SIEMENS

Gut 12 m² transparent-rosa Folie verhüllen rekordreife Elektrotechnik von Siemens. Dr. Hartmut Huang, der die Abteilung für Technologie und Innovation in der Geschäftseinheit Power Transmission Solution von Siemens leitet, lüftet die Abdeckung und präsentiert einen swimmingpoolgroßen Stahlrahmen, bestückt mit einer Vielzahl farbiger, eimergroßer Kondensatoren, Spulen und Hochleistungstransistoren: ein komplett montiertes Umrichtermodul für eine HochspannungsGleichstrom-Übertragung (HGÜ). "Wir montieren hier mittlerweile jedes Jahr Hunderte solcher Module", sagt Huang. Von Nürnberg aus werden sie in fast alle Kontinente verschickt, nach Australien, Asien, Amerika und zunehmend auch ins europäische Ausland. Gestapelt zu mehrfamilienhaushohen Umrichtertürmen helfen sie, den Wechselstrom aus riesigen Kraftwerken in Gleichstrom zu verwandeln und nach dem Transport wieder in Wechselstrom.
"Eine HGÜ ist besonders klimafreundlich, denn es geht viel weniger elektrische Leistung auf der Strecke verloren als bei einer üblichen Wechselstromübertragung", nennt Huang den Vorteil. Mit einer Gleichspannungsübertragung lohnt es sich deshalb auch, weit abgelegene regenerative Energiequellen anzuzapfen. Zum Beispiel in China, wo im nächsten Jahr HGÜ-Umrichter von Siemens Strom aus Wasserkraftwerken aus dem Südwesten des Landes zu den Metropolen an der Küste übertragen helfen, über eine Strecke von 1.400 km (siehe Artikel "Die Spannung steigt"). "Die Umrichter dort bestehen aus 192 Modulen und können bei einer Gleichspannung von 800.000 V elektrische Leistungen bis 5.000 MW umsetzen", berichtet Huang. "Das ist Weltrekord." Und es handelt sich um Energiemengen, die den Stromhunger von Millionenstädten stillen können. Die Übertragungsverluste sind dabei nach Huangs Auskunft mit etwa 5 % weniger als halb so groß wie bei einer Wechselstromübertragung.
Der Grund für die hohen Leistungsverluste im Wechselstromfall ist die sich ständig ändernde Stromrichtung. Dadurch entstehen elektrische und magnetische Felder um die Übertragungsleitungen, die den Stromfluss erleichtern beziehungsweise bremsen. Die sonst streng synchron schwingenden Strom- und Spannungskurven geraten aus dem Takt und schmälern die nutzbare elektrische Leistung. Verluste durch Blindleistung, wie das physikalische Produkt der auseinander driftenden Strom- und Spannungskurven heißt, sind insbesondere bei Übertragungen durch Seekabel hoch. In diesen liegen Strom- und Erdungsleiter dicht nebeneinander, sodass sich dazwischen starke elektrische Felder bilden. Schon bei einer Kabellänge von 80 km kommt ohne Gegenmaßnahmen praktisch überhaupt keine nutzbare Leistung mehr an. "Eine HGÜ durch Seekabel ist schon ab Entfernungen von 60 km wirtschaftlich", sagt Huang. Bei einer Übertragung durch Freileitungen, wo Erdungs- und Stromleiter meterweit voneinander entfernt geführt werden, sind die Blindleistungsverluste weit weniger groß. "Eine HGÜ rechnet sich hier ab Distanzen von 500 bis 800 km", so der Experte.

