Dr. Stefan Linder, ABB Power Systems, 23. April 2013 Höchst flexible und energieeffiziente Pumpspeicherkraftwerke ABB Automation & Power World 2013 April 23, 2013 Slide 1
Übersicht Energiespeicher Weshalb? Übersicht Speichersysteme Pumpspeichersysteme Neue ABB Lösung Zusammenfassung
Globale Trends in der Energieversorgung Paradigmenwechsel Ändernde Rahmenbedingungen zugunsten regenerativer Energien Begrenzung der fossilen Energieträger, die noch immer 80% des weltweiten Primärenergiekonsums decken Drohende Klimaerwärmung, verursacht durch CO 2 Emissionen Sinkende Akzeptanz von Kernenergie Sinkende Kosten der Energiegewinnung aus regenerativen Quellen Gesetzgebungen und politische Zielsetzungen Wind- und Sonnenenergie sind die regenerativen Energiequellen mit den höchsten Potenzialen Aber: Integration von grossen Mengen an Wind- und Sonnenenergie in die Elektrizitätsversorgung ist höchst anspruchsvoll April 23, 2013 Slide 3
Generation und Verbrauch Beispiel: Schweiz mit 30% Wind- und Solarenergie Total 18 TWh Wind+Solar, mit 80% Solar, 20% Wind PV = Solar Photovoltaik Datenquellen: Skalierte effektive Sonnenund Windenergie-Produktion DE (2012/ viertelstündlich) Laufwassermenge CH 2012 Verbrauchsdaten: Swissgrid (Jahr 2012) Leistung [MW] Mo Di Mi Do Fr Sa So positive Residuallast Beispielwoche im Juni Verbrauch negative Residuallast PV Wind Laufwasserkraftwerke verbleibende Kernenergie (1 GW = 1 KKW) Residuallast = durch regelbare Kraftwerke aufzubringende Produktion Grosser Anteil an Wind und Sonnenenergie bedeutet: Häufige und rasche Wechsel der Residuallast Häufige Situationen mit negativer Residuallast, d.h. Energieüberschuss Ohne Speicher sind Energieüberschüsse verloren
Energiespeicherlösungen Technologien und Anforderungen Lösung Ökonomische Kapazität Status / Reifegrad Umwandlung in H 2 od. Kohlenwasserstoffe GWh - TWh Technologie in Entwicklung Pumpspeicherung > 200 MWh Reif, neue Lösungen in Entwicklung Druckluftspeicher (CAES) 100 1000 MWh Nicht reif, systematische Schwächen Elektrothermischer Speicher (ETES) 10 500 MWh Technologie in Entwicklung Batteriespeicher (BESS) < 20 MWh Technologie in Markt-Einführung Technologien konkurrenzieren sich kaum, sondern ergänzen sich Fakten zur Pumpspeicherung stellt derzeit > 90% der weltweiten Speicherkapazität dar effizient (moderne Anlagen typisch 72 78%) kann zusätzlich Netze stabilisieren (Systemdienstleistungen) April 23, 2013 Slide 5
Pumpspeicherung Prinzip oberes Becken Einspeicherung unteres Becken Motor M Pumpe Fallhöhe Wasser wird vom Unterbecken ins Oberbecken gepumpt Prinzip: Konvertierung von Elektrizität in potenzielle Energie (E = m g h) 1 1 E = Energie (J), m = Masse (kg), g = Gravitationskonstante (= 9.81), h = Fallhöhe (m) Rückspeisung Generator Entladung des Oberbeckens via Turbine Prinzip: Konvertierung von potenzieller Energie in Elektrizität G Turbine April 23, 2013 Slide 6
Pumpspeicher Limiten von konventionellen Lösungen Konventionelle, drehzahlstarre Systeme: Nachteile Keine Möglichkeit, Drehzahl zu variieren Pumpen ist nur bei fester Leistung möglich Wirkungsgrade sind nicht immer optimal, v.a. im Teillastbetrieb Start ist zeitaufwändig, v.a. im Pumpbetrieb Zunehmende Schwierigkeiten, am Dynamik zulegenden Energiemarkt teilzunehmen Neue Pumpspeicher-Technologien: Ziele Pumpen soll mit variabler Leistung möglich sein Kurze Start-, Stopp-, und Umschaltzeiten Erhöhter Gesamt-Wirkungsgrad durch variable Drehzahl April 23, 2013 Slide 7
