Optimierungsbetrieb steigert die jährlichen kWh
Ertragssteigerung auch ohne Erhöhung der Einspeisevergütung nach dem neuen EEG 2012
Werden in einem Wasserkraftwerk zwei oder mehrere Turbinen parallel am gleichen Stau betrieben, ist es gewinnbringend diese parallel arbeitenden Turbinen entsprechend ihrer Wirkungsgradkennlinien permanent aufeinander abzugleichen, um das erzielbare Maximum an Jahresarbeit (kWh) zu erwirtschaften.
Hierzu hat WALCHER einen neuen Optimierungsrechner entwickelt, welcher bei zwei und mehr parallel betriebenen Maschinen an Hand hinterlegter Wirkungsgradkurven die Turbinen immer im günstigsten Lastverhältnis zueinander betreibt.
Je höher die Turbinenleistungen des Kraftwerkes sind, umso schneller amortisiert sich die Nachrüstung einer Optimierungssteuerung wegen der deutlich verbesserten jährlichen Energieausbeute.
Bei kleineren Wasserkraftanlagen unter 500 kW Leistung kommt als zusätzlicher dominanter Anreiz, neben der Wirkungsgradverbesserung die Möglichkeit der Erhöhung der Einspeisevergütung nach dem neuen EEG 2012 auf 12,7 Cent / kWh, wenn der nachstehende Passus zutrifft.
„Durch den Nachweis einer Erhöhung des Leistungsvermögens an Hand der Verbesserung des Anlagenwirkungsgrades kann ab Januar 2012 eine Erhöhung der Strompreisvergütung auf 12,7 Cent / kWh erreicht werden, Voraussetzung hierfür ist, dass die Anlage bereits vor dem 1. Januar 2009 in Betrieb genommen wurde.“
Grundlage für den Einsatz einer Wirkungsgradoptimierungist die Möglichkeit des vollautomatischen Betriebes.
Ein vollautomatischer Betrieb kann dann realisiert werden, wenn die Turbinenverstelleinrichtungen wie Hydraulikaggregate oder Stellmotoren an den Regulierwellen der Leitapparate elektrisch angesteuert werden können.
Nur mit einer guten Wasserstandsreglung in Kombination mit dem Optimierungsrechner lässt sich aus parallel betriebenen Turbinen ein Maximum an Wirkarbeit erwirtschaften.
Über die im Rechner hinterlegten Wirkungsgradkennlinien wird das Verhältnis der jeweils optimalen Arbeitspunkte zueinander zyklisch berechnet. Die Vorgaben für den Gesamtdurchfluss durch das Kraftwerk werden vom Turbinenregler in Abhängigkeit des Wasserdargebotes als Pegel- bzw. OWQ-Regler vorgegeben. Somit wird die maximale Leistung bei dem zur Verfügung stehenden Durchfluss erreicht.
Hierzu wird ein Rechner (SPS) mit erhöhter Rechenleistung benötigt.
Voraussetzung für richtiges Rechnen der Optimierungssteuerung ist der ungestörte Zu- und Abfluss des Wassers sowie ein sauberer Rechen.
Aufbau einer Optimierungssteuerung und Wirkungsgradkurven
Die Grafik Bild 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Optimierungssteuerung, in diesem Fall für zwei Turbinen.
Der Optimierungsbaustein wird mit Ein- und Ausgangssignalen beschaltet, die zur Berechnung der jeweiligen Turbinenöffnungen erforderlich sind.
Der Optimierungsrechner erhält zunächst vom Pegelregler die Vorgabe der abzuarbeitenden Wassermenge in Abhängigkeit der Wasserzuführung.
Über die Wegemessungen der Rückführungen werden in den Wandlern „Weg/Q“ zunächst die Durchflussmengen durch die einzelnen Turbinen dem Optimierungsrechner vorgegeben. Die Datenbausteine mit den hinterlegten Wirkungsgradkennlinien n1 und n2 werden vom Optimierungsrechner abgefragt und bei der Berechnung entsprechend bewertet.
Als weitere Rechengrößen kann die Fallhöhe sowie Vorgaben über von Hand vorgewählten maximalen und minimalen zulässigen Öffnungsbegrenzungen zur Berechnung herangezogen werden.
Die Ausgänge des Optimierungsrechners geben entsprechende Stellsignale an die z.B. hydraulischen oder auch elektromechanischen Turbinenverstelleinrichtungen.
In der Grafik Bild 2 sind Wirkungsgradkurven der unterschiedlichsten Wasserkraftmaschinen eingetragen.
Die hier dargestellten Kurven wurden aus Firmenprospekten bzw. einschlägiger Literatur entnommen.
Wie man deutlich erkennen kann, hat die Auswahl der Turbine erhebliche Auswirkungen auf den später zu erwartenden Ertrag an kWh.
Um die Wirkungsgradkennlinien in Relation bezüglich der zu erwartenden Arbeit zu setzen, ist die zusätzliche Bewertung der Verfügbarkeit des Wassers (Jahresdauerlinie) unerlässlich.
Ebenso dürfen die Kosten der Investitionen für den einen oder anderen Maschinentyp bei der Anschaffung der Turbine nicht vernachlässigt werden.
Optimierungsrechner für die günstigsten Turbinenöffnungen
Aus der Zusammenstellung der Wirkungsgradkurven in Bild 2 kann man erkennen, dass bei den unterschiedlichen Wasserkraftmaschinen bei gleichem Schluckvermögen bzw. gleicher Wassermenge, speziell im Teillastbereich, sehr unterschiedliche Leistungen erzielt werden können.
