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Aug 14, 2023

Black Starts: Wie das Netz neu gestartet wird

Da wir zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels von einer historischen Hitzewelle heimgesucht werden, ist es schwierig

Während wir zum Zeitpunkt des Verfassens dieses Artikels von einer historischen Hitzewelle heimgesucht werden, fällt es uns im Westen der Vereinigten Staaten schwer, uns eine Zeit vorzustellen, in der Kälte und Eis über dem Land herrschten. Aber eigentlich ist es erst etwa vier Monate her, dass im größten Teil des Landes wieder einmal ungewöhnliches Wetter herrschte, auch an Orten, die für die Bewältigung der Folgen schlecht gerüstet waren. Der mittlerweile sagenumwobene „Februar-Frost“ ließ Millionen, vor allem in Texas, im Dunkeln und in der Kälte umherkriechen, während eine Reihe kaskadierender technischer Ausfälle ihr Stromnetz Stück für Stück, Landkreis für Landkreis, auseinanderrissen.

Das Ereignis wurde viel diskutiert und analysiert, wie es sich für ein Ereignis mit solch weitreichenden Auswirkungen gehört. Heutzutage gibt es viele Diskussionen, aber kaum davon ist informiert oder höflich, und das sind keine guten Nachrichten für diejenigen, die verstehen wollen, was passiert ist und wie man verhindern kann, dass so etwas noch einmal passiert, oder die Auswirkungen zumindest etwas abmildern kann. Das ist zum Teil verständlich, wenn man bedenkt, mit welchen lebensbeeinträchtigenden und oft lebensbedrohlichen Situationen die Menschen plötzlich konfrontiert wurden. Es ist auch schwierig für die Menschen, über ein Ereignis zu diskutieren, das in seinem Umfang und seinen Auswirkungen so weitreichend ist – es gibt einfach zu viel, als dass irgendjemand es verstehen könnte.

Um die aktuelle Diskussion ein wenig einfacher zu gestalten, konzentrieren wir uns auf einen Aspekt des Netzabsturzes im Februar, über den oft gesprochen, aber selten erklärt wird: dass das texanische Netz nur wenige Minuten von einem vollständigen Zusammenbruch entfernt war und dass es Wochen oder mehr gedauert hätte Monate, um es wiederherzustellen, wenn es hätte verschwinden können. Ist das wirklich möglich? Kann das Stromnetz einfach ganz und plötzlich „verschwinden“? Die Antwort lautet leider „Ja“, aber glücklicherweise wurde viel darüber nachgedacht, nicht nur dies zu verhindern, sondern auch, wie man alles neu starten kann, wenn es passiert, indem man einen sogenannten „Schwarzstart“ durchführt.

In gewisser Weise ist das Stromnetz des Planeten die größte und komplexeste Maschine, die wir je gebaut haben. Es scheint eine berechtigte Behauptung zu sein; Allein in den USA und Kanada verfügt das Übertragungsnetz über 120.000 Meilen (190.000 km) Leitungen, die sich über den gesamten Kontinent erstrecken. Und das ist nur das System, um große Mengen Strom von dort, wo er erzeugt wird, zu Umspannwerken in der Nähe von Bevölkerungszentren zu transportieren. Fügen Sie noch die Millionen Kilometer Kabel hinzu, die das Verteilungssystem bilden, das die einzelnen Kunden verbindet, und Sie beginnen, die schiere Größe des Systems zu erkennen. Wenn man dann bedenkt, dass dieses System über 10.000 Erzeugungsanlagen umfasst, von denen jede unabhängig vom Bedarf mit allen anderen Anlagen synchronisiert werden muss, wird die damit verbundene Komplexität deutlich.

Da die gesamte Ausrüstung vorhanden ist, um das Stromnetz über ein so großes Gebiet funktionieren zu lassen, fällt es schwer, sich daran zu erinnern, dass dies nicht immer der Fall war. Das heutige nordamerikanische Stromnetz wuchs nach und nach, begann hauptsächlich in den Bevölkerungszentren im Osten und Mittleren Westen, elektrifizierte zunächst die Städte und dehnte sich später auf die ländlichen Gebiete aus. Der Aufbau auf vorhandenen Systemen ermöglichte es Energieversorgern, nicht nur das hart erkämpfte Wissen darüber zu nutzen, was beim Verlegen von Kabeln und beim Anschließen von Kunden funktioniert und was nicht, sondern auch den Strom bereitzustellen, den sie für ihre Anlagen der neuen Generation benötigen. Die einfache Tatsache ist, dass man Energie braucht, um Energie zu erzeugen, und das ist der Kern des Schwarzstartproblems.

Die Stromerzeugung ist theoretisch einfach, und wir alle haben die Grundlagen schon einmal gelernt – potenzielle Energie in kinetische Energie umwandeln, um einen Magneten in einer großen Drahtspule zu drehen. Doch die Komplexität liegt im Detail. In einem Kohlekraftwerk beispielsweise erfordert das Mahlen der Rohkohle auf die richtige Größe, die als Brennstoff in den Kesseln verwendet werden soll, Strom, ebenso wie die Förderbänder, die die Kessel versorgen, die Aktuatoren, die die Ventile steuern, die Sensoren und Steuersysteme, die dafür sorgen regeln die Drehzahl der Turbinen und die Schaltanlage, die die Generatoren mit dem Netz verbindet. Um Strom zu erzeugen, braucht es Strom, und ein Kraftwerk kann einen erheblichen Teil seines eigenen Stroms nutzen. Wenn eine Anlage 700 Megawatt oder mehr leisten kann, kann die für den Betrieb – oder Neustart – einer Anlage erforderliche Gemeinkosten enorm sein.

