Wasserkraft Retrofit in Südamerikas größtem Pumpspeicherkraftwerk

Das im Herzen Argentiniens gelegene Pumpspeicherkraftwerk Río Grande ist das größte seiner Art in Südamerika. Damit spielt es eine Schlüsselrolle für die Stromversorgung des gesamten Landes. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an Sicherheit und Verfügbarkeit. Im Zuge eines umfassenden Retrofits der Generatorschaltanlagen erfüllte Siemens diese Anforderungen durch eine Kombination von vier kompakten Generatorleistungsschaltern „HB3-C“ und zwei „VB1“-Generatorschaltanlagen, die die bisherigen sechs Schalter ersetzen.

Rund 130 km südöstlich der argentinischen Stadt Córdoba, am Río Grande, liegt der Wasserkraftwerkskomplex Cerro Pelado (spanisch: Complejo hidroeléctrico Cerro Pelado), der aus zwei Talsperren und dem Pumpspeicherkraftwerk Río Grande besteht. Er verbindet Energieerzeugung, Pumpspeicherung und Netzstabilisierung in einer Anlage und spielt seit fast vier Jahrzehnten eine Schlüsselrolle für die Energieversorgung Argentiniens. Das Pumpspeicherkraftwerk im Zentrum des Komplexes ist mit 750 MW (840 MVA) das größte seiner Art in Südamerika. Vier Francis-Turbinen liefern Strom, der über zwei Transformatoren in das 500-kV-Netz eingespeist wird. Unverzichtbar ist diese Leistung nicht zuletzt zur Abdeckung von Spitzenlasten. Entsprechend hoch sind die Anforderungen an Sicherheit und Verfügbarkeit. Der regionale Betreiber EPEC (Empresa Provincial de Energía de Córdoba) arbeitet deshalb kontinuierlich daran, die Anlagen auf dem aktuellen technischen Stand zu halten.

Retrofit in 200 m Tiefe

Vor diesem Hintergrund sollten 2024 die sechs vorhandenen Schalter modernisiert beziehungsweise durch Geräte auf dem Stand der Technik ersetzt werden. Bisher waren Druckluftschalter zum Einsatz gekommen. Diese hatten nach etwa vierzig Jahren jedoch das Ende ihrer Betriebsdauer erreicht, auch die Ersatzteilverfügbarkeit war mittelfristig nicht mehr gegeben. Konkret handelte es sich bei den sechs Schaltern um Absicherungen der vier Generatoren sowie um zwei Anfahrschalter. Generatorleistungsschalter sind Schlüsselkomponenten, um die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von Kraftwerken zu erhöhen. Sie schützen Generatoren oder Transformatoren vor Kurzschlüssen und Überlast, indem sie die Geräte bei Bedarf vom Netz trennen.

Charakteristisch für ein Pumpspeicherkraftwerk ist die hohe Schalthäufigkeit: Oft muss ein Generatorschalter etwa zwei bis zehn Schaltvorgänge pro Tag bewerkstelligen –deutlich mehr als etwa in einem fossilen Kraftwerk. Die Anfahrschalter werden benötigt, um die Generatoren im Pumpbetrieb zu starten. Würde der Start allein durch den Generatorleistungsschalter erfolgen, wäre die mechanische Belastung durch das sofortige Anlaufen des Motors zu hoch. Deshalb steuert der Anfahrschalter einen Frequenzumrichter, der den Motor in etwa 15 bis 20 min auf Nenndrehzahl bringt und wieder abschaltet.

Als Besonderheit sind die Schaltanlagen des Pumpspeicherkraftwerks Río Grande in einer 200 m tiefen Kaverne platziert. Beim Retrofit mussten diese räumlichen Gegebenheiten bei der Installation wie auch dem späteren Betrieb berücksichtigt werden. Möglichst viel der vorhandenen Technik sollte daher beibehalten werden. Die neue Schalttechnik musste wegen der vorgegebenen Abmessung nahtlos in die vorhandene Anlagenumgebung passen. Die Montage sollte schnell und einfach möglich sein und der Wartungsaufwand beim späteren Betrieb gering.

