Als das europaweit einzige Druckluftspeicher-Gasturbinenkraftwerk 1978 in Huntorf seinen Dienst aufnahm, war an eine Energiewende hin zu Regenerativen nicht zu denken. Doch heute könnte das technologische Unikum ein wichtiger Baustein hin zur All Electric Society werden.
Während nächtlicher Schwachlastzeiten sollte der von Großkraftwerken erzeugte Grundlaststrom gespeichert und tagsüber, bei Spitzenlastzeiten, abgegeben werden. Das war die Aufgabe des 1978 erbauten Druckluft-Speicherkraftwerks Huntorf. Zudem sollte der Pressluftspeicher bei Ausfällen des Stromnetzes benachbarte Kraftwerke mit Notstrom versorgen, denn auch die benötigen in solchen Situationen Starthilfe. Heute warten ganz neue Aufgaben auf den Kraftwerks-Oldie.
Druck in den Untergrund
Pressluftspeicher hört sich ein wenig profan an. Nach Pressluftflaschen. Druckbehältern von übersichtlicher Dimension. Kennt man doch vom Tauchen oder als Luftdruckspender an der Tankstelle. Doch die Größenordnung, in der die Kraftwerker in Huntorf denken, hat mit diesen Kleinteilen nichts zu tun. „Um diese Kavernen zu erzeugen, wurden zwei Salzstöcke von 650 bis in 800 Meter Tiefe ausgesolt, also ausgespült“, erklärt Philip Eiben. Kein Wunder, dass für die behördliche Aufsicht der Salzkavernen das Landesamt für Bergbau, Energie und Geologie (LBEG) Niedersachsen zuständig ist.
Und das hält dicht? Immerhin wird hier Luft bis auf bis zu 72 bar verdichtet. „Zwischen uns und den Kavernen liegen immerhin noch mindestens 600 Meter Erde und Gestein“, beruhigt Eiben. Der Elektroniker für Betriebstechnik kennt „seine“ Anlage ganz genau, schließlich ist er schon seit sieben Jahren für ihren reibungslosen Betrieb im Einsatz. „Diese Lagertechnik ist seit Jahrzehnten erprobt. Nebenan befinden sich Lagerstätten für Erdgas, auch in Kavernen von Salzstöcken. Die sind absolut dicht.“ Eiben zeigt auf eine in der Ferne zu sehende Anlage. „Von dort bekommen wir unser Erdgas, das wir zur Energieerzeugung benötigen.“
Gigantische Luftpumpe
Weltweit gibt es nur in den USA noch ein vergleichbares Kraftwerk im aktiven Einsatz, sowie ein Versuchskraftwerk im Gotthard-Basis-Tunnel. Das Prinzip des Druckspeichers ist denkbar einfach: Hat man Energie übrig, wird die dazu verwendet, einen gewaltigen Verdichter, also eine Art überdimensionale Luftpumpe, anzutreiben. Der pumpt Luft in den ausgehöhlten Salzstock. Bis zu 23.000 Tonnen Luft finden in der finsteren Höhle im Bauch der Erde Platz. Braucht man jetzt Energie, dann lässt man diese Druckluft wieder kontrolliert nach oben steigen, um eine Gasturbine anzutreiben.
Da die Luft feucht ist und sich bei Ausdehnung abkühlt, würde sie jede Anlage zum Vereisen bringen. Daher wird über eine Gasleitung Erdgas zugeführt. Das Luft-Gas-Gemisch wird in eine Gasturbine geleitet und verbrannt. Elektrische Energie wird von einem angekoppelten Generator erzeugt. Der Anteil an Erdgas beträgt im Luft-Gas-Gemisch nur rund drei Prozent.
Der Wirkungsgrad ist verglichen mit konventionellen Gasturbinen hoch und liegt aufgrund der benötigten Erdgas- und Druckluftzufuhr bei über 42 Prozent. „Die Bilanz wird noch besser, wenn ansonsten Windparks abgeschaltet werden müssten, weil man nicht weiß, wohin mit der erzeugten Energie“, zeigt sich Eiben von seinem Kraftwerk überzeugt.