Abgesehen von der Ausrüstung, die zum Befeuern und Steuern des Kraftwerks benötigt wird, könnte noch ein weiteres Teil des Schwarzstart-Puzzles ins Spiel kommen: der Erregerstrom. Die meisten Kraftwerke verwenden selbsterregte Generatoren, was bedeutet, dass ein kleiner Teil des von ihnen erzeugten Stroms dazu verwendet wird, die Feldspulen des Generators anzutreiben und so das starke Magnetfeld zu erzeugen, das zur Stromerzeugung erforderlich ist. Sobald ein selbsterregter Generator zum Stillstand kommt, steht kein Strom mehr zur Verfügung, um die Feldspulen zu erregen. Bei kurzen Ausfällen ist dies im Allgemeinen kein Problem, da der Restmagnetismus des Eisens im Rotor des Generators ausreicht, um einen schwachen Stromfluss auszulösen, der dann die Feldspulen erregt und es dem Generator ermöglicht, seine volle Kapazität zu erreichen.

Längere Ausfälle können jedoch dazu führen, dass das Magnetfeld eines Rotors so stark schwächer wird, dass er ein wenig Hilfe beim Anlaufen benötigt. Schwarzstartverfahren müssen dieser Möglichkeit Rechnung tragen, indem sie eine Möglichkeit bieten, die Feldwicklungen mit externer Energie zu „blitzen“. Der Vorgang für kleinere Generatoren ist sehr ähnlich und sollte für jeden im Hinterkopf behalten werden, der einen Generator lagert, ohne ihn tatsächlich herauszunehmen und gelegentlich zu verwenden. Denken Sie daran, dass es bei einem Kraftwerk viel mehr als eine Handbohrmaschine braucht, um die Wicklungen zu blitzen.

Unter der Annahme, dass ein stillgelegtes Kraftwerk noch an das Übertragungsnetz angeschlossen ist und andere Kraftwerke in der Region noch in Betrieb sind, ist der Schwarzstartprozess ziemlich einfach: Nehmen Sie einfach den Strom aus dem Netz, indem Sie Schaltanlagen und Transformatoren verwenden, über die das Kraftwerk genau zu diesem Zweck verfügt . Aber im Falle einer regionalen Katastrophe – wie dem Wintersturm in Texas, bei dem Kondensat an Erdgasbohrköpfen und in den Leitungen, die Kraftwerke versorgen, gefriert und Dutzende Betreiber von Treibstoff abgeschnitten werden – könnten Kraftwerke in einem weiten Gebiet alle gleichzeitig ausfallen. Dies macht es unmöglich, den für den Neustart erforderlichen Strom einzuspeisen. Dieser Zustand wird „Islanding“ genannt und hier kommt das Schwarzstartverfahren des Kraftwerks ins Spiel.

Die Energieversorger zögern verständlicherweise, Einzelheiten öffentlich bekannt zu geben, aber Schwarzstarts von Inselkraftwerken sind im Allgemeinen eine Kaskade von Vorgängen, bei denen nach und nach größere Notstromaggregate ans Netz geschaltet werden, bis genügend Strom zur Verfügung steht, um den Hauptgenerator schwarz zu starten. Der Prozess beginnt normalerweise mit Dieselgeneratoren, die genug Strom produzieren, um die Lichter und Steuerungssysteme des Kraftwerks am Laufen zu halten. Dadurch können Betreiber einen größeren Generator starten, beispielsweise einen Gasturbinen-Blockheizkraftwerk, der dann genügend Strom liefert, um die Pumpen, Ventile, Einspeisungen und Schaltanlagen eines der Hauptgeneratoren in der Anlage zu betreiben. Sobald sich einer davon dreht, können die übrigen Generatoren in der Anlage starten und der Betrieb wiederhergestellt werden.

Alle Verfahren zum Schwarzstart eines Inselkraftwerks werden sorgfältig dokumentiert und die Pläne sollen in regelmäßigen Abständen geübt werden, um sicherzustellen, dass alles funktioniert. Als im vergangenen Februar in Texas die Krise kam und mehrere Kraftwerke isoliert wurden, verlief der Schwarzstartprozess leider alles andere als reibungslos. In einem Bericht hieß es, dass neun von dreizehn Generatoren, die als primäre Schwarzstart-Generatoren vorgesehen waren, nicht funktionierten, während sechs der fünfzehn Generatoren, die zur Unterstützung der primären Schwarzstart-Generatoren vorgesehen waren, ebenfalls ausgefallen waren. Die Probleme mit Generatoren reichten von Frostschäden bis hin zu Kraftstoffproblemen, einschließlich der Unfähigkeit von LKWs, auf vereisten Straßen Heizöl zu liefern.

Auf die Gefahr hin, eine komplexe und weitreichende Reihe von Ereignissen zu stark zu vereinfachen, weil es keine Reifenketten gab, war Texas erstaunlich nahe daran, seine Macht nicht nur für ein paar Tage, sondern für Wochen oder möglicherweise Monate zu verlieren. Dies ist in diesem Fall nicht geschehen, aber nur ganz knapp und durch mehrere Glücksfälle. Wir haben keinen Zweifel daran, dass auch viel Ingenieurskunst und Einfallsreichtum darin steckten, die zögerlichen Schwarzstartgeneratoren wieder ans Netz zu bringen, also Hut ab vor allen, die hart gearbeitet haben, um die Katastrophe abzuwenden. Hoffentlich wird dies als Weckruf dienen und es wird darüber nachgedacht, wie das gesamte Schwarzstartsystem besser konstruiert werden kann, nicht nur in Texas, sondern in jedem Kraftwerk der Welt.