Sofern nur eine Turbine, Wasserrad oder Wasserschnecke vorhanden sind, lässt sich durch eine Optimierung nichts erreichen, da ja das Wasser nicht auf zwei Anlagen verteilt werden kann.
Sobald jedoch bei zwei und mehr Maschinen, speziell auch bei zwei unterschiedlich großen Turbinen das Wasser aufgeteilt werden kann, lassen sich durch den Optimierungsrechner die günstigsten Turbinenöffnungen so berechnen, dass die höchstmögliche aktuelle Leistung aus der Kraftwerksanlage zu erwirtschaften ist.
Im nachstehenden Beispiel wird an Hand zweier Turbinen, und zwar einer doppelt regulierten Kaplanturbine mit einem Schluckvermögen von 10 m³/s und einer Francis Turbine mit 5 m³/s, nachgewiesen, wie durch einen Optimierungsrechner eine Verbesserung der Jahresarbeit erreicht wird.
Im Bild 3 sind die Wirkungsgradkennlinien von zwei Turbinen (Francis und Kaplan) dargestellt, wobei bei der oberflächlichen Betrachtung die Kaplanturbine mit der besseren Wirkungsgradkennlinie generell eingesetzt werden sollte.
Unter der Berücksichtigung, dass die Francis Turbine jedoch nur die Hälfte des Schluckvermögens der Kaplanturbine hat ,arbeitet die Kaplanturbine im Bereich unter 2,5 m³ /s mit einem schlechteren Wirkungsgrad als die Francisturbine, weshalb die Francisturbine im unteren Bereich die Stromerzeugung übernehmen sollte.
Bei einer Wassermenge ab 4 m³/s lohnt es sich wieder auf die Kaplan Turbine umzuschalten.
In den folgenden Diagrammen werden die durch den Optimierungsrechner errechneten Turbinenöffnungen grafisch dargestellt, wobei der rote waagerechte Balken die Turbinenöffnung der Kaplanturbine und der grüne waagerechte Balken die Turbinenöffnung der Francis Turbine jeweils darstellt, um die optimierte Leistung aus dem Kraftwerk durch aufeinander abgestimmte Turbinenöffnungen zu erzielen.
Im Bild 4 werden die Leistungen der beiden Turbinen bei Q = 4,5m³/ s dargestellt.
Bei zunehmendem Wasser ist es demnach sinnvoll, ab dieser Wassermenge mit der Kaplanturbine alleine das Wasser abzufahren. Der Optimierungsrechner würde also die bis ca. 3,8 m³/s betriebene Francis Turbine stillsetzen und die Kaplan Turbine ans Netz schalten.
Turbinen zueinander im wirkungsgradoptimierten Betrieb
In den Bildern 5 - 7 werden die Fahrweisen beider Turbinen zueinander im wirkungsgradoptimierten Betrieb dargestellt.
Am Bild 5 kann man ablesen, dass die Kaplanturbine im Alleinbetrieb bei 9 m³/s eine Leistung von 449 kW abgeben würde. Beide Turbinen zusammen ergeben tatsächlich eine Leistung von rechnerisch 470,7 kW. Dies stellt eine Ertragsverbesserung von 21,7 kW bei gleichem Wasser dar. Bezogen auf die erzeugte Leistung der Kaplanturbine im Alleinbetrieb ist dies eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades in diesem Arbeitspunkt von 4,8 %.
Im Bild 6 wird ein Durchfluss von 10 m³/s berechnet. Die Kaplan Turbine alleine erzielte 493,2 kW. Beide Turbinen gemeinsam betrieben erreichen insgesamt jedoch 519,9 kW. Auch hier wird eine Wirkungsgradverbesserung von 5,4 % erreicht, bzw. 26,7 kW bei gleichem Wasserdargebot zusätzlich erzeugt.
Bild 7 stellt die Situation bei einem Durchfluss von 12 m³/s dar.
In einer einfachen automatischen Folgesteuerung währe die Kaplanturbine voll geöffnet und die Francis Turbine würde den Rest mit 2 m³/s abfahren. Dies ergäbe eine rechnerische Leistung von 493,2 kW für die Kaplanturbine und gleichzeitig 91,7 kW für die Francis Turbine. Gesamtleistung 584,9 kW. Durch die Optimierung werden tatsächlich 616,8 kW erreicht.
Dies entspricht einer Verbesserung der Gesamtleistung von 5,4 %.
Schlussbetrachtung:
Inwieweit eine Optimierungssteuerung, wie hier im Beispiel bis zu 5% oder mehr Ertragssteigerung bringt, muss für jedes Kraftwerk individuell nach Prüfung der Wirkungsgradkennlinien berechnet werden. Dies hängt auch von der Qualität des bestehenden Regelsystems ab.
In vielen älteren, speziell auch kleineren Kraftwerken wird auch heute noch immer auf eine Wasserstandsreglung komplett verzichtet oder über völlig veraltete Wasserstandsreglungen Leistungsverluste hingenommen, ohne dass sich viele Betreiber darüber im Klaren sind.
Mit moderner Steuerungstechnik lassen sich häufig wirtschaftliche Verbesserungen erzielen, die dann auch bei kleineren Anlagen zur Förderung nach dem neuen EEG führen können.
Je größer die Turbinenleistungen, umso schneller rechnet sich alleine der Einsatz einer Optimierungssteuerung, auch ohne die Strompreisverbesserung durch das EEG 2012
