Transformatoren für Geothermiekraftwerke: Spezifikation hinsichtlich H2S-Korrosion, Dauerlast und abgelegener Standorte

Ein Betreiber eines Geothermiekraftwerks im Rift Valley schickte uns nach achtzehn Monaten Betrieb eine 12-MVA-Steigerungseinheit zur Inspektion zurück. Elektrisch war nichts ausgefallen. Ausgefallen war jedoch die Lackierung: Die Tankbeschichtung war entlang des Kühlerblocks aufgebläht bis hin zu blankem Stahl, die Kupferanschlussbolzen waren grün-schwarz verfärbt, und das Silikagel im Entfeuchter hatte innerhalb weniger Wochen nach Inbetriebnahme eine dunkle Färbung angenommen. Verursacher war Schwefelwasserstoff – jenes Gas, das ein geothermisches Feld wirtschaftlich erschließbar macht, greift jedoch sämtliche daran befestigten Komponenten an.

Die Einheit wurde korrekt bewertet. Sie wurde jedoch nicht korrekt spezifiziert. Dieser Unterschied entscheidet darüber, ob eine geothermiekraftwerk-Transformator ihnen fünfundzwanzig Jahre Baseload-Betrieb bietet oder bereits beim ersten größeren Ausfall ausgetauscht werden muss.

 

 

Warum Geothermie eine schwerere Betriebsbelastung darstellt als Solar- oder Windenergie

Das US-Energieministerium (DOE) beschreibt Geothermie als Baseload-Strom mit einer kapazitätsfaktor auslastungsrate von rund 90 %, was bedeutet, dass ein Geothermiekraftwerk nahezu kontinuierlich mit maximaler Leistung läuft und dabei intermittierende Energiequellen wie Wind und Solar ausgleicht. Diese einzige Zahl verändert die Transformatorbelastung grundlegend. Die vollständige Beschreibung finden Sie auf der DOE Office of Geothermal-Website .

Ein Transformator altert nicht aufgrund der Spitzenlast, sondern aufgrund der Zeit bei erhöhter Temperatur. Eine Einheit auf einer Solarfarm wird am Nachmittag stark beansprucht und hat dann eine lange, kühle Nacht zur Erholung. Eine Geothermieeinheit erhält diese Erholungsphase niemals. Sie verbleibt während der gesamten Betriebszeit – auch nachts und an Wochenenden – nahe ihrer Nennlast.

Die folgende Tabelle zeigt, warum dieselbe kVA-Angabe drei verschiedene Spezifikationen bedeutet:

Pflanzenart	Kapazitätsfaktor	Transformatorlastprofil	Dominierende Spannung
Solar-PV	20% - 25%	Tägliche Lastrampe, Nachts im Leerlauf	Thermisches Zyklieren, Oberschwingungen durch Wechselrichter
Wind	30 % – 45 %	Unterbrochen, stark schwankend	Zyklieren, lastbedingte Oberschwingungen
Geothermie	etwa 90%	Nahe der Nennlast, rund um die Uhr	Dauerhafte Wicklungshotspot-Temperatur, H2S-Korrosion, Zugang zu abgelegenen Standorten

 

H2S: Der Ausfallmodus, der selten in das Datenblatt eingeht

Schwefelwasserstoff tritt in geothermischen Dampf- und Soleströmen in Konzentrationen von wenigen ppm bis zu mehreren hundert ppm auf. Auf diesen Konzentrationsstufen stellt er keine Brandgefahr dar – genau deshalb wird er bei der Beschaffung oft ignoriert. Was er jedoch ist, ist ein Metallräuber. H2S-Korrosion greift Kupfer und Silber bevorzugt an und bildet Sulfidfilme, die den Übergangswiderstand an allen verschraubten und beschichteten Verbindungen im Strompfad erhöhen.

