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30.07.2020

History meets modern engineering

Ein Facelift, der den Anlagenbetrieb der Laufwasserkraftwerke Ryburg-Schwörstadt und Wyhlen für die nächsten Dekaden sicherstellt.

Oben rechts: Kraftwerk Ryburg-Schwörstadt Bau: 1927 – 1931 / Turbinentypen: 4 Kaplan-Turbinen / Leistung: 120 Megawatt / Jahresproduktion: 760 Millionen kWh / Wehrlänge: 111 m / Wehrschütze: je 24 m breit, 12,5 m hoch, bis 140 t schwer

Unten links: Kraftwerk Wyhlen Bau: 1908 – 1912 / Modernisierung: 1990 – 1994 / Turbinentypen: 6 Straflo- und 5 Francis-Turbinen / Leistung: 38,5 Megawatt / Jahresproduktion: 255 Millionen kWh / Wehrlänge: 212 m / Wehrschütze: je 20 m breit, 9 m hoch, ca. 100 t schwer

Modulare, getaktete Stromversorgungs- und Wandlertechnologien werden bereits seit vielen Jahren erfolgreich in verschiedenen Marktsegmenten, wie zum Beispiel in der IT, der Automatisierungstechnik oder Telekommunikationsbranche eingesetzt.

In diesen Marktsegmenten haben die verantwortlichen Ingenieure frühzeitig den Schritt hin zu innovativen Stromversorgungssystemen gewagt und deren Einsatz forciert.
Die Vorzüge dieser Technologie wie hohe Verfügbarkeit, Flexibilität, einfache Instandhaltung und optimaler Wirkungsgrad erfüllen die Anforderung, betriebskritische Geschäftsprozesse sicher zu versorgen, vollumfänglich. Daher war dieser Schritt bei freien Gestaltungsmöglichkeiten eine logische Konsequenz.

In klassischen industriellen Anwendungen hingegen hat sich diese moderne Technologie bisher nur sehr langsam verbreitet. Insbesondere der konservativ orientierte Kraftwerksbereich war bis in die jüngere Vergangenheit hinein durch althergebrachte Thyristortechnik dominiert.

Für die Versorgung des sogenannten „Kraftwerks-Eigenbedarfs“ galten und gelten bei systemrelevanten Kraftwerksbetreibern zumeist selbstverfasste, technische Richtlinien. Diese meist vor Jahrzehnten geschaffenen Vorschriften basierten auf der zum Zeitpunkt ihrer Verfassung verfügbaren Thyristor-Technologie. Damit wurde die Einführung moderner Systementwürfe und die Durchdringung dieses Industriesektors mit innovativer Technik bis in die heutige Zeit hinein verzögert.

Das hier im Folgenden beschriebene Projekt zeigt eindrucksvoll auf, wie sich die Einstellung eines Kraftwerksbetreibers hin zu den innovativen, modularen Stromversorgungssystemen, durch eine wertneutrale und kompetente Technologieberatung verändert hat.

Portrait Claus Kirmaier
Claus Kirmaier, Leiter Niederlassung Süd, BENNING

Da BENNING konventionelle Thyristortechnik wie auch hochmoderne, getaktete Geräte in Modulbauform produziert, waren wir in der Lage, den Anwender wert- und technologieneutral zu beraten.“

Montage redundantes Stromversorgungssystem
Hochintegriertes, redundantes Stromversorgungssystem zur gesicherten Energieversorgung für das Maschinenhaus im Kraftwerk Wyhlen

Die Energiedienst Holding AG, mit Sitz in CH-Laufenburg, startete zu Beginn des Jahres 2019 mit ersten Planungen zur Modernisierung und Ersatz der Eigenbedarfs-Stromversorgungssysteme für ihre vollautomatisierten Laufwasserkraftwerke in Wyhlen und in Ryburg-Schwörstadt bei welchem Energiedienst für die Betriebsführung zuständig ist.

Verfügbarkeit hat höchste Priorität

Eine zuverlässige Stromversorgung der betriebswichtigen Anlagentechnik des Kraftwerks-Eigenbedarfs, hat dabei höchste Priorität. Eine lückenlose Datenerfassung an einer Vielzahl von Messstellen stellt die Basis für sämtliche Regelungs- und Steuerungseingriffe an einer enormen Menge von Aktoren innerhalb des Kraftwerkes und dessen Herzstück, den Maschinensätzen dar.

