Sicherer, flexibler und effizienter

Das Kraftwerk Hopf­lauenen wurde in den 1960er-Jahren gebaut und bestand zuerst aus zwei Maschinen, der Trift- und der Leimboden-Maschine. 1974 kam eine zweite Trift-Maschine hinzu. Die Substanz des Kraftwerks entspricht in weiten Teilen dem Originalzustand. Von 2000 bis 2002 wurden die leit­techni­schen Anlagen erneuert und komplett automatisiert. 2013 wurde zunächst die Leimboden-Maschine einer Revision unterzogen. Nun läuft seit April 2022 das Projekt Retrofit Hopflauenen, das heisst, eine erweiterte General­revision der zwei Trift-Maschinen mit je 45 MW mechanischer Leistung.

Die Ziele der Revision:

• Höhere Sicherheit für das Personal
• Geringere Anlagerisiken
• Hohe Verfügbarkeit des Kraftwerks, zuverlässige Stromproduktion
• Höhere Erträge dank Wirkungs­grad­steigerung
• Anlage für die Primärreglung nutzen, also zur Stabilisierung des Stromnetzes.

Das Projekt soll so wirtschaftlich und so nachhaltig wie möglich sein. Komponenten, die noch eine Rest­lebens­dauer haben, sollen so lange wie möglich weiterbetrieben werden. Zudem sind bei den Investitionen Kosten und Nutzen aufeinander abgestimmt. In einem Vorprojekt ab April 2021 stellten die Fachleute der KWO dies sicher, indem sie einzelne Kompo­nenten des Kraftwerks analysierten und deren Rest­lebens­dauer bestimmten. Zudem wurden Massnahmen evaluiert, um ihre Lebensdauer zu verlängern.

Turbinen vollständig erneuern

Die beiden Trift-Maschinen im Kraftwerk Hopflauenen sind horizontale Pelton­turbinen mit je zwei Laufrädern. Die Laufräder der älteren Trift-Maschine sind über fünfzig Jahre alt und müssen ersetzt werden, da das Material Ermüdungs­erschei­nungen zeigt. Bereits jetzt sind sie in der Instand­haltung aufwendiger, weil beide Räder in kürzeren Intervallen auf Risse überprüft werden müssen. Zudem hat sich bei einer genauen Analyse gezeigt, dass die Geometrie der Laufräder nicht optimal ist. Mit Modellversuchen wurde die beste Geometrie evaluiert. Der Wirkungsgrad der Maschine kann dadurch über den ganzen Leistungs­bereich deutlich verbessert werden.

Im Retrofit werden nun die Turbinen der Maschinen komplett erneuert: Die beiden Einläufe werden neu konstruiert und gefertigt und der mechanische Turbinenregler wird ersetzt. Die Fertigung der Einläufe erfolgt grösstenteils in der KWO-Werkstatt.

Energiekrise lässt Preise und Lieferfristen steigen

Damit das Timing am Schluss stimmt und die KWO beide Laufräder im Winter 2023/2024 ersetzen kann, hat sie die Laufradrohlinge schon in Auftrag gegeben. Ein Rohling wiegt 66 t. Da ihre Herstellung energieintensiv ist, haben sich die höheren Energiepreise auf die Beschaffung der Laufräder ausgewirkt. Einerseits waren die Angebote jeweils nur eine Woche gültig, andererseits schossen auch die Kosten aufgrund der Energie­knappheit in die Höhe. In anderthalb Jahren hat sich der Preis der Rohlinge verdoppelt

Neue Technik für die Stromnetzstabilisierung

Der Nadelservo, der im Einlauftorpedo mit den Düsennadeln die Turbinen­drehzahl bestimmt, bis die Maschine mit dem Netz synchronisiert ist, ist ein doppel­wirkender ölhydrau­lischer Zylinder, der zusätzlich mit Federn ausgestattet ist. Die Federn linearisieren die Kräfte, die zum Öffnen und Schliessen der Nadeln benötigt werden. Für die beiden Ablenker wird ein kombinierter Öl-Wasser-Zylinder genutzt, der durch den Wasserdruck aus der Druckleitung jederzeit schliessen kann. Die Düsennadeln werden für eine längere Lebensdauer mit Wolfram­karbid beschichtet.

Der neue Nadelservo wird mit höherem Druck (180 bar) betrieben. Da­durch sind die Einlauf­torpedos deutlich kleiner, was die Strömungs­verluste in den Turbinen reduziert. Das neue Aggregat wurde von den KWO-Hydro­mechanikern konstruiert.

Zudem wird der alte mechanische Turbinen­regler durch einen neuen elektro­nischen Turbinen­regler ersetzt, um mit den beiden Trift-Maschinen künftig Primär­regel­leistung anbieten sowie an einem Insel­netz­betrieb teilnehmen zu können. Ersteres dient der Stabilisierung des Stromnetzes mittels Regelung der Netzfrequenz, Letzteres dient dem Wiederaufbau des Stromnetzes, falls es zu grösseren Ausfällen kommt. Der neue Turbinenregler wurde mit einer CP-8050 aus der Sicam A8000er-Serie von Siemens realisiert. Das Programm ist eine Eigen­entwicklung der KWO und wird bereits erfolgreich eingesetzt.

