Die 50 Hertz-Stromautobahnen So funktionieren Freileitungen

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1 Die 50 Hertz-Stromautobahnen So funktionieren Freileitungen

2 Strom ist bei uns allgegenwärtig und selbstverständlich. Er fließt von dort, wo er erzeugt wird, dahin, wo er gebraucht wird. Was der Verbraucher zu Hause für seine elektronischen Geräte benötigt, ist eine Steckdose. Doch wie kommt der Strom dorthin? Wo wird Strom erzeugt und welche Stationen durchläuft er, bis er im Haushalt ankommt? Der Transport der Energie von den Erzeugungspunkten zum Endverbraucher erfolgt über Stromleitungen und Schaltanlagen. Die»Stromautobahnen«unter den Leitungen sind die Höchstspannungsübertragungsnetze : Sie sind der Dreh- und Angelpunkt für eine sichere Energieversorgung, für einen funktionierenden nationalen und europäischen Strommarkt und für die Aufnahme erneuerbarer Energien. Das deutsche»gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien«( EEG ) fördert den Ausbau von Energieerzeugung aus erneuerbaren Quellen in Deutschland. Bis zum Jahr 2020 soll der Anteil erneuerbarer Energien an der Stromversorgung auf mindestens 35 Prozent erhöht werden. Die regenerativen Erzeuger vor allem Windenergieanlagen befinden sich insbesondere im nordost deutschen Flachland. Mehr und mehr Windparks entstehen auch auf See. Schon heute wird im 50 Hertz-Netzgebiet im Norden und Osten Deutschlands über 40 Prozent der deutschen Windenergie produziert, allerdings nur 20 Prozent des gesamten Stroms in Deutschland verbraucht. Große Mengen des Stroms müssen also in die Verbrauchszentren vor allem im Süden und Südwesten Deutschlands transportiert werden. Der steigende Übertragungsbedarf macht die Verstärkung und den Ausbau der Netze notwendig. Doch was genau sind Übertragungsnetze, wie funktionieren sie und welche Bedeutung haben sie für Mensch und Natur?

3 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen 3 Übertragungsnetz betreiber im Dienste der Gesellschaft Unser Name ist Programm Die Netzfrequenz steht als unser Markenname für Sicherheit und Vertrauen sowie für Innovation und Internationalität. Wir bei 50 Hertz sorgen für eine sichere und effiziente Stromübertragung. Als eigenständiger Übertragungsnetzbetreiber und Teil der internationalen Elia-Gruppe erfüllen wir den Anspruch, die Stromfrequenz von 50 Hertz, den Puls der europäischen Stromversorgung, gemeinsam mit unseren in- und ausländischen Partnern konstant zu halten, die Entwicklung des Strommarktes voranzutreiben, die erneuerbaren Energien sicher ins Netz zu integrieren und unser Netz dafür bedarfsgerecht auszubauen. Seit 2010 sind der belgische Übertragungsnetzbetreiber Elia und der australische Infrastrukturfonds IFM Anteilseigner der 50 Hertz Transmission GmbH. Elia ( 60 %) IFM ( 40 %) zuverlässigen Stromversorgung. Unser Netz ist eines der modernsten Europas und hat eine Länge von fast km. An insgesamt acht Stand orten kümmert sich unser Team darum, dass für mehr als 18 Millio nen Menschen in den Bundesländern Berlin, Brandenburg, Hamburg, Mecklenburg-Vorpommern, Sachsen, Sachsen-Anhalt und Thüringen Elektrizität stets verfügbar ist 24 Stunden am Tag, 365 Tage im Jahr. Unsere»Stromautobahnen«bringen den Strom in die Verbrauchszentren, nehmen den gesamten erneuerbar erzeugten Strom auf und überwinden nationale Grenzen für einen effektiven europäischen Strommarkt. Wir liegen im Herzen des Kontinents und sind die Schnittstelle zu Nord-, Ost- und Zentraleuropa sowie weltweit die größte Ex port region erneuerbar erzeugten Stroms. Unsere Tochtergesell schaft 50Hertz Offshore GmbH ist verantwortlich für die Errichtung und den Betrieb von Leitungen, mit denen Windenergieanlagen in der Ostsee an das Stromnetz an Land angeschlossen werden. 50Hertz Unser Unternehmen Bei 50 Hertz arbeiten rund 800 engagierte und hoch qualifizierte Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter an einer stets sicheren und 50Hertz arbeitet beim Betrieb des Elektrizitätssystems transparent und diskriminierungsfrei, ganz im Geiste der von der Europäischen Union ( EU ) geforderten Unabhängigkeit und Neutralität der Netze. Als natürliches Monopol unterliegen wir, wie auch Gas- oder Telekommunikationsnetze, der strengen Regulierung durch die Bundesnetzagentur.

