eine zukunftsweisende Übertragungstechnologie - Alstom
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ThInk GRID #08 – fRühLInG-SOMMeR 2011<br />
#08 SHARING<br />
ALSTOM GRID<br />
INNOVATION<br />
& PRACTICES<br />
thinkgrid<br />
thEMA – S. 13<br />
SeLbSTGefühRTe<br />
STROMRIchTeR füR<br />
hOchSpAnnunGSAnwenDunGen:<br />
<strong>eine</strong> <strong>zukunftsweisende</strong><br />
<strong>Übertragungstechnologie</strong>
Inhalt<br />
#08 Frühling-Sommer 2011<br />
Interview mit 08 Dr. Eddie O’Connor<br />
06<br />
Smart Grid<br />
Technologien<br />
von <strong>Alstom</strong><br />
in den USA<br />
erfolgreich<br />
THINK GRID – SHARING ALSTOM GRID INNOVATION & PRACTICES – Herausgegeben von <strong>Alstom</strong> Grid<br />
51 esplanade du Général de Gaulle - 92907 La Défense Cedex - Frankreich. www.alstom.com/grid - Auflage:<br />
20.000 (französisch, englisch, deutsch, chinesisch, spanisch) - Herausgeber: Peter Kirchesch - Chefredakteurin:<br />
Véronique Chauvot - Redaktion: Philippe Ponchon, Milan Saravolac, François Gallon, Greg Manning -<br />
Entwurf und Design: BythewayCreacom - 19 rue Galilée, 75116 Paris - Frankreich - Tel.: +33 (0)1 53 57 60 60 -<br />
www.bythewaycreacom.net - Redaktionsleiter: Henry Lewis Blount - Veröffentlichung: Kaling Chan -Mitarbeit:<br />
Henry Lewis Blount, Ken Kincaid, Patrick Love, Louis-Antoine Mallen, Anne Träger – Schlussredaktion: Ginny Hill -<br />
Deutsche Übersetzung: Joerg Ruthel - Art Director: Didier Trayaud - Computergraphiken: Jean-Marie Lagnel -<br />
Fotos: <strong>Alstom</strong>, Beacon Power, Getty Images, Photodisc, Jason Clark (Mainstream), Corbis, Stockbyte, Plain<br />
Picture, Masterfile - Druck: Lecaux. ISSN: 2102-0183. Herzlichen Dank den Unternehmen, die uns Bildmaterial<br />
zur Verfügung gestellt haben.<br />
Der Umwelt zuliebe<br />
Selbstgeführte Stromrichter<br />
für Hochspannungsanwendungen: <strong>eine</strong><br />
<strong>zukunftsweisende</strong> <strong>Übertragungstechnologie</strong><br />
33<br />
Smarte Produkte<br />
& Dienstleistungen<br />
HGÜ-Transformatoren:<br />
Kernbestandteile<br />
von Hochspannungs-<br />
Gleichstromübertragungs-<br />
Systemen
23<br />
Innovation & Leistung<br />
Digitale Optik setzt Schutz-<br />
und Leitsysteme ins Bild<br />
Geschichte<br />
der Elektrizität<br />
Transformatoren<br />
im Wandel der Zeit<br />
46<br />
5 VORWORT<br />
Von Prof. Dr. Peter Kirchesch:<br />
FuE Vizepräsident, <strong>Alstom</strong> Grid<br />
6 PANORAMA<br />
Smart Grid Technologien von<br />
<strong>Alstom</strong> in den USA erfolgreich<br />
8 INTERVIEW MIT…<br />
Dr. Eddie O’Connor,<br />
CEO von Mainstream<br />
Renewable Power, Irland<br />
11 THEMA<br />
Zu neuen technischen<br />
Grenzen vorstoßen<br />
12 Kapitel I<br />
Der Umwelt zuliebe<br />
Zukunftsorientierte<br />
Forschung<br />
23 Kapitel II<br />
Innovation & Leistung<br />
Neue Lösungen<br />
33 Kapitel III<br />
Smarte Produkte &<br />
Dienstleistungen<br />
Energieversorgung heute<br />
und morgen garantieren<br />
44 MEINUNGEN<br />
Startups als Partner<br />
46 GESCHICHTE<br />
DER ELEKTRIZITÄT<br />
Transformatoren<br />
im Wandel der Zeit<br />
50 FÜR SIE GELESEN<br />
Bücher, Zeitschriften usw.<br />
51 TERMINE FÜR<br />
IHREN KALENDER<br />
Nicht verpassen...
Think Grid<br />
4 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011
Strom wurde bisher überwiegend als Wechselstrom (WS) erzeugt, als WS übertragen<br />
und verteilt und mit Ausnahme weniger Bahnanwendungen sowie industriellen Antriebslösungen<br />
und Verfahren auch als WS verbraucht. Heute ist es allerdings in vielen Fällen<br />
technisch und wirtschaftlich von Vorteil, elektrische Versorgungssysteme mit Gleichstromübertragung<br />
(GS) auszustatten. (Von Interesse ist in diesem Zusammenhang auch,<br />
dass viele Haushaltsgeräte und Anlagen inzwischen mit Gleichstrom funktionieren und<br />
dies auch zunehmend bei der Beleuchtung der Fall sein wird, da Leuchtdioden (LED)<br />
mit GS betrieben werden.)<br />
Innovative GS-Technologien, neu entwickelte Leistungselektronik, verbesserte Isolierungen<br />
und der Fortschritt bei HGÜ-Transformatoren ermöglichen heute Übertragungsleistungen,<br />
von denen unsere Vorfahren nicht einmal zu träumen wagten.<br />
Auf Leistungselektronik basierende Stromrichter kommen mittlerweile in allen Anwendungsbereichen,<br />
also bei der Umformung von Strom, Spannung oder Frequenzen, zum<br />
Einsatz. Neue Anwendungen kommen hinzu: Die GS-Technologien werden schon bald<br />
integraler Bestandteil dessen sein, was wir inzwischen als „Smart Grids“ bezeichnen.<br />
Im Mittelpunkt dieser Ausgabe<br />
von Think Grid stehen deshalb<br />
selbstgeführte Stromrichter, auch<br />
VSC (Voltage-Source Converters)<br />
genannt, denn von dieser relativ<br />
neuen Technologie könnte die<br />
nächste Revolution im Markt für<br />
die Übertragung und Verteilung<br />
von Strom ausgehen.<br />
Viel Spaß beim Lesen.<br />
Gleichstrom-<br />
Technologien werden<br />
immer wichtiger<br />
Vorwort<br />
Von Prof. Dr. Peter Kirchesch: Vizepräsident FuE, <strong>Alstom</strong> Grid<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 5
Panorama<br />
USA Dezember 2010<br />
Smart Grid technologien<br />
von <strong>Alstom</strong> in den USA<br />
erfolgreich<br />
Das amerikanische Energieministerium hat das<br />
Smart Grid-Demonstrationsprojekt von <strong>Alstom</strong><br />
für die Optimierung des nationalen<br />
Stromversorgungsnetzes der USA mit Hilfe von<br />
Smart Grid-Technologien ausgewählt. Diese<br />
Entscheidung ist Teil der von Präsident Obama<br />
verfolgten Energiepolitik, die den Ausbau solcher<br />
Technologien zur Verbesserung von Effizienz,<br />
Zuverlässigkeit und CO2-Bilanz der<br />
Versorgungsnetze voranbringen soll.<br />
Zweck des Demonstrationsprojekts von <strong>Alstom</strong> Grid<br />
ist der Nachweis, dass <strong>eine</strong> effiziente Integration<br />
dezentraler Energiequellen (Kleinanlagen:<br />
Windkraft, Photovoltaik, Community Energy<br />
Storage, Elektrofahrzeuge als Stromquellen usw.)<br />
tatsächlich machbar ist. Das Projekt soll zur<br />
Verwirklichung der von den USA mit Smart Grids<br />
verfolgten Ziele für 2030 beitragen: <strong>eine</strong> um<br />
20 Prozent gesenkte Spitzenlast, 100 Prozent<br />
Verfügbarkeit, 40 Prozent mehr Systemeffizienz<br />
und ein Anteil dezentraler und erneuerbarer<br />
Energiequellen von 20 Prozent an der gesamten<br />
Erzeugungskapazität des Landes.<br />
Das Demonstrationsprojekt wird insbesondere auf<br />
dem Integrated Distribution Management System<br />
(IDMS) e-terradistribution von <strong>Alstom</strong> Grid<br />
basieren. <strong>Alstom</strong> Grid wird leistungsfähige Modelle<br />
und Analysetools zur Integration dezentraler<br />
Energiequellen verschiedener Art entwickeln und<br />
dazu regelmäßig die Daten verschiedener<br />
dezentraler Schnittstellen erfassen, zum Beispiel<br />
intelligenter Zähler und neuer Sensoren.<br />
6 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
D e r V e r t r I e b b e r I c h t e t<br />
DeUtSchLAND<br />
Schlüsselfertige Umspannanlage für Offshore-Windpark<br />
Nach dem Zuschlag für die elektrische Ausstattung der Umspannanlage des windparks Borkum<br />
west II im Jahr 2008 konnte <strong>Alstom</strong> Grid sich nun auch den Gesamtauftrag bis zur schlüsselfertigen<br />
Übergabe sichern. Der Auftrag sieht die Herstellung und Lieferung der Plattform für die Unterbringung<br />
der Umspannanlage sowie deren Installation vor. Der Windpark Borkum West II befindet sich<br />
45 Kilometer nördlich der Insel Borkum in der Nordsee. Übergabetermin ist März 2012.<br />
USA<br />
Innovative HGÜ-Technik im Einsatz<br />
<strong>Alstom</strong> Grid wird die tres Amigas Superstation, <strong>eine</strong>n weltweit einmaligen Netzknotenpunkt der<br />
drei größten Stromübertragungsnetze der USA, mit HGÜ-Stromrichter-technologie ausstatten. Bei<br />
dem Projekt wird neueste VSC-technologie von <strong>Alstom</strong> Grid zum Einsatz kommen, um <strong>eine</strong>n<br />
effizienten Austausch sauberer Energie (Wind, Solarenergie und Erdwärme) zwischen den drei<br />
Versorgungsregionen zu gewährleisten. Die kommerzielle Inbetriebnahme ist für 2014 geplant.<br />
rUSSLAND<br />
GIS-Umspannanlage für neue Vinylanlage<br />
Die russische rusvinyl LLC hat <strong>Alstom</strong> Grid mit der Lieferung <strong>eine</strong>r schlüsselfertigen gasisolierten<br />
Schaltanlage beauftragt. Der Vertrag umfasst Projektplanung, Beschaffung, Errichtung der Anlage<br />
sowie Inbetriebnahme des 220/35/10 kV-Schaltkomplexes mit vier Umspannanlagen für die<br />
Versorgung der neu errichteten PVC-Fabrik. <strong>Alstom</strong> Grid hat für den Kunden <strong>eine</strong> genau auf s<strong>eine</strong><br />
Bedürfnisse zugeschnittene Lösung entwickelt. Die Inbetriebnahme ist für Mai 2012 vorgesehen.<br />
INDONeSIeN<br />
Auftrag über 60 Leistungstransformatoren<br />
Der staatliche indonesische Energieversorger PT PLN hat 60 Leistungstransformatoren (bis zu<br />
150 kV/60 MVA) für den Ausbau s<strong>eine</strong>r Stromübertragungsnetze auf Java, Bali und Sumatra<br />
bestellt. Die Lieferungen beginnen im Juni 2011 und werden ein ganzes Jahr in Anspruch nehmen.<br />
KUWAIt<br />
Integriertes Leitsystem für Verteilnetze<br />
Für das kuwaitische Ministerium für Elektrizität und wasser wird <strong>Alstom</strong> Grid die Netzleitstelle<br />
des Versorgungsdistrikts Jahra mit <strong>eine</strong>m integrierten Leitsystem für Verteilnetze ausstatten;<br />
zusätzliche Supportleistungen wurden ebenfalls vereinbart. Die auf den Netzleit-Systemen<br />
e-terraplatform und e-terradistribution von <strong>Alstom</strong> Grid basierenden Anwendungen sollen der<br />
Grundstein zu <strong>eine</strong>r umfassenden Integration von Smart Grid-Lösungen sein.
I N Z A h L e N<br />
PRO-KOPF-VERBRAUCH<br />
AN STROM 2009<br />
> 10.000 kWh pro Kopf 5000 bis 10.000 kWh pro Kopf 2000 bis 5000 kWh pro Kopf < 2000 kWh pro Kopf Quelle: The World Factsbook 2009<br />
Für den wirtschaftlichen Erfolg <strong>eine</strong>r Industriegesellschaft<br />
und die Lebensqualität ihrer<br />
Menschen ist Strom <strong>eine</strong> unerlässliche<br />
Voraussetzung. Zwischen dem Zuwachs<br />
des Pro-Kopf-Verbrauchs an Strom und<br />
dem Wachstum des Pro-Kopf-Einkommens<br />
besteht ein enger Zusammenhang.<br />
Zwischen Industrie- und Entwicklungsländern<br />
gibt es hier gewaltige Unterschiede.<br />
In den meisten Industrieländern ist der<br />
Strombedarf schneller gestiegen als das<br />
Pro-Kopf-Einkommen, denn zusätzliche<br />
Elektrizität dient dort vor allem dem<br />
Komfort und der Bequemlichkeit.<br />
Die Unterschiede von Land zu Land erklären<br />
sich aus den jeweiligen Investitionen<br />
in die Stromerzeugung, historisch gewachsenen<br />
Verbrauchsgewohnheiten, dem Grad<br />
der Urbanisierung und der Größe stromintensiver<br />
Industrien, aber auch aus den<br />
klimatischen Verhältnissen. Jeder Kanadier<br />
beispielsweise verbraucht 16.000 kWh<br />
pro Jahr. In Japan sind es 7.000 kWh, während<br />
der Chinese im Mittel nur 2.500 kWh<br />
verbraucht - allerdings mit <strong>eine</strong>m starken<br />
Gefälle zwischen dem Osten (hoch) und<br />
dem Westen (niedrig) Chinas. Aber es gibt<br />
auch Länder wie Afghanistan mit <strong>eine</strong>m<br />
Pro-Kopf-Verbrauch von 10 kWh pro Jahr<br />
- nicht einmal 0,1% des Stromverbrauchs<br />
der Kanadier.<br />
Den Stromverbrauch international auf ein<br />
vergleichbares Niveau zu bringen und ein<br />
nachhaltiges Wachstum in allen Teilen der<br />
Welt zu gewährleisten, ist <strong>eine</strong> wichtige<br />
Zukunftsaufgabe.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 7
inTerview miT…<br />
Nachhaltige<br />
Stromerzeugung ist <strong>eine</strong><br />
spannende Sache.<br />
8 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011
dr. eddie o’Connor, CEO von Mainstream<br />
Renewable Power, Irland.<br />
Dr. o’Connor über die Zukunft des europäischen Supergrid.<br />
Schafe auf der Weide<br />
in Kilgarvan (Irland).<br />
Dr. O’Connor, bitte stellen Sie uns<br />
kurz Ihr Unternehmen Mainstream<br />
Renewable Power vor?<br />
eddie o’Connor: Nach jahrelanger Tätigkeit<br />
in der Elektrizitätsbranche gründete ich<br />
ein Unternehmen für Bau und Betrieb von<br />
Offshore-Windparks (Airtricity). Ich wollte<br />
m<strong>eine</strong> Erfahrung als Manager in diesen<br />
jungen, aber viel versprechenden Sektor<br />
einbringen. Als Airtricity 2008 veräußert<br />
wurde, investierten wir den Gewinn in<br />
Mainstream Renewable Power mit dem<br />
Ziel, Wind- und Solarenergieanlagen sowohl<br />
im Meer als auch auf dem Festland zu<br />
planen, zu errichten und dann an Stromversorger,<br />
Energieunternehmen oder Pensionsfonds<br />
zu verkaufen. Die nachhaltige<br />
Energieerzeugung ist ein sehr spannendes<br />
Geschäft und sie steckt noch in den Kinderschuhen.<br />
Mainstream ist in zahlreichen<br />
Ländern mit Onshore- und Offshore-Projekten<br />
aktiv. Zurzeit bietet der Offshore-<br />
Markt das größte Potenzial, und zwar in<br />
Custom House und Liberty Hall<br />
am Liffey-Ufer in Dublin.<br />
Nordeuropa und insbesondere in Großbritannien.<br />
Wie stehen Sie zu <strong>eine</strong>m<br />
europäischen Supergrid?<br />
e.o’C: Ich brachte die Idee - und den Namen -<br />
2001 auf, nachdem ich die enormen Potenziale<br />
der Windenergie erkannt hatte. Strom<br />
aus Windenergie trägt zur Versorgungssicherheit<br />
in Europa bei, denn der Wind, der<br />
über Europa weht, gehört ja auch den Europäern.<br />
Es ist das erklärte Ziel Europas, s<strong>eine</strong>n<br />
CO2-Ausstoß auf 90 Prozent des Niveaus<br />
von 1990 zu drücken, ein wichtiger Antrieb,<br />
der zu <strong>eine</strong>r explosionsartigen Entwicklung<br />
des Geschäfts mit der Windenergie führte.<br />
Prognosen zufolge werden wir ab 2050 in<br />
Europa nur noch Strom aus erneuerbaren<br />
Energien verbrauchen. Windenergie wird die<br />
Hälfte des europäischen Strombedarfs<br />
decken, und davon werden wiederum die<br />
Offshore-Windparks den größten Teil liefern.<br />
Deshalb haben wir im Jahr 2000 das Projekt<br />
Straßenszene in Temple<br />
Bar, Dublin.<br />
Arklow Banks in Angriff genommen; es ist<br />
nach wie vor Irlands einziger Offshore-Windpark.<br />
Mit Greater Gabbard, dem weltweit<br />
größten im Bau befindlichen Windpark mit<br />
<strong>eine</strong>r Kapazität von 500 MW, sind wir außerdem<br />
an der UK Round 2 beteiligt.<br />
Ob und wo Wind weht, ist jedoch nie völlig<br />
vorhersehbar. Und deshalb brauchen wir für<br />
die Offshore-Windparks das HGÜ Supergrid.<br />
Dieses Supergrid muss sich über 5.000 Kilometer<br />
erstrecken, sodass der Wind immer<br />
gerade an irgend<strong>eine</strong>r Stelle dieses Netzes<br />
weht. Die über Unterwasserkabel angeschlossenen<br />
Knotenpunkte dieses Supernetzes<br />
würden dann mit den Stromversorgungsnetzen<br />
der einzelnen Länder verbunden,<br />
sodass die Energie immer dahin geliefert<br />
werden kann, wo sie gerade gebraucht wird.<br />
Der erste Teil des Supergrid ist bereits<br />
geplant. Deutschland, Großbritannien,<br />
Norwegen und Belgien werden sich beteiligen.<br />
Mit diesen vier Ländern können wir<br />
sicher sein, dass die erforderliche<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 9
inTerview miT…<br />
DAS KüNftIGe eUrOPäISche SUPerGrID<br />
Supergrid-Verbindungen (überwiegend HGÜ).<br />
“kritische Masse”, also die für <strong>eine</strong><br />
sichere Versorgung erforderliche Erzeugungskapazität<br />
von mindestens 23.000 MW,<br />
vorhanden ist. Außerdem haben wir den Verein<br />
„Friends of the Supergrid“ gegründet. Die<br />
19 größten Anbieter von Energietechnik, darunter<br />
nicht zuletzt <strong>Alstom</strong>, gehören diesem<br />
Verein an. Ich gehe davon aus, dass der Bau<br />
des Supergrid 2016 beginnen kann und das<br />
erste Teilnetz um 2020 in Betrieb gehen wird.<br />
Wie soll solch ein Supernetz<br />
finanziert werden?<br />
e.o’C: Die Finanzierung war von Anfang an<br />
Teil der Planung. Man kann davon ausgehen,<br />
dass zur Finanzierung des ersten Teilnetzes<br />
etwa 28 Mrd.€ erforderlich sein werden. Dieser<br />
Bedarf lässt sich über <strong>eine</strong> Abgabe der<br />
Kunden in den angeschlossenen Ländern<br />
decken, und zwar nur mit 0,23 Eurocent pro<br />
verbrauchter Stromeinheit. Wird diese Abgabe<br />
jedoch nur für die das Supergrid durchfließende<br />
Strommenge erhoben, müsste sie<br />
etwa 1,5 Eurocent pro Einheit betragen. Auf<br />
jeden Fall entsteht mit dem Supergrid <strong>eine</strong><br />
richtige Stromhandels-Infrastruktur zwischen<br />
10 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
Ein HGÜ-<br />
Supergrid für offshorewindparks<br />
ist absolut<br />
unerlässlich.<br />
den angeschlossenen Ländern – der sich<br />
andere Länder in absehbarer Zukunft<br />
anschließen dürften. Die Schweiz hat Interesse<br />
bekundet, <strong>eine</strong> Anschlussverbindung nach<br />
Italien könnte folgen und dann vielleicht auch<br />
<strong>eine</strong> Zusammenschaltung mit <strong>eine</strong>m Solarstrom-Versorgungsnetz<br />
rund um das Mittelmeer.<br />
Im Endeffekt werden die Stromkosten<br />
dadurch sinken, denn wir schaffen damit <strong>eine</strong>n<br />
gemeinsamen europäischen Strommarkt.<br />
Wie sollte man die Eignerstruktur,<br />
wie den Betrieb des Supergrid<br />
gestalten?<br />
e.o’C: Eigner sollten Betreiber von Übertragungsnetzen<br />
(TSO) oder einige nationale<br />
Betreiber solcher Netze in den angeschlossenen<br />
Ländern sein, die Übertragungsnetze<br />
bereits besitzen und managen. Es könnte<br />
aber auch Platz für neue Unternehmen am<br />
Markt vorhanden sein. Zugleich sprechen<br />
wir uns jedoch auch für die Schaffung <strong>eine</strong>r<br />
Offshore-Regulationsbehörde aus; diese<br />
würde mit den TSO gemeinsam entscheiden,<br />
in welche Richtung sich das Supergrid<br />
entwickelt, damit die kostengünstigste<br />
Realisierung sichergestellt ist und k<strong>eine</strong><br />
neuen Schranken für die Stromversorgung<br />
entstehen. In der Folge würden dann die<br />
Betreiber der Offshore-Übertragungsnetze<br />
das Supergrid unter Aufsicht der Regulierungsbehörde<br />
nutzen, wobei die betrieblichen<br />
Modalitäten m<strong>eine</strong>r Vorstellung nach<br />
denen heutiger Onshore-Grids sehr ähnlich<br />
wären.<br />
Wie würde sich die Anbindung<br />
des Supergrid an heutige Onshore-<br />
Versorgungsnetze gestalten?<br />
e.o’C: Diese Anbindung ist kein Problem.<br />
Die großen Anbieter von HGÜ-Technik verfügen<br />
bereits über die nötigen Produkte,<br />
nämlich WS-GS-WS-Stromrichter; das<br />
Supergrid wird die Leistung über HGÜ-<br />
Verbindungen übertragen. <strong>Alstom</strong> bietet solch<br />
ein Produkt an, das sich durch sehr geringe<br />
Verlustleistung auszeichnet. Diese großen<br />
Anbieter haben ein geschäftliches Interesse<br />
an der Schaffung <strong>eine</strong>s HGÜ-Supergrid, denn<br />
sie werden die Umspannanlagen und die<br />
Knotenpunkte mit ihren GS-Leistungsschaltern<br />
und Leitsystemen liefern.<br />
Nach welchen Standards soll das<br />
Supergrid gebaut werden?<br />
e.o’C: Die Standards tragen der Service-<br />
Philosophie (zum Beispiel N-1-Redundanz),<br />
den Schutzanforderungen, den Betriebsspannungen<br />
der Unterwasserkabel, dem Umfang<br />
der bereitgestellten Informationen und weiteren<br />
technologischen Vorgaben Rechnung.<br />
Welche Spannungsbelastungen zukünftiger<br />
Unterwasserkabel möglich sein werden, wissen<br />
wir heute noch nicht. Aus der Sicht von<br />
Kabelherstellern wie Prysmian und Nexans<br />
ist die Spezifizierung der Spannung gleich<br />
zu Beginn aber wichtig. Werden es 500 kV-,<br />
800 kV oder sogar 2 MV Kabel sein? Aber die<br />
Konzeptplanung hat begonnen. Wir werden<br />
gleich zu Anfang, noch vor der eigentlichen<br />
Projektplanung, <strong>eine</strong> gemeinsam verabschiedete<br />
Reihe von Normen vorlegen, sodass<br />
k<strong>eine</strong> Zeit verloren geht.
