Dezentrales System automatisiert Wasserkraftwerk

Die RWE AG zählt zu den fünf führenden Strom- und Gasanbietern in Europa. Sie ist auf allen Wertschöpfungsstufen der Energieversorgung tätig. Diese reichen von der Förderung von Öl, Gas und Braunkohle über den Bau und Betrieb von konventionellen und erneuerbaren Kraftwerken sowie den Handel mit Rohstoffen bis hin zum Transport und der Vermarktung von Strom und Gas. Mit über 70.000 Mitarbeitern versorgt das Unternehmen rund 16Mio. Kunden mit Strom und nahezu 8Mio. Kunden mit Gas. Eine ihrer Gesellschaften ist die RWE Innogy GmbH. Sie bündelt die Kompetenzen sowie die Kraftwerke im Bereich erneuerbare Energien. In dieser Funktion plant, errichtet und betreibt sie Anlagen zur Stromerzeugung aus regenerativen Energieträgern. Ihr Ziel ist es, die regenerativen Energien in Europa zügig auszubauen. Insbesondere realisiert RWE Innogy Windkraftanlagen an Land und zu Wasser und investiert zunehmend in die Stromerzeugung durch Wasserkraft und Biomasse. Allein in Deutschland sind 45 Laufwasser- und Speicherkraftwerke mit einer Gesamtleistung von rund 541MW in Betrieb, beispielsweise an der Mosel, der Rur und der Saar. Sie erzeugen jedes Jahr etwa 1,4Mrd. kWh Strom, was dem jährlichen Strombedarf von etwa 400.000 Haushalten entspricht. Diese Anlagen werden von RWE Power AG für RWE Innogy betrieben und instand gehalten. Historisches Wasserwerk Derzeit modernisiert RWE Power die Wasserkraftwerke in der Eifel und lässt einige mechanische Komponenten, wie die Hydraulik, sowie die Leittechnik der Kraftwerke ersetzen. Zu den Eifel-Kraftwerken zählen u.a. die Kraftwerke Heimbach und Heimbach-Wehr. Beide Kraftwerke werden von der Urfttalsperre über einen Druckstollen gespeist. Diese Talsperre im Südwestteil von Nordrhein-Westfalen existiert seit 1905. Sie ist gut 58m hoch und staut die Urft im Kreis Euskirchen zu einem 2,16km² großen Stausee (Urftsee) auf. Neben der Stromerzeugung dient diese Talsperre auch zur Pegelregulierung der Rur, an der es früher, besonders in den Wintermonaten, öfter zu verheerenden Hochfluten gekommen war. Das Kraftwerk Heimbach ist genauso alt wie die Talsperre und im heute denkmalgeschützten Jugendstilgebäude untergebracht. Früher erzeugten hier acht Francisturbinen den Strom. Sie mussten nach fast 70-jähriger Betriebszeit stillgelegt werden. Heute treiben zwei neue Francisturbinen je einen Synchrongenerator mit einer Leistung von je 8MW an. Neue Leittechniksysteme steuern und regeln beide Kraftwerke Das Kraftwerk Heimbach ist mit der Urfttalsperre über einen 2,7km langen Druckstollen durch den Kermeter Bergrücken sowie zwei 200m lange Druckrohrleitungen verbunden. Die Druckrohrleitungen am Berghang haben eine Fallhöhe von 106m. Hierüber speist das Urfttalwasser die beiden großen Francisturbinen. Unterhalb des Kraftwerks Heimbach ist ein weiterer Stausee angelegt, der die unregelmäßige Wasserabgabemenge des Kraftwerks Heimbach ausgleicht, die durch den Einsatz des Kraftwerkes als Spitzenlastkraftwerk entsteht. Das Kraftwerk Heimbach-Wehr, das 8m tiefer liegt als das Kraftwerk Heimbach, speist mit dem Laufwasser aus dem Stausee eine Kaplanrohrturbine mit Winkelgetriebe. Das wiederum treibt einen Asynchrongenerator mit einer Leistung von 750kW an. Beide Kraftwerke erhielten bei der Modernisierung durch F.EE neue lokale Leittechniksysteme. Dazu gehören Automatisierungssysteme und lokale Bedien- und Beobachtungsstationen (B&B) sowie eine standardisierte Anbindung an die Zentralwarte in Fankel an der Mosel. Von dort aus werden alle Saar-, Eifel- und Moselkraftwerke der RWE überwacht und gesteuert. Die