Die letzte Modernisierung der Stromversorgungssysteme der zwischen 1908 und 1931 am Hochrhein in Betrieb genommenen Wasserkraftwerke lag inzwischen bereits mehr als 25 Jahre zurück. Somit musste in den nächsten Jahren mit einem erhöhten Ausfallrisiko gerechnet werden.

Insbesondere im Kraftwerk Wyhlen ist eine gesicherte Versorgung der als Ergänzung zu den neueren Straflo-Turbinen im Bedarfsfall eingesetzten Francis-Maschinen von großer Bedeutung. Ein Ausfall der Versorgungsspannung könnte hier, wie auch im Kraftwerk Ryburg-Schwörstadt im schlimmsten Fall zu schweren Schäden an diesen unersetzlichen, historischen Maschinensätzen führen, die Energiedienst seit vielen Jahrzehnten mit großem Einsatz in Schuss hält.

Um einem Produktionsstillstand und den damit verbundenen hohen Folgekosten in den Laufwasserkraftwerken vorzubeugen, wurde im Juni 2019 eine entsprechende Ausschreibung veröffentlicht. Mit der geplanten Investition verfolgt Energiedienst als Betreiber das Ziel, die Kraftwerksfunktion auch bei einer Netzstörung sicherzustellen. Ebenso ist sie die Grundlage für einen aus der Ferne rund um die Uhr überwachten, automatisierten und dadurch kostenoptimalen Betrieb der Kraftwerke.

Planung und Expertise

Ebenfalls im Juni 2019 fand dann ein erster Vor-Ort-Termin zur Recherche der örtlichen Gegebenheiten statt. Dabei wurden grundlegende Möglichkeiten erörtert, wie eine zeitgemäße Erneuerung der Systeme „state of the art“ erfolgen könnte.
Daraus resultierten in der weiteren Bearbeitung der Ausschreibung im Juli 2019 eine Reihe von Bieterfragen, die auf Kundenseite eine erste Abwägung der Vor- und Nachteile von moderner, getakteter Technik gegenüber der in der Ausschreibung spezifizierten klassischen Thyristortechnik ermöglichten.

Bereits Ende Juli 2019 reichte BENNING ein erstes Angebot ein. Tatsächlich waren es zwei Angebote.
Denn obwohl die Planungsingenieure bereits zu diesem Zeitpunkt davon überzeugt waren, die Anforderungen mit moderner getakteter Technik besser und wirtschaftlicher erfüllen zu können, gab man wie gewünscht ebenfalls ein Nebenangebot für die zunächst ausgeschriebene Thyristortechnik ab.

5 Generatoren in einer Reihe
Einblick in die Generatorenhalle des Laufwasserkraftwerks Wyhlen.

Vorteile der modularen Technik im Vergleich zu Thyristortechnik

  • Ausgezeichnete Verfügbarkeit
  • Hohe Wirtschaftlichkeit
  • Maximale Netzqualität
  • Wesentlich höherer Wirkungsgrad
  • DC-Ausgang praktisch rippelfrei
  • Optimales dynamisches Verhalten
  • Betrieb auch ohne Batterie möglich
  • Deutlich kleineres Volumen und geringeres Gewicht
  • Flexibler durch Optionsplätze für zukünftige Erweiterungen (Skalierbarkeit)
  • N+1 Redundanz auch in Zusammenarbeit von N+N Systemen möglich
  • Hot-Plug-Tauschbarkeit der Module zwischen Anlagen gleicher Spannungsebene
  • Erstinterventionsmöglichkeit durch Standortpersonal im Fehlerfall
  • Bei Thyristortechnik ist im Fehlerfall in der Regel eine Instandsetzung nur mit Vor-Ort-Einsatz eines Technikers und Bereitstellung spezieller Ersatzteile (Regler, Leistungsteil etc.) möglich, weshalb bei getakteter Technik deutlich geringere Instandsetzungskosten auftreten
  • Kurze MTTR und einfache Ersatzteilvorhaltung
  • Praktisch keine Netzrückwirkungen im Gegensatz zu 6- oder 12-Puls-Thyristorsätzen

Nachteile im Vergleich zu Thyristortechnik

  • Höhere Bauteilzahl daher rechnerisch schlechtere MTBF (jedoch im Fehlerfall geringerer Impact, da ein System im Regelfall nie komplett ausfällt)
  • Lüfterbehaftete Module (jedoch sind die Lüfter geschwindigkeitsgeregelt und im kalten Zuluft-strom angeordnet, wodurch optimale Standzeiten erreicht werden – weiterhin sind die Lüfter in Bezug auf Soll- und Ist-Drehzahl mittels Tacho überwacht, womit eine Warnmeldung deutlich vor einem Ausfall ausgegeben werden kann)

Da BENNING herkömmliche Technik genauso wie modulare, getaktete Geräte im Produktportfolio führt, hatte der Kraftwerksbetreiber die vorteilhafte Möglichkeit, von einer wert- und technologie-neutralen Beratung zu profitieren.

