Kompressoren und Systeme Hochdruck-Technologie Hochdruckluft – ein unentbehrliches Medium in Wasserkraftwerken weltweit Viviane Koch Als einer der führenden Hersteller von industriellen Verdichtersystemen im Hoch- und Mitteldruckbereich ist BAUER KOMPRESSOREN Experte im Bereich der Steuerung von Wasserkraftwerken. Je nach Region und Einsatzzweck bietet das Unternehmen skalierbare Lösungen in unterschiedlichster Größe und Auslegung. Dabei kann das Unternehmen auf 75 Jahre Erfahrung und umfangreiches Knowhow aus zahlreichen weltweit realisierten Projekten zurückgreifen: Bereits seit der Fertigstellung im Jahr 1970 erfolgt die Turbinensteuerung im ägyptischen Assuan Staudamm zuverlässig mittels Hochdruckluft. In Tadschikistan liefern 6 Anlagen mit je 408 m³/h Steuer luft für die Großwasserkraftwerke Ragunskaja und Sagudinskaja II. Die Turbinenregulierung in der „Dagangshan Hydropower Station“ in China übernehmen 3 Verdichter der I-Baureihe des Anbieters. Im Pumpspeicherkraftwerk „Reißeck II” in Österreich sichert eine redundante Schrauben- Booster-Kombination mit jeweils bis zu 924 m³/h die Windkesselbefüllung und damit die Elektrizitätsversorgung. Zwei kompakte Anlagen der E-Baureihe dienen im bhuta nesischen Dagachhu der Turbinen-Regulierung. Und neue leistungsstarke Kompressoren der PE-VE- Anlagenreihe sorgen an Donau- und Rheinkraftwerken in Deutschland zuverlässig für Steuerluft. Verdichtertechnologie für den Klimaschutz Wasserkraft wandelt die potentielle Energie des Wassers in mechanische bzw. elektrische Energie um. Wetterund tageszeitenunabhängig liefert sie Abb. 2: Kompakter Top-Performer, der häufig in Flusskraftwerken eingesetzt wird heute fast 17 % des Weltbedarfes an elektrischer Energie. Das entspricht gleichzeitig einem Anteil von rund 66 Prozent der gesamten Stromerzeugung aus erneuerbaren Quellen. Im Vergleich zu vielen anderen alternativen Energien kann die Leistungsabgabe sogar an den Verbrauch angepasst werden. In Ländern wie Österreich und der Schweiz deckt Wasserkraft bereits 60 bis 80 % des Energiebedarfs. Strom aus Wasserkraft ist dabei eine der umweltfreundlichsten Energiequellen, da weder CO 2 – noch andere Emissionen von Luftschadstoffen durch den direkten Betrieb entstehen. Um die Wasserkraft für den Menschen nutzbar zu machen, gibt es zahlreiche technische Lösungen: Die Energieerzeugung kann durch Turbinen an Fließgewässern oder Stauseen erfolgen oder durch Strömungs- und Gezeitenkraftwerke auf dem Meer und an der Küste. Wasserkraftwerke können hocheffiziente Pumpspeicherkraftwerke in alpinen Regionen sein oder Laufkraftwerke, die sich an allen größeren Flüssen befinden. Weitere Nutzungsziele sind neben der Erzeugung regenerativer Energie eine Verbesserung des Hochwasserschutzes. Die Binnenschifffahrt profitiert von gleichbleibende Wassertiefen. In Indien sorgen Wasserkraftwerkbetreiber für Agrarbewässerung und Trinkwasserversorgung. Verdichter machen Wasserkraft erst nutzbar Abb. 1: 300 Meter tief im Berg-Bauer Verdichter liefern zuverlässig die Steuerluft für das Pumpspeicherwerk Reißeck Je nach Fallhöhe des Wassers werden verschiedene Arten von Wasserturbinen eingesetzt: Freistrahlturbinen, Francis-, Kaplan- und Pumpturbinen. Generatoren sollten eine konstante Frequenz von 50 oder 60 Hz erzeugen: Aufgrund veränderter Strömungsverhältnisse des Wassers, müssen Turbinenräder oder gegebenenfalls auch die Turbinenschaufeln der Turbinen- 84 PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2021
Kompressoren und Systeme Hochdruck-Technologie Abb. 3: Die mächtigen Turbinen von Andritz im Pumpspeicherkraftwerk Reißeck werden mit Hilfe von BAUER Hochdruckluft reguliert Abb. 4: Stausee des Pumpspeicherkraftwerks Reißeck 2–1 laufräder verstellt werden und sorgen so für eine gleichbleibende Frequenz. Diese Verstell-Einrichtungen werden im Allgemeinen ölhydraulisch betätigt. Aus Sicherheitsgründen wird die notwendige Stellenergie für eine Wasserturbinen-Regelungseinrichtung in einem so genannten „Windkessel“ gespeichert. Dieser Windkessel ist zu ca. einem Drittel mit Hydrauliköl und zu zwei Drittel mit Luft gefüllt und stellt damit den Energiespeicher des Systems dar. In der Regel beträgt der maximal zulässige Betriebsüberdruck für diese Kessel 64 bar. Je nach Dimensionierung und Turbinentyp