Wie Generatoren optimal zusammenspielen

Wasserkraftwerke spielen eine zentrale Rolle für die Energieversorgung der Schweiz. Aus ihnen stammen über das Jahr gesehen rund drei Fünftel der einheimischen Stromproduktion. Viele der grossen Kraftwerksanlagen speisen dabei ihre Produktion direkt in das Schweizer Übertragungsnetz ein. Diese Kraftwerke müssen bestimmten Vorgaben von Swissgrid entsprechen. So müssen Kraftwerke eine bestimmte Strommenge (Wirkleistung) bereitstellen, damit die Produktion zu jedem Zeitpunkt den abgeschlossenen Handelsgeschäften am Strommarkt entspricht. Dafür erhöhen oder senken die Kraftwerkbetreiber die Leistung ihrer Turbinen.

Darüber hinaus ist es für eine sichere und verlässliche Stromversorgung wichtig, dass das landesweite Übertragungsnetz die gewünschte Spannung – nämlich 220 oder 380 kV – hat. Um dies sicherzustellen, müssen die Kraftwerke den Strom bei der entsprechenden Spannung ins Übertragungsnetz einspeisen. Diese Sollspannung erreichen die Kraftwerkbetreiber mithilfe ihrer Generatoren: Bei Synchrongeneratoren kann mit dem sogenannten Erregerstrom eingestellt werden, wie viel Blindleistung sie liefern oder aufnehmen. Die Blindleistung steht in einem direkten Zusammenhang mit der Spannung: Indem der Kraftwerkbetreiber bei seinen Generatoren eine bestimmte Menge an Blindleistung abruft, legt er fest, welche Spannung er am Einspeisepunkt bereitstellt.

Abruf der Blindleistung verbessern

«Die Regelung der Sollspannung über die Blindleistung funktioniert einwandfrei, aber leider erfolgt sie heute nicht immer mit der bestmöglichen Effizienz», sagt Martin Geidl, Professor für elektrische Energietechnik an der FHNW. Das liegt daran, dass Generatoren je nach Betriebszustand unterschiedlich hohe Verluste haben. «Wenn die Leitzentrale des Kraftwerks zum Abruf der Blindleistung alle Generatoren gleich ansteuert, laufen diese mitunter an einem ungünstigen Arbeitspunkt, was unnötige Verluste nach sich zieht. Wir wollen die Generatoren beim Abruf der Blindleistung einzeln so ansteuern, dass alle zusammen unter dem Strich mit möglichst geringen Verlusten laufen», sagt Geidl.

Das ist die Zielsetzung einer Optimierungssoftware, die Martin Geidl und Georg Traxler-Samek, ebenfalls FHNW-Professor für elektrische Energietechnik, mit einem Forschungsteam ihrer Hochschule gegenwärtig im Rahmen eines BFE-geförderten Projekts entwickeln. Die Optimierungssoftware beruht auf drei Modellen. Zwei von ihnen wurden in der ersten Hälfte der Projektlaufzeit bereits umgesetzt:

• Verlustmodell für jeden Generator: Das ist eine mathematische Beschreibung der Verluste, die ein Generator abhängig von der produzierten Wirk- und Blindleistung hat. Um das Modell für einen Generator zu erstellen, ziehen die Forschenden die Daten der Garantiemessungen heran, die bei der Inbetriebsetzung des Generators durchgeführt wurden und aus denen sich die Eigenschaften des Generators ablesen lassen.
• Verlustmodell für das Kraftwerk: Das ist eine mathematische Beschreibung, die neben den Verlusten der Generatoren weitere Verluste einbezieht, die innerhalb des Kraftwerks anfallen, nämlich die Verluste der Leitungen zwischen den Kavernen und die Verluste der Transformatoren. In einem grossen Wasserkraftwerk gibt es mitunter Leitungen von mehreren Hundert Kilometern Länge und Dutzende von Transformatoren.
• Alterungsmodell für die Generatoren: Dieses Modell, das noch in Arbeit ist, soll beschreiben, wie Generatoren (und eventuell auch Transformatoren) abhängig von der Stromproduktion altern. «Dieses Modell aufzustellen ist sehr schwierig, weil es dazu nur wenig Daten und Forschungsgrundlagen gibt», sagt Traxler-Samek. So gebe es bisher zum Beispiel nur sehr grobe Modelle, wie sich die Lebensdauer bei einer höheren Betriebstemperatur verändert. Für das Modell werde man wohl mit groben Annahmen und Worst-Case-Szenarien arbeiten müssen.

