Synchronizität: In den Sunbelt-Staaten werden Gasturbinen und Solarenergie auf völlig neue Weise kombiniert.

(WK-intern) – Die Sunbelt-Staaten von Georgia bis Arizona machen ihrem Spitznamen alle Ehre und bauen derzeit massiv Solaranlagen.

Texas ist aktuell führend, aber auch viele andere Staaten beschleunigen ihren Ausbau.

Laut der US-Energiebehörde (EIA) hat Mississippi in den letzten zwölf Monaten einen Zuwachs von 73 % bei Solarenergie verzeichnet, Louisiana war mit 90 % sogar noch ambitionierter.

Die Stromnetze haben dieses rasante Wachstum im letzten Jahrzehnt recht gut bewältigt. Doch auch sie sind empfindlich und benötigen technische Unterstützung, um mit den zunehmend schwankenden Strommengen zurechtzukommen. Um die Netzstabilität bei steigender Zufuhr erneuerbarer Energien zu gewährleisten, setzen Ingenieure üblicherweise einen sogenannten Synchrongenerator ein. Die Nachfrage nach diesen Synchronkondensatoren – die GE Vernova bereits in Ländern von Großbritannien bis Saudi-Arabien eingeführt hat – steigt weltweit aufgrund ihrer Fähigkeit, die Spannung zu stabilisieren und den Stromfluss zu glätten. Energieexperten bezeichnen diesen Stabilitätsfaktor des Netzes als Trägheit. Sie sorgt für Kurzschlussfestigkeit und unterstützt die Spannungsdynamik. Entgegen der ersten Annahme ist die Trägheit genau das, was das System benötigt.

Vor einigen Jahren begann GE Vernova, zusätzliche Lösungen zur Bewältigung der Herausforderungen der Netzstabilität mithilfe bereits im Einsatz befindlicher Kraftwerksanlagen zu erforschen. Das Ergebnis war eine bahnbrechende Entdeckung: Eine Gasturbine der 7F-Serie kann tatsächlich mit einem Synchronkondensator ausgestattet werden, ohne ihre normalen Erzeugungseigenschaften zu beeinträchtigen. Im vergangenen Jahr arbeitete das Unternehmen mit einem Energieversorgungsunternehmen im Süden der USA zusammen, um ein wegweisendes Projekt zu realisieren, bei dem die Kombination aus Synchronkondensator und Turbine im Feld eingesetzt wurde.

„Das ist eine Premiere“, sagt Louis Veltre, Produktmanager für die 7F-Gasturbine bei GE Vernova Gas Power. „Unser Team für Aeroderivate kann dies bei kleineren Turbinen erreichen, aber dies ist das erste Mal, dass es bei einer Gasturbine in Originalgröße für den Schwerlastbetrieb umgesetzt wurde. Wir sind daher sehr begeistert.“ Angesichts der weltweiten Verbreitung dieser großen Turbinen sind die Auswirkungen äußerst vielversprechend in einer Welt, die weitere Kosteneinsparungen anstrebt und gleichzeitig den Ausbau erneuerbarer Energien vorantreibt.

Turbinen als Multitalente

Laut Veltre wird die Geschichte noch besser. Durch die Integration dieser neuen Funktion in die 7F-Serie werden diese Turbinen im Wesentlichen für eine andere Aufgabe eingesetzt, genau zu der Tageszeit, in der die Solarstromerzeugung ihren Höhepunkt erreicht und sie normalerweise stillstehen würden. „Diese Gasturbinen sind an große Generatoren angeschlossen, die betriebsbereit sind und zur Stabilisierung des Stromnetzes beitragen. Bei starker Solarstromerzeugung stehen die Turbinengeneratoren jedoch still und warten darauf, zur Stromerzeugung hinzugezogen zu werden. So stehen diese wertvollen Anlagen bereits zur Verfügung.“

Das Team untersuchte im Rahmen des Projekts drei verschiedene Lösungsansätze. Zwei davon, die beide den Einbau einer Kupplung vorsahen, erwiesen sich jedoch als zu teuer, zu zeitaufwendig oder beides. Daher entschied man sich für den von GE Vernova zuvor entwickelten kupplungslosen Ansatz. „Diese sechsmonatige Studie war sehr kollaborativ“, so Veltre. „Wir identifizierten alle Risiken und Risikominderungsmaßnahmen und schätzten alle Kosten. Schließlich kamen wir gemeinsam zu dem Schluss, dass die kupplungslose Option die beste Lösung ist.“ Die erfolgreiche Erprobung dieser Lösung erfolgte an einer einzelnen 7F.05-Turbine und lieferte einen Machbarkeitsnachweis, der laut Veltre an anderen 7F.05-Turbinenstandorten in der Region eingesetzt werden könnte.

„Wenn ein so wertvolles Asset bereits vorhanden ist, stellt sich die Frage, wie es unter den verschiedenen Betriebsbedingungen im Tagesverlauf optimal genutzt werden kann“, erklärt Renato Yabiku, Produktmanager für Synchronkondensatoren im Geschäftsbereich Energieumwandlung und -speicherung von GE Vernova.