Thema<br />
Zu neuen<br />
technischen<br />
Grenzen vorstoßen<br />
12 Kapitel I<br />
Der Umwelt<br />
zuliebe<br />
23 Kapitel II<br />
Innovation<br />
& Leistung<br />
33 Kapitel III<br />
Smarte Produkte<br />
& Dienstleistungen<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 11
Thema KAPItEL I ZUKUNFtSorIENtIErtE ForSCHUNG<br />
Der Umwelt<br />
zuliebe<br />
Hochspannungs-Gleichstromübertragung hat viele Vorteile... und einige Schwächen. Die<br />
selbstgeführten Stromrichter (VSC) von <strong>Alstom</strong> Grid gleichen diese Schwächen durch<br />
Skalierbarkeit, modularen Aufbau, Kompaktheit, Vielseitigkeit und geringe Verlustleistungen<br />
wieder aus. Mit Netzleitsystemen von <strong>Alstom</strong> Grid lassen sich auch große Versorgungsnetze<br />
durch sichere Prognostizierung der Last- und Erzeugungskurven, über Tage und sogar Monate<br />
im voraus, effizient betreiben. Energiespeicherung wird schon in naher Zukunft <strong>eine</strong><br />
entscheidende Herausforderung darstellen. Der dritte Beitrag dieses Kapitels beschreibt viel<br />
versprechende Lösungsansätze.<br />
12 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011
Selbstgeführte Stromrichter für<br />
hochspannungsanwendungen: <strong>eine</strong><br />
<strong>zukunftsweisende</strong> <strong>Übertragungstechnologie</strong><br />
Die Anlagen der neuen HGÜ-technologie haben dank selbstgeführter Stromrichter<br />
nur halb so große Abmessungen wie konventionelle HGÜ-Systeme und sind dennoch verlustarm –<br />
ein erheblicher Vorteil für Ballungsräume, offshore-windparks und andere Anwendungen unter beengten<br />
Platzverhältnissen.<br />
Bei gleicher Trassenbreite bieten Hochspannungs-Gleichstromübertragungs<br />
(HGÜ)-Systeme heute dreimal soviel Übertragungskapazität<br />
wie Wechselspannungs<br />
(WS)-Systeme und eignen sich damit hervorragend<br />
für den Transport hoher Leistungen<br />
über große Entfernungen. Angesichts<br />
zunehmender Widerstände gegen neue<br />
Trassen sowohl in städtischen als auch ländlichen<br />
Gebieten erweist sich HGÜ aber<br />
oft auch als einzig gangbare Lösung zur Steigerung<br />
der Übertragungsleistungen über<br />
kürzere Entfernungen. Dies sind aber nicht<br />
die einzigen Vorteile von HGÜ. Die Entwicklung<br />
von Bipolartransistoren mit isoliertem<br />
Gate (IGBT) eröffnet der HGÜ neue Perspektiven,<br />
wie die Realisierung kl<strong>eine</strong>rer HGÜ-<br />
Systeme zu wirtschaftlichen Bedingungen.<br />
Solche Systeme können dann beispielsweise<br />
zur Lastflussregelung in WS-Netzen eingesetzt<br />
werden, ohne dabei die Kurzschlussleistung<br />
zu erhöhen, die mit <strong>eine</strong>r zusätzlichen<br />
WS-Leitung verbunden wäre. Durch die<br />
Integration von HGÜ-Verbindungen in Wech-<br />
Bipolare ± 285 kV HGÜ-Leitung<br />
zwischen dreiphasigen 400 kV<br />
WS-Leitungen.<br />
selstromnetze lässt sich der Lastfluss somit<br />
erheblich effizienter steuern. Mit Hilfe von<br />
HGÜ-Kurzkupplungen können zwei WS-<br />
Netze mit unterschiedlichen Frequenzen ihre<br />
dynamischen Leistungsreserven gemeinsam<br />
nutzen, was <strong>eine</strong> Senkung der Reserveleistung<br />
um die Hälfte zulässt. HGÜ-Verbindungen<br />
wirken außerdem, gleich <strong>eine</strong>r „Firewall“,<br />
der Ausbreitung von Fehlern entgegen und<br />
tragen so zu <strong>eine</strong>r räumlichen Begrenzung<br />
von Netzausfällen bei. HGÜ bietet sich, wie<br />
bereits erwähnt, aber auch für<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 13
Thema KAPItEL I ZUKUNFtSorIENtIErtE ForSCHUNG<br />
SerIeLLe hybrIDSchALtUNG<br />
bestimmte Anwendungen<br />
über kürzere Distanzen an,<br />
beispielsweise für Seekabelübertragungen,<br />
da die Blindleistung <strong>eine</strong>r WS-Kabel-Verbindung<br />
ab <strong>eine</strong>r bestimmten Entfernung in die<br />
Größenordnung der Wirkleistung kommt<br />
und deren Nutzung nicht mehr möglich ist.<br />
Allerdings „haben klassische HGÜ-Systeme<br />
auch einige betriebliche Nachteile und sind<br />
daher nicht überall verwendbar“, urteilt Dr.<br />
Norman MacLeod, Technical Marketing<br />
Director HVDC & FACTS bei <strong>Alstom</strong> Grid. „Sie<br />
erfordern beidseitig die Einbindung in relativ<br />
leistungsstarke WS-Netze und erzeugen<br />
außerdem harmonische Oberschwingungen<br />
in den angeschlossenen WS-Netzen. Der<br />
Blindleistungsaustausch mit dem Wechselstromnetz<br />
lässt sich nur begrenzt steuern,<br />
und nicht zuletzt benötigen klassische HGÜ-<br />
Komponenten mehr Platz.”<br />
14 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
Komplette<br />
Chain-Links<br />
Serielles<br />
IGBT-<br />
Stromrichterventil<br />
Die installierte<br />
Leistungselektronik.<br />
Jedes Modul besteht<br />
aus acht Submodulen<br />
in <strong>eine</strong>m Rahmen,<br />
die sich senkrecht<br />
oder waagrecht<br />
anordnen lassen.<br />
Mit selbstgeführten Stromrichtern<br />
lassen sich diese Probleme meistern<br />
Die von <strong>Alstom</strong> Grid entwickelte selbstgeführte<br />
Stromrichter-Technologie (VSC) für<br />
HGÜ-Anwendungen, mit dem Markennamen<br />
HVDC MaxSine®, kombiniert die Vorteile<br />
beider heute gängigen Stromrichtertopologien<br />
und hilft damit, mehrere der genannten<br />
Probleme zu vermeiden. Bei den beiden<br />
Stromrichtertopologien handelt es sich zum<br />
<strong>eine</strong>n um Stromrichter mit niedrigen Pulszahlen<br />
und Pulsweitenmodulation (PWM)<br />
aus zahlreichen in Serie geschalteten IGBT<br />
und zum anderen um modular aufgebaute<br />
Multilevel-Stromrichter mit sehr hohen Pulszahlen.<br />
Ziel der neuen Topologie ist die unabhängige<br />
Ansteuerung zahlreicher<br />
Brückenschaltungen in jeder Phase. Das von<br />
<strong>Alstom</strong> Grid entwickelte Schaltprinzip sieht<br />
vor, mittels <strong>eine</strong>r Multilevel-Stromrichteranordnung<br />
die Spannung für die Einspeisung<br />
in WS- oder GS-Netze möglichst optimal zu<br />
formen. Diese neue Topologie basiert auf<br />
<strong>eine</strong>r VSC-Technologie, die <strong>Alstom</strong> Grid vor<br />
ca. 20 Jahren nach dem Chain-Link-Konzept<br />
für statische synchrone Blindleistungskompensatoren<br />
(STATCOM) entwickelte. Das<br />
Konzept sieht <strong>eine</strong>n GS-Kondensator als<br />
Speicherelement und <strong>eine</strong>n vollständigen<br />
H-Brücken-Schaltkreis als Basisglied in der<br />
Stromrichterkette (Chain-Link) vor. An den<br />
Ausgängen der Stromrichter stehen drei<br />
Spannungspegel (+ve, 0 und –ve) zur Verfügung;<br />
die Stromrichter können
Selbstgeführte<br />
Stromrichter sind ideal<br />
für die Anbindung<br />
von Insellasten.<br />
ihre Polarität somit wechseln. Basierend auf<br />
diesem Konzept wurde die erste Generation<br />
von HVDC MaxSine® für die HVDC Demonstrationsanlage<br />
in Stafford (UK) entwickelt.<br />
Bei der neuen zweiten VSC-Generation<br />
mit hybrider Halbleitertechnologie erzeugen<br />
die mehrstufigen Stromrichtermodule die<br />
gewünschte Spannungsform je nach Bedarf<br />
für WS- oder GS-Netze. In beiden Fällen wird<br />
<strong>eine</strong> voll kompensierte gleichgerichtete sinusförmige<br />
Spannung geliefert, allerdings würde<br />
<strong>eine</strong> parallele Anordnung am GS-Netz, falls<br />
erforderlich, <strong>eine</strong> höhere Spannungskonstanz<br />
gewährleisten. Mehrstufige Stromrichter<br />
verhalten sich wie ein aktiver, als Spannungsformer<br />
eingesetzter GS-Kondensator. Für die<br />
Einspeisung dieser synthetisch erzeugten<br />
Spannung in das Wechselstromnetz werden<br />
die Schalter der H-Brücke mit der Frequenz<br />
der Wechselstromversorgung angesteuert,<br />
allerdings bei Spannungen nahe Null. "Das<br />
ist ein wesentlicher Fortschritt", betont Norman<br />
MacLeod, denn so wird ein Softswitching<br />
der seriell angeordneten<br />
IGBT-Schalter bei niedriger Frequenz möglich.<br />
Das gewährleistet minimale Schaltverluste<br />
und <strong>eine</strong> einfache dynamische Spannungsaufteilung<br />
längs der H-Brücken-Kette.“Da<br />
die Umrichtung von Wechsel- auf Gleichspannung<br />
nur <strong>eine</strong> Polarität erfordert, genügt<br />
zur Gleichrichtung <strong>eine</strong> halbe Brückenschaltung.<br />
Diese Lösung ist gerade für<br />
M e h r<br />
Dr. Fainan Hassan<br />
die neue vSC-SChalTToPoloGie<br />
Herkömmliche selbstgeführte Stromrichter<br />
(VSC) weisen Leistungsverluste auf und es<br />
kann gelegentlich zu Störungen, vor allem<br />
auf der Gleichspannungsseite, kommen.<br />
Eine neue hybride Schalttopologie von<br />
<strong>Alstom</strong> Grid kombiniert nun verschiedene<br />
Elemente herkömmlicher Spannungszwischenkreis-Umrichter<br />
und mehrstufiger<br />
Umrichter und vereint damit die Vorteile<br />
mehrstufiger Halbbrücken-Stromrichter<br />
(schwache Verzerrung und geringe<br />
Verluste) mit denen aus H-Brücken<br />
bestehender Stromrichter (Verhinderung<br />
der Ausbreitung von Fehlern in<br />
GS-Systemen). Zur Erzeugung der<br />
Stromrichter-Phasenspannung schalten<br />
Director Switches (in Serie geschaltete<br />
IGBT) zwei Reihen von H-Brücken-Zellen<br />
abwechselnd ein und aus. Die neuen<br />
Stromrichter erzeugen Wechselstrom mit<br />
geringem Oberschwingungsanteil und<br />
niedrigen Verlusten. Darüber hinaus<br />
ist die neue Topologie ausgesprochen<br />
störungsfrei. Erste Analysen lassen<br />
erwarten, dass sie sich für ein breites<br />
Spektrum von VSC-Anwendungen gut<br />
eignen werden. Bei Simulationen wurden<br />
eindrucksvolle Leistungswerte erzielt;<br />
die Stromrichter waren unter anderem<br />
in der Lage, unter extrem anormalen<br />
Betriebsbedingungen und selbst bei<br />
Versagen der gesamten HGÜ-Verbindung<br />
Blindleistung zu erzeugen. „Gerade aus<br />
dieser Eigenschaft von HVDC MaxSine®<br />
könnten sich neue Anwendungsperspektiven<br />
ergeben. Die neue Topologie scheint<br />
sich besonders gut für GS-Netze mit<br />
Spannungszwischenkreis-Umrichtern zu<br />
eignen. HVDC MaxSine® könnte so die<br />
weitere Entwicklung von GS-Netzen<br />
wesentlich beeinflussen", meint Fainan<br />
Hassan, Entwicklungsingenieurin des<br />
Forschungs- und Technologiezentrums<br />
von <strong>Alstom</strong> Grid.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 15
Thema KAPItEL I ZUKUNFtSorIENtIErtE ForSCHUNG<br />
Punkt-zu-Punkt-Kabelverbindungen<br />
ideal, während volle Brückenschaltungen<br />
besser für Freileitungen oder kombinierte<br />
Lösungen geeignet sind.<br />
Ideal für Offshore-<br />
Windenergieanlagen<br />
Als selbstgeführte Schaltkomponenten können<br />
VSC-Stromrichter auch an sehr schwache<br />
oder sogar passive WS-Netze (ohne eigene<br />
Stromerzeugung) angeschlossen werden.<br />
Das macht sie zur idealen Lösung für die<br />
Anbindung von Insellasten und lässt auch den<br />
Wiederaufbau <strong>eine</strong>s zusammengebrochenen<br />
WS-Netzes zu („Black Start Capability“).<br />
Der VSC-Stromrichter erzeugt <strong>eine</strong> gesteuerte<br />
Ausgangsspannung und kann den Wirk- und<br />
den Blindleistungsfluss in das WS-Netz unabhängig<br />
voneinander steuern. Mit anderen<br />
Worten, er verfügt über <strong>eine</strong> integrierte<br />
STATCOM-Funktion.<br />
Diese Vorzüge machen die VSC-Technologie<br />
zur effizientesten Option für Offshore-Windparks:<br />
VSC ermöglicht die Einspeisung „sauberer“<br />
Energie in die Versorgungsnetze. Die<br />
Funktionsweise selbstgeführter Stromrichter<br />
macht aber auch deren Einsatz in HGÜ-Systemen<br />
mit Spannungszwischenkreis-Umrichtern<br />
möglich, da <strong>eine</strong> Umkehrung des<br />
Leistungsflusses nicht wie bei herkömmlichen<br />
HGÜ-Systemen <strong>eine</strong>n Wechsel der GS-Polarität,<br />
sondern lediglich <strong>eine</strong>n anderen Gleichspannungspegel<br />
an den einzelnen Umrichtern<br />
zur Folge hat.<br />
Bei <strong>eine</strong>r typischen HGÜ-Anwendung mit<br />
Spannungen zwischen 200 und 400 kV kommen<br />
mehrere Hundert Submodule in Serie<br />
zum Einsatz; die Spannungsform ist dann<br />
absolut sinusförmig, sodass sich der Einbau<br />
zusätzlicher Oberschwingungsfilter erübrigt.<br />
Der Platzbedarf <strong>eine</strong>r HGÜ-Anlage mit VSC<br />
beläuft sich nur auf die Hälfte des von <strong>eine</strong>r<br />
klassischen HGÜ-Anlage benötigten Raumes;<br />
für den Einbau in bestehende Umspannanlagen<br />
von Offshore-Windparks oder in Ballungsgebiete<br />
beispielsweise ist dies aufgrund<br />
des nur sehr knappen Raumes ein ganz erheblicher<br />
Vorteil.<br />
16 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
Kondensator +ve<br />
Hauptanschluss 1<br />
Hauptanschluss 2<br />
Kondensator -ve<br />
IGBT (x4)<br />
Da der GS-Kondensator mit niedriger<br />
Frequenz geschaltet wird, liegen die Schaltverluste<br />
in den IGBT im Vergleich zur Pulsweitenmodulation<br />
deutlich niedriger; denn<br />
PWM-Systeme schalten mit Frequenzen von<br />
1000 Hz und mehr.<br />
Kontrollierte Abgabe von<br />
blindleistung<br />
VSC-Stromrichter können über die Steuerung<br />
der Amplitude und des Phasenwinkels<br />
der Stromrichterspannung im Verhältnis<br />
zur Versorgungsspannung Wirk- und Blindleistung<br />
in das WS-Netz einspeisen, und zwar<br />
sowohl am Gleichrichter- als auch am Wechselrichterausgang<br />
des HGÜ-Systems. Somit<br />
lassen sich selbstgeführte Stromrichter zur<br />
Leistungsübertragung nutzen oder auch wie<br />
zwei voneinander unabhängige STATCOMs,<br />
wenn k<strong>eine</strong> Leistung erforderlich oder verfügbar<br />
ist, zum Beispiel bei <strong>eine</strong>m Ausfall der<br />
Übertragungsleitung.<br />
Die Möglichkeit zur Steuerung der Blindleistungsabgabe<br />
ist in <strong>eine</strong>m schwachen WS-<br />
Netz, zum Beispiel <strong>eine</strong>m Offshore-Windpark,<br />
besonders wichtig, da es unerwünschte Wech-<br />
Ein umweltgerechtes<br />
neues VSC-Konzept<br />
SUbMODUL Der LeIStUNGSeLeKtrONIK<br />
Hauptkomponenten:<br />
IGBT,<br />
Schutzthyristor,<br />
GS-Kondensator,<br />
Bypass-Schalter,<br />
lamellierte<br />
Sammelschiene<br />
und<br />
Entladewiderstand.<br />
Lamellierte<br />
Sammelschiene<br />
selwirkungen zwischen der HGÜ-Verbindung<br />
und dem WS-System zu vermeiden gilt. Konventionelle<br />
netzgeführte HGÜ-Stromrichter<br />
würden hierzu <strong>eine</strong> Spannungsquelle (Dieselgenerator)<br />
und <strong>eine</strong> dynamische Blindleistungsquelle<br />
(Synchronkompensatoranlage)<br />
benötigen.<br />
Sowohl die Vollbrücken- als auch die Halbbrücken-Stromrichter<br />
lassen sich mit Hilfe der<br />
folgenden Komponenten in <strong>eine</strong>m einzigen<br />
Submodul realisieren:<br />
• wassergekühlte IGBT (zwei für <strong>eine</strong> Halbbrücke,<br />
vier für <strong>eine</strong> Vollbrücke);<br />
• Schutzthyristor (nur Halbbrücken);<br />
• GS-Kondensator (ölfrei);<br />
• Gate-Ansteuerungen für die IGBT;<br />
• schneller mechanischer Bypass-Schalter zum<br />
Kurzschließen des Moduls bzw. Öffnen des<br />
Schaltkreises im Falle <strong>eine</strong>s IGBT-Ausfalls;
Kondensator<br />
Entladewiderstand<br />
(x2)<br />
• lamellierte Sammelschienen für schwach<br />
induktive Verbindungen.<br />
• Entladewiderstände zur Sicherung des<br />
GS-Kondensators.<br />
Wenn raumsparende Lösungen<br />
gefragt sind...<br />
Das vollständige Submodul ist, wie auf Seite<br />
14 dargestellt, sehr kompakt. Acht solcher<br />
Submodule in <strong>eine</strong>m Rahmen bilden ein<br />
M e h r<br />
Colin Davidson<br />
inTerview miT<br />
Colin davidSon,<br />
r&d direCTor<br />
Power eleCTroniCS<br />
vollständiges Leistungsmodul und können<br />
je nach den Erfordernissen der Anlage horizontal<br />
und vertikal angeordnet werden. Bei<br />
Offshore-Plattformen kann beispielsweise<br />
die verfügbare Grundfläche das entscheidende<br />
Kriterium sein, während die Höhe des<br />
Gebäudes weniger kritisch ist. Bei Onshore-<br />
Anlagen hingegen könnte die Höhe des<br />
Gebäudes aufgrund örtlicher Bauvorgaben<br />
beschränkt sein, sodass sich <strong>eine</strong> Erweiterung<br />
der Grundfläche als einfacher erweist. „Durch<br />
ihr skalierbares modulares Konzept lassen<br />
sich die HVDC MaxSine® Stromrichter allen<br />
Erfordernissen anpassen. Natürlich ist der<br />
Platzbedarf nicht das einzige Planungskriterium.<br />
Verschiedene Strukturen sind beispielsweise<br />
unterschiedlichen mechanischen<br />
Belastungen ausgesetzt, denen der Stromrichter<br />
ebenfalls standhalten muss. Eine<br />
gängige Standversion mag in vielen Fällen<br />
