60 ABB Technik 4/2002 Für die Fachleute von ABB Buildings & Manufacturing Systems und für die Planer der elektrischen Anlagen bei Opel Austria Powertrain wurde der Sommer 2002 in doppelter Hinsicht heiß: In die Periode der Hundstage fiel auch die «heiße Phase» der Inbetriebnahme einer neuen Stromversor- gungszentrale: Die 20 kV gasisolierte Schalt- anlage ist die größte ihrer Art in Österreich und eine der leistungsfähigsten in der euro- päischen Automobilindustrie. Schon bei seiner Errichtung Anfang der achtziger Jahre bekam das Motoren- und Getriebewerk von Opel (damals noch unter dem Firmennamen General Motors) in Wien-Aspern eine aufs Dach: eine luftisolier- te Mittelspannungs-Schaltanlage von BBC. Sie wurde so dimensioniert, dass sie den ursprünglichen Bedarf von 16 MW (Mega- watt) leicht deckte. Die Installation auf dem Dach war mit Bedacht gewählt worden, weil dort oben kein Platzmangel herrschte und die Anlage mit der steigenden Kapazität des Werkes bequem mitwachsen konnte. Die Leitungen brauchten nur hinunter in die Halle verlegt werden. Aber die Sache hatte auch einen Haken: Die Entlüftungen führten ebenfalls über das Dach. Das hatte zur Folge, dass die abgesaugte, in Spuren ölhaltige Luft in die Schaltanlage eindringen konnte. Über die Jahre hinweg hat sich ein hauchdünner Ölfilm auf Lasttrennschaltern und Sammelschienen gelegt. Damit wuchs das Risiko von Kriechströmen und Über- schlägen. «An den Isolierkörpern hat man Funken mit freiem Auge beobachten kön- nen», erinnert sich Ing. Roman Szegner, bei Opel Austria Powertrain für die Planung der elektrischen Anlagen verantwortlich. Des- halb seien häufig Revisionen erforderlich gewesen. Mittlerweile liegt der Leistungsbedarf bei 27 MW und wird absehbar weiter steigen, wenn die Produktion des neuen Sechsgang- getriebes starten und innerhalb weniger Monate zum Dreischichtbetrieb hochgefah- ren wird. Schon heute ist die Betriebsstätte mit einem jährlichen Stromverbrauch von rund 150 GWh (Gigawattstunden) einer der größten Kunden von Wienstrom. News Stromversorgung von oben herab: Die neue von ABB errichtete Mittelspannungs- Schaltanlage auf dem Dach des Opel Werks Die 66 neuen gasisolierten 20-kV-Felder vom Typ ZX 1.2 Opel Austria Powertrain bekam ABB Mittelspannungs-Schaltanlage «aufs Dach»: ABB Energiebündel der Superlative
Transcript
60 ABB Technik 4/2002
Für die Fachleute von ABB Buildings &
Manufacturing Systems und für die Planer
der elektrischen Anlagen bei Opel Austria
Powertrain wurde der Sommer 2002 in
doppelter Hinsicht heiß: In die Periode der
Hundstage fiel auch die «heiße Phase» der
Inbetriebnahme einer neuen Stromversor-
gungszentrale: Die 20 kV gasisolierte Schalt-
anlage ist die größte ihrer Art in Österreich
und eine der leistungsfähigsten in der euro-
päischen Automobilindustrie.
Schon bei seiner Errichtung Anfang der
achtziger Jahre bekam das Motoren- und
Getriebewerk von Opel (damals noch unter
dem Firmennamen General Motors) in
Wien-Aspern eine aufs Dach: eine luftisolier-
te Mittelspannungs-Schaltanlage von BBC.
Sie wurde so dimensioniert, dass sie den
ursprünglichen Bedarf von 16 MW (Mega-
watt) leicht deckte.
Die Installation auf dem Dach war mit
Bedacht gewählt worden, weil dort oben
kein Platzmangel herrschte und die Anlage
mit der steigenden Kapazität des Werkes
bequem mitwachsen konnte. Die Leitungen
brauchten nur hinunter in die Halle verlegt
werden. Aber die Sache hatte auch einen
Haken: Die Entlüftungen führten ebenfalls
über das Dach. Das hatte zur Folge, dass die
abgesaugte, in Spuren ölhaltige Luft in die
Schaltanlage eindringen konnte.
