensein geeigneter Böden. Zum einen ist die weitgehende Freiheit von größeren Steinen erforderlich. Zum anderen müssen die vorliegenden Böden eine ausreichende thermische Leitfähigkeit aufweisen. Liegen diese Voraussetzungen nicht vor, kann das Mehrfachpflugverfahren nicht zur Anwendung kommen. Im Erdkabelabschnitt zwischen Lesse und Holle dominieren Parabraunerden mit ihrem Subtyp Pseudogley-Parabraunerden. Anhand durchgeführter Erkundungen (Baugrunduntersuchung, Bodenkartierung) konnte gezeigt werden, dass in den Abschnitten, in denen die offene Bauweise geplant ist, geeignete Böden zum möglichen Einsatz der Kabelpflugtechnologie vorliegen.

Eine weitere Voraussetzung zum Einsatz der Kabelpflugtechnologie ist eine entsprechende Mindestlänge für einen Pflugabschnitt. Auch hinsichtlich dieser Anforderung liegen im betrachteten Erdkabelabschnitt gute Verhältnisse vor. Da die Trasse vorwiegend durch landwirtschaftliche Nutzflächen verläuft, sind vergleichsweise wenig kreuzende Elemente (andere Versorgungsleitungen, Straßen usw.) anzutreffen.

Umsetzung des Entwicklungsvorhabens

TenneT hat die Firma Frank Föckersperger GmbH mit der Entwicklung eines Pflugs zur Verlegung von Leerrohren für 380 kVDrehstromkabel beauftragt. Um die Realisierbarkeit zu überprüfen, hat TenneT das Entwicklungsvorhaben in folgende Phasen unterteilt (Abb. 3):

  • Phase O: Konstruktion und Bau des Pfluges unter Berücksichtigung der geometrischen Anforderungen.
  • Phase 1: Kabelpflugtest bei der Firma Föckersperger in Aurachtal (Landkreis Erlangen-Höchstadt) zur Überprüfung der prinzipiellen Eignung.
  • Phase 2: Kabelpflugtest auf einem geeigneten Gelände im Erdkabelabschnitt Lesse-Holle der Leitung Wahle-Mecklar unter realen Bedingungen. Ermittlung des gesamten Bauablaufs. Bestätigung der Eignung bei unterschiedlichen Bodenverhältnissen.
  • Phase 3: Großräumigere Erprobung im Rahmen der baulichen Umsetzung des Erdkabelabschnittes Lesse-Holle. Ermittlung aller bautechnischen, wirtschaftlichen und ökologischen Einsatzbedingungen bei unterschiedlichen Bodenstrukturen.

 

Nachdem die Firma Föckersperger die Konstruktion und den Bau des Pfluges unter Berücksichtigung der  geforderten Randbedingungen, insbesondere hinsichtlich der Präzision der Verlegung, und die Tests auf eigenen Versuchsfeldern gemäß Phase 1 erfolgreich abgeschlossen hatte, erfolgte eine erste Untersuchung der Phase 2 im Juli 2019 in Wartjenstedt, das als geeigneter Versuchsort des Abschnittes Lesse-Holle ausgewählt wurde (Abb. 4).

In Wartjenstedt liegen anspruchsvolle Voraussetzungen bei Topografie und Boden vor: Die Teststrecke mit einer Länge von ca. 400 m befindet sich in einer Hanglage, die sowohl entlang als auch senkrecht zur Trasse ausgebildet ist. Die Höhendifferenz beträgt ca. 12,5 m. Zudem weist die Teststrecke auf den letzten 100 m eine Kurve mit einem Radius von ca. 100 m auf. Schließlich kommen auf der Teststrecke unterschiedliche Böden vor: Im ersten Viertel der Teststrecke liegt stark lehmiger Sand mit einem Steinanteil von bis zu 17 %. Im weiteren Verlauf dominiert schwach bis mittel toniger Schluff. Der Boden wies zum Zeitpunkt des Tests geringe Wasseranteile auf.