geeignet sein, beispielsweise auf Offshore-<br />
Plattformen mit ihren kontinuierlichen leichten<br />
Schwingungsbelastungen durch Wind<br />
und Wasser; in erdbebengefährdeten Regionen<br />
dürften sich hingegen Systeme mit<br />
Aufhängung anbieten“, erläutert Dr. Norman<br />
Wie sehen Sie die Zukunft der<br />
Leistungselektronik?<br />
Äußerst positiv. In Stromübertragungsnetzen<br />
verbessert die<br />
Leistungselektronik die Steuerung<br />
und bietet außerdem<br />
Möglichkeiten wie Blindleistungskompensation,<br />
die die Einbindung<br />
erneuerbarer Energiequellen in<br />
Wechselstrom-Versorgungsnetze<br />
stark vereinfacht. Leistungselektronik<br />
in WS-Netzen (HGÜ<br />
und FACTS) verbessert den<br />
Nutzungsgrad der Anlagen,<br />
sodass im Endeffekt mehr<br />
Leistung beim Verbraucher<br />
ankommt; selbst Kunden mit<br />
hohem Stromverbrauch können<br />
das Leistungsvermögen der<br />
Versorgungsnetze jetzt nicht mehr<br />
beeinträchtigen.<br />
Welche Vorteile bietet<br />
Gleichstrom gegenüber<br />
Wechselstromsystemen?<br />
In HGÜ-Systemen ist der<br />
Leistungsfluss voll steuerbar,<br />
schnell und präzise, und zwar bei<br />
konstanten Werten wie auch bei<br />
dynamischem Betrieb und in<br />
Übergangsphasen. Eine<br />
HGÜ-Verbindung lässt sich<br />
allen Spannungs- und<br />
Frequenzanforderungen anpassen<br />
und verbessert überdies den<br />
Betrieb und die Störanfälligkeit<br />
der WS-Systeme an den Enden der<br />
HGÜ-Verbindung. All dies lässt sie<br />
insbesondere für die Anbindung<br />
großer Wasserkraftanlagen<br />
geeignet ersch<strong>eine</strong>n, da deren<br />
Standorte oft weit von den<br />
Abnehmern entfernt sind;<br />
MacLeod. In manchen Fällen kann sogar<br />
<strong>eine</strong> aktive Schwingungsdämpfung erforderlich<br />
sein, etwa um die nötigen Isolationsabstände<br />
immer sicherzustellen.<br />
Ein Vergleich der neuen Topologie mit <strong>eine</strong>r<br />
modularen mehrstufigen Stromrichtertopologie<br />
(M2C) mit Halbbrückenschaltungen<br />
ergab <strong>eine</strong> bessere Verlustleistung, da die<br />
spannungsformenden Umrichter außerhalb<br />
des Hauptleistungsweges betrieben werden.<br />
Verschiedene dieser neuen Anordnungen<br />
werden zurzeit untersucht und sollen demnächst<br />
in <strong>eine</strong>r zu Demonstrationszwecken<br />
in Stafford errichteten 25 MW-HGÜ-Anlage<br />
mit Kurzkupplung zum Einsatz kommen. Für<br />
Norman MacLeod sind hybride VSC-Topologien<br />
schon heute fester Bestandteil künftiger<br />
Lösungen. „Das neue VSC-Konzept ist an<br />
sich bereits <strong>eine</strong> wertvolle technische Verbesserung,<br />
aber das ist noch nicht alles. Sein<br />
besonderer Wert besteht in den Vorteilen für<br />
die Umwelt, insbesondere durch geringeren<br />
Platzbedarf, geringere Leistungsverluste und<br />
den Beitrag zur Erhöhung des Anteils<br />
umweltfreundlicher Energiequellen wie Wind<br />
an der Stromerzeugung.“<br />
HGÜ-Verbindungen übertragen<br />
Strom über große Entfernungen<br />
ebenso wirtschaftlich wie effizient.<br />
Sind die VSc <strong>eine</strong><br />
<strong>zukunftsweisende</strong> technologie?<br />
Unbedingt, denn sie machen<br />
das Einspeisen fluktuierender<br />
Energiequellen – und meist<br />
sind damit die erneuerbaren<br />
Energien gemeint – in die<br />
WS-Versorgungsnetze leichter.<br />
Ein weiterer Einsatzbereich ist die<br />
Anbindung radialer Systeme wie<br />
Insellasten und große Städte.<br />
Und nur selbstgeführte<br />
Stromrichter kommen mit den<br />
zahlreichen Querverbindungen<br />
der Smart Grids zurecht; daher<br />
sind sie auch für Microgrids<br />
ideal geeignet.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 17
Thema KAPItEL I ZUKUNFtSorIENtIErtE ForSCHUNG<br />
Stromerzeugung<br />
je nach wetterlage<br />
regenerative Energien<br />
und der trend zu <strong>eine</strong>r verbrauchsgesteuerten Erzeugung erhöht<br />
die Komplexität der Laststeuerung – und überwachung. Einen<br />
interessanten Lösungsansatz stellt hier die Einführung präziser<br />
Vorhersagetools zur Lastverteilung dar.<br />
18 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
Intelligente Netze sind im Kommen - so viel<br />
ist sicher. Aber wann und wie? Einzig gewiss<br />
ist, dass ihre Errichtung mit großen Herausforderungen<br />
verbunden sein wird. Angesichts<br />
der von der EU beschlossenen Erhöhung des<br />
Anteils regenerativer Energien auf 20 Prozent,<br />
die auch in anderen Teilen der Welt als Zielvorgabe<br />
erwogen wird, dürfte dieses doppelte<br />
Unsicherheitsproblem – fluktuierende regenerative<br />
Stromerzeugung als auch verbrauchsgesteuerte<br />
Erzeugung – bis zum<br />
Stichjahr 2020 noch einige neue Lösungen<br />
erforderlich machen.<br />
Heutiger Stand der Technik ist, dass die Erzeugung<br />
der Nachfrage in Echtzeit folgt. „Nehmen<br />
wir einmal an, irgendjemand schaltet <strong>eine</strong><br />
Klimaanlage ein“, erläutert Dr. Kwok Cheung,
Mit Hilfe der Generation<br />
Control Application kann sich<br />
das Betriebspersonal großer<br />
Netze im Voraus auf Last– und<br />
erzeugungsschwankungen<br />
einstellen. SKEDs dienen der<br />
zeitlich flexiblen<br />
Prognostizierung der<br />
Nachfrage und <strong>eine</strong>r individuell<br />
programmierbaren<br />
Netzführung<br />
Leiter R&D des Bereichs Automation NMS.<br />
„Dann ermittelt die Generation Control Application<br />
(GCA), die die Erzeugung regelt, ein<br />
Ungleichgewicht in der betreffenden 50- oder<br />
60 Hz-Frequenz und löst <strong>eine</strong>n Regelimpuls<br />
aus; der bewirkt, dass ein bestimmter Stromerzeuger<br />
mehr Leistung einspeist. Was zählt,<br />
ist das Gleichgewicht zwischen Erzeugung<br />
und Last.“ Aber hier dürfte sich schon bald<br />
einiges ändern, da regenerative Energiequellen<br />
mit fluktuierender, also nicht genau vorhersagbarer<br />
Leistung arbeiten, <strong>eine</strong>n immer<br />
höheren Anteil an der Stromerzeugung ausmachen.<br />
Anstatt der Lastentwicklung wie<br />
bisher folgt die Erzeugung der Wetterlage.<br />
Als Windenergie, die am meisten genutzte<br />
erneuerbare Energiequelle, nur 5 Prozent der<br />
Gesamtleistung lieferte, waren diese Schwankungen<br />
für die Übertragungsnetze kein wirkliches<br />
Problem. Aber mit dem Anstieg dieses<br />
Anteils auf 20 Prozent wird sich auch die<br />
Unsicherheit im zweistelligen Prozentbereich<br />
bewegen - und für die Stromerzeuger zu <strong>eine</strong>r<br />
echten Herausforderung werden.<br />
Die Generatoren großer Wärme- und Kernkraftwerke<br />
reagieren nur langsam auf <strong>eine</strong><br />
Veränderung des Strombedarfs und brauchen<br />
bis zu <strong>eine</strong>m halben Tag, um ihre Leistung zu<br />
erhöhen. Schnellere Generatoren wie erdgasbetriebene<br />
Gas- und Strahlturbinen schaffen<br />
dies in <strong>eine</strong>r halben Stunde, sind aber kostspielig<br />
und werden deshalb von den Betreibern<br />
nur zögernd eingesetzt. Und in Versorgungsgebieten<br />
mit hohem Anteil an Windenergie?<br />
Prognosen sind hier auch wegen des spezifischen<br />
Lastverhaltens intelligenter Netze und<br />
Adaptive<br />
Stromversorgung<br />
erfordert <strong>eine</strong><br />
Prognosefunktion.<br />
der Fähigkeit, systembedingte und wirtschaftliche<br />
Rahmenbedingungen auf der Verteilebene<br />
zu berücksichtigen, besonders<br />
schwierig. „Nehmen Sie zum Beispiel <strong>eine</strong><br />
Fabrik, die auf den momentanen Strompreis<br />
reagiert, oder <strong>eine</strong>n intelligenten Wäschetrockner<br />
für Haushalte, der Tarifinformationen<br />
verarbeitet und selbständig entscheidet, wann<br />
er sich in Betrieb setzt”, beschreibt Cheung<br />
das Problem. „Eine verbrauchsgesteuerte<br />
Erzeugung könnte sogar dramatische Situationen<br />
zur Folge haben, wenn beispielsweise<br />
sämtliche Besitzer von Elektrofahrzeugen ihre<br />
Automobile nach der Rückkehr von der Arbeit<br />
aufladen möchten.”<br />
„Wir brauchen Systeme mit der Fähigkeit,<br />
vorausschauend auf Veränderungen zu reagieren”,<br />
betont Cheung, „die also in der Lage<br />
sind, ein Gesamtbild der allernächsten Zukunft<br />
- die kommenden 20 Minuten oder zwei Stunden<br />
- zu erstellen.”<br />
Vorausschauendes<br />
Situationsbewusstsein<br />
Für regionale Behörden und Betreiber von<br />
Übertragungsnetzen entwickelt <strong>Alstom</strong> Grid<br />
daher Systeme mit Prognosefunktionen zur<br />
effizienten Bewältigung der Fluktuation regenerativer<br />
Stromerzeugung. „Wir wollen den<br />
Netzen das Vorausdenken beibringen“, erläutert<br />
Cheung. „Intelligentere Lastverteilung ist<br />
<strong>eine</strong> Möglichkeit, diese Unsicherheitsfaktoren<br />
in den Griff zu bekommen.“ Von zentraler<br />
Bedeutung für die Lastführung ist die Generation<br />
Control Application. Dieses System<br />
steuert die Stromerzeugung unter Einhaltung<br />
aller Sicherheitsvorgaben und organisiert die<br />
Lastverteilung zugleich nach wirtschaftlichen<br />
Gesichtspunkten. Mit Hilfe der GCA kann das<br />
Betriebspersonal großer Netze auf Last– und<br />
Erzeugungsschwankungen bereits im Voraus<br />
reagieren. Die GCA sammelt Daten zur Topologie<br />
des Übertragungsnetzes, die Leistungskennwerte<br />
der Generatoren, Erzeugungs- und<br />
Nachfragedaten aus EMS-Datenbanken und<br />
verwendet optimierungsbasierte Lastführungskomponenten<br />
zur Erzeugung wirtschaftlicher<br />
Lösungen und Anweisungen.<br />
Die GCA basiert auf <strong>eine</strong>r modularen und<br />
flexiblen Systemarchitektur mit optimierungsbasierten<br />
Lastführungseinrichtungen<br />
namens SKED. Diese passen die Stromerzeugungskurve<br />
innerhalb bestimmter Zeitabschnitte<br />
der voraussichtlichen<br />
Bedarfsentwicklung an. „Die meisten regionalen<br />
Übertragungsnetze verfügen über<br />
Algorithmen dieser Art, die jedoch nur echtzeitfähig<br />
sind“, erläutert Cheung. „Wir beziehen<br />
<strong>eine</strong> Prognosefunktion mit ein.“ SKED<br />
1 ist zur Prognostizierung von Zeiträumen<br />
zwischen 6 und 8 Stunden fähig. Für die<br />
erste Stunde wird in Zeitabschnitten von je<br />
15 Minuten prognostiziert, anschließend<br />
dann stundenweise. SKED 2 verfügt über<br />
<strong>eine</strong> Prognosefähigkeit von ein bis zwei Stunden<br />
mit Intervallen von je 15 Minuten.<br />
SKED 3 ermöglicht <strong>eine</strong> Netzführung mit<br />
wechselnden Prognoseintervallen, die kommende<br />
Ereignisse berücksichtigt und die<br />
Leistungsregelung individuell vorgibt; mit<br />
anderen Worten, SKED 3 sagt den Betreibern,<br />
ob sie die Stromerzeugung herauf- oder herunterfahren<br />
müssen. In der Praxis kann dies<br />
sogar bedeuten, dass das System die Steuerung<br />
einzelner Generatoren vorgibt. Dieser<br />
für wechselnde Zeitintervalle geeignete Algorithmus<br />
kam bereits dreimal zur Anwendung;<br />
<strong>eine</strong>s dieser Netze ist inzwischen in Betrieb<br />
gegangen. Kwok Cheung ist überzeugt, dass<br />
die robuste Steuerung der Generatoren der<br />
richtige Weg ist. Robust ist <strong>eine</strong> „Lösung, die<br />
drei [„hoch“, „mittel“, „niedrig“] oder mehr<br />
Nachfrageszenarien so koordiniert, dass sie<br />
vom mittleren Nachfragepegel ausge-<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 19
Thema KAPItEL I ZUKUNFtSorIENtIErtE ForSCHUNG<br />
hend auch die Befriedigung <strong>eine</strong>r<br />
hohen oder <strong>eine</strong>r niedrigen Nachfrage gewährleisten.“<br />
Die Lösung ist also insofern robust,<br />
als sie die Befriedigung starker und schwacher<br />
Nachfrage von <strong>eine</strong>r mittleren Position aus<br />
durch schrittweise Ansteuerung der für die<br />
jeweiligen Zeitintervalle ermittelten Übergangspegel<br />
sowie des Endpegels zur Zielzeit<br />
sicher ermöglicht. Einschneidende Maßnahmen<br />
wie beispielsweise die nur noch teilweise<br />
Befriedigung der Nachfrage bei zu geringer<br />
Erzeugung sind damit ausgeschlossen.<br />
„Natürlich wird die Unsicherheit umso<br />
größer, je weiter Sie in die Zukunft blicken“,<br />
räumt Cheung ein. Aber auch hier gibt es<br />
bereits <strong>eine</strong>n Lösungsansatz, nämlich<br />
Modelle für die mit Nachfrageprognosen<br />
verbundene Unsicherheit. „Durch die Entwicklung<br />
von Algorithmen für individuelle<br />
Lastführungskurven über längere Zeitabschnitte<br />
anhand der genauesten verfügbaren<br />
Nachfrageprognosen werden wir ein Unsicherheitsmodell<br />
zur Überprüfung der Genauigkeit<br />
dieser Prognosen entwickeln können.<br />
Anschließend berücksichtigen wir dann <strong>eine</strong>n<br />
ALLGeMeINeS betrIebSScheMA<br />
5 mn<br />
SKED 1<br />
t=30, 60, 90, 120, 180... 720...<br />
SKED 2<br />
t=15, 30, 45, 60...<br />
SKED 3<br />
t=5, 10, 15...<br />
Lastverteilung,<br />
explizit, in Echtzeit<br />
Lastverteilung,<br />
implizit bzw. indirekt<br />
5 mn<br />
5 mn<br />
5 mn<br />
wirklicher Systembetrieb<br />
20 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
Viertelstündlich<br />
5 mn<br />
Stündlich<br />
bestimmten Unsicherheitsfaktor in unserem<br />
Algorithmus, um noch robustere Ergebnisse<br />
für die Zukunft zu erzielen.“ Eines ist jedenfalls<br />
sicher: Wenn der Einfluss intelligenter<br />
Netze sich erst einmal bemerkbar machen<br />
wird, wird kein Lastführungsparameter mehr<br />
über längere Zeit konstant bleiben – unter<br />
anderem, weil die Endverbraucher (zum<br />
Beispiel die Besitzer von Elektrofahrzeugen)<br />
dann in der Lage sein werden, Strom ins<br />
Netz zurückzuspeisen und somit multidirektionale<br />
Stromflüsse zu erzeugen. Die GCA<br />
wird dann sehr viel mehr Intelligenz aufbringen<br />
müssen, um die stark an menschliches<br />
Verhalten angelehnte situationsbedingte<br />
Entwicklung in den intelligenten Netzen zu<br />
„verstehen“. „Manche Kunden reagieren<br />
aus althergebrachten Gründen auf die Entwicklung<br />
des Strompreises, während andere<br />
ihr Verhalten vielleicht in k<strong>eine</strong>r Weise<br />
ändern.“ Eine Lösung könnte dann in <strong>eine</strong>m<br />
auf Übertragungsebene realisierbaren Modell<br />
menschlicher Verhaltensweisen bestehen.<br />
Aber bis dahin müssen wir uns noch gewaltig<br />
anstrengen“.<br />
5 mn<br />
bis stündlich<br />
Allgem<strong>eine</strong>s<br />
Betriebsschema<br />
Auf Anforderung<br />
Nachfrageprognose<br />
Ausfälle<br />
Auf Anforderung<br />
Adaptive<br />
Modellentwicklung<br />
Asynchron<br />
Auf Anforderung<br />
Lastverteilung,<br />
perfekt<br />
Nachbetrachtung<br />
Auf Anforderung<br />
Betriebsarchive<br />
Auf Anforderung<br />
M e h r<br />
Dr. Kwok Cheung<br />
allGem<strong>eine</strong>S beTriebSSChema<br />
Das Allgem<strong>eine</strong> Betriebsschema (COP) ist<br />
<strong>eine</strong> Datensammlung von und für<br />
Betriebszustände. Es koordiniert die<br />
Zeitplanung (Scheduling) von drei<br />
SKED-Optimierungseinrichtungen und<br />
gewährleistet so, dass deren betriebskritische<br />
Funktionen verfügbar sind. Bei Ausfall <strong>eine</strong>s<br />
SKED kommt es zu <strong>eine</strong>r allmählichen<br />
Beeinträchtigung, nicht aber zu <strong>eine</strong>m<br />
abrupten Ausfall der echtzeitfähigen<br />
Leittechnik. Das Schema ist in vier Ebenen<br />
untergliedert:<br />
• Presentation-Ebene (Nutzerschnittstellen):<br />
Entscheidungshilfen für das Betriebspersonal.<br />
• Service-Ebene: Schnittstellen zu externen<br />
Netzkomponenten und Datenquellen.<br />
• Business-Ebene: Validierung,<br />
Konsolidierung und Harmonisierung der<br />
asynchronen Daten.<br />
• Persistence-Ebene: Speicherung<br />
betriebskritischer Daten.<br />
Das Allgem<strong>eine</strong> Betriebsschema fasst<br />
sämtliche Einzelbetriebsschemata zu <strong>eine</strong>m<br />
mehrstufigen Entscheidungsprozess<br />
zusammen. Es wird vor dem ersten Aufruf<br />
<strong>eine</strong>s SKED mit der Versorgungsplanung für<br />
den kommenden Tag gespeist und ermittelt<br />
daraus die für den Betrieb der SKEDs<br />
erforderlichen Daten.<br />
Die SKEDs wiederum aktualisieren die von<br />
ihnen abhängigen COPs und aktualisieren<br />
auf diese Weise indirekt auch das<br />
übergeordnete COP.<br />
Das Allgem<strong>eine</strong> Betriebsschema gibt in<br />
modernen Netzleitstellen <strong>eine</strong>n festen<br />
Rahmen für die zeitliche Planung und<br />
Koordinierung der Netzressourcen vor,<br />
und zwar von der Jahresplanung bis zur<br />
Echtzeitanweisung über alle<br />
berechenbaren Zeithorizonte hinweg.