Über die Jahre hinweg hat sich ein
hauchdünner Ölfilm auf Lasttrennschaltern
und Sammelschienen gelegt. Damit wuchs
das Risiko von Kriechströmen und Über-
schlägen. «An den Isolierkörpern hat man
Funken mit freiem Auge beobachten kön-
nen», erinnert sich Ing. Roman Szegner, bei
Opel Austria Powertrain für die Planung der
elektrischen Anlagen verantwortlich. Des-
halb seien häufig Revisionen erforderlich
gewesen.
Mittlerweile liegt der Leistungsbedarf bei
27 MW und wird absehbar weiter steigen,
wenn die Produktion des neuen Sechsgang-
getriebes starten und innerhalb weniger
Monate zum Dreischichtbetrieb hochgefah-
ren wird. Schon heute ist die Betriebsstätte
mit einem jährlichen Stromverbrauch von
rund 150 GWh (Gigawattstunden) einer der
größten Kunden von Wienstrom.
News
Stromversorgung von oben herab: Die neue von ABB errichtete Mittelspannungs-
Schaltanlage auf dem Dach des Opel Werks
Die 66 neuen gasisolierten 20-kV-Felder vom Typ ZX 1.2
Opel Austria Powertrain bekam ABB Mittelspannungs-Schaltanlage«aufs Dach»: ABB Energiebündelder Superlative
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«Wir haben mit ABB immer gute Erfah-
rungen gemacht und daher den Bau einer
neuen Schaltanlage an unseren langjährigen
Partner vergeben», erläutert Ing. Szegner.
Der Auftrag umfasst die Errichtung einer
gasisolierten Schaltanlage mit 66 Mittel-
spannungsfeldern einschließlich einer neuen
Leittechnik. Lorenz Göttfried, Projektmana-
ger bei ABB Buildings & Manufacturing
Systems und verantwortlicher Projektleiter
für diese neue Anlage, beschreibt das Pro-
jekt im Detail: «Die gasisolierte MS-Schaltan-
lage wurde gewählt, um die Anlage vor
Umwelteinflüssen zu schützen. Zudem
stehen der Schaltraum und der Kabelboden
unter einem leichten Überdruck, um Immis-
sionen zu verhindern. Die neue Leittechnik
erlaubt die Steuerung der Anlage von der
Leitwarte aus. Früher konnten aus der Ferne
nur Schaltzustände überprüft und ein Not-
Aus-Schalter betätigt werden.»
«Bisher haben wir von der Schaltanlage
selbst wenige Daten gehabt», ergänzt Ing.
Roman Szegner. «Nun können wir den Ener-
gieverbrauch über einen längeren Zeitraum
verfolgen» – ein wichtiger Schritt zur Ener-
gieoptimierung. Unmittelbar zu Buche schla-
gen die verminderten Wartungskosten.
Die neue Anlage wurde in zwei Etappen
in Betrieb genommen, wobei die «heiße
Phase» mit den Betriebsferien ab 29. Juli
startete. Hinter dem Begriff «umschalten»
verbergen sich komplexe Arbeiten für die
Monteure vor Ort. Göttfried: «Für die stärks-
ten Leitungen werden je Phase drei Kabel
mit einen Querschnitt von 300 mm2 verwen-
det. Das sind somit neun Kabel. Jedes ein-
zelne muss gemufft werden. Bei dieser Ver-
bindung schiebt man die aus der Isolierung
geschälten, blanken Leiter von beiden Seiten
in ein Kupferrohr, das anschließend ver-
presst wird. Das umhüllende Schirmgeflecht
aus Kupfer muss von Hand verdrillt werden.
Zum Schluss wird ein Isolierschlauch über
das Kabel gezogen, der unter Wärmeein-
wirkung schrumpft und dicht abschließt.
Darüber hinaus sind noch sämtliche Steue-
rungs-, Verriegelungs- sowie Anzeigewerte
zu übertragen, die zum Teil noch mit der
alten Leittechnik verbunden werden». Eine
große Herausforderung auch für Ing. Heinz
Hofbauer von der Engineeringabteilung bei
ABB und E-Planer dieser neuen Anlage.