Es folgte eine umfassende Gegenüberstellung und Bewertung der Technologien unter Berücksichtigung sämtlicher relevanter Kriterien (Details siehe Abbildung: Vorteile und Nachteile im Vergleich zu Thyristortechnik). Bewertet wurden neben maximaler Verfügbarkeit die Anwenderfreundlichkeit und alle wirtschaftlichen Aspekte. Ein sehr wesentlicher Punkt war für Energiedienst eine maximale Nachhaltigkeit des gesamten Stromversorgungssystems hinsichtlich Umweltschutz und Ökologie.

Montage Leitapparat Wassermengenregulierung einer Turbine
Ausschnitt Leitapparat zur Wassermengenregulierung einer Turbine im KW Ryburg-Schwörstadt

Vorteile begeistern

Schlussendlich begeisterten den Kunden die Vorteile der hochmodernen, modularen Technik. Die Beauftragung für das Laufwasserkraftwerk Wyhlen erfolgte im Dezember 2019 und für das Kraftwerk Ryburg-Schwörstadt im Januar 2020. Nicht nur die maximierte Verfügbarkeit aufgrund der Auslegung der Systeme in N+1 Redundanz überzeugten den Betreiber. Ebenso sieht Energiedienst erhebliche betriebliche Vorteile durch eine Gleichteilverwendung über mehrere Kraftwerksstandorte hinweg.

Einfache Erstinterventionsmöglichkeiten mit eigenem Betriebspersonal durch Hot-Plug-Tauschbarkeit mit der implementierten automatischen Modulkonfiguration waren ein weiteres schlagkräftiges Argument. Für das verantwortliche Personal erleichtert sich damit die Anlagenbedienung im Regelbetrieb sowie im Störfall und auch aus logistischer Sicht wird das Teilehandling wesentlich optimiert.

Für die Betriebsabteilung war eine perfekte Integration in die kraftwerksseitige Infrastruktur und Automatisierungstechnik von entscheidender Bedeutung. Die Lösung dieser Aufgabe gestaltete sich überraschend einfach. Durch die flexibel gestaltbaren Daten-Interfaces der modularen Stromversorgungssysteme können alle historisch bedingt unterschiedlichen Schnittstellen der Kraftwerksleittechnik flexibel und vollumfänglich bedient werden.

Tailor-made“ trotz Produktvielfalt

BENNING verfügt als global aufgestellter Hersteller von AC- und DC-Stromversorgungssystemen über eine hohe Produktvielfalt und ist in der Lage kurzfristig individuell zugeschnittene Lösungen zu entwickeln und umzusetzen. Somit erhält der Kunde immer die für ihn technisch und konstruktiv optimale Lösung.

Im Rahmen dieses Projektes wurden beispielsweise nicht nur die vom Planer ursprünglich gewünschten Thyristorgeräte für die geforderten Spannungsebenen 220 VDC und 48 VDC durch getaktete Geräte modernster Bauart ersetzt.

Aufgrund fachlicher Empfehlung von BENNING wurden die Kraftwerke nicht zusätzlich mit herkömmlichen 48 VDC Gleichrichtern, sondern mit modularen, eingangsseitig auf 220 VDC basierten DC/DC-Wandlern des Typs 3000 IDC ausgestattet. Durch den Einsatz dieser modularen 19“-Systeme können durch Spannungsabfall bedingte Energieverluste deutlich reduziert werden.

Die DC/DC-Wandler liefern gleichzeitig auch im Netz-Störfall eine stets konstante 48 VDC Versorgungsspannung gerade für die sensiblen, historischen Francis-Maschinensätze.

Des Weiteren gehören zum Lieferumfang hochautomatisierte Verteiler mit einer Vielzahl an motorisch betriebenen Leistungsschaltern, die eine Remote-Steuerung der Kraftwerke von der zentralen Leitwarte aus ermöglichen. Die Zu- und Abschaltbarkeit sowie Koppelbarkeit einzelner Kraftwerkssegmente ist nicht nur für den Normalbetrieb wichtig, sondern ermöglicht auch im Ernstfall eines flächendeckenden Blackouts einen systemdienlichen Notbetrieb.