Erst<br />
Energiespeicher<br />
machen die<br />
regenerative<br />
Stromerzeugung<br />
komplett<br />
Energiespeicher sind für die<br />
effiziente Nutzung fluktuierender<br />
Energiequellen, beispielsweise von<br />
Wind- und Solarenergie, <strong>eine</strong><br />
wesentliche Voraussetzung.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid setzt auf mehrere<br />
vielversprechende Speicherlösungen.<br />
Der öffentliche Druck zugunsten der Nutzung<br />
von Energiequellen mit günstiger CO 2-<br />
Bilanz dürfte auch zu <strong>eine</strong>m starken Anstieg<br />
des Bedarfs an Energiespeicherkapazitäten<br />
führen. In mehreren Teilen der Welt gibt es<br />
Länder, die den Anteil regenerativer Energien<br />
an ihrer Primärenergieversorgung auf bis<br />
zu 20 Prozent im Jahr 2030 erhöhen werden.<br />
Weil besonders reichlich verfügbar, werden<br />
Wind und Sonne zweifelsohne mit <strong>eine</strong>m<br />
hohen Anteil vertreten sein. Allerdings sind<br />
Wind und Sonne fluktuierende, schwerer<br />
vorherzusagende Energiequellen: ihre Energieausbeute<br />
schwankt und ist insbesondere<br />
von den Witterungsverhältnissen abhängig.<br />
Die Schwankungen mögen erheblich (Tag/<br />
Nacht, Flauten) oder auch unbedeutend<br />
sein (Wolkenzug, wechselnde Windstärken),<br />
jedenfalls liegen die Folgen für die<br />
Stromversorger auf der Hand: Das Erzeugungspotenzial<br />
ist weniger zuverlässig und<br />
kann, gemessen an der Nachfrage, auch<br />
unzureichend sein oder von schlechterer<br />
Qualität usw. Je höher der Anteil dieser<br />
Energiequellen, desto erheblicher auch die<br />
beschriebenen Nachteile. „Zur Stabilisierung<br />
von Wind- und Solarenergie auf <strong>eine</strong>m<br />
sauberen und konstanten Niveau ist daher<br />
<strong>eine</strong> Pufferung nötig”, stellt Dr. Ram Parashar,<br />
Senior Expert im Research & Technology<br />
Centre von <strong>Alstom</strong> Grid im britischen<br />
Stafford, fest. Deshalb sind Energiespeicher<br />
für <strong>eine</strong> effiziente Einspeisung und Nutzung<br />
schwankender Energiequellen unverzichbar.<br />
„Es gibt viele Speichertechnologien“, erläutert<br />
Parashar. „Die können je nach Gegebenheiten,<br />
Kapazitätsbedarf, Zeitrahmen<br />
für Ladung und Entladung, geforderter<br />
Reaktionszeit usw. einzeln oder kombiniert<br />
eingesetzt werden. Manche dieser Technologien<br />
sind vermarktungsreif, andere werden<br />
noch erforscht oder sind in Entwicklung.”<br />
Pump-, Druckluft- und<br />
Schwungradspeicher<br />
Pumpspeichersysteme (PHS) speichern große<br />
Energiemengen, indem sie mit Hilfe von leis-<br />
Beim 628 MW-Pumpspeicherkraftwerk Nant de<br />
Drance in der Schweiz wird die Höhendifferenz<br />
zwischen zwei Speicherbecken zur<br />
Stromerzeugung in den Spitzenlastzeiten genutzt.<br />
tungstarken Pumpen Wasser aus <strong>eine</strong>m<br />
niedrigen in ein höher gelegenes Becken pumpen.<br />
Wird die so gespeicherte Energie benötigt,<br />
kann das Wasser zum Betreiben <strong>eine</strong>r zwischen<br />
dem höheren und dem niedrigen Becken<br />
gelegenen Turbine verwendet werden. PHS<br />
ist <strong>eine</strong> ausgereifte Technologie und ideal zur<br />
Speicherung großer Strom- bzw. Energiemengen<br />
(mehrere Hundert Megawatt) geeignet.<br />
Die Anfahrzeiten lassen Anwendungen wie<br />
Lastausgleich, Spitzenlastverschiebung, Kapazitätsabgleich<br />
und Frequenzregelung zu.<br />
Druckluftspeicher sind <strong>eine</strong> neuere Technologie<br />
nach ähnlichen Prinzipien und mit etwa<br />
gleichem Anwendungsbereich wie die PHS.<br />
Dabei wird Luft in natürliche oder künstliche<br />
Hohlräume (Höhlen, Tunnel, Tanks usw.)<br />
gepresst und bei Bedarf zum Antreiben <strong>eine</strong>r<br />
Turbine verwendet. Eine weitere Lösung ist<br />
die Speicherung kinetischer Energie in<br />
Schwungrädern, wobei auch hier die Bewegungsenergie<br />
wieder mit Hilfe <strong>eine</strong>s<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 21
Thema KAPItEL I ZUKUNFtSorIENtIErtE ForSCHUNG<br />
Batterien für kurze Ansprechzeiten.<br />
Generators in das Stromnetz zurückgespeist<br />
wird. Der Betrieb von Schwungrädern<br />
ist unkompliziert. Sie verfügen über ein<br />
hohes Energiespeicherpotenzial, ermöglichen<br />
allerdings nur kurze Lade-/Entladezeiten und<br />
sind damit besonders für die Regelung der<br />
Stromqualität geeignet.<br />
batterien, Kondensatoren, Supraleiter<br />
Natürlich lässt sich elektrische Energie auch<br />
auf elektrochemischem Wege in Batterien<br />
speichern. Allerdings sind Batterien in Stromversorgungsnetzen<br />
aufgrund ihrer begrenzten<br />
Kapazität und vergleichsweise hoher Kosten<br />
nur eingeschränkt verwendbar. Inzwischen<br />
gibt es jedoch neuere - und umweltfreundlichere<br />
- Technologien (Lithium-Ion-,<br />
Redoxflow-Zelle), die <strong>eine</strong>n effizienten und<br />
flexiblen Einsatz zum Lastausgleich und zur<br />
Sicherstellung der Spannungsqualität selbst<br />
in Stromversorgungsnetzen ermöglichen, da<br />
sie Energie in extrem kurzen Zeiträumen<br />
(~Millisekunden) abgeben können. In die<br />
Weiterentwicklung dieser Technologien (ins-<br />
ENTLADEZEIT BEI NENNLEISTUNG<br />
MINUTEN STUNDEN<br />
SEKUNDEN<br />
1 kW 10 kW 100 kW<br />
22 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
besondere zur Anwendung in Fahrzeugen)<br />
wird massiv investiert, sodass der Preis schon<br />
mittelfristig stark sinken dürfte. Daraus könnten<br />
sich dann konkrete Perspektiven für <strong>eine</strong>n<br />
Einsatz von Hybrid- und Elektrofahrzeugen<br />
als hoch leistungsfähiges dezentrales Energiespeichersystem<br />
ergeben, die eventuell auch<br />
zur Netzstabilisierung beitragen könnten.<br />
Superkondensatoren, die elektrische Leistung<br />
fast augenblicklich bereitstellen und SMES-<br />
Speicher, also Energiespeicherung in supraleitenden<br />
Magnetspulen, sind weitere<br />
attraktive Lösungen für bestimmte Nischenanwendungen.<br />
Superkondensatoren lassen<br />
sich zudem mit Batterien zu zweistufigen<br />
Energiespeichern für kurz- und langfristigen<br />
Fluktuationsausgleich kombinieren. Solche<br />
kombinierten Lösungen könnten die Stromversorgung<br />
sicherer machen und die Netzführung<br />
erleichtern. Welche Technologie sich<br />
dabei auch durchsetzen mag – das in Frage<br />
stehende Marktpotenzial wird sich Prognosen<br />
zufolge auf mehrere Milliarden Euro in den<br />
kommenden drei bis fünf Jahren belaufen.<br />
eNerGIeSPeIcher-techNOLOGIeN IM überbLIcK<br />
USV<br />
NETZSTABILISIERUNG ENERGIEMANAGEMENT<br />
Spannungsqualität Lastverschiebung Überbrückung Große Energiemengen<br />
Metall-Luft-Batterie Redoxflow-Batterien: Zn/Cl Zn-Luft<br />
Pump-<br />
ZrBr VRB PSB Neuheiten speicher<br />
NaS-Batterie Moderne Blei-Säure-Batterie<br />
Hochenergie-<br />
CAES<br />
Kondensatoren ZEBRA-Batterie<br />
Lithium-Ion-Batterie<br />
Blei-Säure-Batterie<br />
NiCd Hochleistungs-Schwungräder<br />
NiMH<br />
Hochstrom-Kondensatoren<br />
Energiespeicheranlage Beacon Power<br />
(NY, USA) mit 20 MW-Schwungrad.<br />
SMES<br />
1 MW<br />
NENNLEISTUNGEN<br />
10 MW 100 MW 1 GW<br />
M e h r<br />
Paul Howard<br />
SChwunGräder alS<br />
enerGieSPeiCher<br />
Schnelle Schwungräder können<br />
überschüssigen Strom als kinetische<br />
Energie speichern und bei Bedarf über<br />
<strong>eine</strong>n Zeitraum von bis zu 15 Minuten<br />
und mit Ansprechzeiten von weniger<br />
als 5 Millisekunden wieder abgeben.<br />
Am Markt sind bisher nur wenige<br />
Systeme erhältlich und auch, erst seit<br />
Kurzem, meist mit <strong>eine</strong>r<br />
Leistungskapazität von 1 kWh/m³<br />
und 10-100 Wh/kg. „Aber hier tut<br />
sich viel, vor allem im Bereich der<br />
Werkstofftechnik und bei<br />
Kugellagern“, berichtet Paul Howard,<br />
Programm-Manager für<br />
Werkstofftechnologie. „Schwungräder<br />
aus glas- oder kohlefaserverstärkten<br />
Polymeren bieten Energiedichten, die<br />
drei- bis neunmal höher liegen als bei<br />
Titan. Durch Verwendung von<br />
Hochtemperatursupraleitern oder<br />
Magnetwerkstoffen lassen sich<br />
überdies die Reibungsverluste in den<br />
Kugellagern reduzieren und potenziell<br />
noch weit höhere Effizienzwerte<br />
erzielen. Und durch Anbringung der<br />
Schwungräder in <strong>eine</strong>m<br />
Vakuumbehälter könnte man<br />
zusätzlich die Luftreibungsverluste<br />
ausschalten“, gibt Paul Howard<br />
weiter zu bedenken. Mögliche<br />
Anwendungsbereiche für<br />
Schwungräder sind die<br />
Frequenzregelung und (in<br />
Kombination mit leistungsfähigen<br />
Batteriesystemen) der Lastausgleich in<br />
Stromnetzen, außerdem in<br />
Schienenantriebssystemen.
Thema KAPItEL II NEUE LÖSUNGEN<br />
Innovation &<br />
Leistung<br />
Strom- und Spannungsmesstechniken sind ein Schwerpunkt des 800 kV-HGÜ-<br />
Projekts von <strong>Alstom</strong> Grid und waren Anlass für die Entwicklung <strong>eine</strong>s Messwandlers<br />
mit optischem Faraday-Sensor für ein sehr breites Frequenzspektrum. Microgrids,<br />
die an das übergeordnete Netz gekoppelt und im „Inselbetrieb“ einsetzbar sind,<br />
bieten viele Vorteile. Sie in beiden Betriebsarten effizient zu schützen, ist nicht ganz<br />
einfach. Leistungssteigerung von Umspannanlagen sind relativ alltägliche<br />
Maßnahmen. <strong>Alstom</strong> Grid überzeugt hier mit Lösungen für den Sofortfall und für<br />
langfristig geplante Modernisierungsprojekte.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 23
Thema KAPItEL II NEUE LÖSUNGEN<br />
digitale optik setzt Schutz-<br />
und leitsysteme ins bild<br />
Strom- und Spannungsmesswandler<br />
gehören zu den entscheidenden Komponenten des 800 kV HGÜ-<br />
Projekts von <strong>Alstom</strong> Grid. Ihre digitale optik mit offener Schnittstelle<br />
hat der Messtechnik zu <strong>eine</strong>m bisher ungekannten Grad an<br />
Genauigkeit verholfen, und dies auch bei hohen Frequenzen.<br />
24 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011
StrOMWANDLer-fUNKtIONeN<br />
HS-Schaltanlage Kontrollraum<br />
Messwandler<br />
Strommesssensor<br />
Signalverarbeitung:<br />
optisch->digital<br />
Digitaler<br />
Primärumrichter<br />
Stromwandler<br />
Merging Unit<br />
CVCOM 4DC<br />
Steuersystem<br />
Digitale Ausgänge<br />
IEC 61850<br />
Digitale Übermittlung<br />
der Messdaten<br />
an das Steuer-und<br />
Überwachungssystem<br />
Digital-analog-Wandler<br />
CVCOM<br />
Steuer- und<br />
Überwachungssystem<br />
Das Interesse an der Hochspannungs-<br />
Gleichstromübertragung (HGÜ) nimmt<br />
weltweit zu. Die Hauptgründe sind niedrigere<br />
Leitungsverluste als bei der Wechselstromübertragung<br />
(k<strong>eine</strong> Wirbelströme)<br />
und die Tatsache, dass die meisten regenerativen<br />
Energien (Windenergie, Wasserkraft,<br />
Solarthermie usw.) in weiter<br />
Entfernung von den Endverbrauchern<br />
erschlossen werden. HGÜ-Netze arbeiten<br />
aber auch kosteneffizient, denn sie benötigen<br />
k<strong>eine</strong> Umspannanlagen zum Transport<br />
großer Energiemengen über weite Strecken.<br />
Weitere Faktoren, die den Einsatz von HGÜ<br />
begünstigen, sind die steigende Bedeutung<br />
des Stromhandels und die flexiblen Möglichkeiten<br />
der Kopplung auch asynchroner<br />
Netze zur besseren Steuerung von Lastflüssen<br />
und zur Senkung von Ausfallrisiken.<br />
Aber all diese Faktoren können ohne genaue<br />
Messsysteme nicht zur Wirkung kommen;<br />
Messtechnik ist<br />
ein Schwerpunkt des<br />
800 kV-HGÜ-Projekts<br />
von <strong>Alstom</strong> Grid.<br />
Messungen sind unerlässlich zur optimalen<br />
Ansteuerung von Thyristoren in Umrichterstationen,<br />
zur Steigerung der Übertragungseffizienz,<br />
zur Überwachung der<br />
Spannungsqualität und Lastflüssen beziehungsweise<br />
zur Einhaltung geltender<br />
Umweltschutzbestimmungen. „Die Messsysteme<br />
sind deshalb <strong>eine</strong>r der Schwerpunkte<br />
des 800 kV-HGÜ-Projekts von<br />
<strong>Alstom</strong> Grid“, sagt Pierre-André Monfils,<br />
Leiter der strategischen R&D-Projekte.<br />
„Durch Optimierung der Genauigkeit bei<br />
gleichzeitiger Kompaktheit der Messwandler<br />
unseres Systems wollen wir unseren<br />
Wettbewerbsvorsprung ausbauen. Das ist<br />
<strong>eine</strong> der anspruchsvollsten Aufgaben bei<br />
der Entwicklung von HGÜ-Systemen.“ Die<br />
Wandler basieren auf der optischen Sensortechnologie.<br />
Die Stromwandler<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 25
Thema KAPItEL II NEUE LÖSUNGEN<br />
ähneln im Prinzip <strong>eine</strong>m an der<br />
Sammelschiene befestigten Ringsystem.<br />
Sie können aber auch als freistehende, auf<br />
Erdpotenzial stehende Einrichtung, installiert<br />
werden. Die Wandler funktionieren bei<br />
Temperaturen zwischen +60°C und -40°C<br />
mit <strong>eine</strong>r Genauigkeit von unter 0,1 Prozent.<br />
Die eindrucksvolle Frequenzbandbreite<br />
reicht von Gleichspannung bis zu 5 kHz.<br />
Andere, durchaus leistungsfähige, Technologien<br />
wiesen systemimmanente Beschränkungen<br />
auf. So schränken die Erfordernisse<br />
der Spannungsisolierung beispielsweise<br />
den Einsatz von Nullfluss-Wandlern bis zu<br />
500 kV ein, während resistive Messeinrichtungen<br />
harmonische Oberwellen nicht<br />
genau genug erfassen. Als geeignetste<br />
Lösung erwiesen sich schließlich die optischen<br />
Stromwandler: sie sind einfach im<br />
Aufbau, robust und äußerst genau.<br />
Die wichtigste Neuheit auf diesem Gebiet<br />
ist die Kombination <strong>eine</strong>s Faraday-Sensors<br />
mit <strong>eine</strong>m DC-Shunt, der die Vergleichsmesswerte<br />
liefert. „Das ist ein hoch interessanter<br />
Forschungsansatz", erläutert Monfils. "Nur<br />
Faraday-Sensoren bieten <strong>eine</strong> Bandbreite von<br />
Gleichstrom bis 5 kHz ohne Phasenverschiebung.<br />
Die hohe Temperaturstabilität des<br />
DC-Shunts lässt sich außerdem voll nutzen.“<br />
erhellende Messungen<br />
Die optischen Stromwandler von <strong>Alstom</strong> Grid<br />
sind mit <strong>eine</strong>m Faraday-Sensor, <strong>eine</strong>m den<br />
Primärleiter umfassenden Glasring, ausgestattet.<br />
Ein polarisierter Lichtstrahl durchläuft<br />
nun diesen Ring. In Abhängigkeit von der zu<br />
messenden Stromstärke wird die Polarisationsebene<br />
des Lichtes gedreht. Die optischen<br />
Signale werden durch <strong>eine</strong>n Primärumrichter<br />
in digitale Signale verwandelt und über<br />
Glasfaserverbindungen in die Merging Unit<br />
CVCOM 4DC übertragen.<br />
Diese Merging Unit CVCOM 4DC kombiniert<br />
die digitalen Signale mehrerer Strommesswandler<br />
und übermittelt sie an das Steuer-<br />
und Überwachungssystem. Dieses System<br />
verfügt über entsprechende Algorithmen und<br />
steuert damit, basierend auf den Messdaten,<br />
die Thyristor-Ventile und damit die Lastflüsse.<br />
Das Steuer- und Überwachungssystem übermittelt<br />
aber auch Informationen an weitere<br />
26 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
Dielektrische Versuche<br />
in <strong>eine</strong>m HS-Labor in<br />
Graz, Österreich.<br />
optische<br />
Stromwandler haben<br />
sich als geeignetste<br />
Lösung erwiesen.<br />
intelligente elektronische Geräte (IED)<br />
und an andere Systeme, beispielsweise<br />
den Schutz, um damit sowohl den WS- als<br />
auch den GS-Bereich zu überwachen.<br />
Die Wandler liefern Messdaten, die die<br />
Erkennung <strong>eine</strong>s breiten Spektrums kritischer<br />
Zustände ermöglichen, beispielsweise<br />
Überspannungen, thermische Überlastung<br />
und ungeplante Schaltvorgänge.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid’s Lösung:<br />
Faraday-Wandler in<br />
Kombination mit <strong>eine</strong>m<br />
DC-Shunt.<br />
Zwei wichtige Vorzüge optischer Sensoren<br />
sind das breite Frequenzspektrum (bis 5 kHz)<br />
und die einfachen optischen Datenverbindungen,<br />
die die Wandler sehr kompakt machen.<br />
Gegen elektromagnetische Strahlungen und<br />
Störsignale sind die Sensoren nicht anfällig.<br />
Zur Erdisolation und Datenübertragung sind<br />
k<strong>eine</strong> gasgefüllten Porzellanisolatoren erforderlich,<br />
wodurch Leckagen und Explosionen<br />
ausgeschlossen werden können.<br />
Die Messdaten werden gemäß IEC-Standard<br />
61850-9-2 übertragen, <strong>eine</strong>m Ethernetbasierten<br />
Protokoll für die offene Kommunikation<br />
zwischen Geräten in Umspannanlagen.<br />
Daher lassen sich die Messwandler auch leicht<br />
in offene, vielseitige Kommunikationslösungen<br />
zur Automatisierung von Umspannanlagen
integrieren. „Chinesische Betreiber<br />
würden beispielsweise nie<br />
ein komplettes Messsystem kaufen“,<br />
berichtet Monfils, „aber mit<br />
s<strong>eine</strong>n offenen, standardisierten<br />
Schnittstellen lässt sich unser<br />
Messwandler hervorragend in<br />
die Systeme chinesischer Kunden<br />
integrieren.“<br />
Gläser, die für Durchblick sorgen<br />
Der optische Stromwandler von <strong>Alstom</strong><br />
Grid hat die grundlegenden Genauigkeits-<br />
und Messbereichsanforderungen für Gleichstrom<br />
nicht nur erfüllt, sondern übertroffen.<br />
„Nehmen Sie zum Beispiel das für die Messung<br />
von harmonischen Oberschwingungen<br />
spezifizierte Frequenzspektrum“, erläutert<br />
Monfils, „da ist genaues Messen <strong>eine</strong> Herausforderung,<br />
denn es erfordert <strong>eine</strong> hohe<br />
Bandbreite. Unser optischer Wandler<br />
bietet <strong>eine</strong> Spektrumsbreite von 5 kHz,<br />
während man sich bei herkömmlichen<br />
Wandlern mit 50 Hz begnügen muss.“<br />
Die Messung des Oberschwingungsanteils<br />
bietet wesentlichen Aufschluss über die<br />
Arbeitsweise der Thyristoren. Das 800 kV-<br />
HGÜ-System von <strong>Alstom</strong> Grid lässt mit<br />
s<strong>eine</strong>n 12 Puls-Thyristorumrichtern nur<br />
<strong>eine</strong>n geringen Oberschwingungsanteil zu.<br />
Damit ist <strong>eine</strong> Überhitzung sowie Resonanzprobleme<br />
und Störungen in Informations-<br />
und Kommunikationssystemen<br />
weitgehend ausgeschlossen. Eine Beeinträchtigung<br />
der Steuereinrichtungen kann<br />
ebenfalls nicht eintreten. „Aus den Oberschwingungs-Messdaten<br />
unseres Wandlers<br />
kann das Steuersystem den Arbeitspunkt<br />
der Thyristoren ganz genau ermitteln",<br />
unterstreicht Monfils, „um sie dann je nach<br />
Bedarf neu abzustimmen oder in <strong>eine</strong>n ganz<br />
anderen Steuermodus zu überführen.“<br />
Ähnlich beschreibt Monfils auch die Grundidee<br />
der digitalen optischen Messwandler:<br />
„Vor allem liefern die Wandler dem Steuer-<br />
und Überwachungssystem ein perfektes<br />
digitales Bild des gemessenen Stromwerts.<br />
Wir erreichen die sehr hohe Genauigkeit<br />
von 0,1 Prozent des Nennstromwerts und<br />
zwar für Ströme bis zu 4.500 Ampère, also<br />
Unsere oberschwingungs-<br />
Messdaten liefern ein extrem<br />
genaues Bild der Arbeitsweise<br />
der thyristoren.<br />
die übliche Stromstärke chinesischer Netze.<br />
Für den Fall <strong>eine</strong>s Kurzschlusses oder Thyristorausfalls<br />
können sogar Ströme bis zu<br />
30.000 Ampère gemessen werden. Und<br />
optische Spannungswandler? Hier sind<br />
kapazitiv-resistive Wandler in der Erprobung.<br />
Monfils und sein Team arbeiten<br />
daran. Und Think Grid wird Sie bald genau<br />
darüber informieren.<br />
M e h r<br />
Pierre-André Monfils<br />
dielekTriSChe verSuChe<br />
Die Erfassung und Übermittlung<br />
von Messdaten ist die Hauptaufgabe<br />
von Messwandlern. Zur<br />
Gewährleistung <strong>eine</strong>r sicheren<br />
Arbeitsweise müssen die Messwandler<br />
allerdings über ein entsprechendes<br />
Isolationsvermögen verfügen. Ihre<br />
Isolation muss auch höchsten<br />
Betriebsspannungen ohne Kurzschluss<br />
überstehen. Um sicherzustellen, dass<br />
sie allen Anforderungen genügt, wird<br />
die dielektrische Festigkeit der<br />
Wandler unter extremen Bedingungen<br />
geprüft. Ein wichtiger Testparameter<br />
ist dabei die Nennisolationsspannung,<br />
die immer höher als die<br />
Betriebsspannung einschließlich jeder<br />
Art von Überspannung sein muss.<br />
Die in dem HS-Labor der TU Graz,<br />
Österreich, durchgeführten<br />
dielektrischen Prüfungen haben die<br />
Wandler erfolgreich bestanden.<br />
Dabei wurden im Einzelnen folgende<br />
Prüfungen vorgenommen:<br />
• Blitzstoßspannung<br />
• Schaltstoßspannung, beregnet<br />
• Gleichspannung, beregnet<br />
• Wechselspannung<br />
• Wechselspannung mit<br />
Teilentladungsmessung<br />
• Gleichspannung mit<br />
Teilentladungsmessung<br />
• Gleichspannung-Polaritätswechsel<br />
• Funkstörpegel bei Wechsel- und<br />
Gleichspannung.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 27
