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Sonntag, 21. Januar 2018

Wasserkraft

Zauberstäbe für die Wasserkraft der Zukunft

Von Stephan W. Eder | 5. Dezember 2014 | Ausgabe 49

Eine kilometerlange Staumauer bauen, eine Kaverne größer als die Haupthalle des Zürcher Hauptbahnhofs in den Berg sprengen – das sind Szenarien, die man mit Pumpspeicherkraftwerken verbindet. So auch beim Projekt Linthal 2015 in der Schweiz. Technologisch richtig spannend aber wird es im Detail: Damit dieses riesige Kraftwerk technologisch zukunftsfähig ist, tüfteln Ingenieure und Techniker bei Alstom am Standort Birr jahrelang an so unscheinbaren Komponenten wie Rotorstäben.

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Foto: Stephan W. Eder

Rotoren im Pumpspeicherkraftwerk Linthal: Außen an den meterhohen Anlagen für die Asynchrongeneratoren sind die montierten Stäbe in schwarz zu erkennen.

Kein Tageslicht kommt in diesen Raum. Es ist leicht schummrig. Kaum ein Ton ist aus der großen Werkshalle zu hören, sobald die Tür ins Schloss fällt. Gestelle mit Fahrschienen, überzogen mit Harzresten, bizarr erstarrt wie herabgelaufener Kerzenwachs, stehen vor Kammern, die aussehen wie Öfen. Man hat den Eindruck einer Art überdimensionierten Backstube – hergestellt wird hier aber Hightechequipment für Wasserkraftwerke durch einen internationalen Großkonzern.

Im schweizerischen Birr stellt der französische Technologiekonzern Alstom in einer riesigen, denkmalgeschützten Werkshalle Rotoren für Wasserkraftwerke her. Nur Rotoren, nichts anderes.

Rotoren, auch Läufer genannt, sind zentraler Teil einer jeden elektrischen Maschine. Umwickelt mit Kupferleitern sitzt der Rotor im Inneren der Maschine und bewegt sich gegenüber dem äußeren Stator. Zusammen bilden sie den Generator. Induktion erzeugt das elektrische Feld und somit Strom. So passiert das in Kraftwerken seit über hundert Jahren.

Wasserkrafttechnik in einem Pumpspeicherkraftwerk am Beispiel Linthal 2015

Birr ist für Alstom außerdem das weltweite Kompetenzzentrum der Hydro-Generatorentwicklung. „Wir machen hier alles, was die Entwicklung auf dem Generator angeht“, erklärt Forschungs- und Entwicklungsleiter Alexander Schwery. „Zusammengesetzt wird dann alles im Kraftwerk – in diesem Fall in der Kaverne des Pumpspeicherkraftwerks Linthal“, erklärt er. Denn für dieses Großprojekt des Schweizer Betreibers Axpo will Alstom erstmals eine neuentwickelte Technologie für Wasserkraftwerke einsetzen: neuartige, in der Drehzahl regelbare Asynchronmaschinen. Sie machen das gute alte Pumpspeicherkraftwerk zu leistungsgesteuerten Kraftwerken.


Alstom will die alte Technik fit machen für die Strommärkte der Zukunft. Denn die alte Technik – basierend auf Synchronmaschinen – lassen sich im Pumpbetrieb nur schlecht regeln. „In der Konsequenz kann man mit einer Synchronmaschine in der Energieproduktion die Leistung schön einstellen, man kann das Speichern aber nur blockweise machen, also: ,Alles oder nichts‘“, erklärt Schwery.

Übertragen auf das im Bau befindliche Pumpspeicherkraftwerk Linthal 2015 hieße das, so Schwery: „Das sind vier Blöcke mal 250 MW. Beim Pumpspeichern ließen sich dann nur jeweils diese Blöcke im Speicherbetrieb betreiben – oder eben nicht.“ Die Leistungsentnahme aus dem Stromnetz erfolgt bei Synchronmaschinen also mit diskreten Werten, deren Höhe durch die Leistung der eingesetzten Maschinen vorgegeben ist. Erst wenn diese Leistung erreicht wird, kann das Kraftwerk pumpen. Mit den von Alstom neu entwickelten Asynchronmaschinen geht das vor allem im mittleren und oberen Leistungsbereich kontinuierlich.