In der Praxis betrifft dies Isolierstutzenbolzen, Schaltkontakte von Laststelltransformatoren, Abschlüsse der Steuerungsverkabelung sowie sämtliche silberbeschichteten Verbindungen innerhalb des Anschlusskastens. Wir haben geothermische Aggregate geöffnet, bei denen die Wicklungsisolierung einwandfrei getestet wurde, während die Schaltkontakte des Laststelltransformators der Grund dafür waren, dass das Gerät außer Betrieb genommen werden musste. Die Abhilfe liegt in der Werkstoffauswahl: Verzichten Sie bei geothermischen Bestellungen vollständig auf Silberbeschichtungen; verwenden Sie stattdessen verzinnte Kupfer- oder vernickelte Kontaktflächen, und versiegeln Sie den Steuerschrank mit einer Dichtung statt mit einem gelochten Lüftungsgitter.

Das Ölerhaltungssystem ist genauso wichtig. Ein frei atmender Ausgleichsbehälter saugt täglich luftfeuchte, mit Schwefelwasserstoff (H2S) beladene Luft in das Öl, wenn sich der Gasraum im Tank verkleinert. Für Geothermie-Anwendungen spezifizieren wir einen abgedichteten Entlüfter mit Lufttrockner oder eine vollständig hermetisch abgedichtete Konstruktion, sofern die Bemessung dies zulässt. ölgetränkte Transformatoren diese einzige Entscheidung schützt gleichzeitig das Öl, die Isolierung und die Schaltkontakte des Laststufenschalters.

 

Dimensionierung eines Transformators für ein Geothermiekraftwerk mit 90 % Auslastungsfaktor

Führen Sie die Berechnung durch, bevor Sie die Nennleistung festlegen. Bei einem Auslastungsfaktor von 90 % kapazitätsfaktor akkumuliert eine Geothermieanlage jährlich rund 7.880 Betriebsstunden unter Last. Eine Solaranlage mit 25 % erreicht etwa 2.190 Stunden. Der Geothermietransformator verbringt daher jedes Jahr rund dreieinhalbmal so viele Stunden bei erhöhter Temperatur, und thermische Alterung ist kumulativ.

Das ist der Grund, warum wir für geothermische Anwendungen einen Wicklungstemperaturanstieg von 55 K anstelle des Standardwerts von 65 K angeben, den die meisten Verteilungsspezifikationen vorsehen. Ein geringerer Auslegungsanstieg führt zu einer niedrigeren Hot-Spot-Temperatur, und eine niedrigere Hot-Spot-Temperatur verlängert die Isolationslebensdauer. Der Kompromiss ist real: Rechnen Sie mit einem größeren Kern, einer größeren Kühlerfläche und einem schwereren Tank bei gleicher Scheinleistung (kVA).

Generator-Hochsetztransformatoren in Flash- und Binärkraftwerken heben typischerweise die Generatorspannung im Bereich von 4,16 kV bis 13,8 kV auf eine Sammelschiene von 34,5 kV oder eine Übertragungsverbindung von 69 kV bis 138 kV an. Dimensionieren Sie das Gerät auf Basis der Generator-MVA-Leistung zuzüglich der parasitären Last des Kraftwerks – Kühltürme, Umwälzpumpen für Kühlwasser, Vakuumsysteme und Gasabsaugung – und überprüfen Sie dann die Nennleistung anhand des Lastprofils statt anhand einer einzelnen Typenschildangabe. Falls das Kraftwerk während dampfreicher Perioden über der Nennleistung betrieben werden soll, fordern Sie nachweislich die Überlastfähigkeit gemäß dem IEEE C57.91-Ladeführer an, statt sie lediglich anzunehmen.

 

Kühlung, Beschichtung und Spezifikation des Lackierungssystems

Geothermische Standorte befinden sich häufig an Küsten oder in vulkanischen Gebieten, wodurch zwei Korrosionsfaktoren zusammentreffen: Schwefelwasserstoff von der Prozesseite und chloridhaltige Luft von der maritimen Seite. Das Beschichtungssystem ist ein Spezifikationspunkt, kein abschließendes Detail. Nennen Sie die Korrosivitätskategorie in der Anfrage und verpflichten Sie den Lieferanten ausdrücklich dazu. Die ISO 12944-2-Klassifizierung von Umgebungen definiert die Kategorien C1 bis CX und stellt die gemeinsame Sprache dar, auf der Käufer und Hersteller gleichermaßen aufbauen können; C5-M ist die Kategorie für küstennahe und maritime Exposition.