Thema KAPItEL II NEUE LÖSUNGEN<br />
der netzschutz<br />
von microgrids:<br />
<strong>eine</strong> neue<br />
herausforderung<br />
Microgrids verbreiten sich<br />
schnell und werden zweifelsohne <strong>eine</strong><br />
zunehmend wichtigere rolle in der<br />
Stromversorgung spielen. Damit ist allerdings<br />
auch <strong>eine</strong> reihe von Herausforderungen,<br />
wie die Notwendigkeit neuer<br />
Netzschutzeinrichtungen, verbunden.<br />
Microgrids, also kl<strong>eine</strong>re autarke Energieversorgungssysteme,<br />
die an das übergeordnete<br />
Netz angeschlossen oder auch eigenständig<br />
betrieben werden können, stoßen seit mehreren<br />
Jahren bei den Energieversorgern auf<br />
großes Interesse. Auch die Forschung interessiert<br />
sich für sie, um die Fragen sich wandelnder<br />
Kundenanforderungen und<br />
Zuverlässigkeit der Netze zu beantworten.<br />
Zum Beispiel Japan: Die Forschung dieses<br />
an Energieressourcen armen Landes schenkt<br />
regenerativen Energien besondere Aufmerksamkeit<br />
und beschäftigt sich daher auch<br />
intensiv mit Energiespeicherung und Stromversorgung<br />
mittels Microgrids. In Europa<br />
sind die Entfernungen vom Erzeuger zum<br />
Verbraucher weit geringer. Hier interessiert<br />
man sich vor allem für den Aufbau intelligenter<br />
Netze durch <strong>eine</strong> Kopplung von Microgrids.<br />
Auch in Kanada, Australien, China<br />
und in vielen weiteren Staaten wird entsprechend<br />
den lokalen Versorgungsbedingungen<br />
28 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
MIcrOGrID PrINZIPAUfbAU<br />
Kommunikationsinfrastruktur<br />
Trennschalter<br />
Netzleitstelle<br />
und den Anforderungen der jeweiligen Märkte<br />
über Microgrids geforscht.<br />
Aber was macht Microgrids eigentlich so<br />
attraktiv? Natürlich könnten Netze mit dezentraler<br />
Stromerzeugung nicht nur die Versorgungssicherheit<br />
erhöhen, sondern auch ein<br />
differenzierteres Leistungsangebot ermöglichen.<br />
Nur gewährleistet allein die Einspeisung<br />
dezentraler Energiequellen in Netze<br />
heutiger Art noch k<strong>eine</strong>n dieser Vorteile, sie<br />
könnte sich sogar negativ auf die Stromqualität<br />
auswirken: regenerative Energiequellen<br />
verstärken die Schwankungen auf der Erzeugungsseite.<br />
Mit Microgrids hingegen lassen<br />
sich Stromerzeugung und -versorgung effizient<br />
organisieren und bei Ausfällen des<br />
übergeordneten Netzes auch autonom betreiben.<br />
Grundprinzip sind dabei die kurzen<br />
Entfernungen von der dezentralen Energiequelle<br />
bis zum Verbraucher. „Das zugrundeliegende<br />
Konzept ist von Land zu Land<br />
verschieden, aber alle Microgrids haben <strong>eine</strong><br />
Verteiltransformator<br />
Energiespeicher Photovoltaikanlage Energiespeicher<br />
Stromleitung<br />
bestimmte Anzahl gemeinsamer Eigenschaften:<br />
dezentrale Erzeugung aus regenerativen<br />
Energien, bi-direktionaler Lastfluss, Regelung<br />
der Lastflüsse und Einsatz von Leistungselektronik.<br />
Microgrids haben viele Vorzüge,<br />
es sind so zu sagen ‚hochintelligente’ Netze.<br />
Aber sie sind auch mit Herausforderungen<br />
verbunden, darunter dem Problem <strong>eine</strong>s<br />
wirkungsvollen Netzschutzes“, urteilt Dr.<br />
Zhiqian Bo, China Research Manager.<br />
Neue Netzschutzanforderungen<br />
Die Kopplung von Microgrids an die vorhandenen<br />
Netzstrukturen wirft <strong>eine</strong> Reihe von<br />
Fragen auf. Wann genau sollte ein Microgrid<br />
in den autonomen Betrieb wechseln, angesichts<br />
der vielen Ereignisse, die in dem übergeordneten<br />
Netz auftreten können? Und wie<br />
lässt sich auch nach dem Wechsel in den<br />
autonomen Betrieb ein koordinierter Schutz<br />
weiter sicher gewährleisten? Wie erzielt man<br />
im Fehlerfall die richtige Selektivität, um bei<br />
Einfamilienhäuser
Wind Biomasse Brennstoffzelle<br />
Mehrfamilienhäuser<br />
usw.<br />
Warmwasserleitung<br />
Öffentliche Gebäude/Geschäfte<br />
Mikrogrids sind ebenso<br />
effiziente Stromerzeugungs- wie<br />
Stromverteilungslösungen.<br />
<strong>eine</strong>r Vielzahl von Inselnetzen überflüssige<br />
Abschaltungen zu vermeiden?<br />
Wie lässt sich die richtige Ansprechschwelle<br />
gewährleisten, um die Nichterkennung von<br />
Fehlern bzw. <strong>eine</strong> verspätete Abschaltung<br />
auszuschließen? "Eine der größten Herausforderungen<br />
ist die Entwicklung <strong>eine</strong>s<br />
Schutzsystems, das sowohl auf Fehler im<br />
übergeordneten Netz als auch im Microgrid<br />
anspricht. Microgrids können ja gekoppelt<br />
und autonom betrieben werden; daher müssen<br />
die Schutzeinrichtungen ausnahmslos alle<br />
Fehler im Microgrid sowohl bei Koppel- als<br />
auch bei Inselbetrieb erfassen können“, erläutert<br />
Dr. Bo. Ein schneller Halbleiterschalter<br />
dient der Anbindung des Microgrids an das<br />
übergeordnete Netz. Grundsätzlich könnte<br />
der Netzschutz somit darin bestehen, das<br />
Microgrid bei jedem Fehler mit Hilfe des<br />
Schalters abzukoppeln, egal ob der Fehler<br />
im übergeordneten Netz oder im Microgrid<br />
auftritt. In Verteilnetzen basieren die meisten<br />
herkömmlichen Schutzeinrichtungen<br />
auf dem Überstromschutz zur Erkennung<br />
von Kurzschlüssen, aber Überstrom-Relais<br />
erkennen nur die Fehler im übergeordneten<br />
Netz, denn die Fehlerströme mit Leistungselektronik<br />
gesteuerter kl<strong>eine</strong>r Energiequellen<br />
sind zu gering. Zur Erkennung von<br />
Fehlern im Microgrid sind daher neue Algorithmen<br />
erforderlich.<br />
Bei Anschluss dezentraler Erzeuger können<br />
die Sensoren zudem in beiden Richtungen von<br />
Strom durchflossen werden; das Microgrid<br />
hat dann mehr mit <strong>eine</strong>m Übertragungs- als<br />
<strong>eine</strong>m Verteilnetz gemein. Außerdem gibt es<br />
in den meisten radialen Netzen k<strong>eine</strong> bidirektionalen<br />
Lastflüsse. Schließlich führen<br />
auch die durch Leistungselektronik und fluktuierende<br />
Energiequellen (Sonne, Wind)<br />
hervorgerufenen Oberwellen zu weiteren<br />
Herausforderungen.<br />
Zur Lösung dieser Probleme „darf der Schutz<br />
von Microgrids weder für Überströme noch<br />
bi-direktonale Lastflüsse, Ungleichgewicht<br />
zwischen Last- und<br />
Erzeugungsprofil oder<br />
neu zu- bzw. abgeschalteter<br />
Erzeuger anfällig<br />
sein“, unterstreicht<br />
Dr. Bo. Die Schutzrelais<br />
müssen sich an wechselnde<br />
Energiequellen (Wind, Solar usw.)<br />
anpassen können; Oberwellen müssen durch<br />
Regeleinrichtungen beherrschbar sein. Zur<br />
Gewährleistung von Flexibilität und Zuverlässigkeit<br />
zugleich muss der Schutz von Microgrids<br />
künftig noch enger mit der Leittechnik<br />
verzahnt werden. Der Schutz wird auf neueste<br />
Kommunikationstechnologien angewiesen<br />
sein und sich zeitgleich mit der Entwicklung<br />
der Microgrids ebenfalls weiter entwickeln.<br />
Industrielle Lösungen dürften daher in den<br />
kommenden fünf bis 10 Jahren vorliegen.<br />
„Es mögen noch viele Lösungen gefunden<br />
werden müssen, aber <strong>eine</strong>s ist sicher: Microgrids<br />
werden in der Stromversorgung unaufhaltsam<br />
an Bedeutung gewinnen.“<br />
M e h r<br />
Dr. Zhiqian Bo<br />
ZukunfTweiSende<br />
miCroGridS<br />
„Als Konzept sind Microgrids <strong>eine</strong><br />
Weiterentwicklung der dezentralen<br />
Energieressourcen (DER)“, berichtet<br />
Dr. Bo. „Seit dem Ende der 1970er Jahre<br />
arbeitet man intensiv an der Nutzung<br />
erneuerbarer Energien wie Wind-,<br />
Wasser- und Gezeitenkraft sowie<br />
Solarenergie. Nur wirft die Einspeisung<br />
dezentraler Stromerzeuger ebenso<br />
viele Probleme auf wie sie löst. Viel<br />
erfolgversprechender für die Nutzung des<br />
gerade erst entstehenden Potenzials der<br />
dezentralen Energieerzeugung ist deshalb<br />
<strong>eine</strong> systemische Betrachtungsweise von<br />
Erzeugung und Verbrauch im Rahmen<br />
<strong>eine</strong>s Subsystems oder Microgrids.“<br />
Microgrids sind nämlich nichts anderes<br />
als maßstabgerecht verkl<strong>eine</strong>rte und<br />
modernere Stromversorgungsnetze der<br />
Art, wie man sie seit Langem kennt. Durch<br />
Nutzung dezentraler Energiequellen bieten<br />
sie allerdings weit kürzere Entfernungen<br />
zwischen Erzeugung und Last und somit<br />
erheblich reduzierte Übertragungsverluste.<br />
Die Microgrids beziehen ihren Strom aus<br />
regenerativen Energiequellen und bieten<br />
<strong>eine</strong> entsprechend günstige CO2-Bilanz.<br />
Energiespeicher machen sie außerdem<br />
sehr zuverlässig. Zur flexiblen,<br />
bedarfsgeführten Regelung dient<br />
Leistungselektronik. An- und abschaltbare<br />
Stromerzeuger und Verbraucher<br />
gewährleisten die Benutzerfreundlichkeit.<br />
Die echtzeitfähige Schutz- und Leittechnik<br />
sorgt für schnelles Erkennen und Beheben<br />
von Störungen. Da sich sowohl Erzeuger<br />
als auch Lasten abschalten lassen,<br />
gewährleisten Microgrids ein hohes<br />
Leistungsniveau und sicheren Schutz.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 29
Thema KAPItEL II NEUE LÖSUNGEN<br />
UNterIrDISche GIS-UMSPANNANLAGe<br />
leistungssteigerung von umspannanlagen<br />
für heutige und künftige anforderungen<br />
Elektrische Netze haben <strong>eine</strong> Lebenserwartung von 40 bis<br />
50 Jahren, aber die Nachfrage und der gesetzliche rahmen entwickeln sich weit schneller.<br />
wie können Planer auf diesen Umstand reagieren? Leistungssteigerung ist <strong>eine</strong> Lösung.<br />
Elektrische Netze zu planen ist nicht immer<br />
leicht. Wo soll die neue Umspannanlage<br />
errichtet werden? Werden sich unbebaute<br />
Flächen am Stadtrand in den kommenden<br />
20 Jahren in <strong>eine</strong>n neuen Vorort verwandeln?<br />
Werden in den nächsten fünf Jahren<br />
neue Fabriken aus dem Boden schießen<br />
und den Strombedarf sprunghaft ansteigen<br />
lassen? Wird der Klimawandel Überschwemmungen<br />
und Zerstörung für die<br />
Menschen, aber auch für die Netzinfrastruktur<br />
bringen, wie kürzlich in Japan und Südostasien<br />
geschehen? Jedenfalls wird die<br />
Netzplanung nicht einfacher, meint Gilles<br />
Tremouille, Technical Marketing Manager<br />
30 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
bei Power Systems: „Die Umspannanlage<br />
der Zukunft muss überall errichtet werden<br />
können, auf Offshore-Plattformen ebenso<br />
wie in großstädtischen Gebieten mit vielen<br />
Beschränkungen<br />
Die Umspannanlage<br />
der Zukunft muss überall<br />
errichtet werden können.<br />
und Auflagen.<br />
Gleichzeitig gilt<br />
es, die Stabilität<br />
und die Energieeffizienz<br />
der<br />
Netze weiter zu<br />
verbessern, die Umweltbelastung zu reduzieren<br />
und die Netze noch intelligenter zu<br />
machen.” Aber dies bedeutet nicht, dass die<br />
Betreiber nun ganze Systeme verschrotten<br />
und alles von Grund auf neu planen müssten.<br />
"Vielleicht werden sich Bestimmungen<br />
ändern, Emissionen sind zu senken, die<br />
Lärmbelastung ist zu reduzieren oder<br />
der optische<br />
Eindruck bereit<br />
e t i n f o l g e<br />
w u c h e r n d e r<br />
Ballungsräume<br />
Probleme. In<br />
solchen Situationen<br />
steht der Betreiber dann vor der entscheidenden<br />
Frage: Neubau oder<br />
Modernisierung? <strong>Alstom</strong> Grid versteht,<br />
Trends zu analysieren, und bietet für jede
Shanghai damals und heute. Mit dem<br />
Bauboom und der Modernisierung ist in den<br />
letzten beiden Jahrzehnten auch der<br />
Stromverbrauch deutlich angestiegen.<br />
Art von Maßnahme sachkundige Beratung.<br />
Wir sehen uns den Veränderungsbedarf an<br />
und ermitteln die Kosten. Würde <strong>eine</strong> Leistungsverbesserung<br />
weniger kosten als der<br />
Neubau <strong>eine</strong>s Umspannwerks? Das ist die<br />
zentrale Frage. Und natürlich auch: „Wie<br />
wird sich der Bedarf in den kommenden<br />
Jahren entwickeln?" Eigentlich ist <strong>eine</strong> Leistungssteigerung<br />
etwas absolut Normales.<br />
„Wie sorgfältig Sie auch planen: Bei der<br />
Realisierung kommt es meistens zu Abweichungen,<br />
die mit den Jahren an Bedeutung<br />
gewinnen können."<br />
Vom Problem zur Lösung<br />
Die Planung von Netzen beginnt mit <strong>eine</strong>r<br />
Bestandsaufnahme mit dem Ziel, aktuelle<br />
und künftige Bedürfnisse, zum Beispiel für<br />
die kommenden fünf Jahre, zu ermitteln.<br />
Anschließend muss ein Unternehmen<br />
wie <strong>Alstom</strong> mit entsprechendem Produkteportfolio<br />
sowie System- und Installationskompetenz<br />
hinzugezogen werden.<br />
Bei gestiegenem Strombedarf könnte<br />
sich beispielsweise <strong>eine</strong> Erhöhung des<br />
Nennstroms als notwenig erweisen, durch<br />
Irgendwann steht der Betreiber<br />
vor der entscheidenden Frage:<br />
Neubau oder Ertüchtigung?<br />
<strong>eine</strong> Spannungserhöhung ließen sich die<br />
Leitungsverluste reduzieren und die Systemstabilität<br />
verbessern. Eine neue Sammelschiene<br />
bzw. Schutzeinrichtungen<br />
könnten die Netzzuverlässigkeit verbessern.<br />
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von<br />
Modernisierung: Leistungssteigerung<br />
(Uprating), d.h. leistungsfähigere elektrische<br />
Geräte, und Ertüchtigung (Upgrade),<br />
worunter alle übrigen Aufrüstmaßnahmen<br />
in der Umspannanlage zu verstehen sind.<br />
So wurde im marokkanischen Meloussa<br />
unlängst <strong>eine</strong> 30 Jahre alte herkömmliche<br />
"bemannte" Umspannanlage mit <strong>eine</strong>m<br />
digitalen Schutz- und Leitsystem ausgestattet,<br />
sodass sie nun "unbemannt" von der<br />
regionalen Netzleitstelle aus betrieben werden<br />
kann. Oder <strong>eine</strong> Anlage bietet nicht<br />
genügend Raum oder ungünstige technische<br />
Voraussetzungen für den Anschluss neuer<br />
Verbraucher. In Großbritannien verwendete<br />
<strong>Alstom</strong> in solch <strong>eine</strong>m Fall <strong>eine</strong> besonders<br />
kompakt untergebrachte Feldeinheit. Im<br />
Fall <strong>eine</strong>r 20 Jahre alten Umspannanlage in<br />
Tunesien, deren ursprüngliche Auslegung<br />
nur <strong>eine</strong> begrenzte Zahl von Freileitungen<br />
zuließ, erlaubt heute <strong>eine</strong> skalierbare<br />
Doppelsammelschiene den Anschluss weiterer<br />
Freileitungen.<br />
hand in hand mit dem Kunden<br />
Manchmal steht der Kunde allerdings auch<br />
vor <strong>eine</strong>m Problem, das <strong>eine</strong>r sofortigen<br />
Lösung bedarf. Im Juli 2010 flog Gilles<br />
Tremouille beispielsweise nach Kuwait zu<br />
Gesprächen mit Vertretern des Ministeriums<br />
für Energie und Wasser, das die Errichtung<br />
<strong>eine</strong>s 5 GW-Kraftwerks innerhalb der<br />
nächsten drei Jahre plant. Damit wird der<br />
Kurzschlusspegel im gesamten<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 31
Thema KAPItEL II NEUE LÖSUNGEN<br />
fLUSSDIAGrAMM ZUr LeIStUNGSSteIGerUNG<br />
Anforderungen aus<br />
Systemstudien<br />
Asset-Bewertung<br />
Technische Anforderungen<br />
Technologie<br />
Verfügbarkeit <strong>eine</strong>r Standardlösung<br />
Umweltanforderungen - LCA<br />
Risikoanalyse<br />
Sicherheit<br />
Wartung Installation<br />
Lebenszykluskosten<br />
Implementierung <strong>eine</strong>r<br />
anderen Lösung<br />
(Änderung der Netzstruktur,<br />
Implementierung operativer<br />
Beschränkungen, k<strong>eine</strong>rlei<br />
Maßnahme, usw.)<br />
kuwaitischen Stromnetz drastisch<br />
ansteigen. <strong>Alstom</strong> hat dem Kunden als Sofortlösung<br />
für kurzfristig auftretende Probleme<br />
die Installation von Seriendrosselspulen im<br />
gesamten Netz vorgeschlagen. Die effizienteste<br />
Art der Zusammenarbeit mit dem Kunden<br />
ist allerdings, bereits im Vorfeld mit der<br />
Planung zu beginnen, um künftige Bedürfnisse<br />
genau zu ermitteln. "Sofortlösungen lassen<br />
M e h r<br />
Gilles Tremouille<br />
umSPannanlaGen<br />
heuTe und<br />
morGen<br />
32 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
NEIN<br />
Anforderungen aus dem<br />
Asset Management<br />
Leistungssteigerung<br />
als <strong>eine</strong> von mehreren<br />
Optionen<br />
Entscheidungsprozess<br />
Machbarkeitsstudien<br />
Ertüchtigung/<br />
Leistungssteigerung<br />
JA<br />
Implementierung<br />
<strong>eine</strong>r Lösung<br />
Bewertung des fertig<br />
umgesetzten Projekts<br />
Rückmeldung<br />
Eine Umspannanlage ist<br />
wie ein Flughafen, wo man<br />
den Wagen abstellt und ins<br />
Flugzeug einsteigt.<br />
Umspannanlagen sind<br />
Schnittstellen zwischen<br />
Versorgungsgebieten,<br />
zwischen Erzeugung und<br />
Verbrauch – und an vielen<br />
Stellen im Netz<br />
unverzichtbar. Ebenso<br />
kann man Freileitungen<br />
und Kabelstrecken auch<br />
mit Luftverkehrskorridoren,<br />
Schienenstrecken,<br />
Autobahnen oder<br />
Gehsteigen gleichsetzen:<br />
Umspannanlagen befinden<br />
sich mitten in der Stadt<br />
sowie überall dort, wo die<br />
Anforderungen aufgrund<br />
externer Faktoren<br />
Projektüberblick<br />
(Kostenüberschreitung,<br />
Verzögerung usw.)<br />
Rückmeldung<br />
sich immer finden", meint Tremouille, "aber<br />
die gefundene Lösung ist für den Kunden umso<br />
interessanter, je früher er sie erhält, denn dann<br />
bleibt mehr Zeit für <strong>eine</strong> bedarfsgerechte individuelle<br />
Ausgestaltung.“ Bei etwa 30 Prozent<br />
der von <strong>Alstom</strong> durchgeführten Ertüchtigungsprojekte<br />
hat der Kunde 10 Jahre zuvor mit der<br />
Planung begonnen, und die Ausschreibung<br />
circa zwei Jahre vor Auftragserteilung veröf-<br />
Systemanforderungen<br />
(Anstieg des Nenn- oder<br />
des Kurzschlussstroms,<br />
Stabilität oder Zuverlässigkeit<br />
des Netzes) dies<br />
notwendig machen.<br />
„In Städten errichten<br />
wir unterirdische<br />
Umspannanlagen, dann<br />
ist die Akzeptanz oft viel<br />
besser. Aber ob<br />
unterirdisch, auf der<br />
Offshore-Plattform <strong>eine</strong>s<br />
Windparks oder in<br />
abgelegenen Gegenden,<br />
wo private Erzeuger ihren<br />
Strom einspeisen - solche<br />
Anlagen passen sich immer<br />
den Bedürfnissen der<br />
jeweiligen Nutzer an.",<br />
Sie müssen Hand<br />
in Hand mit dem<br />
Kunden vorgehen.<br />
fentlicht. Etwa 50 Prozent der Projekte müssen<br />
innerhalb von fünf Jahren umgesetzt<br />
werden und 20 Prozent gehören zur Kategorie<br />
der Sofortmaßnahmen, wenn der<br />
Netzausbau entweder durch die Installation<br />
<strong>eine</strong>s neuen Schaltfeldes oder von Drosselspulen<br />
notwendig wird. Der Grund liegt meist<br />
in der kurzfristigen Errichtung <strong>eine</strong>r neuen<br />
Fabrik oder in der zusätzlichen Einspeisung<br />
von Strom aus privaten Energieerzeugungsanlagen.<br />
Die Ertüchtigung selbst kann mehrere<br />
Wochen in Anspruch nehmen, wenn es<br />
beispielsweise um Umweltschutzmaßnahmen<br />
geht, oder sehr viel mehr Zeit, wenn die<br />
gesamte Umspannanlage betroffen ist. „Die<br />
Herausforderung besteht darin, dass die<br />
Netze natürlich in Betrieb bleiben müssen,<br />
und die Zeitfenster für Abschaltungen äußerst<br />
knapp bemessen sind. In Tunesien dauerten<br />
die Maßnahmen zur räumlichen Verlegung<br />
<strong>eine</strong>r bestehenden Schaltanlage zwei Jahre,<br />
aber während der gesamten Zeit blieb<br />
die Anlage in Betrieb. Genau wie Sie <strong>eine</strong><br />
U-Bahnlinie in Paris nicht für ganze zwei<br />
Wochen stilllegen können, sondern dann<br />
eben nachts, nach Betriebsschluss, arbeiten<br />
müssen. Allerdings muss man dazu Hand in<br />
Hand mit dem Kunden vorgehen.“<br />
betont Gilles Tremouille.<br />
Und neben den rein<br />
technischen Anforderungen<br />
gilt dies auch für Wünsche<br />
und Erwartungen,<br />
beispielsweise der<br />
Umweltverträglichkeit oder<br />
der Spannungsqualität.<br />
„Dies ist wieder das Thema<br />
Ertüchtigung. Ältere<br />
Systeme müssen für höhere<br />
Spannungspegel, neue<br />
Leittechniken, Lichtwellenleiter<br />
und Fernwirktechnik<br />
vorbereitet werden. Dabei<br />
kann es um den Austausch<br />
veralteter oder besonders<br />
belasteter Komponenten,<br />
um die Erhöhung der<br />
Erdbebensicherheit, die<br />
Anpassung an neue<br />
Bestimmungen oder die<br />
Behebung von Sicherheitsproblemen<br />
gehen.<br />
In Zukunft könnte noch<br />
die Installation von<br />
Energiespeichern sowie die<br />
systematische Einführung<br />
<strong>eine</strong>r dynamischen<br />
Überlastregelung, die die<br />
aktuelle Umgebungstemperatur<br />
sowie die Windstärke<br />
berücksichtigt, mehr und<br />
mehr an Bedeutung<br />
gewinnen. Auch <strong>eine</strong><br />
weitere Verbreitung von<br />
FACTS-Elementen zur<br />
besseren Nutzung der<br />
Hochspannungsleitungen<br />
ist denkbar.