Eine perfekte Symbiose

Die neue Leistungsfähigkeit der Turbine passt ideal in die sonnenreichen Bundesstaaten der USA, wo während der Spitzenzeiten mittags so viel Solarstrom erzeugt wird, dass das Stromnetz den Überschuss nicht aufnehmen kann und dieser entweder reduziert oder ungenutzt bleibt. Das bedeutet, dass ein Teil des erzeugten Stroms verloren geht, weil das Netz ihn nicht vollständig aufnehmen kann.

Laut Yabiku kann es verschiedene Gründe für diese Reduzierung geben. In manchen Fällen übersteigt die Erzeugung die verfügbare Nachfrage. In anderen Fällen liegt die Begrenzung an einer unzureichenden Kurzschlussfestigkeit, fehlender Blindleistungskompensation oder der Trägheit des Systems, was die Fähigkeit des Netzes, die verfügbare Leistung abzurufen, einschränken kann. In solchen Fällen kann eine zusätzliche Unterstützung durch einen Synchrongenerator – sofern sich die bestehende Gasturbine am richtigen Punkt im Netz befindet – dazu beitragen, die Reduzierung zu verringern.

Die Unfähigkeit, diese CO₂-armen Elektronen zu nutzen oder zu vermarkten, ist ein echter Verlust für die Wirtschaftlichkeit der Solarenergie und für die Umwelt. Veltre erklärt, dass hier etwas Magisches geschieht, denn in Zukunft werden einige Energieversorger in der Lage sein, diese aufgerüsteten 7F-Turbinen mit überschüssigem Solarstrom zu betreiben.

Synchronicity: In Sunbelt States, Gas Turbines and Solar Power Are Being Used Together in an Entirely Original Way

Making good on their nickname, Sunbelt States from Georgia to Arizona are building lots of new solar these days. Texas is currently leading the way, but plenty of other states are cranking up their growth. In the past 12 months, Mississippi has grown solar 73%, and Louisiana has been even more aggressive, hitting 90%, according to the Energy Information Administration.

Power grids have handled this fast growth pretty well over the past decade. But they are sensitive creatures too, and need tech support to help them cope as they increasingly shoulder these large volumes of fluctuating power. To maintain stability on grids as they fill up with renewables, engineers typically add a motor-generator called a synchronous condenser to the mix. Demand for these synchronous condensers — which GE Vernova has rolled out in countries from the U.K. to Saudi Arabia — is rising globally because of their ability to steady voltage and smooth out power flows. Power professionals call this grid stability factor inertia, and it provides short circuit strength and voltage dynamic support. Inertia, contrary to what it sounds like, is exactly what the system needs.

Several years ago, GE Vernova began to explore additional solutions to support grid stability challenges using power generation equipment already in service. The result was a truly novel discovery: A 7F series gas turbine actually can be augmented with synchronous condenser capability while retaining its normal generation features. Last year, the company collaborated with a utility company in the southern U.S. to roll out a first-of-its-kind project putting the sync condenser–turbine combination to work in the field.

“This is a first,” says Louis Veltre, 7F gas turbine product manager at GE Vernova’s Gas Power business. “Our aeroderivatives team can achieve this on smaller turbines, but this is the first time it’s been done on a full-scale heavy-duty gas turbine. So we’re excited about it.” Given the widespread use of these large turbines globally, the implications are very promising in a world looking to realize further cost savings while continuing to expand renewables.

Turning Turbines into Multitaskers

According to Veltre, the story gets even better. The addition of this new capability to the 7F series essentially deputizes those turbines into a different kind of work, precisely at the time of day when solar generation is peaking and they’d normally be idle. “These gas turbines are attached to massive generators ready for operation that can help to stabilize the grid. But when solar is strong, the turbine generators are just sitting idle, waiting to be dispatched for power generation only. So you have these great assets already.”

The team explored three different solutions during the project, but two of those, which both involved adding a “clutch,” were found to be expensive or time-consuming or both. Instead they went with the “clutchless” path GE Vernova had previously developed. “This whole six-month study was very collaborative,” says Veltre. “We identified all the risks, risk mitigations, and estimated all the costs. In the end, we mutually agreed that the clutchless option was the best approach.” The testing of that solution, now successful, was run on a single 7F.05 turbine, creating a proof of concept that Veltre says could be rolled out at other 7F.05 turbine sites in the region.

“When such a valuable asset is already available, the question becomes how to make the best use of it across the operating conditions that can occur throughout the day,” says Renato Yabiku, product manager for synchronous condensers in GE Vernova’s Power Conversion and Storage business.

A Perfect Symbiosis

The turbine’s new capability dovetails beautifully in Sunbelt states, which generate so much solar during peak midday hours that the grid can’t handle the surplus and it has to be curtailed or wasted — meaning that some of the electricity that’s generated has to be reduced or lost because the grid can’t use it all at that moment.

Curtailment can happen for more than one reason, Yabiku points out. In some cases, generation exceeds available demand. In others, the limitation is tied to insufficient short-circuit strength, reactive power support, or inertia in the system, which can restrict the grid’s ability to dispatch available power. In those cases, additional synchronous condenser support — if the existing gas turbine generator is located at the right point on the grid — can help reduce curtailment.

To not be able to use or charge for those low-carbon electrons is a real loss for the economics of solar, and for the environment. Veltre explains that a bit of magic takes place here, because in the future some utilities will be able to power those augmented 7Fs with surplus solar.