Für eine geothermische Bestellung an einem Küstenstandort bieten wir ein System aus Epoxid-Grundierung, Epoxid-Zwischenschicht und Polyurethan-Decklack mit einer Gesamttrockenschichtdicke von etwa 320 Mikrometern an, das auf einem feuerverzinkten oder strahlgesäuberten Untergrund aufgetragen wird. Kühlerlamellen erhalten eine gesonderte Behandlung: In einer geothermischen Anlage sammeln die Lamellen sowohl Staub als auch Sulfid, und eine dünne Lamellenbeschichtung, die im Binnenland ausreichend ist, kann nach zwei Saisons bereits verschwunden sein. Geben Sie den Korrosionsschutz für die Lamellen ausdrücklich vor.

Auch die Kühlung selbst erfordert eine erneute Prüfung. Eine Einheit, die nahe ihrer Nennlast rund um die Uhr bei einer Umgebungstemperatur von 40 bis 50 °C läuft, verfügt über keinerlei Reserve. Überprüfen Sie die berechnete Wicklungshotspot-Temperatur anstelle von 30 °C unter Berücksichtigung der tatsächlichen Standortumgebungstemperatur und stellen Sie sicher, dass Lüfter-gestützte Kühlstufen mit unabhängigen Stromversorgungen spezifiziert sind, damit ein Fehler in der Steuerschaltung nicht den Ausfall der zweiten Kühlstufe zur Folge hat.

 

Höhenlage, Erdbebenzonen und Transport der Einheit zum Standort

Viele der weltweiten Geothermiefelder liegen über 1.000 Metern: der Olkaria-Komplex in Kenia, Teile Indonesiens sowie weite Abschnitte des ostafrikanischen Grabenbruchs. Sowohl die Isolationsfestigkeit als auch die Kühlleistung nehmen mit zunehmender Höhe ab; daher ist eine Einheit, die für Meereshöhe spezifiziert wurde, nicht identisch mit derselben Einheit auf 2.000 Metern. Korrekturfaktoren müssen sowohl für die Isolationsstufe als auch für die Kühlberechnung angewendet werden, und die Berechnung sollte im Prüfbericht dargestellt – statt lediglich behauptet – werden.

Die Erdbebensicherung ist die zweite geografische Einschränkung. Die Rift-Valley-, isländischen, indonesischen und kalifornischen Felder liegen alle in aktiven seismischen Zonen, und der Transformator ist das schwerste Gerät in der Umspannstation. Das bedeutet, dass die Verankerungskonstruktion, die Tragfähigkeit der Fundamentplatte sowie bei Versorgungsprojekten die Erdbebensicherheitszertifizierung nach IEEE 693 berücksichtigt werden müssen. Eine allgemeine geschweißte Stahlunterkonstruktion erfüllt nicht die Anforderungen einer erdbebensicheren Konstruktion.

Dann gibt es die Logistik – ein Aspekt, der Käufer häufiger überrascht als irgendein elektrischer Parameter. Geothermische Felder sind meist nur über lange, schlecht ausgebaute Zufahrtsstraßen mit strengen Achslastbegrenzungen erreichbar. Der Transport einer vollständig montierten Einheit mit einem Gewicht von 40 Tonnen zu einem abgelegenen Feld kann unmöglich sein. Die praktikable Lösung ist eine Konstruktion, die zerlegt transportiert wird: der Tank ohne Öl, die Kühler separat verpackt, die Durchführungen in speziellen Transportbehältern sowie eine dokumentierte Montagefolge vor Ort mit vorgegebenen Drehmomentwerten. Unser öl-gekühlter-Transformator-Bereich wird regelmäßig in dieser Konfiguration für abgelegene Erzeugungsprojekte geliefert.

