Wie ein Transformatormangel das Netz bedroht

ROANOKE, Virginia – Ein Hochspannungsnetztransformator, so groß wie ein Eisenbahnwaggon, steht hier auf der Laderampe einer Fabrik und ist bereit, als unverzichtbarer Bestandteil des Stromnetzes des Landes Strom über Übertragungsleitungen zu transportieren.

Die Virginia Transformer Corp. wird in diesem Jahr 550 dieser Transformatoren ausliefern und geht davon aus, im nächsten Jahr in ihrem Werk hier und in drei weiteren nordamerikanischen Anlagen 665 zu produzieren. Aber es ist eines von nur acht Unternehmen in den Vereinigten Staaten, die in der Lage sind, die größten Transformatoren des Landes herzustellen – und die Lieferungen sind aufgrund der Covid-19-Pandemie weit hinter dem Zeitplan zurückgeblieben.

Tatsächlich herrscht in den Vereinigten Staaten ein Mangel an Transformatoren – von kleineren Mastaufsätzen auf Stadtstraßen bis hin zu den riesigen Einheiten von Virginia Transformer –, und zwar aus unterschiedlichen Gründen je nach Ausstattung. Das bedeutet, dass es den Energieversorgern schwerfallen könnte, genügend neue Wind- und Solarenergie zu installieren, um die Netto-Null-Ziele des Landes zu erreichen, und das Licht am Laufen zu halten, wenn Stürme ihre erschöpften Transformatorvorräte beschädigen.

Am Mittwoch schickten öffentliche Energie- und Genossenschaftsunternehmen einen Brief an Energieministerin Jennifer Granholm, in dem sie die Krise betonten und das Energieministerium aufforderten, Mittel aus dem neuen Klimagesetz zu nutzen, um die Produktion kleinerer Transformatoren in den USA anzukurbeln. Es werde mittlerweile durchschnittlich ein Jahr oder länger dauern, bis Bestellungen für Verteiltransformatoren eingehen.

„Wenn wir heute nicht handeln, riskieren wir, dass wir uns morgen nicht von einem Sturm erholen können“, schrieben die Führer der American Public Power Association und der National Rural Electric Cooperative Association. „Langfristig könnte es bedeuten, dass die von der Biden-Regierung angestrebten Elektrifizierungsziele nicht erreicht werden können. In der Zwischenzeit wächst der Rückstand bei Verteiltransformatoren weiter.“

Das DOE reagierte am Mittwoch nicht auf eine Bitte um Stellungnahme.

Das Problem nimmt seit Jahren zu, wobei Bundesbehörden sowohl unter der Trump- als auch unter der Biden-Regierung Alarm schlagen. Ein Bericht des Handelsministeriums aus dem Jahr 2020 befürchtete die Importabhängigkeit der USA, während der diesjährige DOE-Bericht die Notwendigkeit von Transformatoren für den Aufbau eines kohlenstofffreien Netzes betonte.

Der DOE-Bericht kommt zu dem Schluss, dass die Versorgung mit neuen Transformatoren dramatisch vervielfacht werden muss, wenn das Stromnetz des Landes mit neuer Wind- und Solarenergie sowie dem Laden von Elektrofahrzeugen gefüllt werden soll. DOE und Commerce warnten außerdem, dass die Versorgung mit Transformatoren ein Problem der nationalen Sicherheit sei – auch ohne den zusätzlichen Druck einer Umstellung auf saubere Energie.

Die meisten derzeit in den Vereinigten Staaten in Betrieb befindlichen Transformatoren haben ihre vorgesehene Lebensdauer fast erreicht oder überschritten; Extreme Stürme treffen die Netzinfrastruktur stärker und erschöpfen die Transformatorreserven; und die Covid-19-Pandemie unterbrach die Versorgungsleitungen für Komponenten und verdoppelte in einigen Fällen die Lieferzeiten (Energywire, 22. August).

Große Transformatoren sind synchronisiert, um über Netzwerke mit mehreren Bundesstaaten zusammenzuarbeiten, und verarbeiten Ausgangsspannungen von bis zu 765 Kilovolt – oder 750.000 Volt – von Kraftwerken mit fossilen Brennstoffen sowie Solar- und Windparks. Am Ende der Leitung drosseln Transformatoren die Ausgangsleistung, bis sie den 240-Volt-Standard erreicht, um eine sichere Versorgung der Haushalte zu gewährleisten.

Laut einer im DOE-Bericht zitierten Analyse von Global Market Insights kauften nordamerikanische Energieversorger im Jahr 2020 1.300 Transformatoren. Der geschätzte Bedarf im Jahr 2027 wird mehr als doppelt so hoch sein.