4 4 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen Legende Das 50 Hertz- Übertragungsnetz Schaltanlagen : ( zum Großteil mit Über gängen zu den Verteilnetz betreibern ) 220 kv 380 kv 380 kv in Planung / Bau 380 / 220 kv Das Netz von 50 Hertz erstreckt sich über eine Fläche von Quadratkilometern und hat eine Länge von rund Kilometern. Das entspricht etwa der Strecke von Berlin nach Rio de Janeiro. Die Übertragung von Strom erfolgt an Land fast ausschließlich über Freileitungen; 50 Hertz betreibt aber auch einige unterirdische Kabel. Bei der Trassenauswahl für neue Leitungen gelten bestimmte Grundsätze. Dazu gehört der Schutz von Mensch, Tier und Natur. Das bedeutet, dass Wohngebiete weitestmöglich umgangen und Natur- und Landschaftsräume sparsam in Anspruch genommen werden. 50 Hertz bündelt Leitungen in bereits vorhandenen Trassen ( zum Beispiel mit Eisenbahn, Autobahn, bestehenden Leitungen ), wann immer es möglich und sinnvoll ist, und passt sie durch geeignete Linienführung an das Landschaftsbild an. Leitungen: Leitung Leitung in Planung / Bau Leitung andere Unternehmen 380 kv 380 kv 220 kv Betriebsspannung in kv 110 andere Unternehmen HGÜ / Gleichstromverbindung Netzanschluss Offshore Netzanschluss Offshore in Planung / Bau Netznutzer : 380 / 220 kv 400 kv 150 kv 150 kv Unsere Kunden sind regionale Verteilnetz betreiber und an das Übertragungsnetz angeschlossene Kraftwerke, Pumpspeicherwerke, Windparks und Großindustrie. konventionelles Kraftwerk ( Braunkohle-, Steinkohleoder Gasturbinenkraftwerk ) in Bau Pumpspeicherwerk Windkraftwerk Onshore / Offshore in Planung / Bau Windkraftwerk Offshore, beantragt

5 Dänemark Energinet.dk Dänemark Schleswig- Holstein Rostock Hamburg Güstrow Schwerin Neubrandenburg Mecklenburg- Vorpommern Niedersachsen Sachsen- Anhalt Brandenburg Berlin PSE Operator Polen TenneT Potsdam 220 Frankfurt (Oder) Magdeburg Cottbus Halle Leipzig Sachsen 110 Hessen Eisenach Erfurt Thüringen Weimar Jena Gera Zwickau Chemnitz Dresden Bayern TenneT ČEPS Tschechien

6 6 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen Was ist eigentlich Strom? Elektrischer Strom ist die Bezeichnung für den Fluss von kleinen, negativ geladenen elektrischen Elementarteilchen ( Elektronen ) in eine bestimmte Richtung. Meistens geschieht dies in einem»leiter«aus leitfähigem Material. Blitze zeigen, dass ein Stromfluss aber auch ohne Leiter möglich ist. Am besten lässt sich der Stromfluss am Beispiel einer Batterie erklären. Elektrochemische Prozesse in der Batterie bewirken eine Ladungstrennung : Die negativen Elektronen werden auf der Seite des Minuspols gesammelt, auf der anderen Seite, am Pluspol, befinden sich nur noch die positiv geladenen Ionen. Die geladenen Teilchen ziehen sich wechselseitig an und stoßen sich ab. Dadurch entsteht ein Elektronenstrom vom negativen Pol zum positiven Pol. Das Prinzip, auf dem elektrischer Strom basiert, ist die Eigenschaft der Elektronen, immer nach einem neutralen Zustand zu streben. Helle Glühlampe, viele Elektronen bewegen sich Unedles Metall ( z. B. Zink ) Flüssigkeit mit Elektronenüberschuss Hier fließen viele Elektronen Ionenbrücke Edles Metall ( z. B. Kupfer ) Flüssigkeit mit Elektronenmangel Die Stromstärke I gibt an, wie viele freie Teilchen sich gleichzeitig durch einen Leiter wie das Kabel bewegen, und wird in Ampere ( A ) gemessen. Je mehr Elektronen pro Sekunde durch den Leiter fließen, desto größer ist die elektrische Stromstärke und desto heller leuchtet eine an den Stromkreis angeschlossene Glühlampe. Stromstärke Formelzeichen : I Einheit : A ( Ampere ) Formel : I = U ( Spannung ) / R ( Widerstand )

7 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen 7 Strom braucht Spannung Die elektrische Spannung ist die Kraft bzw. der Druck, der die freien Elektronen zur Bewegung zwingt, und somit die Voraussetzung für elektrischen Strom. Sie wird in Volt ( V ) gemessen. Dieser Druck entsteht durch den Ladungsunterschied zwischen Plus- und Minuspol. Den besonderen Zustand, in dem durch elektrische Spannung mechanische Kräfte auf die Ladungsträger wirken, bezeichnet man als elektrisches Feld. Durch das Übertragungsnetz von 50 Hertz fließt Strom mit hohem»druck«, nämlich mit einer Höchstspannung von 220 und 380 Kilovolt. Dadurch ist eine Übertragung großer Mengen an Energie über weite Strecken möglich. Bevor dieser Strom zu den Verbrauchern, also in unsere Steckdosen gelangt, muss er mehrmals in niedrigere Spannung umgewandelt werden. Wie sieht Strom aus? Strom ist unsichtbar, auch wenn er oft in Gelb und in Form eines Blitzes dargestellt wird. Ähnlich wie der Wind, der Bäume bewegt und Windräder antreibt, kann man Strom nicht sehen, sondern nur an seiner Wirkung erkennen. Ein Trenner im Umspannwerk wird geschaltet. Der auftretende Lichtbogen ist eine Folge der kapazitiven Blindströme (siehe auch Seite 23). Spannung Formelzeichen : U Einheit : V ( Volt ) Formel : U = I (Stromstärke) R ( Widerstand )