Kabelanschlussraum
62 ABB Technik 4/2002
Eine ruhige Ecke im Südosten Englands
steht derzeit im Mittelpunkt des Interesses
der Elektrizitätswirtschaft. Der Grund hierfür
ist eine neue Form von Energiespeicher-
anlage, die diese Branche revolutionieren
könnte. Die Anlage mit der Bezeichnung
Regenesys™ arbeitet mit regenerativen
Brennstoffzellen, die ursprünglich vom
englischen Energieversorgungsunternehmen
National Power entwickelt wurden. Innogy
Technology Ventures Limited, ein neues
Unternehmen, das aus der Entflechtung
von National Power hervorging, hat die
19-MVA/15-MW-Anlage neben seinem
680-MW-Kombikraftwerk in Little Barford,
Cambridgeshire, errichtet. ABB Industry in
der Schweiz lieferte für diese Anlage eine
hochmoderne Stromrichteranlage, dessen
Leistungselektronik in innovativer IGCT-
Technik ausgeführt ist und über ein moder-
nes Regelungssystem verfügt. Mit einer Spei-
cherkapazität von 120 MWh – die ausreicht,
um 10000 Verbraucher einen ganzen Tag
mit Strom zu versorgen – ist die Anlage
weltweit die größte ihrer Art. Die primäre
Aufgabe der neuen Energiespeicheranlage
von Little Barford ist die Lieferung der elek-
trischen Energie, die für einen so genannten
Blackstart, d.h. das Anfahren des benach-
barten Kombikraftwerkes nach einem
Netzausfall, notwendig ist; darüber hinaus
soll sie für Spitzenlastbetrieb im angeschlos-
senen Netz (durch Speicherung der zuviel
erzeugten Energie und Abgabe dieser
Energie bei Lastspitzen) sowie zur Bereit-
stellung von Blindleistung eingesetzt
werden.
Die Demonstrationsanlage hat bei den
Stromerzeugern rund um die Welt sehr reges
Interesse geweckt. Nach einer gründlichen
Untersuchung hat sich die Tennessee Valley
Authority (TVA), der größte öffentliche
Stromversorger in den USA, entschlossen,
eine fast baugleiche Anlage zu installieren,
um damit die Versorgungssicherheit einer
nahen Flugbasis zu erhöhen. Auch für die-
ses Projekt liefert ABB die komplette Strom-
richteranlage.
Warum elektrische Energie
speichern?
Strom ist die wichtigste Ware des 21. Jahr-
hunderts, aber anders als Wasser, Stahl,
Getreide oder andere Güter lässt er sich nur
schwerlich speichern. Deshalb wurden die
Energieversorgungssysteme so gebaut und
betrieben, wie wir sie kennen – die elek-
trische Energie wird stets nach dem Bedarf
erzeugt. Die Speicherung bietet den klaren
Vorteil, dass die Erzeugung vom Bedarf ent-
koppelt werden kann.
Wissenschafter und Ingenieure haben
über viele Jahre versucht, kostengünstige
Technologien zu entwickeln, mit denen es
möglich ist, Strom in großtechnischem Maß-
stab zu speichern. Eine solche Technologie,
die Pumpspeicherung, nutzt zwei in unter-
schiedlicher Höhe gelegene und miteinan-
der verbundene Speicherbecken, um Spit-
zenstrom zu erzeugen. Hierzu wird das
Wasser in Zeiten, in denen reichlich elek-
trische Energie vorhanden ist, in das obere
Speicherbecken gepumpt und dann im
Bedarfsfall durch Turbinen geleitet, um den
erhöhten Strombedarf zu decken. Allerdings
setzt diese Technologie wie bereits erwähnt
voraus, dass sich die Speicherbecken in
News
B
A
C
D
EDie neue Regenesys™-Anlage, die zur-
zeit am Standort des Kraftwerks Little
Barford in Betrieb genommen wird
A Elektrolyse-Speichertanks
B Regenesys-Module
C Stromrichtersystem
D Leitwarte
E Transformator
Großtechnische Speicherungelektrischer Energie
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unterschiedlicher Höhe befinden, was ihren
Nutzen auf Gebirgsregionen beschränkt.