So eine Rotorwicklung für den Asynchrongenerator eines Wasserkraftwerks sieht etwas anders aus als der eines kleinen Elektromotors. Die sicherlich mehr als 10 m langen fertigen Stäbe mit den gekröpften Hockeyschläger-Enden lassen sich nämlich nicht „wickeln“. Sie werden erst im Kraftwerk Linthal vor Ort einer nach dem anderen auf den zylindrischen, mehr als haushohen Rotorblock von Hand montiert und verbunden. Die Kunst liegt in der Stabgeometrie selbst – sie ist hochkomplex. Was das Werk in Birr verlässt, muss also 100 % stimmen.

Für diese Asynchronmaschinen bekommen die Rotorwicklungen in dem Raum ohne Tageslicht die finale Geometrie; die schwarze Hauptisolation wird in vielen Lagen auf die Kupferstäbe aufgewickelt. Seit Wochen und Monaten schieben Arbeiter – wenn gerade keine Pause ist – einen der Rotorstäbe nach dem anderen in die Imprägnieranlage. Dort wird erst der Stab vakuumiert, schließlich fluten sie den Drucktank mit den Stäben mit Imprägnierharz, sodass sich die trockenen Bandlagen mit Harz restlos füllen. Schließlich werden die imprägnierten Stäbe in großen Heißluftöfen ausgehärtet.

„Wenn die Rotorstäbe nachher um den Rotorkörper gelegt werden, haben wir einen Abstand zwischen den Stäben von 12 mm. Auf 5 m Stablänge haben wir dabei eine Toleranz von 1 mm, die wir einhalten müssen“, erklärt Entwicklungsingenieur Andreas Klöpfler. „Zudem sollen die Rotorstäbe für dieses Projekt austauschbar sein, wir müssen die Geometrie also sehr gut reproduzieren können.“

Nach dem Backen sind die Stäbe fertig – unwiderruflich, wie Köpfler erklärt. „Danach werden die Stäbe noch intensiv getestet, aber bei Fehlern können wir im Nachhinein kaum noch etwas machen.“ Ein 3-D-Laserscannsystem erfasse hochpräzise die Geometrie, in einem Hochspannungsprüffeld testen die Mitarbeiter die elektrischen Eigenschaften des Stabes.

„Wir haben spezielle Testgeräte entwickeln müssen“, erläutert Köpfler. Über ein Jahr lang haben die Forscher im Werk einen Testrotor im Maßstab 1:1 in der großen Halle stehen gehabt, um die neue Technik auf Herz und Nieren zu prüfen.

Bei einer Asynchronmaschine müssten die einzelnen Lagen der Rotorstabwicklung je nach Funktion unterschiedlich ausgelegt sein, so Schwery. Die richtige Geometrie ist extrem wichtig. Das geht nur in enger Zusammenarbeit mit den Fachleuten in der Fertigung.

„Ich kann mir nicht vorstellen, so etwas Komplexes zu entwickeln, ohne, wie hier bei uns in Birr, die Nähe von Entwicklung und Produktion zu haben“, sagt Schwery. „Die Leute, die hier bei mir in der Forschung arbeiten, und die Mitarbeiter der Fabrik, die kennen sich gut. Unsere Leute gehen ständig nach unten und probieren aus, was sie sich überlegt haben.“

„Solch eine enge Zusammenarbeit zwischen Herstellung und Entwicklung haben wir normalerweise nicht“, bestätigt Köpfler aus eigener Erfahrung. Vor fünf Jahren ist er für dieses Projekt nach Birr gekommen, der junge Entwicklungsingenieur ist sichtlich begeistert von seinen Erfahrungen: „Das ist eine besondere Zeit. So viel tut sich in der Kraftwerkstechnik nicht immer und ich bin begeistert, dass ich dabei sein darf.“

In der großen Halle in Birr ist der Bereich, in dem die speziellen Rotorstäbe für Linthal gefertigt werden, nur ein kleines Areal. Rotorstäbe für Synchronmaschinen werden hier ebenso hergestellt wie Läufer für andere, thermische Kraftwerke.

Die Herstellung von großen Rotorstäben lässt sich nur schwer automatisieren. Schon gar nicht in diesem Fall. Es ist eher Manufakturgeschehen. Denn der fertige einzelne Stab ist ein komplexes, aus Kupferbändern kunstvoll in sich selbst gewickeltes Produkt.