8 8 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen Gleichstrom aus der Batterie, Wechselstrom aus der Steckdose Der elektrische Strom, den zum Beispiel Batterien erzeugen, nennt sich Gleichstrom, da er seine Richtung über die Zeit nicht ändert. Praktisch alle elektronischen Geräte im Haushalt wie Radio, Computer oder Wasserkocher benötigen für ihre Stromversorgung Gleichstrom. Da aus der Steckdose Wechselstrom kommt, besitzen diese Geräte einen einge bauten Transformator mit angeschlossenem Gleichrichter, der den Strom umwandelt. Wie schnell ist Strom? Elektronen in einem Leiter unter Spannung sind langsam. Ihre sogenannte Driftgeschwindigkeit ist abhängig vom Material, bei Kupferdraht legen sie zum Beispiel weniger als 0,5 Meter in der Stunde zurück. Bei Wechselstrom tauschen Plus- und Minuspol periodisch ihre Funktion. Somit bewegen sich die Ladungsträger mal in die eine und dann wieder in die andere Richtung. Im deutschen und europäischen Stromnetz passiert das 100 Mal pro Sekunde. Der technische Vorteil von sehr hoher Wechselspannung besteht darin, dass bei der Übertragung weniger Energie verloren geht. Außerdem ist die Umwandlung zwischen verschiedenen Spannungen leichter zum Beispiel von der Hochspannung in Übertragungsnetzen zum Niederspannungsnetz in den Haushalten. U (Spannung) U (Spannung) Der Schlüssel zum blitzschnellen Stromtransport liegt also nicht in der Bewegungsgeschwindigkeit der Elektro nen, sondern im Übertragen des Anstoßimpulses. Dieser Impuls wird fast zeitgleich von Elektron zu Elektron mit einer Geschwindigkeit von ca. zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit übertragen und ist damit sogar schneller als ein Blitz. Das gleiche Prinzip liegt zugrunde, wenn in ein Rohr voller Bälle an einem Ende ein Ball hineingesteckt wird und am anderen Ende dann sofort ein anderer Ball heraus kommt egal wie lang die Röhre ist und obwohl sich die Bälle kaum bewegen. Kurvenform Gleichstrom t (Zeit) Kurvenform einfacher Wechselstrom t (Zeit)

9 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen 9 In Stromnetzen fließt eine spezielle Form des Wechselstroms : der Dreiphasenwechselstrom ( oder kurz als Drehstrom bezeichnet ). Er besteht aus drei einzelnen Wechselströmen gleicher Frequenz, welche zueinander eine feste Phasenverschiebung von 120 aufweisen. Der Vorteil gegenüber einem einzelnen einphasigen Wechselstromsystem ist zum Beispiel, dass er auf eine nahezu beliebige Spannungshöhe transformiert werden kann und sich der Materialaufwand bei gleich großer elektrischer Leistung halbiert. U (Spannung) U 1 U 2 U 3 t (Zeit) Kurvenform Dreiphasenwechselstrom ( Drehstrom ) Ein Aluminium-Stahl-Verbundseil. Das Leiterseil ist das wichtigste Bauelement einer Stromleitung, da in ihm die Energie übertragen wird.

10 Frequenz Frequenz Formelzeichen : f Einheit : Hz ( Hertz ) Formel : f = 1 / T ( Periode ) Wie klingen 50 Hertz? Auch Tonhöhen werden in Hertz gemessen. Man kann sich das gut anhand der Saiten einer Geige vorstellen. Streicht man mit dem Bogen darüber, fangen die Saiten an zu schwingen. Je schneller man den Bogen bewegt, desto öfter schwingen die Saiten und desto höher ist der Ton, der entsteht. Unter einer Stromleitung mit 50 Hz kann man mit guten Ohren einen sehr tiefen Ton hören : das Kontra-G. Der Ton, der in der Nähe eines Umspannwerkes wahrzunehmen ist, hat aufgrund der Funktions weise des Umspannwerkes eine Frequenz von 100 Hz. Das entspricht dem um eine Oktave höheren G. Wie spät ist es in der Netzzeit? Die Netzzeit wird häufig als Grundlage für die Zeitanzeige in elektrischen Geräten verwendet. In Europa basiert die Netzzeit auf der Standardnetzfrequenz von 50 Hz. Dabei entspricht eine Sekunde genau 50 Schwingungen des Wechselstroms. Abweichungen in der Netzzeit kommen durch Frequenzschwankungen zustande. Bei weniger als 50 Hz brauchen die 50 Schwingungen etwas länger. Bei mehr als 50 Hz sind sie schneller. Die Netzsekunden dauern daher je nach Frequenz etwas kürzer oder länger. Beträgt die Abweichung zwischen der Netzzeit und der Weltzeit der Atomuhren mehr als 20 Sekunden, so wird die Frequenz im Netz korrigiert. Die Frequenz f ist eine physikalische Größe des Wechselstroms und wird in Hertz ( Hz ) gemessen. Sie gibt an, wie viel Schwingungen der Strom pro Sekunde macht. Das europäische Stromnetz ist ein Wechselstromnetz mit einer Frequenz von 50 Hz ( in Nordamerika : 60 Hz ). Das bedeutet, dass der Strom 100 Mal pro Sekunde seine Richtung verändert, also 50 Schwingungszyklen pro Sekunde vollzieht. Die zulässige Schwankung liegt zwischen 49,8 und 50,2 Hz. In diesem Bereich funktionieren große Anlagen und kleine Geräte einwandfrei. Unser Name ist also Programm. 50 Hertz ist als Übertragungsnetzbetreiber dafür verantwortlich, dass das Stromsystem stabil und eine sichere Versorgung rund um die Uhr gewährleistet ist. In unserem»transmission Control Centre«, unserer Netzleitwarte in Neuenhagen bei Berlin, achten wir jeden Augenblick darauf, dass das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch gehalten wird und Reserven bereitstehen, um Abweichungen jederzeit ausgleichen zu können. Die Frequenz von 50 Hz steht für das Gleichgewicht zwischen Stromerzeugung und Stromverbrauch und die Basis eines stabilen Stromsystems. 49,9 Verbraucher 50,0 Hz 50,1 Erzeuger