Aktueller Stand des Entwicklungsvorhabens

Zur Auswertung des Tests im Juli 2019 in Wartjenstedt wurden insgesamt 15 Suchschachtungen orthogonal zum Verlauf der Leerrohre angelegt. Die Ausführung erfolgte bis zum Antreffen der Leerrohre und darüber hinaus, um den unbeeinflussten Boden zu erfassen. Der Kabelgraben und die Rohrlage wurden vermessen und fotodokumentarisch festgehalten. Bodenkundlich aufgenommen wurden die Bodenart, die Horizontierung sowie die Beschaffenheit des geologischen Ausgangsmaterials. Zur Bestimmung der Lagerungsdichte sowie der thermischen Leitfähigkeit entnahm man Bodenproben mittels Stechzylindern. Beprobt wurde sowohl der vom Pflug beeinflusste Bereich als auch ungestörte Referenzflächen in verschiedenen Tiefenlagen. Die Untersuchung der bodenphysikalischen Parameter erfolgte durch die Technische Universität Berlin, die Georg-August-Universität Göttingen, die Geotechnik Witten GmbH und die Geries Ingenieure GmbH. Die Vermessung der Lage und Überdeckung der Leerrohre wurde von der GEOSpace GmbH durchgeführt.

Die durchschnittliche Tiefenlage der eingepflügten Leerrohre liegt bei 1,64 m. Mit Ausnahme eines Bereiches zwischen zwei Suchschachtungen wurden die geometrischen Anforderungen erfüllt. Im genannten Bereich konnte die Mindestüberdeckung nicht erzielt werden. Vermutlich wurde der Kabelpflug durch den infolge des hohen Steinanteils erhöhten Bodenwiderstand nach oben abgelenkt. In der Bettungszone der Leerrohre wurden Trockenrohdichten von 80 bis 90 % im Vergleich zur ursprünglichen Bodendichte bestimmt. Der Verdichtungsgrad steigt mit höheren Sandanteilen, mit zunehmenden Tonanteilen nimmt er ab. Durch den Kabelpflug wurde eine kleinräumige Durchmischung der verschiedenen Bodenhorizonte verursacht. Bei Abtrag und separater Lagerung des Oberbodens vor dem eigentlichen Einpflügen werden die Anforderungen an den Bodenschutz erfüllt. Nach derzeitigem Kenntnisstand wird das Eingriffsvolumen in den Boden in etwa halbiert. Da der Einsatz des Kabelpfluges auf durchgängig steinreichen Standorten ausgeschlossen ist, kann eine Schädigung der Bodenfunktionen durch Steinanreicherung des durchwurzelbaren Unterbodens ausgeschlossen werden. Die Durchmischung von organischen mit mineralischen Böden ist an entsprechenden Standorten zu berücksichtigen.

Fazit

Die durchgeführte Untersuchung in Wartjenstedt zeigt das prinzipielle Potenzial der Kabelpflugtechnologie bei geeigneten Standortbedingungen als mögliche Alternative zur Verlegung im offenen Kabelgraben auf. Gleichzeitig lassen sich auch die Grenzen des Einsatzpotenzials bestimmen sowie die Herausforderungen herausarbeiten, die bei der Hinführung des Mehrfachpflugverfahrens zum Stand der Technik noch erforderlich sind: Bei stark tonhaltigen Böden wird die Einsatzgrenze der Kabelpflugtechnologie erreicht. Eine Herausforderung sind zudem wechselnde Bodenwiderstände (z. B. bei sich abwechselnden schluffhaltigen und tonhaltigen Bodensegmenten) und ein hoher Anteil an Verwitterungsgestein. Aus diesem Grund sind Adaptionen am Pflug erforderlich. Diese notwendigen Adaptionen, insbesondere der Einbau einer Hydraulik - um den Mehrfachpflug besser steuern zu können -, werden derzeit entwickelt und getestet. Wird die Wirksamkeit der Justierung bestätigt, werden weitere Versuche beim Erdkabelabschnitt Lesse-Holle stattfinden, die entscheidend für eine Erprobung sind. Die Phase 3, die großräumigere Erprobung im Rahmen der baulichen Umsetzung des Erdkabelabschnittes Lesse-Holle, könnte dann beginnen, unter der Voraussetzung, dass der Baufortschritt nicht verzögert wird. Erst nach Abschluss der Phase 3 können umfassende Rückschlüsse auf die Eignung des Pfluges als alternative Verlegemethode in potenziell geeigneten Bereichen gezogen werden. Diese betreffen die Einsatzgrenzen (erforderliche Mindestlänge, Boden- und geotechnische Voraussetzungen), die Kosten und die Eingriffsauswirkungen (Schutzgut Boden, Privateigentum usw.) Das Mehrfachpflugverfahren könnte im positiven Fall auf geeigneten Teilabschnitten eine Ergänzung zur Kabelverlegung im offenen Graben darstellen.

Autoren

Dr. Ralf Schneider, Dr. Marco Bräuer

TenneT TS0 GmbH, Bernecker Str. 70, 95448 Bayreuth

(bbr 05/2020)