Vorteile variabler Drehzahl Rasche Änderungen der Residuallast Datenquellen: Skalierte effektive Sonnenund Windenergie- Produktion DE (2012/ viertelstündlich), Laufwassermenge CH 2012 Häufigkeit -2000-1500 -1000-500 0 500 1000 1500 2000 Änderung der Residuallast in einem 30 min Zeitfenster [MW] April 23, 2013 Slide 8
Vorteile variabler Drehzahl Rasche Änderungen der Residuallast Datenquellen: Skalierte effektive Sonnenund Windenergie- Produktion DE (2012/ viertelstündlich), Laufwassermenge CH 2012 Häufigkeit -2000-1500 -1000-500 0 500 1000 1500 2000 Änderung der Residuallast in einem 30 min Zeitfenster [MW] Zunehmender Anteil an Wind- und Solarenergie bedeutet: grösserer Bedarf an rasch regelbaren Kraftwerken häufigerer Teillast Betrieb der Kraftwerke April 23, 2013 Slide 9
Vorteile variabler Drehzahl Optimierung des Turbinen-Wirkungsgrades Hydr. Wirkungsgrad P mech /P hyd [%] 100 95 90 85 80 75 70 120 rpm 106 rpm 80 rpm 0 20 40 60 80 Hydraulische Leistung P hyd [MW] Leistungs-Wirkungsgrad Kennlinie bei variabler Drehzahl Variable Drehzahl erhöht Wirkungsgrad, v.a. im Teillast-Betrieb (Beispieldaten von Kraftwerk mit niedriger Fallhöhe) April 23, 2013 Slide 10
Neue Pumpspeicher-Technologien Lösungen mit variabler Drehzahl Doppelt Gespeiste Induktions-Maschine (DFIM) Netz Maschinen Transformator Converter Fed Synchronous Machine (CFSM) Netz Maschinen Transformator AC Erregung»» IM Induktions- Maschine DC Erregung»»» SM Frequenz Konverter Synchron Maschine April 23, 2013 Slide 11
Neue Pumpspeicher-Technologien Lösungen mit variabler Drehzahl Kriterium DFIM CFSM»»» IM SM»» Leistung des Frequenzkonverters 15 30% von S Maschine 100% von S Maschine Maschinenart Asynchronmaschine Synchronmaschine Drehzahlbereich Anfahrmoment im Pumpbetrieb Gering begrenzt durch Rotor-Leistung Gering Ausblasen der Pumpe notwendig Sehr gross nur hydraulisch begrenzt Hoch Anfahren im Wasser möglich Zeitbedarf für Betriebsartwechsel typisch 150 300 s typisch < 60 s Nachrüstung bestehende Anlagen auf variable Drehzahl Beispiele schwierig Nant de Drance, Linth Limmern (CH) Avče (SLO) einfach Grimsel 2 Nachrüstung (CH) April 23, 2013 Slide 12
Neue Pumpspeicher-Technologien Weitere prinzipielle Vorteile der CFSM Lösung Bypass Leistungsschalter 1 DC Erregung Frequenzkonverter 220/380 kv Netz Maschinen Transformator 2 SM Reversible Pumpturbine 1. Frequenzkonverter kann zur Einsparung von Verlusten überbrückt werden Optimierung der Synchrondrehzahl auf häufigsten Betriebsmodus 2. Frequenzkonverter kann Wirkleistung (P) und Blindleistung (Q) erzeugen Insbesondere: Erzeugung von Q auch möglich wenn Maschine steht Maschine kann ausschliesslich auf Wirkleistung ausgelegt werden (ca. 10% kleiner) April 23, 2013 Slide 13
Neue Pumpspeicher-Technologien Wie wird CFSM möglich? Anforderungen an CFSM Technologie Verlangt Frequenz-Konverter mit sehr hoher Leistung (typ. 100 300 MW) und hoher Spannung (bis 20 kv) Verluste des Frequenz-Konverters müssen sehr gering sein (< 2%) Frequenz-Konverter muss kompakt sein (Einbau in Kavernen) ABB Lösung: Neue Frequenzkonverter Topologie Neuer Leistungshalbleiter + April 23, 2013 Slide 14
V C V C V C V = 0 Multilevel-Umrichtertechnologie Prinzip der Zelle Prinzip Spannungsquelle Schalter Physische Auslegung Kapazität Leistungs- Halbleiter V C C V C V OUT V OUT
Multilevel-Umrichtertechnologie Leistungshalbleiter Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT) Niedrigste Verluste im Durchlass (Thyristor) Extrem hohe Stromtragfähigkeit 10 cm IGCT 4500V / 8000 A