 

 

Wie Ryan Electric eine Einheit für geothermische Anwendungen vorbereitet

Jede geothermische Bestellung durchläuft eine andere Spezifikations-Checkliste als eine Standard-Verteilungseinheit. Materialersetzungen werden in der Stückliste dokumentiert, damit der Käufer sie prüfen kann: keine versilberten Kontakte, versiegelte Öl-Konservierung, C5-M-Beschichtung, verifizierte Höhen-Derating, dokumentierte seismische Verankerung. Der Routine-Prüfbericht enthält dann die für die Inbetriebnahme erforderlichen Daten zum Kaltwiderstand und zum Übersetzungsverhältnis, gemessen an den tatsächlich gelieferten Abgriffpositionen.

Wir fertigen in einer 120.000-Quadratmeter-Anlage mit mehr als 180 Produktions- und Prüfeinrichtungen sowie 37 Patenten und besitzen Zertifizierungen nach UL, CSA, IEEE, DEKRA, CNAS und CE. Seit 2023 agiert Ryan Electric als offizieller Joint-Venture-Partner von Eaton; diese Partnerschaft hat unsere Dokumentationsstandards weiter verschärft. Die Geräte, die wir an Standorte mit hoher Korrosionsbelastung, großer Höhe oder abgelegener Lage liefern, basieren auf derselben Plattform wie jene für Rechenzentren, Versorgungsunternehmen und Bergbaukunden – spezifiziert genau für die vor Ort gegebenen Bedingungen.

 

Was in eine Anfrage für einen Geothermie-Transformator (RFQ) aufzunehmen ist

Die meisten Geothermie-RFQs, die wir erhalten, nennen lediglich Spannung, Leistung und Impedanz – und enden dort. Diese drei Angaben beschreiben keine Geothermie-Aufgabe. Fügen Sie diese sieben zusätzlichen Angaben hinzu, damit das Angebot vergleichbar zwischen verschiedenen Lieferanten wird:

H2S-Konzentration. Gemessener Gehalt in ppm im Dampf oder in der Sole sowie Angabe, ob der Standort küstennah liegt.

Umgebungsbedingungen und Höhenlage des Standorts. Konstruktiv vorgesehene maximale Umgebungstemperatur in °C und Höhe über dem Meeresspiegel.

Korrosivitätskategorie und Beschichtungssystem. ISO-12944-2-Kategorie sowie erforderliche Trockenfilmstärke.

Lastprofil und Kapazitätsfaktor. Erwartete jährliche Betriebsstunden unter Last, nicht nur die Nennleistung in kVA.

Temperaturerhöhung der Wicklung und Hot-Spot-Grenzwert. Geben Sie die gewünschte Temperaturerhöhung an oder fordern Sie vom Lieferanten eine Begründung des Standardwerts an.

Erdbebenanforderung. Ob die Qualifizierung nach IEEE 693 erforderlich ist oder ob standortspezifische Verankerungskriterien gelten.

Transportbeschränkungen. Maximales Einzelgewicht, Straßenbeschränkungen und ob eine Montage vor Ort erwartet wird.

 

Bevor Sie die nächste Erdwärme-Einheit spezifizieren

Senden Sie uns die Feld-Daten – H2S-Konzentration, Umgebungsbedingungen, Höhe über dem Meeresspiegel, seismische Zone und Lastprofil – und unser Ingenieurteam liefert Ihnen ein Datenblatt mit den erforderlichen Materialsubstitutionen, der Kühlberechnung und dem Transportplan. Wir bevorzugen es, über das Beschichtungssystem auf Papier zu diskutieren, statt eine Kühlerbank vor Ort auszutauschen.

Über den Autor: Dieser Artikel wurde vom Ingenieurteam bei Ryan Electric (Jiangsu Ryan Transformers) verfasst, einem Hersteller von Gießharz-, ölgekühlten und platzsparenden Transformatoren, der seit 2007 Versorgungsunternehmen, Rechenzentren, Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien sowie Industriekunden bedient. Das Team arbeitet täglich mit den Anforderungen der Normen IEEE C57 und IEC 60076 und unterstützt Projektentwickler sowie EPC-Unternehmen bei der Spezifikation, der Werksprüfung und der Inbetriebnahme vor Ort.