Elektrotechnik wirtschaftlich revidieren

Für die beiden Generatoren der Trift-Maschinen sind unter­schiedliche Arbeiten geplant. Der Generator der älteren Maschine 2 wurde bereits 2013 revidiert: Der Stator wurde getrennt und eine Neuverkeilung wurde durchgeführt. Auch die Wickelköpfe wurden damals revidiert, der Stator wurde mit CO₂ gereinigt. Maschine 2 wird deshalb jetzt nur gereinigt. Bei Maschine 1 hingegen werden 2023 alle Arbeiten durchgeführt, die bei Maschine 2 bereits vor neun Jahren gemacht wurden. Ausserdem werden die Erregermaschinen im Werk revidiert. Das neue Erregersystem (Thyne 400) kommt von Andritz Hydro AG und wird durch die KWO vor Ort in Betrieb gesetzt.

In der 13,5-kV-Maschinenschaltanlage werden die alten Druck­luft­schalter mit neuen Vakuum­leistungs­schaltern vom Typ 3AH3817-7 von Siemens ersetzt. Zusätzlich werden neue Trenner installiert und der Berührungs­schutz erhöht, um die Personen­sicherheit zu verbessern.

Die beiden Trafos des Kraftwerks, die die Spannung von 13 kV auf 150 kV transformieren, sind noch betriebstüchtig. Das haben die Diagnose­messung und die Isolier­ölanalyse ergeben. Zu den bestehenden, älteren Ölkühlern wird neu ein Ölabscheider mit Öldetektion eingebaut. Dies ermöglicht es, bei einem Schaden rechtzeitig zu reagieren und zu verhindern, dass Öl über das Kühlwasser in die Umwelt gelangt. Der Ölabscheider, eine grosse Wanne, wurde von der Baugruppe der KWO vor Ort gebaut. In ihm wird das Kühlwasser gesammelt und das Öl kann vom Wasser getrennt werden, bevor das saubere Wasser ins Ausgleichs­becken abgegeben wird. Mittels Öldetektor lässt sich allfälliges Öl auf der Wasser­ober­fläche schnell feststellen und es können entspre­chende Massnahmen getroffen werden.

Bisher war das Kraftwerk Hopflauenen mit einer 48-V- und einer 220-V- Batterie ausgerüstet. Um das Handling der Ersatzzeile in Zukunft zu vereinfachen, setzt die KWO neu je zwei Mal 220-V-Batterien mit 470 Ah ein. Damit die ganze für alle sicher­heits­relevanten Aggregate und Steuerungen (Leistungs­schalter, Notschluss­ventile usw.) benötigte Gleich­spannungs­verteilung nicht neu aufgebaut werden muss, werden die beiden 220-V-Gleich­spannungen zusätzlich auf 48 V konvertiert, sodass im Kraftwerk auch ein redundant gespeistes 48-V-Gleich­spannungs­netz zur Verfügung steht. Die Steuerschränke der Maschinen werden wie bisher mit 48 V und 220 V versorgt.

Neue Leittechnik für mehr Cyber-Sicherheit

Die bestehende Leit- und Schutztechnik ist über 20 Jahre alt und hat damit das Ende der Lebensdauer erreicht. Sie entspricht zudem nicht mehr den aktuellen Cyber­sicherheits-Standards. Deshalb wird die Leittechnik komplett ersetzt. Eingesetzt wird die CP-8050 und die CP-8031 von Siemens aus der Sicam-A8000er-Serie. Die CP-8050 und die CP-8031 sind zwar bezüglich Engineering und Aufbau identisch, unterscheiden sich aber in ihren Funktions­möglich­keiten. So erlaubt es die CP-8031 zum Beispiel, nur eine Buslinie anzubinden. Deshalb wird die CP-8031 überall dort eingesetzt, wo eine einfache, kosten­günstige Steuerung ausreicht. Die CP-8050 wird für komplexere Aufgaben eingesetzt oder auch, weil es die Anzahl der Hardwaresignale fordert. Diese Steuerungen sind ideal, um die Kraftwerke gegen Cyberangriffe zu schützen. Hierfür werden auch die integrierte Firewall und die rollenbasierte Zugriffs­steuerung der Automa­tisierungs­einheiten genutzt. Alle Steuerungen der A8000er-Serie kommunizieren mit einem zentralen Radiusserver. Die entspre­chenden Fachpersonen können sich dadurch mit ihrem persönlichen Login auf der Steuerung anmelden und sich identifizieren.

Für den elektrischen Schutz werden Geräte der Siprotec-5-Familie eingesetzt, bei denen die User-Authentifizierung auch über den Radiusserver erfolgt. Beim Sammel­schienen­schutz der Maschinen­schalt­anlage wird zum ersten Mal der Prozessbus des IEC-61850-Protokolls eingesetzt. Die Stromwerte der einzelnen Felder werden dabei nicht mehr analog eingelesen, sondern über das Netzwerk als Sampled Values an den Sammel­schienen­schutz gesendet. Als Merging Unit dienen dabei die Generator- und Trafo­schutzgeräte.

Auch die restliche Sekundär­technik des Kraftwerks wird ersetzt. Erwähnenswert ist hier die neue Vibrations­überwachung mit integriertem Monitoring. Das Monitoring­system bringt einen grossen Mehrwert für die In­stand­haltung und ermöglicht es, jederzeit hochwertige Zustands­analysen zu erstellen und Inter­ventionen zielgerichtet und bedarfs­orientiert durchzuführen.