Thyristor in CD-Größe. Ob nun für eine Gleichstromübertragung über Land oder unter Wasser, die elektronischen Bauelemente der Umrichtermodule sind stets die gleichen. Huang zeigt das kiloschwere Herzstück der Module: ein Hochleistungsthyristor von der Größe einer Compact Disk. "Solche Thyristoren werden in jedem Modul zu jeweils zwei Dutzend in Reihe geschaltet", berichtet er. Geschickt gesteuert zerhacken sie Gleichstrom im Takt der Netzfrequenz und verwandeln ihn so in Wechselstrom. Andersherum können sie richtungsgleiche Anteile des Wechselstroms herausschneiden und zu Gleichstrom zusammenfügen. Gesteuert werden sie mithilfe von Laserlicht. "Im Bereich der HGÜ ist das weltweit einzigartig", betont Huang und erläutert die Vorteile: "Die Lichtzündung ist weniger anfällig für elektromagnetische Störungen als die gängigen elektronischen Zündsysteme, und sie braucht weniger Platz." (siehe Artikel “Grüner Strom für Victoria” und “Tüfteln, Testen, Installieren”, Pictures of the Future, Frühjahr 2006).
Ein Manko haben die Thyristor-Umrichter indes: "Auf der Wechselstromseite entziehen sie dem Netz große Mengen Blindleistung, die sie zum Aufbau von elektrischen und magnetischen Feldern benötigen", erklärt Huang. Weil sich die Ausrichtung dieser Felder im Wechselstromtakt immer wieder umkehrt, würden ohne Gegenmaßnahmen ständig so genannte Blindströme zwischen Umrichter und Netz hin und her fließen und die Netzspannung belasten. Um das zu verhindern, werden die Umrichter mit mehreren meterhohen Kondensatorsystemen kombiniert. "Die Blindströme pendeln dann zwischen Umrichter und Kondensatorbänken, ohne das angeschlossene Wechselstromnetz zu tangieren", sagt Huang. Die Systeme zur Blindleistungskompensation können allerdings bis zu einem Achtel der Anlagenfläche einnehmen.

Kompakt-Umrichter. Seit etwa zwei Jahren hat Siemens auch für dieses Problem eine Lösung parat: das kofferkleine Pendant der klassischen HGÜ-Umrichter. Es heißt HVDC PLUS (HVDC: High Voltage Direct Current) und besteht je nach Leistung aus zwei- bis dreitausend Modulen, die ebenfalls in Nürnberg produziert werden. Statt Thyristoren schalten darin industrieübliche IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistors). "Sie lassen sich schneller und genauer steuern und können den Strom jedes einzelnen Moduls im Millisekundentakt abschalten. So erzeugen sie nahezu perfekte und synchrone Strom- und Spannungskurven, ganz ohne zusätzliche Elemente zur Blindleistungskompensation", erklärt Huang den Unterschied (SVC PLUS).
Von den kompakten Maßen profitieren vor allem große, dicht bebaute Städte. Gerade wird etwa eine 400-MW-HVDC-PLUS-Anlage bei San Francisco aufgebaut, die beim Stromtransport durch die vorgelagerte Bucht der Metropole hilft. HVDC-PLUS-Systeme bieten sich laut Huang aber auch für einen Einsatz auf Ölplattformen oder Offshore-Windparks an. Die geflügelten Kraftwerke profitieren ganz besonders von den guten Regelungsfähigkeiten der neuen Technik, denn ihre Leistungen können zwischen Flaute und Sturm stark schwanken.
Mit den IGBT-basierten Umrichtern im Hochspannungsbereich ist Siemens eine Weltpremiere gelungen, kommen sie doch bisher vor allem in der Antriebstechnik von Elektromotoren oder als Wechselrichter für kleinere Solaranlagen zum Einsatz. Allerdings wird die HVDC-PLUS-Technik trotz ihrer Vorteile die bewährten Thyristor-Umrichter so bald nicht ersetzen. "Sie sind, was die maximal baubare Leistung betrifft, noch nicht so weit wie die klassische Variante und die Leistungsverluste bei der Umwandlung sind zurzeit noch größer", meint Huang.