Ferner hat man auch verschiedene Arten
von wiederaufladbaren Batterien eingesetzt,
um Strom in Form von chemischer Energie
zu speichern. Diese Systeme, die unter der
allgemeinen Bezeichnung Batterie-Energie-
speichersysteme (BESS) bekannt sind,
kommen jedoch meistens nur im kleineren
Rahmen zum Einsatz.
Darüber hinaus sind mit komprimierter
Luft, Schwungrädern (FESS), Superkonden-
satoren oder Speicherung mit supraleitenden
Elektromagneten (SMES) arbeitende Spei-
chertechnologien entwickelt worden, doch
sind diese allesamt mit Nachteilen – in
Bezug auf Technik, Umwelt, Sicherheit oder
Kosten – behaftet, die derzeit ihrer unein-
geschränkten kommerziellen Weiterentwick-
lung im Wege stehen.
Regenesys™ als interessante
Alternative
Das Regenesys-System beruht auf der
regenerativen Brennstoffzellen-Technologie
(manchmal auch als Redox Flow Cell Tech-
nologie bekannt). Hierbei wird die elektri-
sche Energie in chemische potenzielle
Energie umgewandelt, indem zwei flüssige
Elektrolytlösungen auf Wasserbasis ‹geladen›
werden und anschließend die gespeicherte
Energie beim Entladen wieder abgegeben
wird. Die effiziente Umwandlung von elek-
trischer in gespeicherte chemische Energie
und wieder zurück kann beliebig oft
wiederholt werden. Wie bei allen Gleich-
strombatterien und Brennstoffzellen-
Systemen sind eine Stromrichteranlage und
ein geeigneter Transformator notwendig,
um das System an ein Drehstromnetz anzu-
schließen. Die Technologie ist umwelt-
freundlich, weil sie völlig emissionsfrei
arbeitet.
Wie unterscheiden sich herkömmliche
Batteriespeicher von Regenesys? Der ent-
scheidende Unterschied ist der, dass sich bei
Batteriespeichern Leistung und Energieinhalt
nicht entkoppeln lassen. Der Grund hierfür
liegt darin, dass die Energie durch chemi-
sche Veränderung der Oberfläche der
Elektroden gespeichert wird. Deshalb ist zur
Speicherung großer Energiemengen eine
große Anzahl von Akkumulatorzellen not-
wendig, selbst dann, wenn die (kurzzeitig)
benötigte Leistung von wesentlich weniger
Zellen geliefert werden könnte. Die
‹Strömungsbatterie› arbeitet anders: hier wird
die Energie durch chemische Veränderung
der flüssigen Elektrolyten gespeichert. Die
Energie wird über so genannten Reaktor-
module aufgenommen und von diesen bei
Bedarf wieder abgegeben. Die flüssigen
Elektrolyten werden in Tanks gespeichert.
Damit ergibt sich eine klare Trennung
zwischen Leistung und Energiemenge. Die
Anzahl der benötigten Reaktormodule wird
durch die maximal abzugebende/aufzuneh-
mende Leistung bestimmt, während die
Tankgröße die Energiemenge bestimmt, die
gespeichert werden kann. Da die Tanks
wesentlich kostengünstiger sind als Reaktor-
module oder Batteriezellen, sind die spezi-
fischen Investitionskosten für die neue
Technologie verhältnismäßig niedrig.
Nach erfolgreichen Pilotversuchen hat
sich Innogy entschlossen, neben dem Kom-
bikraftwerk in Little Barford eine kommer-
zielle Demonstrationsanlage mit einer Spei-
cherkapazität von 120 MWh Energie und
einer Abgabeleistung von 15 MW zu errich-
ten. Ihre wichtigste Aufgabe besteht darin,
dem 680-MW-Kombikraftwerk so viel Ener-
gie bereitzustellen, dass es nach einem Netz-
ausfall wieder angefahren werden kann.
Elektrolyt-Tanks
RegenerativesBrennstoffzellen-Modul
Trans-formator
Stromrichter-anlage
Aufbau der Regenesys-
Anlage. Vom Aussehen her
eher eine kleine chemische
Produktionsanlage als ein
herkömmliches Kraftwerk,
ist sie mit hochwertigen
Polymerrohren, Armaturen
und Pumpen statt mit
großen umlaufenden elek-
trischen Maschinen aus-
gestattet.