Schwarzstartfähig
Das Kraftwerk kann drei Stunden die volle Leistung von 321 Megawatt abgeben. Weitere fünf Stunden arbeitet die Anlage dann mit abnehmender Leistung, analog dem sinkenden Pressluftdruck. Abgerufen wird diese Leistung per Fernsteuerung aus der Düsseldorfer Einsatzleitstelle von Uniper, dem Kraftwerksbetreiber. Hier sitzen Disponenten, die permanent den Strommarkt im Blick haben und bei günstigen Bedingungen die Energie von Huntorf abrufen.
Hierin besteht auch die wirtschaftliche Aufgabe des Speicherkraftwerks. Denn Huntorf wird nur dann gewinnbringend betrieben, wenn der Strom zu Zeiten hoher Preise abgegeben und bei geringen Erzeugerpreisen gespeichert wird.
Aktuell steht die Speicheranlage die meiste Zeit des Jahrs in Bereitschaft. Riesenvorteil des Speicherkraftwerks ist, dass es sehr schnell gestartet werden kann. Innerhalb von nur drei Minuten läuft Huntorf auf 50 Prozent, sieben Minuten später liegt Volllast an. Und die Anlage ist „schwarzstartfähig“, kann also im Fall eines totalen Stromausfalls autonom hochfahren und für einen Wiederaufbau des Netzbetriebs sorgen.
Raumpatrouille Orion
So alt wie das Kraftwerk sind die hier installierte Steuerung und das technische Equipment – im Kontrollraum fühlt man sich an Raumpatrouille Orion erinnert. Trotz regelmäßiger Wartungen zeigte sich, dass sie die zukünftigen Herausforderungen nicht mehr erfüllen können.
Im Rahmen einer ersten Anlagenerweiterung müssen also wesentliche Betriebsdaten aus der bestehenden Kraftwerkssteuerung über das Feldbusprotokoll Modbus TCP ausgelesen und per webbasierter Visualisierung angezeigt werden. Damit das Betriebspersonal schnell auf Störungen reagieren kann, sollen relevante Alarmmeldungen direkt an das Smartphone der Mitarbeiter übermittelt werden. Darüber hinaus müssen der überlagerten Leitzentrale, die sich im Uniper-Kraftwerk in Wilhelmshaven befindet, alle Betriebsdaten vorliegen.
Die Anforderungen des Betreibers verdeutlichen, dass eine Kompatibilität zwischen dem neuen technischen System und der vorhandenen Leittechnik erforderlich ist. Gleichzeitig soll die Lösung zukünftige Technologien unterstützen. Bei der Umsetzung der Anlagenerweiterung hat sich Uniper daher für die PLCnext Technology von Phoenix Contact entschieden.
Schutz für kritische Infrastruktur
Ein Bestandteil des Ecosystems stellt PLCnext Control dar. Dabei handelt es sich um eine offene Steuerungsplattform auf Basis eines Linux-Betriebssystems. Im Huntorfer Kraftwerk liest die PLCnext-Steuerung die wichtigsten Betriebsdaten aus der bestehenden Kraftwerkssteuerung aus und leitet sie an die lokale Webvisualisierung weiter, die über einen Standard-Browser aufgerufen werden kann.
Kraftwerke gehören zur kritischen Infrastruktur. Daher müssen sie besonders im Hinblick auf die IT-Sicherheit geschützt werden, sodass Angreifer kein leichtes Spiel haben. Ein ganzheitliches, tief integriertes Security-Konzept bildet hier die Basis für eine umfassende Absicherung. Zur Sicherstellung der Integrität, Verfügbarkeit und vor allem Vertraulichkeit sämtlicher Daten bietet die PLCnext Technology deshalb Security-by-Design. Die Hard- und Software wird somit bereits derart entwickelt, dass sie möglichst robust und unempfindlich gegen Cyber-Attacken ist.
„Die PLCnext-Steuerung eignet sich bestens, um das Speicherkraftwerk Huntorf an das existierende Leitsystem anzukoppeln sowie die Daten darüber auszulesen und weiterzuleiten“, berichtet Uwe Krüger, Head of Operations Power Plant Group Wilhelmshaven. „Die offene Steuerungsplattform ermöglicht es uns, die älteren vorhandenen Kommunikationswege flexibel mit neuen Lösungen zu kombinieren. Auf diese Weise lässt sich das Kraftwerk ohne großen Aufwand erweitern und fit für zukünftige Herausforderungen machen.“