Pumpspeicherkraftwerk erhält SF6-freie Vakuumschalttechnik

Bei der Umsetzung dieser komplexen Aufgabenstellung entschieden sich die Verantwortlichen der Betreibergesellschaft EPEC nicht für den Hersteller der bisherigen Schaltanlagen, sondern für Siemens Smart Infrastructure. Den Weg zu einer optimalen, nachhaltigen Lösung hatten die Siemens-Experten der Region Argentinien in Zusammenarbeit mit dem Kollegen im Stammhaus im Voraus entwickelt. Die Entscheidung zugunsten von Vakuumtechnologie fiel nicht zuletzt aufgrund der speziellen Rahmenbedingungen des Retrofits: Sie arbeitet wartungsfrei und lässt sich durch ihre kompakte Bauweise in bestehende Anlagen integrieren. Die am Río Grande verbauten Siemens-Vakuumschaltmodule arbeiten vollständig ohne F-Gas. Somit entfällt der steigende Aufwand, den diese Gase im Umgang und bei der Entsorgung mit sich bringen.

Für die vier Generatoren kamen vier kompakte Leistungsschaltermodule vom Typ HB3-C mit einem Nennstrom von 10.000 A zum Einsatz. Für die Anfahrschalter wurden Leistungsschaltermodule desselben Typs verwendet, die in die zwei neu gelieferten VB1-Schaltanlagen eingebaut waren. Die Anbindung an die Schutz- und Leittechnik des Kraftwerks erfolgte über neue Steuerschränke.

Das Schaltmodul HB3-C (C steht für „Compact“), Bestandteil des HB3-Portfolios, zeichnet sich gegenüber vergleichbaren Komponenten durch seine einpolige Ausführung aus. Es ist nicht nur besonders kompakt und benötigt damit wenig Aufstellfläche, es ermöglicht auch eine hohe Flexibilität in der Planung, weil es vertikal wie auch horizontal montiert werden kann. Dadurch eignet sich das Schaltmodul besonders für Retrofitprojekte.

Weltweit hat Siemens bereits 74 HB3-C installiert, wobei das Projekt Río Grande das erste in Südamerika ist. Auch hier wurden die vier Schalter exakt an die Bestandsanlage angepasst: Jedes HB3-C-Modul ist auf einem Fahrwagen montiert und lässt sich über schwenkbare Rollen leicht in das Schaltfeld einfahren. Über vorhandene Strombänder kann es dort mit einem speziellen Anschlussadapter per Plug & Play an die bestehende Ableitung angeschlossen werden.

Die Anfahrschalter wurden mit zwei baugleichen VB1-Schaltanlagen realisiert, ohne dass Änderungen an den bestehenden Ableitungen erforderlich waren. Die HB3-C-Module sind über Fahrwagen leicht ein- und auszubringen, und der Anschluss an die bestehende Ableitung erfolgte auch hier über einfach zu montierende Strombänder. Die Herausforderung für die Anfahrschalter besteht weniger in der Stromtragfähigkeit von lediglich 630 A, vielmehr ist ein hohes Kurzschlussabschaltvermögen gefordert, falls während des Anfahrvorgangs ein Fehler auf der Umrichterseite auftritt. Die ursprünglichen Schaltanlagen waren dafür nicht ausreichend dimensioniert. Mit den neuen Schaltern lassen sich die auftretenden Fehlerströme bis 106 kA zuverlässig abschalten. Weil die HB3-C-Schaltmodule baugleich mit den Generatorschaltern sind, wird zudem die Ersatzteilhaltung für den Kunden vereinfacht.

Erfolgreiche Installation und Inbetriebnahme

Die gesamte Siemens-Schaltanlagentechnik für das Pumpspeicherkraftwerk Río Grande wurde im Sommer 2024 geliefert und in zwei Bauphasen installiert. Auch hier zeigten sich die Vorteile von Vakuumschaltern: Weil die speziellen Anforderungen im Umgang mit F-Gas entfallen, ließen sie sich – im Vergleich zu F-Gas-Schaltern – in der halben Zeit montieren und in Betrieb setzen. So benötigten die Techniker der Siemens-Region Argentinien nicht einmal vier Tage, um die alten Leistungsschalter durch die neuen HB3-C-Schalter zu ersetzen. Ende 2024 ging die erneuerte Generatorschaltanlage im größten Pumpspeicherkraftwerk Südamerikas wieder in Betrieb und läuft seitdem störungsfrei.