Regelungs- und Steuerungsaufgaben in beiden Wasserkraftwerken setzte der Automatisierer F.EE aus Neunburg vorm Wald mit viel Erfahrung und Know-how um. IP67-System in \’Tropfsteinhöhle\‘ installiert Drei Profibuskoppler in IP67 aus der Speedway-Produktfamilie nehmen über digitale und analoge I/O-Module an drei Stationen Signale von Sensoren und Aktoren auf und stellen sie einer übergeordneten Steuerung zur Verfügung. In Feldrichtung geben sie die Stellbefehle an die entsprechenden Regelsysteme weiter. F.EE installierte im KW Heimbach je einen Koppler am Generator der Francisturbinen, am Kugelschieber, an den Hydraulikanlagen und anderen Hilfsbetrieben im Turbinenkeller. Der modulare Aufbau des Systems erlaubt es, die I/O-Module bis zu 50m vom Feldbuskoppler oder -controller abzusetzen. Insgesamt kann sich eine Speedway-Station auf bis zu 500m ausdehnen. Diese Eigenschaft nutze auch F.EE und ließ die Module in der Nähe der Sensoren und Aktoren installieren. Dadurch konnten etliche Leitungswege eingespart werden. \“Am Einsatzort des IP67-Systems herrschen besonders raue Umgebungsbedingungen. Der Stolleneinlauf für das Druckwasser befindet sich auf dem Grundniveau des Stausees und hat damit eine Temperatur von nur 4°C\“, erläutert F.EE-Projektleiter Michael Hellmuth. Der große Temperaturunterschied, besonders im Sommer, lässt die Luftfeuchtigkeit ständig kondensieren. \“Dann haben wir da unten das Klima einer Tropfsteinhöhle\“, ergänzt Hellmuth. Ein normales IP20-System müsste durch ein zusätzliches Gehäuse vor dieser hohen Feuchtigkeit geschützt werden, wodurch mehr Platz und ein höherer Montageaufwand erforderlich wäre. \“Mit Speedway von Wago haben wir ein IP67-fähiges Remote-I/O-System, das klassische Feldbusprotokolle unterstützt. Dadurch vereinfacht sich die Verkabelung zum zentralen Steuerungssystem auf eine Feldbusleitung\“, fasst Michael Hellmuth zusammen. Des Weiteren lassen sich die I/O-Module durch die genormten Anschlüsse mit Standardkabel vorkonfektionieren, was Verkabelungsfehler reduziere und spätere Wartungsarbeiten vereinfache. Regelung verbessert Wirkungsgrad der Turbine Damit die Generatoren Strom erzeugen können, werden die Turbinen mithilfe von Wasser angetrieben. Die Öffnung des Leitapparates bestimmt die Wassermenge, die das Laufrad antreibt. Über das Hydrauliksystem lassen sich die Leitschaufeln verstellen und regeln so die Leistung des Generators. Kaplanturbinen – wie im KW Heimbach-Wehr im Einsatz – kommen hauptsächlich in Laufwasserkraftwerken mit geringen Fallhöhen (Niederdruck) und großen Wassermengen zum Einsatz. Zusätzlich zur Steuerung des Leitapparates wird der Winkel der Laufradschaufeln per Hydraulik verstellt. Die neue Steuerung (SPS) regelt den Laufradschaufel-Winkel (Phi) in Abhängigkeit der Leitapparat-Öffnung (a0) und verbessert dadurch den Wirkungsgrad der Turbine. Fazit Die RWE-Kraftwerke Heimbach und Heimbach-Wehr erhielten im Zuge der Modernisierung neue Leitsystemtechnik. Das von RWE Power beauftragte Unternehmen F.EE ersetzte die vorhandene Steuerung und wählte als dezentrales Automatisierungssystem Speedway 767 von Wago. Das System in Schutzart IP67 kommt auch in schwierigen Umgebungen ohne Schaltschrank aus. Außerdem lassen sich die I/O-Module örtlich vom Feldbuskoppler absetzen, beispielsweise um in der Nähe des Kugelschiebers Stellbefehle oder Rückmeldungen weiterzugeben. Diese Eigenschaften reduzierten den Montage- und Materialaufwand erheblich. Zudem übernahm F.EE auch die Regelungs- und Steuerungsaufgabe und programmierte für die Steuerung eine Regelung, die den Wirkungsgrad der Turbinen erhöht.