Thema KAPItEL III ENErGIEVErSorGUNG HEUtE UND MorGEN GArANtIErEN<br />
Smarte Produkte<br />
& Dienstleistungen<br />
HGÜ-Transformatoren sind <strong>eine</strong> Kernkomponente jedes Hochspannungs-Gleichstromübertragungs-Systems,<br />
machen aber auch den größten Teil der Gesamtkosten aus. Ihre Zuverlässigkeit ist daher von besonderer<br />
Bedeutung. Statische Blindleistungskompensatoren (SVC) sind besonders vielseitig und lassen sich sowohl zur<br />
Dämpfung von Leistungspendelungen als auch zur herkömmlichen Spannungs –und Blindleistungsregelung<br />
verwenden. Dank 70-jähriger Erfahrungen bieten Federenergieantriebe für Leistungsschalter von <strong>Alstom</strong> Grid<br />
ein unerreichtes Maß an Zuverlässigkeit, Langlebigkeit und Leistung.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 33
Thema KAPItEL III ENErGIEVErSorGUNG HEUtE UND MorGEN GArANtIErEN<br />
teSt eINeS 800 KV hGü-trANSfOrMAtOrS<br />
hGÜ-Transformatoren: kernbestandteile von<br />
Gleichstromübertragungs-Systemen<br />
HGÜ-transformatoren sind ein unerlässlicher<br />
Bestandteil jedes Hochspannungs-Gleichstromübertragungs-<br />
Systems. Ihre robustheit und Zuverlässigkeit entscheiden<br />
wesentlich über die Verfügbarkeit des Systems. Infolge immer<br />
höherer Übertragungsleistungen steht auch ihr Design vor<br />
neuen Herausforderungen.<br />
34 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
Die Hochspannungs-Gleichstromübertragung<br />
(HGÜ) ist heute weithin anerkannt<br />
als <strong>eine</strong> effektive und wirtschaftliche Lösung<br />
für den Transport hoher Leistungen mittels<br />
Freileitungen oder Kabel über große Entfernungen.<br />
Überall auf der Welt findet die<br />
HGÜ daher zunehmend Anwendung; ganz<br />
besonders gilt dies für Schwellenländer wie<br />
China, Indien oder Brasilien, wo die Ener
hochspannungs-<br />
gieübertragung von weit entfernten Standorten<br />
(Wasserkraftwerke, Windparks) in<br />
die städtischen bzw. industriellen Ballungsgebiete<br />
über hunderte oder tausende von<br />
Kilometern <strong>eine</strong> wesentliche Aufgabe darstellt.<br />
Darüber hinaus dienen HGÜ-Systeme<br />
aber auch zur Kopplung von WS-Netzen<br />
unterschiedlicher Frequenz oder Netzstabilität.<br />
Angesichts des steigenden Energie-<br />
DAS teAM VON ALStOM GrID IN WUhAN (chINA)<br />
bedarfs kann die Übertragungsleistung in<br />
U(Ultra)HGÜ-Systemen bei Spannungen bis<br />
zu ±800 kV – und bald wohl noch höher –<br />
bis zu 6.400 MW betragen.<br />
Zuverlässigkeit der<br />
transformatoren entscheidet über<br />
Systemverfügbarkeit<br />
„Der HGÜ-Transformator ist der entscheidende<br />
und der teuerste Bestandteil jedes<br />
HGÜ-Systems“, so Milan Saravolac, R&D<br />
Direktor der Produktlinie Power Transformers<br />
von <strong>Alstom</strong> Grid. HGÜ-Transformatoren<br />
bilden den Übergang vom WS-Netz zur<br />
HGÜ-Verbindung auf der Erzeugerseite und<br />
von der HGÜ-Verbindung zum WS-Netz<br />
auf der Verbraucherseite.<br />
In modernen bipolaren UHGÜ-Systemen<br />
mit zwei 12-Puls-Umrichtern pro Pol sind<br />
an jedem Verbindungsende 24 einphasige<br />
Großtransformatoren erforderlich. „Die<br />
Zuverlässigkeit dieser UHGÜ-Transformatoren<br />
ist von herausragender Bedeutung,<br />
da der Ausfall <strong>eine</strong>s einzigen von ihnen zur<br />
Abschaltung des gesamten Pols und der<br />
damit verbundenen Leitung führen kann“,<br />
erklärt Saravolac. Auch in s<strong>eine</strong>n jüngsten<br />
Zuverlässigkeitsstudien gelangt das International<br />
Council on Large Electric Systems<br />
(CIGRE) zu dem Ergebnis, dass<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 35
Thema KAPItEL III ENErGIEVErSorGUNG HEUtE UND MorGEN GArANtIErEN<br />
Transformatoren statistisch betrachtet<br />
die Hauptverursacher von Netzausfällen<br />
sind; allerdings konnten hier in den letzten<br />
Jahren dank strengerer IEC Standards und<br />
Testanforderungen, besserer Methoden der<br />
Qualitätsüberwachung, des Einsatzes<br />
moderner Zustandsüberwachungssysteme<br />
und konzeptueller Verbesserungen an den<br />
Isolierungen deutliche Fortschritte erzielt<br />
werden.<br />
transportbegrenzungen<br />
Die Konstruktion von HGÜ-Transformatoren<br />
steht vor vielen neuen Herausforderungen.<br />
Da sie an der Schnittstelle zwischen WS- und<br />
GS-Systemen zum Einsatz kommen, müssen<br />
sie den kumulierten Anforderungen beider<br />
Seiten genügen, mit anderen Worten, HGÜ-<br />
Transformatoren müssen nicht nur die für<br />
alle Transformatoren in Hochspannungs-<br />
Wechselstromnetzen geltenden Leistungsanforderungen<br />
erfüllen. Sie müssen<br />
zusätzlich den technischen Erfordernissen<br />
des Anschlusses an die Umrichterstation<br />
genügen und somit auch gegen Gleichspannungen<br />
isoliert sein. Eine weitere Herausforderung<br />
ist die Transformatorengröße. Da<br />
die Spannungs- und Leistungspegel von<br />
HGÜtransformatoren<br />
sind Schlüsselkom-<br />
ponenten.<br />
HGÜ-Verbindungen ständig steigen, muss<br />
auch die Spannungs- und Leistungsauslegung<br />
der einzelnen HGÜ-Transformatoren<br />
entsprechend erhöht werden. Abmessungen<br />
und Gewicht von UHGÜ-Transformatoren<br />
stoßen allmählich an die durch unsere Verkehrsmittel<br />
vorgegebenen physikalischen<br />
Grenzen (Schienenspurweiten, Tunnelbreiten,<br />
Bodenbelastung usw.). Daher könnten sich<br />
modulare Lösungen als notwendig erweisen,<br />
beispielsweise <strong>eine</strong>n separaten Kesselraum<br />
für die Unterbringung der UHGÜ-Verbindung<br />
zwischen dem Aktivteil des Transformators<br />
36 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
Dreiphasen-HGÜ-Transformator von <strong>Alstom</strong><br />
Grid (256 MVA, 358 kV) während des Tests.
und den Durchführungen. „Wegen des<br />
begrenzten Raums für das Aktivteil des<br />
Transformators einschließlich aller UHGÜ-<br />
Verbindungen ergeben sich erhebliche Herausforderungen<br />
bei Konstruktion und<br />
Optimierung s<strong>eine</strong>s dielektrischen Systems“,<br />
fügt Saravolac<br />
hinzu. Um diese<br />
Herausforderungen<br />
ohne Komp<br />
r o m i s s e i n<br />
puncto Qualität<br />
und Zuverlässigkeit<br />
zu bewältigen,<br />
ist nicht<br />
allein ein umfassendes<br />
Wissen<br />
um die Belastungen<br />
im Betrieb<br />
und die damit<br />
zusammenhängenden Phänomene außerordentlich<br />
wichtig, sondern es müssen auch<br />
leistungsfähige Konstruktions-, Modellierungs-<br />
und Simulationswerkzeuge zur Verfügung<br />
stehen.<br />
Speziell konstruierte<br />
Durchführungen<br />
Weitere Herausforderungen ergeben sich<br />
bei UHGÜ aber auch für bestimmte andere<br />
Komponenten wie die Durchführungen<br />
zum Anschluss des Transformators an die<br />
UHGÜ-Umrichter innerhalb <strong>eine</strong>s Gebäudes.<br />
Wie die Transformatoren müssen auch<br />
sie den kumulierten WS- und GS-Anforderungen<br />
und -Belastungswerten genügen.<br />
UHGÜ-Durchführungen,<br />
die<br />
<strong>Alstom</strong> Grid hat<br />
bewiesen, dass sich<br />
die Herausforderungen<br />
der UHGÜ-technologie<br />
durch echte teamarbeit<br />
bewältigen lassen.<br />
direkt in die<br />
Umrichterhalle<br />
führen, sollten<br />
k<strong>eine</strong> Ölisolierung<br />
besitzen,<br />
d a d i e s d i e<br />
Brandgefahr<br />
erhöhen würde.<br />
Aufbauend auf<br />
dem Wissen und<br />
der Erfahrung<br />
mit früheren<br />
Projekten hat <strong>Alstom</strong> Grid „bewiesen, dass<br />
wir die Herausforderungen der UHGÜ-<br />
Technologie durch echte Teamleistungen<br />
zu bewältigen verstehen.“ Von <strong>Alstom</strong> Grid<br />
konstruierte HGÜ-Transformatoren werden<br />
unter anderem in dem Rio Madeira-Projekt<br />
in Brasilien zum Einsatz kommen, wo derzeit<br />
die längste HGÜ-Verbindung der Welt<br />
(2.375 km) vom oberen Amazonas bis in<br />
den Großraum São Paulo entsteht.<br />
WS-Endpunkt WS-Endpunkt<br />
GS-Leitung<br />
Gleichrichter Wechselrichter<br />
Transformator<br />
Filterbank<br />
fUNKtIONSPrINZIP Der hOchSPANNUNGS-GLeIchStrOMübertrAGUNG<br />
M e h r<br />
David Wright<br />
TeSTS an <strong>eine</strong>m 800 kv<br />
hGÜ-TranSformaTor in<br />
wuhan<br />
„Auf der Welt gibt es nur wenige<br />
Testeinrichtungen, in denen HGÜ-<br />
Komponenten für Spannungen von 800 kV<br />
mit dieser Größe und <strong>eine</strong>m Gewicht von<br />
mehr als 160 Tonnen getestet werden<br />
können“, bemerkt David Wright,<br />
Development Project Manager. Unter<br />
Nutzung der in Europa gesammelten<br />
Erfahrungen hat <strong>Alstom</strong> Grid sein<br />
technologisches, verfahrens- und<br />
produktionstechnisches Know-how auf<br />
diesem Gebiet auch nach Wuhan in China<br />
transferiert. Lokale Teams haben dort <strong>eine</strong>n<br />
Prototyp <strong>eine</strong>s 800 kV UHGÜ-<br />
Transformators gefertigt und ihn mit<br />
Wechselspannung bis zu 1.000 kV und<br />
Gleichspannung bis zu 1.300 kV geprüft.<br />
Im Technologie- und Innovationszentrum<br />
von <strong>Alstom</strong> Grid in Massy (Frankreich)<br />
entwickelte Ultrahochfrequenzsensoren<br />
und Computerverfahren dienten in<br />
Kombination mit Ultraschallmessungen<br />
und <strong>eine</strong>r UV-Corona-Kamera zur<br />
Erkennung externer Teilentladungen sowie<br />
zur Beseitigung von Störquellen in der<br />
Testeinrichtung. Die Tests erfolgten bei allen<br />
Prüfspannungen, die derzeit für 600,<br />
660 und 800 kV Nenn-Gleichspannung<br />
diskutiert werden. „Bei den GS-Prüfungen<br />
und der Polaritätsumkehr konnte nicht <strong>eine</strong><br />
einzige Teilentladung festgestellt werden,<br />
obwohl die IEC-Spezifikationen bis zu<br />
30 Teilentladungsmessungen mit mehr als<br />
2.000 pC zulassen. Die Tests waren ein<br />
voller Erfolg, mit dem unsere europäischen<br />
und chinesischen Teams ihr Können<br />
überzeugend unter Beweis gestellt haben”,<br />
bemerkt Wright abschließend.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 37
Thema KAPItEL III ENErGIEVErSorGUNG HEUtE UND MorGEN GArANtIErEN<br />
38 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
Statische blindleistungskompensations-<br />
k<strong>eine</strong> gewöhnliche kompensation<br />
<strong>Alstom</strong> Grid ist mit <strong>eine</strong>r statischen<br />
Blindleistungskompensationsanlage ans Netz<br />
gegangen, deren Hauptaufgabe es ist,<br />
Leistungspendelungen im System zu dämpfen<br />
und die, wenn es die Bedingungen im<br />
Energieübertragungsnetz erlauben, auch als<br />
Blindleistungsreservoir dienen kann.<br />
Die Abkürzung „var“ in „Static Var Compensator,<br />
SVC“ steht für „Volt-Ampere reaktiv“. In dieser<br />
Einheit wird Blindleistung in Wechselspannungssystemen<br />
gemessen. Typischerweise werden<br />
SVCs zur Spannungsstabilisierung oder zur<br />
Kompensation von Blindleistung an <strong>eine</strong>m Netzkopplungspunkt<br />
eingesetzt. Regelalgorithmen<br />
für die Dämpfung von Leistungspendelungen<br />
im Netz werden zunehmend implementiert,<br />
meist allerdings nur zusätzlich zu <strong>eine</strong>r Spannungs-<br />
oder Blindleistungsregelung und dann<br />
auch nur für <strong>eine</strong>n kl<strong>eine</strong>n Teil der von der SVC<br />
zur Verfügung stehenden Blindleistung.<br />
Die von <strong>Alstom</strong> Grid in Finnland für das skandi-
Kangasala SVC.<br />
anlagen (SvC):<br />
navische Versorgungsnetz entwickelte SVC (KA<br />
SVC) in Kangasala bildet hier <strong>eine</strong> Ausnahme,<br />
wie Power Systems Engineer Pauli Halonen<br />
erklärt: „Der Kunde Fingrid OY wollte die SVC<br />
hauptsächlich für die Dämpfung von Leistungspendelungen<br />
im Netz (Power Oscillation Damping,<br />
POD) einsetzen, obwohl die SVC auch über<br />
die beiden üblichen Modi Spannungs- und Blindleistungsregelung<br />
verfügt. Diese beiden Betriebsarten<br />
lassen sich zusätzlich zur Stützung der<br />
Systemspannung oder gegebenenfalls auch als<br />
Blindleistungsquelle aktivieren. Da die KA SVC<br />
vor allem die Zuverlässigkeit der Energieversorgung<br />
verbessern und künftig auch zur Verringerung<br />
von Übertragungskapazitäts-Engpässen zu<br />
Spitzenlastzeiten eingesetzt werden soll, waren<br />
RTDS-Test des<br />
Schutz- und Leitsystems.<br />
die Anforderungen an die Anlage bezüglich Verfügbarkeit<br />
und Zuverlässigkeit besonders hoch.“<br />
Eine jährliche Verfügbarkeit der SVC von 98%<br />
darf durch störungsbedingte Unterbrechungen<br />
nicht unterschritten werden. Ferner dürfen diese<br />
nicht häufiger als dreimal pro Jahr auftreten.<br />
Sicherstellung der Anforderungen<br />
an die Verfügbarkeit<br />
Damit die geforderte Betriebssicherheit<br />
gewährleistet werden kann, sind bei der KA<br />
SVC aus Redundanzgründen die Schutz- und<br />
Kontrolleinheit sowie die DC-Spannungsversorgung<br />
je doppelt ausgeführt. Überdies exist<br />
ieren z wei komplett getrennte<br />
Kühlwasserkreisläufe für die Thyristoren der<br />
Drossel-Phasenanschnittsteuerung (Thyristor<br />
Controlled Reactor, TCR) und der Halbleiterschalter<br />
für die Kondensatoren (Thyristor<br />
Switched Capacitor, TSC). Ein Saugkreis für<br />
die 5. Oberschwingung ermöglicht gemäß<br />
Anlagenkonzept den Betrieb aller möglichen<br />
Kombinationen der verschiedenen SVC-<br />
Baugruppen. Der Aufbau der 20 kV-Sammelschiene<br />
und die Anordnung der Komponenten<br />
in der 20 kV-Schaltanlage erlauben Wartungs-<br />
und Reparaturarbeiten auf der <strong>eine</strong>n Seite des<br />
Gebäudes, während die andere Seite weiter<br />
voll in Betrieb ist. Eine Redundanzsteuerung<br />
überwacht den Zustand der beiden Schutz-<br />
und Kontrolleinheiten und bestimmt, welche<br />
sich in Betrieb befindet.<br />
Die Spezifikation für den POD-Modus sieht<br />
<strong>eine</strong> Dämpfung der Interarea-Schwingungen<br />
von 0,2 Hz bis 0,6 Hz vor. Dies wird durch sechs<br />
stufenlos einstellbare Übertragungsfunktionen<br />
erster Ordnung realisiert. Die Nacheilzeit der<br />
Übertragungsfunktionen wird mit <strong>eine</strong>m Dead-<br />
Band-Filter korrigiert. Das mit <strong>eine</strong>m entsprechenden<br />
Verstärkungsfaktor multiplizierte<br />
Ausgangssignal des Dead-Band-Filters entspricht<br />
dem Blindleistungssollwert der SVC.<br />
Die gesamte POD-Regelung ist also <strong>eine</strong> Übertragungsfunktion<br />
sechster Ordnung. „Unser<br />
Ziel war die Entwicklung <strong>eine</strong>r völlig frei parametrierbaren<br />
POD-Regelung mit der wir heutigen<br />
und zukünftigen Kundenanforderungen<br />
Die SVC konnte<br />
die operative Netz -<br />
sicherheit nachweislich<br />
verbessern.<br />
nachkommen können“, berichtet Halonen.<br />
„Die POD-Regelparameter werden vom Kunden<br />
spezifiziert; sie können aber nachträglich<br />
noch angepasst werden.“ Die Einstellung der<br />
Parameter ist per Fernzugriff von außen möglich,<br />
aber auch lokal, direkt in der SVC.<br />
tests erfolgreich bestanden<br />
Die SVC-Regel- und Steuerfunktionen wurden<br />
im Rahmen der Inbetriebnahme intensiv<br />
getestet. Hierfür wurde eigens ein numerischer<br />
Signalgenerator implementiert, mit dessen<br />
Signalen der Eingang der POD-Regelung<br />
beaufschlagt werden kann. Neben den<br />
üblichen Prüfungen konnten damit Sprungantwort,<br />
Regelungsmoduswechsel, Phasenanschnitt<br />
der Drosselspulen sowie die<br />
Reaktionszeit der Leistungspendelungsregelung<br />
getestet werden. Diese Tester-<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 39
THEMA KAPITEL III EnErgIEvErsorgung hEuTE und morgEn gArAnTIErEn<br />
gebnisse wurden dann mit den<br />
Ergebnissen aus <strong>eine</strong>r Netzsimulation mit der<br />
Software PSCAD verglichen. Die Ergebnisse<br />
zeigten <strong>eine</strong> hohe Übereinstimmung, obwohl<br />
in PSCAD nur ein sehr stark vereinfachtes<br />
Netzmodell verwendet worden war.<br />
Schließlich erfolgte noch die Untersuchung der<br />
Dämpfungswirkung der SVC-Anlage auf Leistungspendelungen<br />
im Netz. Hierzu wurden die<br />
Netzübertragungsbedingungen immer genau<br />
gleich verändert und jeweils in <strong>eine</strong>m anderen<br />
Betriebsmodus der SVC getestet. Die Änderungen<br />
der Netzübertragungsbedingungen hatten<br />
<strong>eine</strong> Interarea-Schwingung mit <strong>eine</strong>r Frequenz<br />
von 0,3 Hz zur Folge. Dies genügte, um <strong>eine</strong><br />
Dämpfung nachzuweisen. Bei jedem Testdurchgang<br />
hatte der Spitzenwert der ersten Schwingung<br />
immer etwa <strong>eine</strong> Frequenz von 20 mHz.<br />
Ein Vergleich der Ergebnisse der verschiedenen<br />
Tests zeigte, dass die Amplituden der jeweils<br />
ersten Schwingung immer noch recht ähnlich<br />
aussahen. Jedoch bereits in der zweiten Hälfte<br />
der ersten Schwingungsperiode konnten Unterschiede<br />
festgestellt werden. Einer der niedrigeren<br />
Spitzenwerte der Schwingungsamplitude<br />
im POD-Modus betrug lediglich -10 mHz,<br />
während die entsprechende Amplitude sich im<br />
Spannungs- oder Blindleistungsregelungsmodus<br />
auf -15 mHz belief. Im POD-Modus sank<br />
der Pegel der 0,3 Hz-Schwingungen nach ca.<br />
zwei Perioden unter den Spitze-Spitze-Wert<br />
von 10 mHz ab. Der gleiche Schwingungspegel<br />
wurde im Spannungsregelungsmodus nach<br />
vier Perioden und im Blindleistungsregelungsmodus<br />
nach sieben Perioden erreicht.<br />
Eine zukunftssichere SVC<br />
Die Testergebnisse zeigen, dass durch die KA<br />
40 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
SVC Interarea-Schwingungen mit <strong>eine</strong>r Frequenz<br />
von 0,3 Hz signifikant gedämpft werden.<br />
Die Ergebnisse können als Grundlage zur Anpassung<br />
der Regelung herangezogen werden, sollte<br />
sich im Falle künftiger Veränderungen beim<br />
Übertragungsnetz <strong>eine</strong> neue Parametrierung<br />
als notwendig erweisen. Die SVC hat bewiesen,<br />
dass sie die Netzsicherheit erhöht, indem sie -<br />
sogar bei hoher Energieübertragungsleistung<br />
- <strong>eine</strong> wirkungsvolle Dämpfung von Interarea-<br />
Schwingungen gewährleistet. Dieses Thema<br />
dürfte in den kommenden Jahrzehnten noch<br />
an Bedeutung gewinnen, denn mit dem Ausbau<br />
des Versorgungsnetzes und dem Anschluss<br />
großer Kraftwerke und Windkraftanlagen hoher<br />
Leistung wird sich das Netzmanagement verkomplizieren<br />
und das Ausfallrisiko insgesamt<br />
erhöhen.<br />
Zur Sicherung s<strong>eine</strong>r hohen operativen Zuverlässigkeit<br />
und zur Steigerung der Energieübertragungskapazität,<br />
einschließlich <strong>eine</strong>r<br />
künftigen grenzüberschreitenden Energieübertragung<br />
nach der Fertigstellung neuer<br />
Kraftwerke, wurde das finnische Energieversorgungsnetz<br />
mit neuen Übertragungsleitungen,<br />
Serienkompensationsanlagen,<br />
Hochspannungs-Gleichstromübertragungsverbindungen<br />
(HGÜ) und Blindleistungskompensationsanlagen<br />
ausgestattet. Pauli<br />
Halonen ist überzeugt, dass die SVC-Lösungen<br />
von <strong>Alstom</strong> Grid <strong>eine</strong>n effizienten Beitrag zur<br />
Zuverlässigkeit der Übertragungsnetze leisten<br />
werden. „Dank des hohen Redundanzgrades<br />
und der robusten Konstruktion wird die KA<br />
SVC die operative Sicherheit des Netzes auch<br />
unter schwierigsten Betriebsbedingungen<br />
verbessern und die Systemstabilität bei Störeinflüssen<br />
erhöhen.<br />
Kühlsystem und<br />
Thyristoren.<br />
M E H R<br />
Pauli Halonen<br />
ViElsEiTigE sVCs<br />
Statische Blindleistungskompensationsanlagen<br />
werden sowohl in der Industrie als<br />
auch in Einrichtungen der<br />
Energieversorgungsunternehmen<br />
verwendet. In der Industrie werden sie<br />
sowohl zur Stabilisierung der<br />
Netzspannung als auch zur Grund- und<br />
Oberschwingungs-<br />
Blindleistungskompensation industrieller<br />
Verbraucher eingesetzt. Typisch ist hier die<br />
Stahlindustrie. Die Erhöhung der<br />
Netzqualität ist in diesem Industriezweig<br />
gleichbedeutend mit <strong>eine</strong>r Steigerung der<br />
Produktivität. Leistungsverluste können<br />
reduziert und Kosten für Blindleistung<br />
vermieden werden. SVCs für<br />
Energieversorgungsunternehmen<br />
(EVU-SVCs) dienen im Allgem<strong>eine</strong>n der<br />
Stabilisierung der Systemspannung und<br />
der lokalen Bereitstellung von<br />
Blindleistung. Damit kann die<br />
Übertragungskapazität des<br />
Versorgungsnetzes erhöht und die Qualität<br />
der Netzspannung verbessert werden. In<br />
Zukunft werden statische<br />
Blindleistungskompensationsanlagen<br />
vermehrt zur Dämpfung von<br />
Leistungspendelungen im Versorgungsnetz<br />
beitragen. Ein hervorragendes Beispiel<br />
hierfür ist der für die Kangasala SVC<br />
gewählte Einsatzort mitten in Südfinnland,<br />
wo ein starker Einspeisepunkt liegt. Falls<br />
die gesamte Kapazität von 200 MVAr<br />
induktiv bzw. 240 MVAr kapazitiv zur<br />
Dämpfung von elektromechanischen<br />
Interarea-Schwingungen zur Verfügung<br />
steht, kann die SVC hier sehr gute<br />
Ergebnisse erzielen.