Einsparungen erzielt

Auch wenn noch nicht alle Modellkomponenten in finaler Form vorliegen, hat die Optimierungssoftware ihre Funktionsfähigkeit grundsätzlich unter Beweis gestellt, während sie mit Daten der Kraftwerke Oberhasli getestet wurde. «Der Code funktioniert einwandfrei», freut sich Traxler-Samek. Die bisherigen Ergebnisse zeigten, dass die Optimierungssoftware stabil laufe und die Rechenzeit vernünftig sei. Gemäss einer Vorstudie könnte der Optimierer die Verluste um ca. 5% verringern. Bezogen auf die Stromproduktion der KWO von durchschnittlich 2,2 TWh wären das rund 1,3 GWh, was dem jährlichen Strombedarf von rund 450 Haushalten entspricht. Die bisherigen Testergebnisse zeigen, dass sogar deutlich mehr als 5% Verlustreduktion möglich sind. Bei Simulationen wurden in Einzelfällen bis zu 33% erreicht.

Generatoren in Wasserkraftwerken arbeiten mit einem hohen Wirkungsgrad. Sie wandeln 98 bis 99% der mechanischen Energie aus der Turbine in elektrischen Strom um. Somit bleiben Verluste von 1 bis 2%. Wenn man diese Verluste mit dem Optimierungswerkzeug der FHNW um 5% verringern kann, hält sich der Effekt für ein einzelnes Kraftwerk in Grenzen. Das Ziel der FHNW-Entwicklung ist deshalb, das neue Werkzeug allen Betreibern von Wasserkraftwerken als Open-Source-Lösung zu überlassen. «Wir wollen den Kraftwerkbetreibern eine Lösung zur Verfügung stellen, die einfach und günstig in die bestehende Leittechnik eingebaut werden kann», sagt Traxler-Samek. Gemäss einer Überschlagsrechnung könnten so in allen Wasserkraftwerken weltweit pro Tag 800 MWh zusätzlich produziert werden. Das entspricht etwa dem täglichen Stromverbrauch der Stadt Biel.

Praxistaugliche Lösung

Bis zum Abschluss des Projekts im Jahr 2027 bleiben weitere Aspekte zu klären. Eine zentrale Frage ist, auf welches Optimierungsziel das Software-Werkzeug ausgerichtet werden soll. Die ursprüngliche Idee hinter dem Projekt war, den Gesamtverlust der Generatoren zu minimieren. Allerdings ist es nicht zielführend, wenn der Optimierer starr dieses Ziel verfolgt, denn für ein gutes Gesamtergebnis muss er weitere Ziele im Auge behalten: die Spannungsvorgabe von Swissgrid am Einspeisepunkt muss erfüllt sein; die Kraftwerkkomponenten sollen möglichst wenig altern; und der Kraftwerkbetreiber soll mit seiner Stromproduktion einen Ertrag erwirtschaften (nicht nur die Wirkleistung, auch die Blindleistung wird von Swissgrid vergütet). «Wir brauchen eine praxistaugliche Lösung, die eine sinnvolle Balance zwischen diesen verschiedenen Zielsetzungen herstellt», sagt Geidl.

Ferner soll der Optimierer technisch so beschaffen sein, dass er auch bei älteren Generatoren eingesetzt werden kann, bei denen die Messdaten aus der Zeit der Inbetriebsetzung fehlen, die für die Aussagekraft der eingesetzten Modelle erforderlich wären. Um dieses Defizit auszugleichen, soll ein Algorithmus des Maschinellen Lernens die fehlenden Daten zur Verfügung stellen. Als Grundlage sollen die Daten des Typenschilds genügen. Der Algorithmus stützt sich zudem auf Daten von anderen Generatoren desselben Typs und von synthetisierten, virtuellen Generatoren.

Sicherheit des Leitsystems

Schliesslich muss die Optimierungssoftware in den nächsten Monaten noch publikationsfähig gemacht werden, so dass sie von interessierten Betreibern von Wasserkraftwerken in ihre Leittechnik eingebaut werden kann. Dafür muss sie nicht nur sauber strukturiert, sondern auch mit Kommentaren und Beispielen erläutert werden. Wichtig ist dabei auch die Sicherheit, wie Georg Traxler-Samek betont: «Der Optimierer ist ein Stand-alone-System, das relativ wenig Datenaustausch benötigt. Deswegen sollte es leicht und sicher in die meisten Leitsystemen integriert werden können. Im Übrigen verfügt jeder Generator über ein eigenes Sicherheitssystem, das verhindert, dass er ausserhalb seines Auslegungsbereichs betrieben wird.»

Die KWO sei an der Neuentwicklung interessiert, sagt Urs Brenn, Experte für Kraftwerk- und Elektrotechnik bei KWO. «Wir erhoffen uns von einer optimierten Regelung der Blindleistung einerseits eine höhere Stromproduktion dank Reduktion der Verluste, andererseits tiefere Aufwendungen im Unterhalt der Maschinen, wenn wir den Verschleiss durch eine intelligente Steuerung vermindern können.» Brenn betont, dass diese Vorteile nur zählen, wenn dabei die bereitgestellte Leistung der Wasserkraftwerke nicht negativ tangiert wird. «Die Wirkleistung, die wir bereitstellen hat Priorität», sagt Brenn.