Landschaft, Bild: Voith Hydro

Im Nordwesten Portugals ist seit April 2017 das neue Pumpspeicherkraftwerk Frades II in Betrieb. Bild: Voith Hydro

Mit der steigenden Nutzung von Solar- und Windenergie setzt Portugal seit vielen Jahren auf das flexible und dynamische Potenzial von Pumpspeicherung zur Stabilisierung der Stromnetze. Bis heute gilt die Technik als einzige langfristig technisch erprobte und kostengünstige Form, um Energie im großen Maßstab zu speichern und kurzfristig zur Verfügung zu stellen.

Im Nordwesten Portugals ist seit April 2017 das neue Pumpspeicherkraftwerk Frades II in Betrieb. Technische Besonderheit der Anlage sind speziell entwickelte asynchrone Motorgeneratoren, die als leistungsfähigste und größte ihrer Art in Europa gelten.

Pumpspeichertechnik mit drehzahl­variablen Turbinen

Außenansicht, Bild: Voith Hydro
Außenansicht: Das Kraftwerk Frades II liegt im Norden Portugals am Fluss Rabagao und liefert einen bedeutenden Beitrag zur Netzstabilisierung und den weiteren Ausbau der Stromerzeugung aus erneuerbarer Energie in Portugal. Bild: Voith Hydro

„Das zentrale Element des Pumpspeicherkraftwerks Frades II ist die doppelt gespeiste Asynchronmaschine“, erklärt Thomas König, zuständig für Electrical Balance of Plant bei Voith Hydro Deutschland. Im Unterschied zu einer herkömmlichen Synchronmaschine, deren Drehgeschwindigkeit fest an die Netzfrequenz von 50 Hz gebunden ist, wurde bei den beiden neuen doppelt gespeisten Asynchronmaschinen die mechanische Drehgeschwindigkeit von der Netzfrequenz entkoppelt und kann variieren. Das neue System hat zwei Vorteile: Zum einen kann die Anlage schneller und flexibler auf die aktive und reaktive Nachfrage aus dem Stromnetz reagieren. Zum anderen bietet es zusätzlich Stabilität bei Spannungsabfall, verringert die Wahrscheinlichkeit eines Stromausfalls und ermöglicht die schnelle Wiederinbetriebnahme sollte es doch zu einem Ausfall kommen.

„Wenn die Netzspannung auf fünf Prozent ihres Normalwertes sinkt, kann sie das Kraftwerk Frades II für 600 Millisekunden lang stabil halten – viermal länger als klassische Turbinen mit fester Drehzahl. Dieser Zeitunterschied kann im Extremfall entscheidend sein, wenn es darum geht, einen großflächigen Stromausfall zu verhindern“, so Thomas König.

Innovative Lösungen für Pumpspeicherkraftwerk

Das neue Pumpspeicherkraftwerk erforderte von den Ingenieuren innovatives Denken in vielen Bereichen. So musste beispielsweise der Rotor des Motorgenerators komplett umgestaltet werden, um mit den hohen Zentrifugalkräften, dem viel höheren Strom und der Spannung aus dem Frequenzumrichter fertig zu werden. Der Umrichter für die Erregung ist größer, schwerer und 25-mal leistungsfähiger als der in einer vergleichbaren synchronen Anlage und erfordert deshalb ebenso ein neues elektrisches Schutzsystem.

Der Anlagenbetreiber Energias de Portugal, kurz EDP, profitiert stark von diesen Innovationen, wie Lars Meier, Leiter Technisches Vertriebs- und Angebotsmanagement bei Voith Hydro Deutschland, erklärt: „Die Motorgenerator-Technologie mit variabler Drehzahl bei Frades II erhöht die Gesamtzahl der Betriebsstunden der Anlage. Mehr Betriebsstunden und höhere Verfügbarkeit generieren mehr Umsatz und letztendlich mehr Gewinn. Dies ist einer der Gründe, warum vergleichbare Kraftwerke die erforderlichen Investitionen sehr schnell abschreiben können. Ein weiterer toller Nebeneffekt der Technik ist die insgesamt gesteigerte betriebliche Effizienz.“

 

Funktionsprinzip Pumpspeicherkraftwerk, Bild: Voith Hydro
Das neue Pumpspeicherkraftwerk erforderte von den Ingenieuren innovatives Denken in vielen Bereichen. Bild: Voith Hydro

Technik im Detail

Das Funktionsprinzip

Die Funktionsweise von Pumpspeicherkraftwerken ist einfach und genial zugleich. Das Besondere: Sie sind Energiespeicher und Wasserkraftwerk in Einem. Ist im Netz ein Stromüberschuss vorhanden, schaltet das Pumpspeicherkraftwerk auf Pumpbetrieb: Ein Elektromotor treibt Pumpturbinen an, die Wasser aus einem unteren Reservoir in ein höher gelegenes Becken befördern. Steigt die Nachfrage nach Strom im Netz, lässt man das Wasser aus dem Oberbecken durch eine Druckrohrleitung nach unten stürzen. Das Wasser setzt die Pumpturbinen in Bewegung, die jetzt im Turbinenbetrieb arbeiten und ihrerseits Generatoren antreiben. Innerhalb von Sekunden wird Strom erzeugt und eingespeist.

  • Energiespeicherung – Pumpbetrieb

Strom wird aus dem Netz entnommen, um den Motor zu betreiben. Der Motor treibt die Pumpturbine an. Das Wasser aus dem Unterbecken wird in das Oberbecken gepumpt.

  • Energieerzeugung – Turbinenbetrieb

Das Wasser aus dem Oberbecken wird durch einen Druckschacht auf die Pumpturbine geleitet und treibt sie an. Die Turbine treibt den Generator an, der Energie erzeugt und in das Netz abgibt. Das Wasser fließt in das Unterbecken.