Die Nachfrage nach den 4 Millionen US-Dollar teuren großen Leistungstransformatoren wird voraussichtlich von 700 im Jahr 2019 auf 900 im Jahr 2027 steigen, berichtete das DOE.

Vor fast zwei Jahrhunderten demonstrierte der britische Wissenschaftler Michael Faraday die einzigartige Leistungsfähigkeit eines Transformators, indem er Schleifen aus isolierten Drähten um eine Eisenstange wickelte und dann einen zweiten isolierten Draht über den ersten wickelte.

Diese Grundtechnik ist auch heute noch das Funktionsprinzip von Transformatoren.

Ein Wechselstrom (AC), der durch den ersten Draht geleitet wird, löst dank der Kraft des Elektromagnetismus einen Strom im zweiten Draht aus. Die Spannung im zweiten Draht erhöht sich, wenn dieser öfter um die Eisenstange gewickelt wird als der erste Draht. Durch die Verdoppelung der Wicklung verdoppelt sich die Spannung.

Der Pittsburgher Industrielle William Stanley nannte es eine „vollständige und einfache Lösung für ein schwieriges Problem“ – und baute damit ein halbes Jahrhundert nach Faradays Entdeckung den ersten kommerziellen Transformator.

Die einfache Lösung erfordert jedoch eine anspruchsvolle Präzision von erfahrenen, sorgfältigen Handwerkern, wie kürzlich bei einem Rundgang durch das Virginia Transformer-Werk deutlich wurde.

Wie andere Transformatorenwerke verfügt auch das Werk in Roanoke über teure, fortschrittliche Ausrüstung, darunter computergesteuerte Schneidemaschinen zur Herstellung von Transformatorkernen aus laminiertem Stahl.

Aber auch 136 Jahre nachdem Stanleys Transformatoren im Zeitalter der Pferdekutschen gebaut wurden, ist die Produktion immer noch auf Menschen angewiesen. Monteure müssen beim Aufwickeln und Befestigen der langen Spulen aus isoliertem Kupferdraht, die die Arbeit des Transformators erledigen, sorgfältig vorgehen.

„Es ist eine Menge Handarbeit, aber es ist fast eine Kunstform, die Feinheit davon“, sagte Ed Castile, stellvertretender Handelsminister für Arbeitskräfteprogramme in Alabama. Seine Abteilung unterstützt eng das Hyundai Power Transformers-Werk in Montgomery, Alabama.

An einem kürzlichen Tag setzten Monteure im Werk Roanoke von Hand Abstandshalter zwischen Drähte und banden Kabelabschnitte sorgfältig mit Nylonschnur zusammen, so wie Angler einen Köder befestigen.

„Das Design ist sehr speziell“, sagte David Roop, außerordentlicher Professor an der Virginia Tech, der in einem früheren Job Transformatoren für Dominion Virginia Power beschaffte.

Die Verkabelung eines Transformators muss sicher genug sein, um bei Störungen an Ort und Stelle zu bleiben, sagte Roop. Wenn beispielsweise ein Baum auf eine Stromleitung trifft, entstehen durch die Unterbrechung des Stromflusses extreme magnetische Kräfte auf die Wicklungen. Wenn sie ihre Position verschieben, könnte dies die Kühlölströme beeinträchtigen, die eine zerstörerische Überhitzung verhindern.

Die Verkabelung erfordert daher fachmännisches Ingenieurdesign – und Monteure, die diese anspruchsvollen Spezifikationen einhalten können. Das Ergebnis, sagte Roop, „ist wirklich Handwerkskunst.“

Um das Ziel der Biden-Regierung, bis 2035 ein kohlenstofffreies Netz zu schaffen, zu erreichen, müsste die Stromerzeugungskapazität in den USA im Vergleich zu 2020 verdreifacht werden, heißt es in einem aktuellen Bericht des National Renewable Energy Laboratory. Die Kapazität der Stromleitungen müsste landesweit verdoppelt oder verdreifacht werden.

Dieser Einsatz müsste durch mehr Transformatoren ergänzt werden, was wiederum eine Verdreifachung der derzeitigen Belegschaft des Sektors von etwa 15.000 erfordern würde.

Aber US-Hersteller sagen, das sei eine große Herausforderung. Unternehmen haben das Problem in ihren Antworten auf eine im Bericht 2020 zitierte Umfrage des Handelsministeriums dargelegt: An weiterführenden Schulen werden Schüler nicht in den erforderlichen Schweiß-, Spulenwicklungs- und Transformatortests geschult, und nur wenige Universitäten bieten Programme für Ingenieure in Leistungselektronik und Elektrodesign an und Qualitätssicherung.