BENNING redundante Verteilung - 2 Elemente
Redundant eingespeiste Verteilung zur gesicherten Versorgung der Francis- Maschinenhalle im Kraftwerk Wyhlen
19" BENNING Modul TEBECHOP - einzeln
19“ DC/DC-Wandlereinschub modular mit 5 Modulen TEBECHOP 3000 IDC

Die in den von BENNING als Systemkomponenten mitgelieferten Batterieanlagen gespeicherte Kapazität bietet hierbei im Notfall die benötigte Energiereserve, um bei einem Netzausfall die Anlagenfunktion völlig unterbrechungsfrei zu gewährleisten.

Gleichzeitig ermöglichen die Akkumulatoren den Kraftwerken die Durchführung eines sogenannten „Schwarzstartes“. Bei einem flächendeckenden Netzausfall im Falle eines gleichzeitigen Kraftwerksstillstandes könnte die Batterieenergie die Regelfunktion der Wehre nur eine begrenzte Zeit überbrücken. Um die Wasserführung durch die viele Tonnen schweren Stauwehrschütze stets kontrollieren zu können, ist es jedoch unabdingbar für diese Bauteile, dauerhaft die nötige Versorgung zur Verfügung zu stellen. Die für den Anlauf eines völlig autarken Inselbetriebes erforderliche „Startenergie“ kann hierfür zunächst den Batteriesystemen entnommen werden und wird nach dem Anlauf der gewaltigen Maschinensätze aus der stets verfügbaren Wasserkraft gewonnen.

BENNING führt als Systempartner für Energiedienst neben der Hardware-Produktion auch die Montagedienstleistung durch. Eine Netz- und Selektivitätsberechnung, Demontage der Altsysteme, Einbringung, Aufstellung der Neuanlagen, Verkabelung und Inbetriebnahme gehören zum Leistungsumfang. Besondere Vorteile kann BENNING hierbei mit seinem für „AuS“ (Arbeiten unter Spannung) geschulten Personal bieten. Mit dieser speziellen Befähigung können nichtabschaltbare Verbraucher in einem Kraftwerk unterbrechungsfrei auf die neu errichteten Anlagenteile umgeschwenkt werden.

Energiedienst Holding AG

Sitz der Gesellschaft Energiedienst Holding AG ist in CH-Laufenburg.

Standort der Kraftwerke am Hochrhein sind u. a. Wyhlen und Ryburg-Schwörstadt.

Energiedienst betreibt gesamthaft 21 größere und kleinere Wasserkraftwerke und ist gleichfalls mit der Tochtergesellschaft ED Netze GmbH als Netzbetreiber aktiv.

Portrait Marco Gerspach
Marco Gerspach, Ing. Energiemanagement (B. Eng.), Kraftwerk Engineering, Energiedienst

„Mit der Partnerschaft zu BENNING verfügen wir über die Möglichkeit, uns aus einem optimal aufgestellten Produktportfolio in Verbindung mit einem zuverlässigen Service zu bedienen.“

Links: Motorbetriebene Leistungsschalter in den von BENNING gelieferten Verteilersystemen ermöglichen eine vollständig automatisierte Betriebsführung durch die Leitwarte in allen systemrelevanten Spannungsebenen der Kraftwerke

Mitte: 220 V Gleichrichtersystem des Schalthauses mit Kupplungsmöglichkeit zur Notversorgung der Maschinensätze im Kraftwerk Wyhlen

Rechts: Verbraucherverteilung Francis-Maschinensätze

Fazit

Zur Entscheidung des Kunden pro moderner, modularer Stromversorgungssysteme trug maßgeblich die Chance bei, sich wertneutral, glaubhaft und kompetent über die Vorteile und den Nutzen dieser Topologie im Vergleich zu konservativen Monoblocksystemen zu informieren und detailliert beraten zu lassen.

Mit der Partnerschaft zu BENNING verfügt Energiedienst über die Möglichkeit, sich aus einem optimal aufgestellten Produktportfolio zu bedienen. Die jahrzehntelange Erfahrung in den Bereichen Hardware-Design, Qualitätsmanagement und Montageplanung stellen eine effiziente Fertigung und zügige Installation sicher. Letztere soll mit der geplanten Inbetriebnahme im Juli 2020 abgeschlossen werden. Damit werden die Energiedienst Laufwasserkraftwerke Wyhlen und Ryburg-Schwörstadt auch in Zukunft zuverlässig rund um die Uhr nachhaltig erzeugten Strom bereitstellen und einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten.

Weitere Informationen

Kontakt: Claus Kirmaier
Tel.: +49 8332 936363
E-Mail: c.kirmaier@benning.de

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