ABB-Umrichter der Superlative in einem Pumpspeicherkraftwerk

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Übertragung über weite Distanzen und Speicherung

Damit die Netzstabilität gewährleistet bleibt, muss einerseits die Netzkapazität ausreichen, um die produzierte Energie jederzeit abführen zu können, und andererseits muss immer ein Gleichgewicht zwischen Energieproduktion und -verbrauch herrschen. Eine attraktive Lösung für die erste Herausforderung sind Hochspannungs-Gleichstromübertragungsleitungen, welche grosse Mengen Strom über lange Distanzen mit deutlich geringeren Verlusten zu transportieren vermögen und darüber hinaus gefährliche Leistungs-Pendelungen im Netz bekämpfen können. Neue Schaltertechnologien ermöglichen es zusehends, Hochspannungs-Gleichstromnetze mit Verzweigungen statt bisheriger Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu realisieren.

Die Speicherung liefert ebenfalls einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. Zum einen spielen lokale Speicher nahe der Erzeugung eine immer wichtigere Rolle, um die Netze vor momentaner Überlast zu schützen. In Dietikon hat die EKZ zusammen mit ABB eine erste 1 MW-Batterie in Betrieb genommen, um das Ausgleichen von Kapazitätsschwankungen im Versorgungsnetz zu testen. Zum anderen ist die Schweiz durch ihre zahlreichen Pumpspeicherkraftwerke dazu prädestiniert, um grosse Mengen Energie zwischenzuspeichern und damit die Erzeugung und Verbrauch innerhalb des europäischen Verbundnetzes jederzeit im Gleichgewicht zu halten.

Die Batterien Europas liegen in den Alpen

Pumpspeicherkraftwerke wie etwa die Anlagen der Kraftwerke Oberhasli AG KWO in Innertkirchen sind ideale Puffer, um Schwankungen im Schweizer und im europäischen Netz aufzufangen: Sie speichern überschüssige Energie in Form von Wasser in ihren Seen ein und wandeln diese bei Bedarf wieder in Strom zurück – genau dann, wenn der Netzbetreiber ihn zur Stabilisierung des Netzes braucht.

Diese Regelenergie für den Netzbetreiber bereitzustellen, ist eine der Kernkompetenzen der KWO: Um diesen Prozess möglichst effizient zu betreiben, hat die KWO diesen April den mit 100 MVA leistungsstärksten Vollumrichter in Betrieb genommen, der je in einem Wasserkraftwerk installiert wurde. Der rund 10 Meter lange und rund 7 Meter breite Umrichter befindet sich auf zwei Etagen gleich hinter der Maschinenhalle und ist mit rund 1000 Halbleiterelementen bestückt. Die auf IGCT-Technologie (Integrated Gate-Commutated Thyristor) basierende Leistungselektronik erlaubt es, die Drehzahl für den Pumpenantrieb sehr flexibel einzustellen und damit die Leistungsaufnahme der Pumpe zu regeln.

Drehzahlregelung beeinflusst die Leistung

Durch die Variation der Frequenz – und damit auch der Drehzahl – wird die durch die Pumpe aufgenommene Leistung beeinflusst. Im Falle von Grimsel 2 liegt der Leistungsbereich zwischen 60 und 94 MW, der Drehzahlbereich zwischen 690 und 765 Umdrehungen/Minute. Das entspricht einer Frequenzvariation von 46 bis 51 Hertz.

Der Umrichter von ABB basiert auf der bewährten PCS-8000-Stromrichtertechnologie. Die Funktion des Umrichters kann vereinfacht in drei Schritte aufgeteilt werden. Im ersten Schritt wird die Wechselspannung des Netzes in Gleichspannung umgeformt. Im zweiten Schritt wird die Gleichspannung im Zwischenkreis kurzzeitig gespeichert. Im dritten Schritt wird die Gleichspannung mit Hilfe von IGCT-Leistungselektronikmodulen in kleine Teile zerhackt, um daraus eine Wechselspannung mit beliebiger Frequenz zu formen.

Leistung auch im Pumpbetrieb regulierbar

Dank des Umrichters kann die KWO bei einer der vier Grimsel-2-Maschinen nun auch im Pumpbetrieb die Leistung regulieren. Dies ist ein grosser Fortschritt, denn bislang war eine Regelung nur im Turbinenbetrieb möglich. „In Zeiten, wo wir früher eigentlich nur pumpen wollten, mussten wir in einem anderen Kraftwerk eine zusätzliche Turbine laufen lassen und Wasser aus den Stauseen abgeben, um den Strom fürs eigene Pumpen zu generieren. Nur so konnten wir unsere Regulierfunktion gegenüber dem Netz erfüllen“, erklärt Hans Schlunegger, Projektleiter bei den KWO.

Wasser ist für die KWO ein wertvolles Gut, je effizienter es genutzt wird, desto mehr Strom kann generiert werden. Allein beim Grimsel 2 wird der Inhalt des Grimselsees jährlich 5- bis 6-mal umgesetzt. Dank dem neuen Umrichter kann das gespeicherte Wasser nun optimal für die Regulier- und Spitzen-Stromproduktion genutzt werden. Damit erzielt die KWO eine bessere Wirtschaftlichkeit ihres Kraftwerkbetriebs. „Bisher mussten wir zur Sicherstellung der geforderten Regelenergie oft wertvolles Speicherwasser aus den Stauseen abarbeiten. Dank dem regelbaren Antriebsstromrichter kann die Effizienz der bestehenden Anlagen im Pumpspeicherkraftwerk Grimsel 2 deutlich gesteigert und mehr Spitzenenergie generiert werden“, erklärt Dr. Gianni Biasiutti, CEO der KWO.

Ein Meilenstein für KWO und ABB

„Auch für ABB ist es ein Meilenstein, weil es der weltweit erste Antriebsstromrichter mit Spannungszwischenkreis in dieser Leistungsklasse ist, der in einem Wasserkraftwerk eingesetzt ist“, erklärt Steve Aubert, Global Product Manager Hydro der lokalen Business Unit Power Conversion in Turgi. Damit sei ABB Technologieführerin für drehzahlgeregelte Applikationen im Hydrobereich. Der erste grosse Hydro-Spannungsumrichter Europas ist als sogenannte AC-Erregung bereits seit 2010 für eine doppeltgespeiste Asynchronmaschine in der Anlage Avĉe in Slovenien im Einsatz. Mit Grimsel 2 hat ABB nun einen weiteren Schritt in dieser Applikation vollzogen. Und ABB ist zuversichtlich, dass noch weitere Wasserkraftanlagen mit einem solchen Umrichter ausgerüstet wird – vielleicht mit einer noch höheren Leistung.

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Weltrekord in den Alpen