11 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen 11 Widerstand und Leitfähigkeit Der elektrische Widerstand R ist eine wichtige Größe bei der Gestaltung von Stromleitungen. Hoher Widerstand Er gibt an, wie stark der Strom»abgebremst«wird, wenn er ein Material durchquert. Oder anders gesagt : Er beschreibt, wie viel Spannung nötig ist, um die Energie durch dieses Material zu transportieren. Der Widerstand ist abhängig von der Leitungslänge und dem Leitungsquerschnitt : Je kürzer die Leitung und je größer der Querschnitt, desto weniger werden die Elektronen gehemmt. Leitungen über große Entfernungen brauchen also eine hohe Spannung, um große Strommengen transportieren zu können. Geringer Widerstand Eine weitere Variable ist der spezifische elektrische Widerstand eine Konstante, die je nach Material einen fest definierten Wert für dessen Widerstandsfähigkeit hat. Der Umkehrwert des elektrischen Widerstandes ist die elektrische Leitfähigkeit, die die Fähigkeit eines Stoffes angibt, elektrischen Strom zu leiten. Entsprechend gibt es auch die Materialkonstante»spezifische elektrische Leitfähigkeit«. Aus diesen Gründen werden für die Übertragungsnetze bestimmte, besonders geeignete Materialien als Leiter verwendet ( siehe Abschnitt»Die Elemente einer Freileitung«, ab Seite 14 ). Widerstand Formelzeichen : R Einheit : Ω ( Ohm ) Formel : R = U ( Spannung ) / I (Stromstärke)

12 12 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen Der Weg der Elektrizität Die vier Ebenen des deutschen Stromnetzes Übertragungsnetz Höchstspannung meist 220 oder 380 Kilovolt ( 50 Hertz ) Verteilnetz Hochspannung meist 60 oder 110 Kilovolt Stromerzeugung Stromerzeugung Große Erneuerbare-Energie- Anlagen (z. B. Wind-Onshore und Wind-Offshore) Große Wasser- und Pumpspeicherkraftwerke Große konventionelle Kraftwerke (Kohle, Gas) Mittlere Erneuerbare-Energie- Anlagen (z. B. Wind-Onshore, Photovoltaik-Großanlagen) Mittlere Wasser- und Pumpspeicherkraftwerke Mittlere konventionelle Kraftwerke (Kohle, Gas) Grenzkuppelstellen zu den Nachbarstaaten Umspannwerk Umspannwerk Stromverbrauch Sehr stromintensive Industrie (Stahlwerke) Stromverbrauch Stromintensive Industrie Stadt Das deutsche Stromnetz besteht aus vier Spannungsebenen. In der obersten Ebene bilden die überregionalen Übertragungsnetze, die sogenannten Stromautobahnen, das Rückgrat der Energieinfrastruktur. Sie transportieren große Strommengen von den großen regenerativen und konventionellen Erzeugern auf der Höchstspannungsebene mit 220 oder 380 Kilovolt ( kv ) verlustarm über weite Distanzen in die Verteilungsnetze in den Regionen. Darüber hinaus verbinden die Übertragungsnetze mit Kuppelleitungen das deutsche Stromnetz mit denen der Nachbarländer und ermöglichen so den länderübergreifenden Energieaustausch in Europa. Die zweite Ebene decken die Verteilnetze der regionalen Stromversorgungsunternehmen ab. Sie verteilen den Strom mit einer Spannung von 60 oder 110 Kilovolt ( Hochspannung ) in Ballungszentren und versorgen den Großteil der Industrie.

13 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen 13 Übertragungsnetzbetreiber : 50 Hertz sorgt für Betrieb, Instandhaltung, Planung und Ausbau des 220- und 380-Kilovolt-Übertragungsnetzes im Norden und Osten Deutschlands sowie für den Anschluss der Windparks in der Ostsee. Unser Netz bildet die Verbindung zwischen Energieerzeugern und Verbrauchern. Verteilnetzbetreiber : Ein Verteilnetzbetreiber ist ein Unternehmen, das Stromnetze im Nieder-, Mittelund Hochspannungsbereich zur Stromversorgung betreibt ( in Deutschland bis einschließlich 110 Kilovolt ). Verteilnetz Mittelspannung 3 bis 30 Kilovolt Verteilnetz Niederspannung meist 230 oder 400 Volt Stromerzeugung Stromerzeugung Kleinere Erneuerbare-Energie- Anlagen (z. B. Wind-Onshore, Photovoltaik-Freiflächenanlagen und -Dachanlagen, Biomasse) Kleine Wasser- und Pumpspeicherkraftwerke Kleine konventionelle Kraftwerke (Gas) Kleine Erneuerbare-Energie-Anlagen (z. B. Wind-Onshore, Photovoltaik- Hausdachanlagen) Kleine dezentrale Kraftwerke (z. B. Blockheizkraftwerke) Umspannwerk Stromverbrauch Stromverbrauch Gewerbe Haushalte Handelsunternehmen Industrieunternehmen Kleinstadt Ebene drei sind die lokalen Netze ( Mittelspannung mit weniger als 110 Kilovolt; meist 3, 6, 10, 15, 20, 30 Kilovolt ), die Industrie und Gewerbe versorgen. Der Strom wird an regionale Transformatorenstationen oder direkt an größere Einrichtungen wie beispielsweise Krankenhäuser oder Fabriken verteilt. Die unterste Spannungsebene ( Niederspannung mit weniger als 1 Kilovolt, meist 230 oder 400 Volt ) dient der Feinverteilung. An das Niederspannungsnetz sind private Haushalte, kleinere Industriebetriebe, Gewerbe und Verwaltung angeschlossen. Die verschiedenen Spannungsebenen sind durch Umspannwerke miteinander verknüpft. Hier wird die Spannung erhöht oder vermindert.