Virginia, Alabama und andere Bundesstaaten versuchen, die Lücke mit staatlich geförderten Ausbildungsprogrammen zu schließen, während Gewerkschaften im verarbeitenden Gewerbe Lehrstellen anbieten. Das Handelsministerium von Castile in Alabama hat sich mit einem Entwickler einer Virtual-Reality-Software zusammengetan, die es Bewerbern ermöglicht, Arbeiten an Transformatoren zu simulieren.

Doch die personelle Besetzung der Produktionsanlagen im gesamten Energiesektor ist eine Herausforderung.

Nächsten Monat wird Virginia Transformer eine neue Produktionslinie in Troutville, ein Dutzend Meilen nördlich von Roanoke, eröffnen, wo Hochleistungsladestationen für Elektrofahrzeuge hergestellt werden. Betriebsleiter Barry Link beschrieb seine Bemühungen in diesem Sommer, Mitarbeiter für das neue Unternehmen zu rekrutieren.

Link und sein Team brachten rund um Troutville und an Anschlagtafeln in Family-Dollar-Läden, Tankstellen und Convenience-Stores Schilder an, auf denen sie auf die Möglichkeit hinwiesen, innerhalb von drei Jahren ein Jahresgehalt von 60.000 US-Dollar zu erreichen. Das Unternehmen versprach, täglich neue Arbeitskräfte in mit Snacks ausgestatteten Transportern an mehreren Treffpunkten im ganzen Landkreis abzuholen.

Er habe 20 neue Mitarbeiter im Alter von 18 bis 71 Jahren an Bord geholt, genug, um nächsten Monat eine erste Schicht zu eröffnen, sagte er.

Im Transformatorenbau fordern einige die Regierung auf, die Löhne zu erhöhen, um sicherzustellen, dass genügend Arbeitskräfte eingestellt werden. In ihrem Mittwochsbrief an Granholm forderten die Präsidenten der American Public Power Association und der National Rural Electric Cooperative Association das DOE auf, ein Lohnzuschussprogramm in Höhe von 220 Millionen US-Dollar einzurichten. Dies würde „den Herstellern dabei helfen, mehr Arbeitskräfte anzuziehen und zu halten und ihnen so die Umstellung auf einen 24/7-Betrieb zu ermöglichen“, schrieben APPA-Präsident Joy Ditto und NRECA-Präsident Jim Matheson.

Sie forderten das DOE außerdem auf, Mittel aus dem Inflation Reduction Act zu nutzen, um die Ausbildung einer größeren Belegschaft für Transformatoren zu unterstützen.

Castile sagte, dass die beste Ausbildung für neue Mitarbeiter derzeit immer noch von denen kommt, die die Arbeit jetzt erledigen. Im Werk Roanoke stimmte Qualitätsleiter Reza Esmaeili zu. Neue Mitarbeiter erhalten eine dreimonatige Einführung in die Montage, „und danach heißt es noch lernen, lernen, lernen.“

Trotz der Herausforderungen bei der Belegschaft hat Virginia Transformer seine Produktion in seinen eigenen Fabriken in Pocatello, Idaho, gesteigert; Rincon, Georgia; und Chihuahua, Mexiko. Hitachi Energy kündigte diesen Monat außerdem an, dass es 37 Millionen US-Dollar für die Erweiterung seines Transformatorenwerks in South Boston, Virginia, ausgeben werde, um den Bedarf von Standorten für erneuerbare Energien, Cloud Computing, Bitcoin-Mining und Rechenzentrumsbetrieben zu decken.

Der Handelsbericht 2020 kam jedoch zu dem Schluss, dass US-amerikanische Transformatorenhersteller damals preislich nicht mit globalen Herstellern konkurrieren konnten, was teilweise auf die hohen Arbeitskosten zurückzuführen war.

„Die Kosten sind das Problem“, sagte Prabhat Jain, Eigentümer, Geschäftsführer und Chief Technology Officer von Virginia Transformer. „Wir müssen in der Lage sein, mit dem Rest der Welt zu konkurrieren“, was Material und Arbeitskräfte betrifft.

Laut dem diesjährigen DOE-Bericht decken Virginia Transformer und andere in den USA ansässige Hersteller weniger als 20 Prozent des jährlichen Bedarfs an Transformatoren. China, Indien, Taiwan und Südkorea haben in den letzten Jahren Transformatoren deutlich günstiger hergestellt. Auch Kanada, Mexiko und Europa haben laut dem Handelsbericht 2020 einen Kostenvorteil.

Die beiden Handelsgruppen forderten das DOE auf, die Mittel des Inflation Reduction Act zu nutzen, um die Rekrutierung und Schulung einer größeren Belegschaft für Transformatoren zu unterstützen.

„Wir brauchen staatliche Unterstützung, damit uns nicht der Boden unter den Füßen weggezogen wird“, sagte Jain. „Das wird die Herausforderung sein.“