Multilevel-Umrichtertechnologie 2 x 3 Zellen in Reihe geschaltet V C V 3 V 3 V 2 V C V 2 V 1 V 4 V C V 1 V 5 V 6 V C V ab 3 Resultierende V C V 4 V 5 Spannung V ab [p.u.] 2 1 0-1 -2 Vorgabe 0 60 120 180 240 300 360 Winkel [ ] V C V 6-3
Multilevel-Umrichtertechnologie Charakteristiken und Vorteile Niedrige Schalthäufigkeit ermöglicht sehr niedrige Konverter-Verluste Typische Grössenordnung: < 1.5% (AC zu AC, ohne Blocktransformator) Erlaubt sehr breite Skalierung von Spannung und Strom Spannung: Anzahl der Stufen (Zellen in Reihe) Strom: Stromtragfähigkeit des Schalters Parallelschaltung von Konvertern möglich weitere Steigerung der Leistung Kein Transformator zwischen Konverter und Generator nötig Schonend für Maschinen und Transformator Isolierungen niedrige Spannungsgradienten (dv/dt), geringer Spannungshub pro Stufe Geringe harmonische Verzerrungen Kleinerer Filteraufwand (meist keine separaten Filter notwendig) Geringere Verluste in Transformator und Maschine
Converter Fed Synchronous Machine (CFSM) Einbau in Felskavernen Beispiel: 250 MVA Konverter Konverter Kühlaggregat Konverter-Schränke Grössenvergleich Mensch Generator Zuleitung April 23, 2013 Slide 19
Converter Fed Synchronous Machine (CFSM) Impressionen der Grimsel 2 CFSM Anlage Frequenzkonverter Step-up Transformatoren (nicht notwendig mit Multilevel Topologie) Maschine (gelb), Pumpe + Turbine (grün) KWO, Grimsel 2: Aufrüstung eines Maschinensatzes mit einem 100 MVA Konverter Weiterverwendung der bestehenden elektrischen und hydraulischen Maschinen Derzeit in letzter Phase der Inbetriebsetzung April 23, 2013 Slide 20
Neue Pumpspeicher Technologien Zusammenfassung Die Energiewende verlangt Speicher Pumpspeicher sind die ideale Lösung für grosse Energiemengen & grosse Leistungen Leistungselektronik flexibilisiert Pumpspeicher und erhöht deren Wirkungsgrad Doppelt gespeiste Asynchronmaschinen (DFIM) sind bisher der quasi-standard (z.b. Nant de Drance, Linth Limmern, Avče) Vollgespeiste Synchronmaschinen (CFSM) werden durch den weiteren Fortschritt in der Leistungselektronik immer attraktiver Verwendung von Standard Synchrongenerator-Technologie Sehr hohe Frequenzkonverter Leistungen und Spannungen (bis 300 MW, 20 kv) Niedrige Konversions-Verluste (< 1.5%) Extrem hohe Dynamik Rasches Anfahren, auch im Pumpmodus April 23, 2013 Slide 21
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Regenerative Energiequellen Herausforderungen und Lösungen Eigenschaft Herausforderung Schlüsseltechnologien geringe Energiedichte geringe durchschnittliche Auslastung systematische und stochastische Einspeiseschwankungen Einspeisung in Verteilnetze hoher Flächenbedarf grosse Distanzen von Produktionsstätten zu Lastzentren Oft abgelegene Quellen (Offshore, Wüsten, etc.) Extrem hohe Einspeisespitzen De-Synchronisation von Generation und Verbrauch Bi-direktionale Energieflüsse im Verteilnetz Einhaltung der Spannungsgrenzen HVDC (HGÜ) Übertragung FACTS Weitbereichsüberwachung Energiespeicherung Energiespeicherung HVDC (HGÜ) Übertragung FACTS Lastmanagement Leit- und Schutztechnik Energiespeicherung Lastmanagement April 23, 2013 Slide 23
Multilevel-Umrichtertechnologie Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit Pro Ventil (Hälfte einer Phase) ist mindestens eine zusätzliche Zelle vorgesehen Konverter kann nach Ausfall einer Zelle sicher weiter betrieben werden Austausch der Zelle beim nächsten geplanten Konverter-Stopp Auslegung auf kurze Reparaturzeiten durch ausgebildetes Kraftwerkspersonal Erst zwei Ausfälle pro Ventil erzwingen einen sofortigen (sicheren) Stopp