14 14 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen Stromübertragung an Land Elemente einer Freileitung Montage von Hochtemperatur - seilen auf der 50Hertz-Trasse Redwitz-Remptendorf im Mai 2012 (rechte und nächste Doppelseite). Freileitungen bestehen aus Stahlgittermasten auf einem Fundament, einem oder mehreren Erdseilen sowie den stromführenden Leiterseilen, die über Isolatoren an den Mastquerträgern ( Traversen ) befestigt sind. Sie haben eine Lebensdauer von ungefähr 80 bis 100 Jahren. Im Höchstspannungsnetz von 50 Hertz werden Freileitungen in der Regel mit jeweils zwei Stromsystemen gebaut. Um Strom trassen zu bündeln, werden auch 4- oder 6-systemige Frei lei tungen errichtet, wobei die Systeme unterschiedliche Spannungs ebenen aufweisen können. Für eine sichere und unterbrechungsfreie Stromversorgung darf die Belastung jedes Systems im Normalfall 70 Prozent nicht überschreiten. Im Falle eines Systemausfalls darf kein an deres System über die maximale Auslastung hinaus betrieben werden. Dieses sogenannte n-1-prinzip ( sprich :»n minus eins«-prinzip ) ist der Grundsatz, auf dem die System sicherheit bei 50 Hertz beruht und der in unserem gesamten elektrischen System beachtet wird. Die Leiterseile Der Leiter ist das wichtigste Bauelement einer Stromleitung, da in ihm die Energie übertragen wird. Welches Material verwendet wird, hängt von dessen elektrischen Eigenschaften Isolatorenkette 5 m Durchhang Leiterseil 13 m Masthöhe ca m Erdseil Erdseilspitze Traverse Querträger Isolator Leiterseil Max. Ausschwingung Leiterseil Sicherheitsabstand Typische Abmessungen einer 380-Kilovolt-Freileitung (zwei Systeme) Minimaler Bodenabstand 8,5 m ca. 72 m Trassenbreite Mastfundament ca m 2 16 m 12 m 8 m

15 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen 15 Warum wird das Seil heiß? Beim Fluss von elektrischer Energie in einem Leiter entsteht Wärme. Je kleiner der Leiterquerschnitt ist, desto öfter stoßen die einzelnen Elektronen aneinander. Durch diese Reibung wird die sogenannte Stromwärme bzw. joulesche Wärme produziert. Wie heiß das Seil wird, hängt aber auch noch von anderen Faktoren wie der Außentemperatur, dem Wind und der Sonneneinstrahlung ab. ( zum Beispiel spezifischer elektrischer Widerstand ) und mechanischen Eigenschaften ( zum Beispiel Festigkeit ) ab. Zu Beginn der elektrischen Energieübertragung im 19. Jahrhundert wurde hauptsächlich Kupfer als Leitmaterial verwendet, später aber von Aluminium ersetzt, da es unter anderem weniger wiegt und kostengünstiger ist. Aluminium bildet durch den Kontakt mit dem Sauerstoff in der Luft außerdem eine dichte Oxidschicht, die das Metall vor weiterer Korrosion schützt, auch bei rauen Witterungsbedingungen. Um die mechanische Festigkeit der Leiter zu erhöhen, werden im Netzgebiet von 50 Hertz Aluminium-Stahl-Verbundseile verwendet. Bei höheren Spannungen werden die einzelnen Leiterseile durch Bündelleiter ersetzt, um die Übertragungsfähigkeit durch Querschnittsvergrößerung zu erhöhen und die Geräuschbelastung gering zu halten. Diese bestehen aus zwei oder mehreren Einzelleitern und werden mithilfe von Abstandshaltern parallel geführt. Zur Verstärkung der Netze kommen zunehmend auch die innovativen Hochtemperaturleiter zum Einsatz. Während normale Leiterseile eine maximale Betriebstemperatur von 80 C erreichen dürfen, liegt die Grenze von Hochtemperaturseilen bei 210 C. Das ermöglicht eine Steigerung der Übertragungs- kapazität um bis zu 50 Prozent bei gleichem Leiterdurchmesser wurde eine wichtige Verbindung im 50 Hertz-Gebiet von Thüringen nach Bayern auf einen Hochtemperaturleiter umgerüstet und ihre Kapazität damit deutlich erhöht. Die Erdseile Freileitungen mit einer Spannung von 50 Kilovolt und mehr werden mit Erdseilen ausgerüstet. In ihnen wird kein Strom transportiert, dennoch sind es elektrisch leitfähige Seile. Ihr Hauptzweck ist der Schutz der Leiter gegen direkte Blitzeinschläge. Ein Blitzeinschlag kann unter bestimmten Voraussetzungen zum Abschalten der Leitung führen. Erdseile werden daher an den oberen Enden der Masten befestigt. Über die Anzahl der Erdseile entscheidet hauptsächlich die Anordnung der Leiterseile. Im Allgemeinen werden ein oder zwei Seile gezogen. In modernen Erdseilen ist häufig zusätzlich ein leistungsfähiges Glasfaserkabel zur Datenübermittlung integriert.