federenergieantriebe: zuverlässig,<br />
langlebig, leistungsfähig!<br />
Den Erfahrungen<br />
aus 70 Jahren verdanken<br />
die Federenergieantriebe für<br />
Leistungsschalter des Kompetenzzentrums<br />
von <strong>Alstom</strong> Grid in<br />
Oberentfelden (Schweiz) ihre<br />
hervorragende Konstruktion und<br />
ausgezeichnete Qualität.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid kann auf mehr als 70 Jahre<br />
Erfahrung mit Entwicklung, Herstellung<br />
und Betrieb von Federenergieantrieben für<br />
Hochspannungs-Leistungsschalter zurückblicken.<br />
Seit Einführung des ersten Antriebes<br />
(Modell FK 2) im Jahr 1934, mit dem<br />
dieser Antrieb die bis dahin vorherrschenden<br />
Spulen-, Motor- und Pneumatikantriebe<br />
zu verdrängen begann, sind in sieben<br />
Jahrzehnten nicht weniger als drei Generationen<br />
aufeinander gefolgt, die zur Entwicklung<br />
von 20 Antriebstypen führten.<br />
500 kV GIS- und<br />
Generatorschalter mit<br />
Federenergieantrieb.<br />
Heute sind weltweit über 80.000 Federenergieantriebe<br />
für HS-Leistungsschalter<br />
zur vollen Zufriedenheit der Kunden von<br />
<strong>Alstom</strong> Grid in Betrieb. „Der r<strong>eine</strong> Federenergieantrieb<br />
ist zwar nicht die einzige<br />
mechanische Antriebstechnologie für Leistungsschalter,<br />
aber die bei weitem zuverlässigste“,<br />
hebt Martin Walt, Manager der<br />
Antriebsentwicklung, hervor. Auf dem<br />
Markt werden noch zwei weitere Technologien<br />
angeboten: der hydraulische Antrieb,<br />
bei dem die Schaltenergie durch<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 41
Thema KAPItEL III ENErGIEVErSorGUNG HEUtE UND MorGEN GArANtIErEN<br />
Federenergieantrieb<br />
FK 3-1.<br />
r<strong>eine</strong><br />
Federenergieantriebe<br />
sind die bei weitem<br />
zuverlässigste<br />
Antriebstechnologie für<br />
Leistungsschalter.<br />
42 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
CAD-Darstellung<br />
des neuen<br />
Federenergieantriebs<br />
FK3-07 von <strong>Alstom</strong><br />
Grid.<br />
unter Druck stehendes Gas oder<br />
durch Federn geliefert und mit <strong>eine</strong>r Flüssigkeit<br />
übertragen wird, und der pneumatische,<br />
ebenfalls mit unter Druck<br />
stehendem Gas funktionierende Antrieb.<br />
Wie <strong>eine</strong> in der CIGRE-Broschüre 83 über<br />
HS-Leistungsschalter veröffentlichte<br />
Untersuchung zeigt, ist die Zuverlässigkeit<br />
des Federenergieantriebs für die Verfügbarkeit<br />
<strong>eine</strong>s Leistungsschalters ganz entscheidend.<br />
Verglichen mit r<strong>eine</strong>n<br />
Federenergieantrieben liegt die Zahl kl<strong>eine</strong>rer<br />
Störungen bei pneumatischen um<br />
das Zweifache und bei hydraulischen<br />
Antrieben um das Siebenfache höher.<br />
„Im Gegensatz zu r<strong>eine</strong>n Federenergieantrieben<br />
sind pneumatische und hydraulische<br />
Antriebssysteme längerfristig für<br />
Undichtigkeiten anfällig, da sie ja mit unter<br />
Druck stehendem Gas oder Flüssigkeiten<br />
betrieben werden“, gibt Walt zu bedenken.<br />
Deshalb verlässt sich <strong>Alstom</strong> Grid bei allen<br />
Leistungsschaltern, von luft- und gasisolierten<br />
Geräten (AIS, GIS) bis hin zu den<br />
Generatorschaltern, im Wesentlichen auf<br />
Federenergieantriebe, wobei die Antriebsenergie<br />
bei GIS-Schaltern für 550 kV und<br />
63 kA bis zu 12.500 Joule betragen kann.“<br />
,<br />
Zwei federn, drei bewegungen...<br />
„Der Federenergieantrieb <strong>eine</strong>s Leistungsschalters<br />
besteht aus zwei Federsätzen, <strong>eine</strong>m<br />
zum Öffnen und <strong>eine</strong>m zum Schließen der<br />
Kontakte“, erläutert Martin Walt. „Das System<br />
muss über soviel Energie verfügen, wie zur<br />
Ausführung <strong>eine</strong>s Zyklus - bestehend aus<br />
Öffnung, Schließung und erneuter Öffnung<br />
- nötig ist. Der Federsatz für das Öffnen wird<br />
durch die bei Auslösung der Schließfeder freigesetzte<br />
Energie wieder gespannt.“ Die
Ansprechzeiten sind extrem<br />
kurz; sie betragen nur 30 bis<br />
40 ms für das Öffnen und 100 ms<br />
für das Schließen. Im Falle <strong>eine</strong>s<br />
Fehlers im Netz, zum Beispiel aufgrund<br />
<strong>eine</strong>s Blitzeinschlages,<br />
unterbricht der Leistungsschalter<br />
den Fehlerstrom durch Öffnen<br />
s<strong>eine</strong>r Kontakte. Zur umgehenden<br />
Wiederherstellung der Stromversorgung<br />
schließt der Schalter nach<br />
<strong>eine</strong>r kurzen Unterbrechung wieder<br />
(zweite Bewegung). Ist der Fehler<br />
dann noch nicht behoben, zum<br />
Beispiel, wenn ein Baum auf der<br />
Leitung liegt, muss sich der Leistungsschalter<br />
sofort wieder öffnen<br />
lassen (dritte Bewegung).<br />
Der Leistungsschalter ist die<br />
entscheidende Sicherheitseinrichtung<br />
im Stromversorgungsnetz.<br />
Bei s<strong>eine</strong>r Auslösung<br />
beschleunigt der Federenergieantrieb<br />
die Kontakte, die<br />
je nach Modell zwischen<br />
<strong>eine</strong>m und 80 Kilogramm wiegen,<br />
innerhalb weniger Millisekunden auf <strong>eine</strong><br />
Geschwindigkeit von 3 bis 14 m/s und bremst<br />
sie kurz vor Ende des Auslösevorgangs wieder<br />
ab. Von ihrer Grundfunktion abgesehen,<br />
müssen die Federenergieantriebe strengste<br />
Qualitäts-, Präzisions-, Zuverlässigkeits- und<br />
Haltbarkeitsanforderungen erfüllen. Die für<br />
<strong>eine</strong> Lebensdauer von 40 Jahren bzw. 10.000<br />
Zyklen ausgelegten Hochspannungs-Leistungsschalter<br />
lösen nur ein- oder zweimal<br />
jährlich (bei Freileitungen) bzw. drei- oder<br />
viermal täglich (z.B. in Kraftwerken) aus.<br />
Obwohl ihre Betriebszeit damit über die<br />
FK3-12 mit<br />
<strong>eine</strong>r<br />
gespeicherten<br />
Energie<br />
von bis zu<br />
12.000 J.<br />
gesamte Nutzlebensdauer gerechnet nur<br />
wenige Minuten beträgt, muss der Federenergieantrieb<br />
die gespeicherte Energie für<br />
viele Jahre verlustfrei speichern können, um<br />
sie dann bei Eintreffen <strong>eine</strong>s Auslösebefehls<br />
sofort freizugeben.<br />
Zuverlässigkeit beginnt bei der<br />
Konzeption<br />
Die bei <strong>Alstom</strong> Grid für die Entwicklung von<br />
Federenergieantrieben zuständigen Ingenieure<br />
und Konstrukteure verfügen über <strong>eine</strong><br />
langjährige Erfahrung. Das Kompetenzzentrum,<br />
im schweizerischen Oberentfelden, ist<br />
für die Einhaltung höchster Qualitätsstandards<br />
der in vielen Teilen der Welt produzierten<br />
Federenergieantriebe zuständig. Das<br />
Team stützt sich auf hochmoderne Entwicklungs-<br />
und Versuchswerkzeuge, die die<br />
Qualität der Produkte in der Konstruktions-<br />
und in der Fertigungsphase gewährleisten:<br />
3D-CAD-Software, statische FEM und dynamische<br />
Simulationstools für Spannungsanalysen,<br />
ein Testlabor für Dauerversuche<br />
mit digitalen Hochgeschwindigkeitskameras<br />
und <strong>eine</strong> Klimakammer für die Erprobung<br />
der Federenergieantriebe unter echten<br />
Betriebsbedingungen bei Temperaturen<br />
zwischen -55°C und +58°C. Die Nutzung<br />
der Erfahrungen mit Federenergieantrieben<br />
vieler Jahrzehnte hat <strong>eine</strong> dynamische Optimierung<br />
ihrer Leistungen ermöglicht. „Zu<br />
den so erzielten entscheidenden Vorteilen<br />
zählen optimierte Bewegungsabläufe, <strong>eine</strong><br />
effiziente Energieübertragung, die Möglichkeit<br />
zum Verzicht auf Stoßdämpfer beim<br />
Schließen der Kontakte, <strong>eine</strong> einfachere<br />
Funktionsweise und 30 Prozent weniger<br />
Teile im Vergleich zu früheren<br />
Antriebsgenerationen.“ Die Vorteile<br />
für die Kunden von <strong>Alstom</strong><br />
Grid liegen auf der Hand: weniger<br />
Abnutzung, niedrigere Wartungskosten<br />
(kein Wartungsbedarf für<br />
bis zu 10.000 Schaltvorgänge), sehr<br />
hohe Verfügbarkeit in Verbindung mit<br />
langer Lebensdauer, geringe Lärmemission<br />
usw. Zu den absehbaren<br />
Trends zählt die Senkung des Energiebedarfs<br />
der Antriebe bei gas- und<br />
luftisolierten Leistungsschaltern<br />
mit modernen Schaltkammern.<br />
M e h r<br />
Martin Walt<br />
ProdukTefamilie fk 3.X<br />
Die permanente Verbesserung der<br />
Entwicklungs- und<br />
Herstellungsverfahren für<br />
Federenergieantriebe steht für das<br />
Kompetenzzentrum von <strong>Alstom</strong> Grid<br />
angesichts immer neuer Standards und<br />
des Wandels in den Märkten sowie der<br />
Notwendigkeit immer kostengünstigerer<br />
und umweltfreundlicherer Lösungen<br />
strategisch im Mittelpunkt. Ziel war die<br />
Entwicklung <strong>eine</strong>r Familie von<br />
Produkten, die für gas- und luftisolierte<br />
Schalter sowie für Dead tank- und<br />
Generatorschalter gleichermaßen<br />
geeignet sein sollten, mit möglichst<br />
geringen konstruktiven Abweichungen<br />
und <strong>eine</strong>m hohen Standardisierungsgrad<br />
zur Kostenoptimierung. Mit der<br />
Produktfamilie FK 3.X hat das<br />
Kompetenzzentrum von <strong>Alstom</strong> Grid nun<br />
s<strong>eine</strong> dritte Generation von<br />
Federenergieantrieben modernisiert und<br />
durch die optimierte Auslegung der<br />
Federenergiebereiche bei den einzelnen<br />
Antriebstypen für ein breites<br />
Anwendungsspektrum bereit gestellt.<br />
Der Federenergieantrieb FK 3-4/132<br />
wurde beispielsweise konstruktiv<br />
überarbeitet und wird nun nach <strong>eine</strong>m<br />
neuen Verfahren hergestellt. Weitere<br />
innovative Modelle der FK 3.X-Familie<br />
werden 2012 und 2013 auf den Markt<br />
kommen und anwendungsspezifisch<br />
verbesserte Leistungen, ein breiteres<br />
Federenergiespektrum,<br />
Kostenoptimierung und <strong>eine</strong> noch<br />
stärker standardisierte Konstruktion<br />
bieten.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 43
meinunGen<br />
Startups<br />
als Partner<br />
Startups aus der Sicht von Hochschule, Industrie und Venture-Kapitalgebern.<br />
“Es gibt viele<br />
Arten von<br />
Startups mit neuen<br />
Technologien.”<br />
Welche Art Neuerung bzw. neuer<br />
technologie ist bei Startups<br />
besonders gut aufgehoben?<br />
Erfahrungen mit Startups konnte ich in<br />
Forschung und Entwicklung als Forscher<br />
und später als Manager in der Versorgungsindustrie<br />
machen, als Hochschullehrer<br />
und als Gründer von vier<br />
Technologieunternehmen. Es gibt viele<br />
Arten von Startups mit neuen Technologien.<br />
Die besten dieser Technologien zeichnen<br />
sich durch ihre Einzigartigkeit und hohe<br />
Wertschöpfung aus. Zu m<strong>eine</strong>n positiven<br />
Erfahrungen zählen organische Lumineszenz-Dioden,<br />
Quanten-Kaskadenlaser, die<br />
Produktion von Nanomaterialien mit Hilfe<br />
von thermischem Plasma, Metallmatrix-<br />
Verbundwerkstoffe und Energiespeicherung.<br />
Welche Art von Problemen können<br />
bei <strong>eine</strong>r Zusammenarbeit mit<br />
Startups auftreten und wie lassen<br />
sie sich lösen?<br />
Die Hauptproblembereiche bei Startups<br />
sind ihre Technologie, die Märkte und die<br />
Finanzierung. Viele Startups richten ihre<br />
Aktivitäten auf <strong>eine</strong> einzige Technologie<br />
44 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
Prof. Gary C. Stevens<br />
aus; da kann das Erschließen der Märkte<br />
sehr lange dauern. Daher sind die umfassende<br />
Vertrautheit mit der Technologie,<br />
ihre Markteignung, die Marktmerkmale<br />
und der Geschäftsprozess wesentliche<br />
Faktoren auf dem Weg zum Erfolg. Auf<br />
betrieblicher Ebene ist der Cash Flow die<br />
größte Herausforderung.<br />
Gibt es Unterschiede zwischen<br />
Startups aufgrund des Standorts,<br />
des Industriesektors oder der<br />
technologie?<br />
M<strong>eine</strong>r Erfahrung nach gibt es so gut wie<br />
k<strong>eine</strong> nationalen oder regionalen Unterschiede<br />
zwischen Startups. Den wesentlichen<br />
Unterschied machen die Geschäftsethik<br />
und die Dynamik. Auf die Menschen kommt<br />
es an, weshalb die Investoren vor allem<br />
auf das Engagement und die Qualitäten<br />
der Gründer und des Managements achten.<br />
Können Sie uns konkrete beispiele<br />
<strong>eine</strong>r erfolgreichen Zusammenarbeit<br />
zwischen Großunternehmen und<br />
Startups nennen?<br />
Mein eigenes Unternehmen GnoSys ist ein<br />
gutes Beispiel. Wir arbeiten mit mehreren<br />
Großunternehmen erfolgreich zusammen.<br />
In die Zusammenarbeit mit <strong>Alstom</strong> Technology<br />
konnten wir unsere Erfahrungen mit<br />
dielektrischen Materialien und neuen Nanomaterialien<br />
einbringen und in Großbritannien<br />
ein gemeinsames Programm zur Entwicklung<br />
von Nanodielektrika für <strong>zukunftsweisende</strong><br />
Netzanwendungen starten.<br />
“ Startups<br />
brauchen schnelle<br />
Entscheidungen und<br />
müssen rasch Umsätze<br />
erzielen.”<br />
Alexander Schlaepfer<br />
Welche Art Neuerung bzw. neuer<br />
technologie ist bei Startups<br />
besonders gut aufgehoben?<br />
Vor allem Innovationen, die bis zum Bau beziehungsweise<br />
zur Erprobung <strong>eine</strong>s 1:1-Prototypen<br />
maximal fünf Jahre brauchen und deren<br />
Kapitalbedarf begrenzt ist. Eine Gruppe von<br />
Venture-Kapitalgebern ist zu Einlagen von<br />
etwa 25 Mio.€ bereit, bevor das Startup die<br />
Gewinnschwelle erreichen muss.<br />
Welche Probleme treten bei <strong>eine</strong>r<br />
Zusammenarbeit mit Startups<br />
häufig auf, wie lassen sie sich<br />
lösen?<br />
Startups verfügen nur über wenige Mitarbeiter<br />
und Kapital für einige Monate. Deshalb<br />
brauchen sie schnelle Entscheidungen, müssen<br />
rasch Umsätze erzielen. In Großunternehmen<br />
sind schnelle Entscheidungen nicht<br />
immer üblich. Dieser kulturelle Unterschied<br />
lässt sich am besten dadurch überwinden,<br />
dass das Großunternehmen ein kl<strong>eine</strong>s,<br />
handlungsfähiges, mit eigenem Budget ausgestattetes<br />
Team als Ansprechpartner für das<br />
Startup bereitstellt.