Ob nun klassisch oder innovativ, beide Modul-Modelle haben eine etwa 30 m lange Montagestrecke hinter sich, bis sie schließlich im Testcenter auf ihre inneren Werte geprüft werden. In dem stählernen Kubus, der innen durch zusätzliche Stahlgitter zu hundert Prozent gegen elektromagnetische Störungen abgeschirmt ist, wird jedes einzelne Bauteil der Module einschließlich der Rahmen und Halterungen unter Hochspannungen von bis zu 100 kV gesetzt und die Stromwerte beobachtet. "So prüfen wir die Spannungsfestigkeit", erzählt Huang. Spannungsüberschläge deuten auf fehlerhafte Kontakte oder Isolationsmängel hin, die behoben werden müssen. Im Extremfall sind sie als Sirren zu hören, in der Regel werden sie von den geschulten Facharbeitern an auffälligen Stromwerten erkannt.
Nach bestandener Qualitätsprüfung werden die Module sorgsam in seefahrttaugliche Verpackungen gehüllt. In Lkws gelangen sie zum Hafen und dann an ihren Bestimmungsort. "Jede Woche gehen hier acht klassische und etwa 100 HVDC-PLUS-Umrichtermodule raus, aktuell für eine HGÜ zwischen Großbritannien und den Niederlanden und für ein HDVC PLUS in den USA ", berichtet Huang. Wegen der steigenden Nachfrage in den vergangenen Jahren hätten die Monteure trotz Wirtschaftskrise die Schlagzahl deutlich erhöhen müssen.

Firewall fürs Stromnetz. Dieser Trend wird sich voraussichtlich fortsetzen, und das nicht nur wegen des stetig steigenden Strombedarfs der Welt. Denn Anlagen aus zwei Umrichtern mit einer kurzen Gleichstromzwischenstufe eignen sich auch als Netzkupplungsstationen und vermitteln etwa in den USA oder Japan zwischen Netzen unterschiedlicher Frequenzen. "Solche Stationen könnten künftig auch einzelne Bereiche einheitlicher Netze vor Störungen schützen, wie eine Firewall einen Computer vor Viren", meint Huang. Das würde auch die Stromversorgung in Europa noch sicherer machen, denn im europäischen Einheitsnetz kann sich eine Netzstörung zurzeit recht leicht ausbreiten. Ein Beispiel dafür ist der Blackout am 4. November 2006. Eine abgeschaltete Hochspannungsleitung über der Ems und ein Überangebot aus norddeutschen Windkraftwerken führten zu einer Kettenreaktion aus Leitungsüberlastungen und automatischen Abschaltungen, die in vielen Teilen Europas die Lichter ausgehen ließ. Millionen Menschen saßen im Dunkeln. Die Auswirkungen bekamen selbst Teile Frankreichs und Spaniens zu spüren.
"Gleichstromkupplungen könnten so eine Ausbreitung zumindest bremsen", meint Huang. Strom mit fehlerhafter Frequenz – in Europa darf sie höchstens 0,5 Hz von den hier üblichen 50 Hz abweichen – würde an jeder der installierten Kupplungsstationen in Gleichstrom übersetzt und der Fehler damit praktisch ausradiert. Am anderen Ende würde eine solche Station stets sicheren Strom mit stabiler, regelkonformer Frequenz ausgeben.
Während die Diskussionen um einen möglichen Einsatz der umrichtergestützten Firewalls noch laufen, arbeiten die Wissenschaftler aus Huangs Team schon an neuen Weltbestleistungen. "Gerade testen wir noch größere Thyristoren für die klassischen Umrichtermodule, um die Modul- und damit die Umrichterleistung noch zu erhöhen", sagt Huang. Und die Forscher optimieren die Steuerung der IGBT für die HVDC-PLUS-Anlagen. Ihr Ziel ist es, die Modulzahl einer Anlage bei gleicher Leistung zu verringern und die Verwandlungskunst in Volt dadurch noch wirtschaftlicher zu machen.