16 Die Masten Freileitungsmasten sind die Tragwerke für die Aufhängung der Leiter einer Freileitung. Sie haben in der Regel einen Abstand von 300 bis 500 Metern zueinander. Übernimmt der Freileitungsmast eine reine Tragfunktion, so spricht man von einem Tragmast. An Winkelpunkten werden Abspannmasten verwendet, die die Zugkräfte der Leiterseile aufnehmen müssen. Dort hängen die Isolatoren nicht nach unten, sondern richten sich in Richtung der Leiterseile aus. Daneben gibt es noch Sondermasten für spezielle Aufgaben : Abzweigmasten für die Realisierung von Leitungsabzweigen und Endmasten für den Übergang auf ein Umspannwerk oder ein Erdkabel. Der Donaumast ist ein Mast für zwei Drehstromkreise, bei denen die Leiter jeweils im Dreieck angeordnet sind. Auf der untersten Traverse befinden sich zwei und auf der obersten Traverse ein Leiterseilbündel pro Stromkreis. Donaumasten sind in Deutschland die häufigste Bauart von Hochspannungsmasten für zwei Stromkreise, da sie gute Eigenschaften im Hinblick auf Masthöhe, Baukosten und Trassenbreite vereinen. Je nach der elektrischen Spannung der Freileitung, der Anordnung der Leiter und der natürlichen Umgebung, in der sie stehen, werden unterschiedliche Freileitungsmasten verwendet. Der am häufigsten im 50 Hertz-Netzgebiet vorhandene Mast ist der sogenannte Donaumast, gefolgt vom Einebenenmast und dem Tonnenmast. In einigen Ländern, wie zum Beispiel in der Schweiz oder Finnland, wurden teilweise bereits Masten mit neuem Design errichtet. Auch 50 Hertz beteiligt sich an der Erforschung neuer Mast designs und untersucht deren Einsatztauglichkeit. Höhe : m Form : Dreiecksanordnung der Leiter

17 Wie viele Masten gibt es im 50 Hertz-Gebiet? Im Netzgebiet von 50 Hertz stehen rund Masten, die aus Stahl gebaut sind. Beim Einebenenmast sind alle Leiterseile in einer Ebene angeordnet. Die Einebenenanordnung führt zu einer niedrigen Bauhöhe der Masten, verbunden mit einer größeren Trassenbreite. Sie wird verwendet, wenn die Masten nicht zu hoch sein sollen, zum Beispiel in Gebieten mit Vogelzug. Ein Tonnenmast ist eine Bauform von Masten für elektrische Freileitungen mit drei Traversen. Die drei Leiter eines Stromkreises sind untereinander angeordnet. Die Breiten der drei Ebenen führen zu einem tonnenförmigen Profil. Tonnenmasten benötigen eine geringe Trassenbreite, sind aber höher als vergleichbare Donaumasten. Höhe : m Form : Leiteranordnung in einer Ebene Besonderes : Die höchsten Exemplare werden oft zur Waldüberspannung verwendet. Höhe : m Form : Leiteranordnung untereinander Besonderes : Werden bei Walddurchquerungen benutzt, um die Trassenbreite so gering wie möglich zu halten.

18 18 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen Auch Transformatoren sind mit einer Vielzahl von Isolatoren ausgestattet. Die Isolatoren Die Betriebssicherheit einer Leitung ist in hohem Maße eine Frage der Isolation der elektrischen Leiter. Durch ihre geringe Leitfähigkeit verhindern Isolatoren, dass der Stromfluss über die Befestigung der Leiter in die geerdeten Masten gelangt. Sie finden primär im Freien Anwendung und unterliegen dabei verschiedenen Umwelteinflüssen ( zum Beispiel Niederschlag, Temperaturschwankungen, Schmutzablagerungen ). Wegen der elektrischen und auch mechanischen Ansprüche an einen Isolator haben sich heute weltweit drei alternative Werkstoffe durchgesetzt : Porzellan, Glas und bestimmte Kunststoffe. Metallkappe Trockenzone Kittung (Portlandzement) 50 Hertz verwendet in seinem Gebiet überwiegend Langstabisolatoren aus Porzellan, die sich besonders für eine Netzspannung ab 110 Kilovolt eignen. Bei Höchstspannungen werden sogar Ketten aus mehreren Isolatoren eingesetzt. Die Vorteile von Langstabi solatoren liegen in ihrer hohen elektrischen und mechanischen Zuverlässigkeit sowie in den geringen Instandhaltungserfordernissen. Seit einigen Jahren steigt der Anteil von Verbundisola toren mit einem Glasfaserkern für die mechanische Festigkeit und einer Silikonhülle für die Isolation. Dieser Isolator ist länger und wiegt weniger. Porzellan

19 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen 19 Man erkennt die Spannungsebene einer Leitung meistens an der Anzahl der Isolatoren am Mast. 1 Isolator = 110 kv 2 Isolatoren = 220 kv Warum sieht ein Isolator oft wie ein Baumkuchen aus? Wettereinflüsse können die elektrische Isola tionsfähigkeit erheblich herabsetzen. Durch Verschmutzung und Nässe kann sich auf der Oberfläche ein leitfähiger Film bilden, der die Funktion des Isolators beein trächtigt. Dann entsteht ein sogenannter Kriechstrom entlang der Oberfläche, der einen Übertragungsverlust bewirkt oder auch zu einem Kurzschluss führen kann. Um dem entgegenzuwirken, wird der Kriechweg durch eine Rippenform erhöht. Die dachförmig abgeschrägten Schirme bieten Schutz vor Regen und Schmutzablagerungen. 3 Isolatoren = 380 kv