Zu Anfang schichten die Arbeiter Kupferbänder von jeweils mehreren Zentimetern Kantenmaß in gegeneinander isolierten Lagen. Nach einem besonderen Muster werden sie miteinander verflochten, gebogen und schließlich verlötet, sodass ein einziger durchgehender, gewickelter Leiter entsteht. „Verroebelung nennt man das“, erklärt Köpfler.

Verroebelung

Der deutsche Ingenieur Ludwig Roebel ersann die Technik Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts, als er beim Alstom-Vorläufer Brown, Boveri & Cie. im Werk Käfertal in Mannheim arbeitete. „Jeder Teilleiter nimmt jede Position dabei einmal ein“, erläutert Köpfler. Im Endeffekt werden dadurch die Wirkungen der magnetischen Streufelder auf den Stab ausgeglichen und der gesamte Kupferquerschnitt nahezu gleichmäßig genutzt.

Die so verroebelten Kupferstäbe werden dann durch einen Heißpressprozess noch mit einem Innenglimmschutz versehen. „Grünstab nennen wir sie, wenn die Hauptisolation noch fehlt“, erklärt der Entwicklungsingenieur.

Mit Kränen unterstützt bewegen sich die meterlangen Stäbe peu à peu von einer Station zur nächsten durch die Montagehalle. Schließlich wird der Stab gebogen: „Das können wir nur zum Teil maschinell machen – die Biegegeometrie an den jeweiligen Enden der Rotorstäbe ist hochkomplex, das geht aktuell nur von Hand“, erklärt Andreas Köpfler.

Erfahrung und Präzision ist daher gefragt von den Arbeiterinnen und Arbeitern. Wenn sie einen der Linthalstäbe bewegen, sichern ihn gleich zwei Arbeiterinnen ab, ihr Handling wirkt routiniert, gleichzeitig vorsichtig. Hektik darf nicht aufkommen an den einzelnen Stationen dieser Herstellung.

124 km entfernt von Birr, „am Ende der Welt“, wie die Einheimischen des Kanton Glarus diesen Winkel der Schweiz mitunter nennen, wacht Simon Gauch darüber, dass auf dem Alstom-Teil der riesigen Baustelle des Kraftwerkes Linthal in punkto Arbeitssicherheit alles mit rechten Dingen zugeht.

Jedes Teil, das in der Maschinenkaverne seinen Platz finden muss, kommt per Seilbahn zur Baustelle. Drei tun dort seit Jahren ihren Dienst für das Großprojekt. Eine für die Personen, die weltgrößte Luftseilbahn für die Lasten und – für die absoluten Schwertransporte – noch eine extra durch das Massiv gebohrte Standseilbahn.

Der 36-jährige Sicherheitsmanager wäre liebend gerne täglich vor Ort auf der Baustelle: „Aber das geht derzeit leider nicht mehr.“ Zu viel Papierkram, dann müssen die Kollegen nach oben in den Berg. Und dabei hätte Gauch viel, nach dem er sehen müsste, denn Alstom liefert die kompletten Generatoren und auch die Francisturbinen für Linthal.

Die große Maschinenkaverne des Pumpspeicherkraftwerkes mitten im Berg ist nur von Kunstlicht erhellt. In der riesigen Halle, die größer sein soll als die Haupthalle des riesigen Zürcher Hauptbahnhofs, wird gearbeitet, aber die Geräusche verlieren sich des Raumes.

Hinten, vom Eingang aus gesehen, steht einer der haushohen Rotoren, die Stäbe sind teilweise angebracht, eine Plastikumhüllung schützt vor Staub und Schäden. Dort haben Alstom-Monteure auch eine Werkstatt eingerichtet. Auf Böcken lagert – im leicht schummrigen Licht – ein einzelner schwarz umwickelter Rotorstab. Gauch grüßt die Techniker, schaut kurz nach dem Rechten, wenn er schon mal hier sein kann.

Der erste Rotor ist inzwischen fertiggestellt und hat seinen Platz im Inneren des Generators gefunden. Zu sehen ist dann so gut wie nichts mehr vom Meisterwerk der Alstom-Ingenieure. 

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