Gibt es Unterschiede zwischen<br />
Startups aufgrund des Standorts,<br />
des Industriesektors oder der<br />
technologie? Sind sie in europa<br />
grundlegend anders als zum beispiel<br />
in china oder den USA?<br />
Sie sind nicht grundlegend anders. Bei der<br />
Vermarktung sehe ich allerdings <strong>eine</strong>n<br />
Unterschied. Die chinesischen Startups<br />
beziehen ihren voraussichtlichen Kunden<br />
sehr viel früher in die Produktentwicklung<br />
ein als beispielsweise die europäischen; in<br />
Europa zieht man es vor, zuerst <strong>eine</strong>n<br />
1:1-Prototypen zu entwickeln und zu testen<br />
und dann mit potenziellen Kunden zu reden.<br />
Können Sie uns konkrete beispiele<br />
<strong>eine</strong>r erfolgreichen Zusammenarbeit<br />
zwischen Großunternehmen und<br />
Startups nennen?<br />
Wir haben da ein paar sehr gute Beispiele<br />
in unserem Portfolio, etwa Solaire-Direct<br />
in Frankreich, <strong>eine</strong>n EPC-Lieferanten von<br />
Solarzellen-Kraftwerken mit 1 kW bis 50 MW<br />
Leistung. Das Startup begann 2006 mit<br />
drei Beschäftigten, die Solardächer für<br />
private Kunden planten. Unsere Investition<br />
und die Zusammenarbeit mit Schneider<br />
Electric verschaffte Solaire-Direct die notwendige<br />
Glaubwürdigkeit am Markt. Heute<br />
ist Solaire-Direct der führende Solarinstallateur<br />
in Europa und erzielt <strong>eine</strong>n Jahresumsatz<br />
von fast 200 Mio.€.<br />
University<br />
of Surrey, GB<br />
GnoSys UK Ltd<br />
Prof. Gary C. Stevens<br />
Professor und<br />
Geschäftsführer<br />
“Die Innovation<br />
muss nicht<br />
genial, sondern einfach<br />
besser sein.”<br />
Jürg Baltensperger<br />
Auf welchen Gebieten sind Startups<br />
besonders stark?<br />
Sie können auf allen Gebieten stark sein,<br />
sofern sich die Innovation als geistiges Eigentum<br />
(IP) schützen, zu <strong>eine</strong>r verwertbaren<br />
Technologie entwickeln und zu <strong>eine</strong>r Einnahmequelle<br />
ausbauen lässt. Der IT-Bereich ist<br />
ein weites Feld für Innovationen. Große,<br />
entwickelte Märkte wie der der Elektroindustrie<br />
sind ebenfalls geeignet für neue Ideen,<br />
zum Beispiel bei der Windenergie oder der<br />
Energiespeicherung. Die Innovation muss<br />
nicht genial, sondern einfach besser sein.<br />
Welche Probleme sehen Sie bei der<br />
Zusammenarbeit mit Startups und<br />
wie lassen sie sich vermeiden oder<br />
überwinden?<br />
Das Grundproblem der Startups ist der<br />
weite Weg von der Idee zur Anwendung<br />
und Wertschöpfung. Sie verfügen im Allgem<strong>eine</strong>n<br />
über wenig Barmittel, <strong>eine</strong> kl<strong>eine</strong><br />
Organisation und kaum entwickelte Prozesse.<br />
Ein Investor kann da mit Geld und<br />
Geschäftsdisziplin weiterhelfen. Wesentlich<br />
ist, den Enthusiasmus des Startups nicht<br />
zu bremsen und ihm doch das nötige<br />
Geschäftswissen zu vermitteln.<br />
Aster Capital,<br />
Frankreich<br />
Alexander Schlaepfer<br />
Investment Partner<br />
<strong>Alstom</strong> Grid<br />
Jürg Baltensperger<br />
Business Development<br />
Director<br />
Gibt es systematische Unterschiede<br />
zwischen Startups aufgrund des<br />
Standorts, des Industriesektors<br />
oder der technologie?<br />
Die Startups selbst unterscheiden sich nicht<br />
unbedingt, aber der einschlägige Entwicklungsstand<br />
des wirtschaftlichen Umfeldes<br />
kann sich als Hemmschuh oder Hilfe erweisen.<br />
Die USA sind innovationsfreudig,<br />
deshalb gibt es dort sehr viele Startups.<br />
Das gesamte wirtschaftliche und soziale<br />
Umfeld von China und Indien z.B. befähigt<br />
eher zur effizienten Produktion als zum<br />
Durchbruch grosser Innovationen. Und in<br />
wirtschaftlich weniger entwickelten Ländern<br />
stellen sich den Startups viele Hindernisse<br />
entgegen. Also nicht die Startups<br />
unterscheiden sich, sondern das wirtschaftliche<br />
Umfeld: es kann ihre Erfolgschancen<br />
verbessern oder mindern.<br />
Können Sie uns konkrete beispiele<br />
erfolgreicher Partnerschaften von<br />
Großunternehmen mit Startups<br />
geben?<br />
Weithin bekannt ist der Incubator von Intel,<br />
ein „Brutkasten“ für Jungunternehmer. Über<br />
diese Einrichtung wurden über 1.000 Unternehmen<br />
finanziert und ein ganzes Ökosystem<br />
von Innovationspartnerschaften<br />
geschaffen. Manche dieser früheren Startups<br />
sind inzwischen zu großen Unternehmen<br />
herangewachsen, zum Beispiel RiM<br />
(Blackberry) oder GeoCities.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 45
GeSChiChTe der elekTriZiTäT<br />
1932:<br />
Drehstrom-<br />
Transformator<br />
von ALS.<br />
THOM für den<br />
Kunden<br />
Énergie<br />
Électrique<br />
du Rhin.<br />
46 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011
Transformatoren<br />
im wandel der Zeit<br />
Die Geschichte des<br />
Transformators ist so alt wie die<br />
der Beschäftigung mit der Elektrizität.<br />
Je höher die erzeugten Spannungen,<br />
desto leistungsfähiger<br />
wurden auch die Transformatoren.<br />
Die Vorläuferunternehmen von<br />
<strong>Alstom</strong> Grid waren an der Entwicklung<br />
des Transformators maßgeblich<br />
beteiligt.<br />
Michael Faraday ahnte wohl wenig von den<br />
weitreichenden Folgen, die s<strong>eine</strong> Untersuchungen<br />
zur elektromagnetischen Induktion aus<br />
dem Jahr 1831 für die Anwendung der Elektrizität<br />
haben würden. Insbesondere gilt dies für<br />
den Aufstieg des Transformators zu <strong>eine</strong>m der<br />
wichtigsten Produkte der Elektrizitätsindustrie.<br />
Pioniere wie Nicolas Callen, Charles Page,<br />
Antoine Massen und Heinrich Rühmkorff entwickelten<br />
Faradays Beobachtung weiter; mit<br />
Hilfe des Funkeninduktors, <strong>eine</strong>s Vorläufers<br />
heutiger Transformatoren, gelang die Erzeugung<br />
hoher Spannungen. Der Funkeninduktor galt<br />
als Gleichspannungseinrichtung, stellte aber<br />
dennoch <strong>eine</strong>n wichtigen technologischen<br />
Meilenstein auf dem Weg zur Herstellung von<br />
Transformatoren dar.<br />
Um die Mitte des 19. Jahrhunderts begann man<br />
schließlich, elektrische Beleuchtungen mit<br />
Wechselstrom zu betreiben. Und im Jahre 1884<br />
fand der Funkeninduktor – inzwischen als<br />
Sekundärgenerator bezeichnet – Verwendung<br />
im weltweit ersten WS-Verteilnetz, das zur<br />
Beleuchtung <strong>eine</strong>s Teilabschnitts der Londoner<br />
Untergrundbahn errichtet worden war. Ein Jahr<br />
später begriff George Westinghouse als Erster<br />
die Möglichkeiten von „Sekundärgeneratoren“<br />
und perfektionierte sie für die Erzeugung hoher<br />
Leistungen und <strong>eine</strong> möglichst kostengünstige<br />
Herstellung. S<strong>eine</strong> Entwicklung war die erste<br />
kommerzielle Anwendung der „Induktionsspule“<br />
und diente der Beleuchtung von Büro-<br />
und Geschäftsgebäuden in Great Barrington,<br />
Luftgekühlter<br />
Drehstrom-<br />
Transformator (4.000 A/<br />
13,2 kV) des <strong>Alstom</strong><br />
Grid-<br />
Vorläuferunternehmens<br />
CFTH aus dem Jahr<br />
1928.<br />
Massachusetts. Etwa zur selben Zeit brachte<br />
die Firma Ganz & Cie. aus Budapest <strong>eine</strong>n<br />
Transformator mit <strong>eine</strong>m geschlossenen magnetischen<br />
Kreis auf den Markt (das „ZBD“-<br />
System). Dieser wurde im Patentantrag erstmals<br />
als „Transformator“ bezeichnet – mit dem<br />
Namen also, der sich bis auf den heutigen Tag<br />
für dieses Gerät halten sollte.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 47
GeSChiChTe der elekTriZiTäT<br />
MVA oder kV<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
ANStIeG VON NeNNSPANNUNG UND NeNNLeIStUNG<br />
hS ein- oder dreiphasig MVA einphasig MVA dreiphasig<br />
0<br />
1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020<br />
transformatoren erobern die<br />
Märkte<br />
Mit Beginn der industriellen Produktion<br />
gegen Ende des 19. Jahrhunderts wurde der<br />
Transformator zu <strong>eine</strong>m wesentlichen Systembestandteil<br />
für die Stromübertragung<br />
und –verteilung. Einer der ersten Hersteller<br />
war die Compagnie Française Thomson-<br />
Houston (CFTH) in Paris, <strong>eine</strong>s der Vorgängerunternehmen<br />
von <strong>Alstom</strong> Grid. Als CFTH<br />
48 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
JAHRE<br />
Koppeltransformator (3,5 MVA - 100/27,7 kV)<br />
aus dem Jahr 1929.<br />
1831<br />
Michael Faraday untersucht das<br />
Prinzip der elektromagnetischen<br />
Induktion<br />
1836<br />
Nicolas Callen erhöht die erzeugte<br />
Spannung durch Verwendung<br />
<strong>eine</strong>s Zweiwicklungs-Umrichters<br />
2000<br />
MVA<br />
1200<br />
KV<br />
1000<br />
MVA<br />
1893 mit der Herstellung von Transformatoren<br />
begann, waren die Kunden<br />
vor allem lokale Stromversorger<br />
für lokale Industriekunden. Die<br />
Nennleistung lag bei wenigen Tausend<br />
Kilovolt-Ampère (kVA) und<br />
auch die Spannung betrug nur<br />
wenige Kilovolt (kV).<br />
Aber die enorm ansteigende Nachfrage<br />
nach elektrischer Energie ließ<br />
1853<br />
Heinrich Rühmkorff konstruiert<br />
<strong>eine</strong>n Funkeninduktor, also <strong>eine</strong>n<br />
Hochspannungstransformator<br />
1886<br />
• George Westinghouse produziert<br />
und vermarktet die erste<br />
„Induktionsspule“.<br />
• Károly Zipernowsky, Otto Bláthy<br />
und Miksa Déri lassen den „ZBD<br />
Transformator” patentieren<br />
1893<br />
Gründung von CFTH;<br />
Aufnahme der Produktion von<br />
Transformatoren in Paris in<br />
Zusammenarbeit mit der späteren<br />
General Electric Company (USA)<br />
Montage des aktiven teils <strong>eine</strong>s ALS.thOM-<br />
Drehstrom-transformators (1932).<br />
frühes 20.<br />
Jahrhundert<br />
Anstieg der erreichten<br />
Maximalspannung auf 220 kV<br />
1928<br />
Fusion von CFTH und Société<br />
Alsacienne de Construction<br />
Mécanique zu ALS.THOM<br />
1929<br />
Koppeltransformator (3,5 MVA -<br />
100/27,7 kV) von <strong>Alstom</strong> Grid<br />
1933<br />
Drehstrom-Transformator 40 MVA -<br />
220/8,8 kV
auch die erzeugten und übertragenen Leistungen<br />
und die Spannungspegel in die Höhe<br />
schnellen. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts<br />
erreichten die Spannungen schon 220 kV,<br />
um 1950 waren 400 kV erreicht, im Laufe<br />
der 1960er Jahre gingen die ersten 800 kV-<br />
Netze in Betrieb. Diese gewaltigen, raschen<br />
Fortschritte waren insbesondere Verbesserungen<br />
an den Transformatoren zu verdanken,<br />
ihrer Technologie, der Konstruktion, den<br />
Herstellungsverfahren und Werkstoffen.<br />
Insbesondere die Isoliermaterialien, also<br />
Papier, Pressspanplatten und Öl aber auch<br />
das beschichtete Kernblech, entwickelten<br />
sich schnell weiter. Außerdem kann man<br />
sagen, dass der Siegeszug des Transformators<br />
auch die Stahl-, die Papier- und die Erdölindustrie<br />
beflügelte.<br />
Der beitrag von <strong>Alstom</strong> Grid<br />
Als ein Pionier auf dem Gebiet der Transformatoren<br />
haben <strong>Alstom</strong> Grid und s<strong>eine</strong><br />
Vorgängerunternehmen mit Patenten und<br />
wesentlichen technologischen Neuerungen<br />
bedeutende Beiträge zur Entwicklung dieser<br />
Geräte geleistet. Dies gilt zum Beispiel<br />
für die sehr zuverlässigen verschachtelten<br />
Scheibenwicklungen (Interleaved-Wick-<br />
transformator für hydro-Quebec beim<br />
Verlassen der fabrik (April 1965).<br />
Mitte des 20.<br />
Jahrhunderts<br />
Höchste erreichte Spannung: 400 kV<br />
1960er Jahre<br />
• Aufkommen der ersten 800 kV-Netze<br />
• Entwicklung von verschachtelten<br />
Scheibenwicklungen (Interleaved-<br />
Wicklungen)<br />
1970er Jahre<br />
<strong>Alstom</strong> Grid baut große 600 MVA-<br />
Maschinen-Transformatoren<br />
ende 1980er Jahre<br />
Herstellung von Verteiler-<br />
Transformatoren mit amorphem Kern<br />
lungen), für Abschirmbarrieren und die<br />
ersten 1.050 kV-Transformatoren für<br />
Höchstspannungsnetze in den 1960er<br />
Jahren. In den folgenden Jahrzehnten konstruierte<br />
<strong>Alstom</strong> Grid einige der größten<br />
Transformatoren überhaupt sowie mehrere<br />
besonders komplexe und fortschrittliche<br />
Spezialtransformatoren und Drosselspulen<br />
(unter anderem den Phasenschiebertransformator<br />
(Quadrature Booster), Serien-<br />
und Nebenschluss-Drosselspulen und<br />
Transformatoren für industrielle Anwendungen<br />
und Lokomotiven).<br />
Da viele große Schwellenländer ihre Netze<br />
inzwischen ausbauen, ist auch die Nachfrage<br />
nach der Übertragung hoher Gleichspannungen<br />
über weite Entfernungen<br />
schnell angestiegen. Dies hat Investitionen<br />
in Entwicklung und Herstellung neuer, leistungsfähigerer<br />
HGÜ-Transformatoren für<br />
Gleichspannungsnetze erforderlich gemacht.<br />
Seit 1981, dem Jahr, in dem <strong>Alstom</strong> Grid<br />
diese Transformatoren für die HGÜ-Verbindung<br />
zwischen Frankreich und Großbritannien<br />
in Betrieb nahm, ist das Unternehmen<br />
als Vorreiter dieser Entwicklung ein führender<br />
Anbieter im Markt für HGÜ-Transformatortechnologien.<br />
ende 1990er Jahre<br />
Hermetisch geschlossene<br />
Leistungs-Transformatoren<br />
Hermetisch geschlossene Leistungs-Transformatoren.<br />
2006<br />
Erste 245 kV-Nebenschluss-<br />
Drosselspulen mit Pflanzenöl<br />
M e h r<br />
<strong>eine</strong> karriere<br />
im dienST der<br />
TranformaTor-<br />
TeChnik<br />
Patrick Matuszewski<br />
Vor 36 Jahren trat Patrick<br />
Matuszewski als frisch<br />
diplomierter Ingenieur bei<br />
Alsthom Savoisienne ein.<br />
Sein Aufgabenbereich: die<br />
elektrischen und mechanischen Aspekte<br />
des Transformatorenbaus. Bis heute hat<br />
sich daran nichts geändert. „Es war <strong>eine</strong><br />
sehr interessante Laufbahn, denn im<br />
Transformatorengeschäft gibt es eigentlich<br />
immer etwas Neues“, erinnert er sich. Und<br />
auch die Einsatzorte wechselten oft. Nach<br />
sechs Jahren in China als Product Quality<br />
Director der hochmodernen Shanghaier<br />
Fabrik von <strong>Alstom</strong> Grid kehrte Matuszewski<br />
erst kürzlich nach Paris zurück. „In<br />
diesen 36 Jahren haben sich die<br />
Grundlagen des Transformatorenbaus nicht<br />
übermäßig gewandelt, die Herstellungsverfahren<br />
aber sehr wohl. Ich habe die<br />
Anfänge der computergestützten<br />
Entwicklung und Fertigung miterlebt.“<br />
Und das Aufkommen neuer Werkstoffe:<br />
„Besonders der Einsatz neuer Kernbleche<br />
bedeutete <strong>eine</strong>n gewaltigen Fortschritt.“<br />
Die Tatsache, dass kein Transformator<br />
wegen der individuellen Vorgaben des<br />
Kunden genau wie der andere ist, bedeutet<br />
natürlich <strong>eine</strong> große Herausforderung.<br />
„Da wir jedes Mal wieder bei Null beginnen<br />
mussten, war es wichtig, den Arbeitsaufwand<br />
möglichst zu beschränken. In den<br />
1990er Jahren begannen wir, unsere<br />
industriellen Verfahren und Werkzeuge zu<br />
standardisieren und Module einzuführen.<br />
Heute erfüllen wir 80 Prozent der<br />
Anforderungen mit Hilfe von Standardelementen.<br />
Das spart Konstruktionsaufwand,<br />
Zeit und Kosten und verbessert die<br />
Qualität.“ Solche Herausforderungen<br />
haben Patrick Matuszewskis Interesse an<br />
s<strong>eine</strong>r Tätigkeit fast vier Jahrzehnte lang<br />
wach gehalten – und tun dies auch<br />
weiterhin.<br />
2007<br />
Weltweit erster Höchstleistungs-<br />
Transformator für Lichtbogenöfen<br />
(über 300 MVA)<br />
2010<br />
Herstellung und Test <strong>eine</strong>s<br />
Transformator-Prototypen für 800 kV<br />
UHGÜ-Netze<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 49
fÜr Sie GeleSen<br />
In den folgenden Publikationen finden<br />
Sie weiterführende Informationen zu einigen<br />
der in dieser Ausgabe von Think Grid<br />
behandelten Themen.<br />
50 <strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011<br />
HVDC Connecting to the future<br />
Autoren: Carl Barker, Dr. Norman MacLeod,<br />
Colin Davidson, Neil Kirby<br />
Verlag: <strong>Alstom</strong> Grid<br />
How Senior Executives Stimulate,<br />
Steer and Sustain Innovation<br />
Autor: Jean-Philippe Deschamps<br />
Verlag: John Wiley & Sons Ltd<br />
Integration of Distributed Generation<br />
in the Power System<br />
Autor: Prof. Math Bollen, Dr. Fainan Hassan<br />
Verlag: Wiley – IEEE Press<br />
Microgrids and Active<br />
Distribution Networks<br />
Autor: S.Chowdhury,<br />
S.P. Chowdhury und P. Crossley<br />
Verlag: Institution of Engineering<br />
and Technology<br />
Siehe auCh…<br />
WWW.frIeNDSOftheSUPerGrID.eU<br />
„friends of the Supergrid“<br />
ist ein Zusammenschluss von<br />
Unternehmen und Organisationen,<br />
die gemeinsam für ein europäisches<br />
Supergrid werben möchten.<br />
Die Website dient der Information<br />
über die Ziele und den Stand<br />
des Supergrid-Projekts. Sie stellt<br />
die beteiligten Unternehmen<br />
und Organisationen mit Namen<br />
und Profilen vor.<br />
In „Friends of the Supergrid“<br />
wird das Supergrid als „ein im<br />
Wesentlichen mit Gleichstrom<br />
betriebenes Stromübertragungsnetz“<br />
definiert, „das <strong>eine</strong> nachhaltige<br />
Energieerzeugung in abgelegenen<br />
Regionen sowie die Übertragung<br />
der erzeugten Energie in die<br />
Lastzentren ermöglichen soll“.<br />
Die Website erläutert die Vorzüge<br />
<strong>eine</strong>s Supergrid für Europa sowie<br />
die erforderliche Technologie.<br />
Eine weitere Rubrik informiert<br />
über themenverwandte Veranstaltungen<br />
und Presseveröffentlichungen<br />
sowie über Internetseiten mit<br />
Dokumenten, Positionspapieren und<br />
Vorschlägen, Videos usw.<br />
Friendsofthesupergrid.eu ist <strong>eine</strong><br />
relativ neue Website, die sich sicher<br />
noch weiterentwickeln wird –<br />
ein guter Grund, sie öfter einmal<br />
zu besuchen.
TermIne für Ihren Kalender<br />
07.-09. MAi 2011<br />
damman, SaudI-arabIen<br />
Saudi international Water,<br />
Electricity & Power generation<br />
die „WE-Power Expo“ ist <strong>eine</strong> jährlich<br />
ausgerichtete Veranstaltung der industrie,<br />
die auch für regulierungsbehörden, Manager,<br />
investoren, ingenieure und Stromhändler von<br />
interesse ist. Sie dient der Präsentation neuer<br />
geschäftsperspektiven für ein internationales<br />
Publikum. Seminare und Workshops finden<br />
parallel zur Messe statt. im Mittelpunkt der<br />
Ausstellung stehen Aspekte wie<br />
Energiewandlung, Erdbebenforschung,<br />
alternative Energiequellen usw.<br />
Das Stadtzentrum von Detroit (Michigan)<br />
mit dem Hochbahnsystem „People Mover“<br />
im Vordergrund und dem Renaissance<br />
Center im Hintergrund.<br />
24.-29. Juli 2011<br />
deTroIT, mIchIgan, uSa<br />
iEEE PES general Meeting<br />
Ziel dieser weithin beachteten konferenz<br />
für Starkstromtechnik ist es, Engineering-<br />
Experten und der akademischen<br />
Welt ein internationales Forum zur diskussion<br />
wichtiger aktueller themen zu bieten.<br />
Thema ist in diesem Jahr „The Electrification<br />
of transportation & the grid of the Future“.<br />
Angekündigt sind Vorträge über die<br />
Entwicklung bei Elektrofahrzeugen,<br />
über Smart grids, Energiespeicherung,<br />
Wind und Solarzellen sowie Energie- und<br />
umweltfragen.<br />
7 21<br />
der Windenergiebranche und informiert<br />
ausführlich über die Märkte lateinamerikas.<br />
themen der konferenz sind die jüngst<br />
erfolgten lizenzversteigerungen<br />
in Brasilien, die Windenergiepotenziale<br />
31<br />
lateinamerikas, neues aus der industrie<br />
und politische Entwicklungen.<br />
31. AuguSt -2. SEPtEMBEr 2011<br />
rIo de JaneIro, braSIlIen<br />
Brazil Wind Power 2011<br />
diese konferenz und Ausstellung richtet<br />
sich an weltweit operierende unternehmen<br />
13<br />
Electric Power System of the Future<br />
Der „Zuckerhut”, Rio de Janeiro, Brasilien.<br />
13.-15. SEPtEMBEr 2011<br />
bologna, ITalIen<br />
Cigré international Symposium<br />
das mit dem untertitel „integrating<br />
Supergrids&Microgrids“ versehene<br />
Veranstaltungsthema umfasst technische<br />
Fragen künftiger netzplanung und<br />
-führung sowie des netzbetriebs.<br />
Vorgestellt werden vielversprechende<br />
technologien zur Weiterentwicklung<br />
intelligenter netze sowie praktische<br />
Beispiele in Form von Pilotanlagen.<br />
21.-24. SEPtEMBEr 2011<br />
JaKarTa, IndoneSIen<br />
Electric indonesia<br />
indonesien ist die am drittschnellsten<br />
wachsende Wirtschaft der Welt und besitzt<br />
<strong>eine</strong>n boomenden Energiesektor. Für Anbieter<br />
von Stromversorgungseinrichtungen<br />
ist das land daher ein attraktiver Markt.<br />
die zum fünfzehnten Mal ausgetragene<br />
Electric indonesia ist <strong>eine</strong> im Zweijahresturnus<br />
veranstaltete Messe für Führungskräfte<br />
der Stromversorgungsindustrie, die sich dort<br />
treffen und über die herausforderungen<br />
der versorgungstechnischen Erschließung<br />
des landes austauschen möchten.<br />
Die Altstadt von Lyon mit der Saône und der<br />
Kathedrale Saint-Jean im Vordergrund und der<br />
Basilika von Fourvière im Hintergrund.<br />
23.-24. noVEMBEr 2011<br />
lyon, franKreIch<br />
Matpost 2011<br />
diese zweitägige konferenz ist der<br />
Schaltanlagen-technologie gewidmet.<br />
das Programm dürfte für Vertreter von<br />
Erzeugern, netzbetreibern und herstellern<br />
von großem interesse sein und behandelt<br />
neben nachhaltigkeitsthemen neue und<br />
in Entwicklung befindliche Technologien<br />
für leistungsschalter, Messeinrichtungen,<br />
Überspannungsableiter, drosselspulen,<br />
kondensatoren usw. die diesjährige Matpost<br />
wird von <strong>eine</strong>r Ausstellung begleitet.<br />
24 23<br />
<strong>Alstom</strong> Grid///Frühling-Sommer 2011 51
Grid-Sector-L1-Think_Grid_8-2635-2011_05-GE © ALSTOM 2011. Alle Rechte vorbehalten. Die in diesem Dokument enthaltenen Informationen dienen lediglich zu Informationszwecken und sind unverbindlich. Für ihre Vollständigkeit, Korrektheit<br />
oder ihre Verwendbarkeit für ein bestimmtes Projekt wird k<strong>eine</strong>rlei Verantwortung, Gewährleistung oder sonstige Garantie übernommen. Dies hängt von den technischen und wirtschaftlichen Umständen ab. Für die in diesem Dokument enthaltenen<br />
Informationen wird k<strong>eine</strong> Haftung übernommen und Änderungen sind ohne Benachrichtigung vorbehalten. Reproduktion, Gebrauch oder Offenlegung gegenüber Dritten ist ohne ausdrückliche Genehmigung verboten. Gedruckt auf Papier aus ausgewählten<br />
Dreilagen-Recyclingfasern und r<strong>eine</strong>r, umweltfreundlicher ECF-Cellulose (Elemental Chlorine Free) von Bäumen aus verantwortungsbewusst bewirtschafteten Wäldern.<br />
<strong>Alstom</strong> Grid<br />
Immeuble Le Galilée<br />
51 esplanade du Général de Gaulle<br />
92907 La Défense Cedex<br />
France<br />
www.alstom.com