A Elektrolyt-Eintrittsrohre
B Bipolare Elektroden
C Ionenaustauscher-
Membran
D Elektrische Verbindung
E Elektrolyt-Austrittsrohre
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Darüber hinaus soll die Anlage als Energie-
puffer dienen, indem in den Nachtstunden
mit geringer Nachfrage ’‹billige› Energie
gespeichert wird, die dann tagsüber bei
hohem Bedarf mit entsprechend höheren
Tarifen wieder ‹ab Speicher› geliefert werden
kann.
Nach der Inbetriebnahme wird es mög-
lich sein, die Anlage in weniger als 10 Minu-
ten oder, wenn sie im Reservebetrieb läuft,
in weniger als 2 Minuten hochzufahren.
Während des Betriebs wird sie voll am Netz
bleiben und in der Lage sein, innerhalb von
ungefähr 0,02 Sekunden vom Zustand «ganz
laden» auf «ganz entladen» oder auf jeden
beliebigen Zustand dazwischen umzu-
schalten.
Die Regenesys™-Anlage besteht aus vier
Hauptelementen:
n Speichertanks: Sie enthalten die beiden
Elektrolyten, die beim Entladen der Anlage
zu den regenerativen Brennstoffzellen
gepumpt und beim Laden wieder in die
Tanks zurückgepumpt werden.
n Regenerative Brennstoffzellen (RFC), in
die die zwei Elektrolyten fließen. Die
Elektrolyten reagieren durch eine Ionenaus-
tauscher-Membran während der Ladung und
Entladung und werden danach wieder in die
Tanks zurück gepumpt.
n Umrichter/Chopper/Gleichrichter: Diese
Baugruppe bildet die elektrische Schnitt-
stelle zwischen dem Netz und den Span-
nungscharakteristiken beim Laden und Ent-
laden der RFC. Bei der Entladung wird die
von den RFC gelieferte Gleichspannung in
Wechselspannung und bei der Ladung die
Netzspannung in Gleichspannung umge-
wandelt.
n Transformator: Er transformiert bei der
Entladung der RFC die Ausgangsspannung
der Umrichter auf die Netzspannung hoch
und beim Ladevorgang die Netzspannung
auf die für die Umrichter notwendige Span-
nung herunter.
Leistungsstromrichtersystem
mit Regelung
Herzstück jedes Batterie- oder Brennstoffzel-
lensystems ist das Stromrichtersystem (PCS).
Es bildet die Schnittstelle zwischen der
Spannung des Drehstromnetzes und der
variablen Betriebsspannung der Gleich-
strom-Module. Die Klemmenspannung der
RFC variiert beträchtlich, da sie von der
Richtung und Größe des Leistungsflusses
abhängig ist.
Das PCS besteht aus zwei funktions-
mäßig getrennten und autonomen Strom-
richtersystemen sowie dem Chopper (einem
Gleichspannungswandler), der die Verbin-
dung zu der variablen Spannung der Rege-
nesys-Module und dem konstanten
Zwischenkreis des Umrichters herstellt. Um
die für einen Blackstart notwendige Leis-
tungsfähigkeit des Systems zu gewährleisten,
kommen selbstgeführte Spannungszwi-
schenkreis-Umrichter (U-Umrichter) zum
Einsatz. Dadurch entsteht ein Vier-Quadrant-
Stromrichter, der sowohl Blindleistung als
auch Wirkleistung gleichzeitig und unab-
hängig voneinander übertragen kann.
Chopper und Spannungszwischenkreis-
Umrichter basieren auf der gleichen Hard-
ware-Plattform – nämlich der sehr kom-
pakten IGCT-Stack-Baureihe, die ABB auch
in verschiedenen anderen Anwendungen
einsetzt.
Systemregelung für viele
Betriebsarten
Als Normalbetrieb gilt der Betriebsfall, bei
dem das System einem festgelegten Schema
von Strom/Spannungs/Zeit-Profilen bei der
Ladung und Entladung, einschließlich
Anfahren und Stillsetzen des Systems, folgt.