20 20 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen Was sind elektrische und magnetische Felder? Wo Strom fließt, gibt es elektrische und magnetische Felder. Elektrische Felder werden von der anliegenden Spannung verursacht, magnetische Felder vom fließenden Strom. Die Stärke der Felder unter einer Freileitung sind abhängig von der Höhe der Spannung und der Stromstärke dem Abstand zur Trasse und der Leiterseile zum Boden der Anordnung und dem Abstand der Leiterseile zueinander weiteren Stromkreisen auf dem Mast Die Feldstärke verringert sich mit der Ent fernung von den Leiterseilen. Am stärksten sind sie vor allem in der Mitte zwischen den Masten, wo die Leiterseile den geringsten Abstand zum Boden haben. Dieser Abstand darf auch bei hoher Belastung, zum Beispiel durch Umwelteinflüsse, nie kleiner als 8,5 Meter sein. Gelegentlich geraten Freileitungen aufgrund der normalen elektrischen und magnetischen Felder in den Verdacht, gesundheitsschädigend zu sein. Studien haben aber keinen Zusammenhang zwischen elektrischen und magnetischen Feldern und der Beeinträchtigung der Gesundheit festgestellt. Um einen negativen Einfluss auf die Gesundheit von Menschen auszuschließen, wurden durch die deutsche Gesetzgebung in der 26. Bundesimmissionsschutzverordnung genaue Grenz-

21 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen 21 Am stärksten sind die Felder dort, wo die Leiterseile den geringsten Abstand zum Boden haben, also vorwiegend in der Mitte zwischen den Masten. werte festgeschrieben. Für Gebäude und Grundstücke, die nicht nur zum vorübergehenden Aufenthalt von Menschen bestimmt sind, gelten folgende Grenzwerte für neue und bestehende Anlagen : für die elektrische Feldstärke : 5 kv / m für die magnetische Flussdichte : 100 μt ( Mikrotesla ) 50 Hertz hält die gesetzlich vorgeschriebenen Grenzwerte ein ; in der Regel werden diese sogar deutlich unterschritten. Im internationalen Vergleich sind die deutschen Grenzwerte besonders streng ; sie dürfen auch bei einer maximalen Auslastung nicht überschritten werden. Gibt es elektrische und magnetische Felder nur in der Nähe von Freileitungen? Nein, denn im Alltag sind nicht Freileitungen, sondern elektrische Geräte und Elektroinstallationen im eigenen Haushalt die vorherrschenden Feldquellen. Die elektrische Feldstärke ist wegen der niedrigen Betriebsspannung von 230 Volt in Haushalten gering. Die mag netische Flussdichte der Geräte kann aber weitaus höher sein. Bei einem Haartrockner, der ungefähr 3 Zentimeter vom Körper entfernt gehalten wird, kann die magnetische Flussdichte einen Wert von bis zu 2000 μt erreichen.

22 22 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen Geräuschentwicklung an Freileitungen Bei der Übertragung elektrischer Energie über Freileitungen können unter bestimmten Witterungsbedingungen Geräusche entstehen. Ursachen von Geräuschen sind : elektrische Entladungen, die eine Ionisation der Luft ( Zerteilung von Luftmolekülen ) bewirken, der sogenannte Korona-Effekt, sind bemerkbar als Knistern und Brummen Windgeräusche und Vibrationen an den Leiterseilen und Stahlträgerkanten der Masten ab einer Windgeschwindigkeit von ca. 15 Meter pro Sekunde ( Windstärke 7 ) Die Windgeräusche klingen wie pfeifende Töne im Gestänge der Gittermasten. Die einzuhaltenden Richtwerte sind in der Wie laut sind 35 und 50 db ( A )? Dezibel ( A ) ist eine Messgröße des Schalldruckpegels zur Bestimmung von Geräuschpegeln. Der Zusatz ( A ) gibt an, dass die unterschiedlichen Tonfrequenzen abhängig vom menschlichen Empfinden verschieden bewertet werden. Das heißt, die mittleren Frequenzen werden stärker berücksichtigt. Bei einem Menschen mit gesunden Ohren liegt die Hörschwelle bereits bei 0 db ( A ). Werden Werte über 120 db ( A ) erreicht, ist die Geräuschbelastung unerträglich laut. Der Geräuschpegel von 35 db ( A ) kann zum Beispiel mit einem Weckerticken verglichen werden. 50 db ( A ) liegen im Bereich der normalen Gesprächslautstärke oder eines leisen Radios. Technischen Anleitung zum Schutz gegen Lärm der Bundesrepublik Deutschland erfasst und unterscheiden sich je nach Art des Gebietes. Für ein reines Wohngebiet liegt der Richt wert zum Beispiel tagsüber bei 50 db ( A ) und nachts bei 35 db ( A ). Die Lärmschutzrichtwerte sind für Übertragungsnetzbetreiber bindend. Ihre Einhaltung müssen Gutachten bestätigen, die wir von unabhängigen Stellen (zum Beispiel Ingenieursgesellschaften ) anfertigen lassen. Durch technische Maßnahmen können Geräuschentwicklungen minimiert werden. Zum Beispiel werden Korona-Effekte durch die Form der Iso latoren verringert.

23 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen 23 Auch in den Umspannwerken werden die Übertragungsverluste ständig kontrolliert. Übertragungsverluste Bei der Übertragung von Energie in elektrischen Systemen entstehen Energieverluste. Damit ist die Differenz zwischen der erzeugten elektrischen Leistung im Kraftwerk und der genutzten elektrischen Leistung gemeint. Hauptsächlich werden sie durch den ohmschen Leitungswiderstand verursacht und treten dann in Form von Wärmeverlusten ( ohmsche Verluste ) auf. Auch Korona-Entladungen, die sich durch Knistern und Leuchterscheinungen an Freileitungen bemerkbar machen, führen zu Verlusten. Diese elektrischen Entladungen entstehen durch die Ionisation eines elektrisch nichtleitenden Gases oder einer Flüssigkeit, die einen elektrischen Leiter umgeben. Auch bei der Transformation in eine andere Spannungsebene geht Leistung verloren. Was sind Blindleistungen? Blindstrom ist eine Energie, die mit der Frequenz der Wechselspannung in der Leitung hin- und hergeschoben wird. Sie ist zum Beispiel notwendig, um das elektrische Feld für den Stromfluss aufzubauen. Allerdings kann Blindleistung im Gegensatz zur Wirkleistung ( tatsächliche Leistung ) vom Verbraucher nicht unmittelbar genutzt werden. In Deutschland gehen über alle Spannungsebenen hinweg rund 6 Prozent der bereitgestellten Elektroenergie im Stromnetz verloren. 50 Hertz hält die Übertragungsverluste an seinen Freileitungen so gering wie möglich, indem es zum Beispiel bevorzugt Leitungen mit einer Höchstspannung von 380 Kilovolt einsetzt. Denn je höher die Spannung, desto weniger Leistung geht verloren.