beläuft sich das Volumen des Luftspeichers auf 2.000 bis 15.000 Liter oder mehr. Da diese Kessel kein Trennelement zwischen den Medien Luft und Öl haben, wird die Luft teilweise im Öl gelöst. Mit jeder Ölentnahme wird deshalb auch Luft aus dem System entnommen. Diese nicht mehr zur Verfügung stehende Luft muss mit einem Verdichter kurzfristig automatisch nachgefördert werden. Je nach Anforderung und den Gegebenheiten im Kraftwerk kann die Druckluftversorgung in zwei Varianten realisiert werden. Unterschiedliche Systeme für jeden Einsatzzweck In der ersten Variante ist jeder Luftspeicher ist mit einem eigenen Kompressor verbunden. So funktioniert beispielsweise die Pneumatik in „Ragunskaja“ und „Sagdudinskaja II“. In der gegebenen Konfiguration bestand die optimale Lösung in der Verwendung kompakter dreistufiger Mitteldruck- Kompressoren bis 40 bar mit einer Förderleistung freier Luft von 100 bis 300 m²/h. Die Kompressoren befüllen die Behälter in wenigen Minuten mit Druckluft. Nach der Durchführung von Wartungsarbeiten ist es jedoch erforderlich, das gesamte Speichervolumen über dem Ölniveau erneut mit verdichteter Luft zu füllen. Dazu muss der Kompressor längere Zeit im Dauerbetrieb laufen, in Abhängigkeit vom Volumen und von der Anzahl der Luftspeicher im Wasserkraftwerk. Zu bevorzugen ist deshalb heute Variante 2, bei der die Druckluft in alle Luftspeicher des Wasserkraftwerks aus einer zentralen Pneumatikanlage zugeführt werden. Die Luftversorgung erfolgt in diesem Fall durch einen oder mehrere leistungsfähige Hochdruck-Verdichter des Anbieters im Verbund mit einer Batterie von Hochdruck-Speicherflaschen. Beispiel für eine solches, optimales Set up ist die „Dagangshan Hydropower Station“ in Zentral-China. Hier werden drei vierstufige luftgekühlte Verdichteranlagen mit Druckbereichen zwischen 90 und 350 bar eingesetzt. Auf diese Weise können, beispielsweise nach einer Revision, alle Behälter schnell mit hochverdichteter Luft befüllt werden. Die Hochdruckspeicher füllen die Mitteldruck-Behälter über Druckreduzierungen und sorgen so in wenigen Minuten für eine ausreichende Menge an Steuerluft. Zusätzlich lassen sich die Anlagen zur Druckluftversorgung weiterer pneumatischer Anlagen und Werkzeuge im Kraftwerk heranzuziehen. Weitere Vorteile der Hochdruck- Technologie Wenn Restwasser über die Druckluft in den Regelkreis gelangen würde, würde es das Hydrauliköl im Windkessel verunreinigen. Im Laufe der Zeit käme es zu Korrosionsschäden in den Ventilen und Windkesseln und in der Folge zu einer Abnahme der Effizienz. Aus diesem Grund muss die Feuchte davor aus der Druckluft entfernt werden. Eine Möglichkeit besteht darin, die Druckluft über einen zusätzlichen Kältetrockner auf einen Drucktaupunkt von ca. 5–7° C nachzutrocknen, was bei 7° C einen atmosphärischen Taupunkt von ca. -35° C entspricht. Der gleiche Trocknungseffekt lässt sich ohne Kältetrockner mit einem 4- bzw. 3-stufigen Hochdruckverdichter erzielen, indem das, beim Kompressorenhersteller standardmäßig integrierte Druckhalte-Rückschlagventil der Anlage höher als der Versorgungsdruck des Windkessels eingestellt wird. Dieser liegt bei ca. 60 bar. Mit dieser Einstellung des Ventils erreicht man, dass die letzte Stufe bei ca. 150 bar entwässert wird und dementsprechend mehr Wasser abgeschieden wird. Diese Überlegung führt dazu, häufig Hoch- statt Mitteldruckverdichter bei der Planung von Neubauten oder Modernisierung von Kraftwerken einzubinden. Wohin geht der Trend? Nach wie vor wird weltweit der Bau von Wasserkraftwerken stark vorangetrieben, um die Bevölkerung und Industrie mit zuverlässiger, umweltfreundlicher, regenerativer Stromenergie zu versorgen. Der Kompressorenhersteller liefert für jedes Projekt das maßgeschneiderte Anlagenkonzept, und Betreiber profitieren von einem globalen Netzwerk mit mehr als 600 Servicestationen weltweit. Die technische Kompetenz und Reputation, die sich der Anbieter im weltweiten Einsatz erworben hat, war und ist für Partner sowie für viele Energieversorger und Betreiber ausschlaggebender Grund, um mit dem Kompressorenhersteller aus München in jahrzehntelanger erfolgreicher Partnerschaft zahlreiche Projekte zu verwirklichen. Autorin: Viviane Koch, BAUER KOMPRESSOREN GmbH, München, Deutschland PROZESSTECHNIK & KOMPONENTEN 2021 85