Das Schema wird täglich aktualisiert, um
den Betrieb für die nächsten 24 Stunden
festzulegen.
Die wesentlichen Regelungseingaben für
das System sind aufbereitete Signale für
Netzfrequenz und -spannung (die von der
PCS-Steuerung geliefert werden) sowie die
Befehle für die verschiedenen Regelungs-
arten, die von der Netzleistelle des Betrei-
News
TransformatornsformatorTra
schalter
Umrichter/Gleichrichter
nerative
odule
Brennstoff-aufbereitung
Regelungssystem
Hilfsbetriebe
Die Hauptelemente des Regenesys-
Speichersystems
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ABB Technik 4/2002 65
bers über eine Fernwirkverbindung gegeben
werden.
Die wichtigsten Ausgabewerte der RFC-
Anlage sind die Sollwerte für die Wirk- und
Blindleistung.
In der Software des programmierbaren
schnellen Reglers (PSR) sind folgende Funk-
tionen implementiert: Spannungsregelung,
Frequenzregelung, Netzstabilisierung, Auto-
Leistungsregelung, konstante Wechselstrom-
leistung und konstanter VAr-Betrieb.
Ausblick auf eine große Zukunft
Die wirtschaftlichen und betrieblichen Mög-
lichkeiten von Regenesys sind bereits von
mehreren großen Stromversorgern und
Großkunden in der Industrie erkannt wor-
den. Dank der hohen Anpassungsfähigkeit
der leistungselektronischen Systeme sind
dem Einsatz dieser Technologie keine
erkennbaren Grenzen gesetzt.
Es kann erwartet werden, dass
n weniger Kraftwerke benötigt werden:
denn die Kraftwerksplaner könnten für den
durchschnittlichen statt den Spitzenbedarf
planen, wobei die Spitzen durch Abgabe der
gespeicherten Energie gedeckt werden;
n die vorhandene Erzeugungskapazität
effizienter genutzt werden könnte, da die
Leistung nicht ständig den Bedarfs-
schwankungen nachgeführt werden müsste;
n die Übertragungsleitungen und Betriebs-
mittel für die Energieverteilung mit höheren
Belastungsfaktoren betrieben werden
könnten; damit würden sich der Bau neuer
Leitungen bzw. die Aufrüstung bestehender
Leitungen weitgehend erübrigen;
n erneuerbare Energien wie Wind-,
Sonnen- und Wellenenergie effizienter
genutzt werden könnten, da sie gespeichert
und dann in Spitzenzeiten verkauft werden
könnten.
Um Unterschied zu mechanischen Energie-
speichersystemen verleihen modernste
Leistungselektronik und eine schnelle Rege-
lungstechnik der Redox Flow Cell Technolo-
gie eine ausgezeichnete Ansprechzeit; sie ist
damit in der Lage, sofort die volle Leistung
zu liefern. Das rege Interesse an dieser
neuen Technologie deutet auf eine vielver-
sprechende Zukunft hin. Es ist nicht über-
trieben zu sagen, dass sie den Bau und
Betrieb der Stromnetze in den kommenden
Jahren stark beeinflussen wird.RF
C-S
pa
nn
un
g[V
]
0RFC-Strom [A ]
Spannungsanpassungdurch Chopper
Veränderliche RFC-Klemmenspannung VRFC
Konstante Gleichstrom-Zwischenkreis-Spannung VDC
EntladungLeistungsfluss:
RFC⇒Drehstromnetz
LadungLeistungsfluss:
Drehstromnetz⇒RFC
Strom/Spannungscharakteristik der regenerativen Brennstoffzelle
Die Spannung des Gleichstromzwischenkreises des U-Umrichters wird auf einem kon-
stanten Wert gehalten; die RFC-Klemmenspannung ändert sich mit der Richtung und
Größe des Leistungsflusses (d. h. der Richtung und Größe des Gleichstroms). Zwischen
diesen zwei Spannungspegeln wird die Leistung vom bidirektionalen Chopper übertra-
gen, der als stufenlos einstellbarer Gleichstromtransformator fungiert. Für rund 15 MW
ausgelegt, ist der Chopper einer der größten seiner Art, der bisher gebaut wurde.