24 24 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen Ist im ländlichen Raum ein solches Erdkabel eine Alternative zum Leiterseil? Andere Technologien Freileitungen oder Erdkabel Reparaturen länger, sind aufwändiger und kostspieliger. Freileitungen können rund 80 Jahre genutzt werden. Die Haltbarkeit von modernen Kunststoffkabeln wird nach heutigem Erkenntnisstand auf 40 Jahre geschätzt. Die Verlegung von Erdkabeln erhöht die Baukosten um das Vier- bis Zehnfache im Vergleich zur Freileitung. Bei einer Verlegung von Kabeln in Tunneln können sich die Kosten sogar um das 25-Fache erhöhen. Tunnel der 380-Kilovolt-Diagonalverbindung in Berlin oben verlaufen die Schienen der Wartungsbahn. Freileitungen und Erdkabel unterscheiden sich in erster Linie hinsichtlich ihrer Konstruktion, ihrer Auswirkungen auf die Umwelt, ihrer Versorgungssicherheit und ihrer Kosten bei der Errichtung der Kabelanlage. Freileitungen sind den Witterungsverhältnissen direkt ausgesetzt, was zu häufigen Ausfällen im Netz führen kann. Bei Erdkabeln ist die Fehlerrate aufgrund ihrer Verlegung im Boden geringer. Da sie aber schlechter zugänglich sind, dauern Bei der Verlegung eines Erdkabels muss der Boden komplett ausgetauscht werden. Die Kabeltrassen müssen nicht nur von tief wurzelnden Pflanzen freigehalten werden, sie dürfen auch anderweitig nicht bebaut werden und zwar dauerhaft. Darüber hinaus strahlen Erdkabel Wärme ab. Das beeinflusst die Bodenfeuchtigkeit und kann zum Beispiel zu einer Drainage oder Austrocknung von Mooren führen. Der Einfluss auf Flora und Fauna ist damit hoch und zugleich erschwert es eine landwirtschaftliche Nutzung. Hinzu kommt, dass bei der Verlegung von Erdkabeln Muffenbauwerke entlang der Kabelstrecke in Abständen von 500 bis 700 Metern errichtet werden müssen. Unter Freileitungen sind hingegen eingeschränkte Bebauungen möglich, die Flächen können weiterhin landwirtschaftlich genutzt werden. Ob für eine neue Leitung in manchen Abschnitten, zum Beispiel in der Nähe von Wohngebieten, eine Erdverkabelung geeignet ist, muss in jedem einzelnen Fall intensiv geprüft werden.

25 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen 25 Hochspannungsgleichstrom-Übertragung 50Hertz-Stromrichterstation der HGÜ-Verbindung»Kontek«in Bentwisch in der Nähe von Rostock Dass Energie mittels Gleichstrom ( Hochspannungsgleichstrom-Übertragung, kurz HGÜ ) übertragen werden kann, war bereits Ende des 19. Jahrhunderts bekannt. Thomas Edison, der Erfinder der Glühlampe, favorisierte zu Beginn der Elektrifizierung in den USA die Gleichstromübertragungstechnik. Doch Drehstrom hat den entscheidenden Vorteil, dass mithilfe von Transformatoren die Spannungsebene gewechselt und Strom daher in hohen Spannungsebenen über große Entfernungen transportiert werden kann. Aus diesem Grund setzte sich Drehstrom damals weltweit als allgemeiner Standard zur Stromübertragung durch. Einen neuen Aufschwung bekam die HGÜ-Technik durch die Möglichkeit, Drehstrom verlustarm in Gleichstrom umzuwandeln. Dazu sind an beiden Enden der Leitung sogenannte Konverterstationen notwendig, die den Drehstrom aus dem Übertragungsnetz in Gleichstrom und dann wieder zurückverwandeln. HGÜ-Leitungen können noch größere Mengen Strom über weite Strecken transportieren. Wegen des Zuwachses von erneuerbaren Energiequellen und der damit steigenden Entfernung zum Verbrauchsort ist das ein entscheidender Vorteil : Der Strom kann in großen Mengen gezielt dorthin gebracht werden, wo er verbraucht wird. Der einzige Nach teil : Die Errichtungskosten sind aufgrund der benötigten Konverterstationen höher als bei einer vergleichbaren Dreh stromübertragung. Seit mehr als zehn Jahren betreibt 50 Hertz gemeinsam mit dem dänischen Netzbetreiber Energinet.dk das»kontek-kabel«, eine 170 Kilometer lange HGÜ-Verbindung ( 400 Kilovolt, 600 Megawatt ) durch die Ostsee von Deutschland nach Dänemark. Im Netzentwicklungsplan Strom wurde der Bedarf an vier großen HGÜ-Trassen in Deutschland festgestellt und von der Bundesregierung im Bundesbedarfsplan festgeschrieben. Eine dieser leistungsfähigen HGÜ-Trassen, die Gleichstrompassage Süd-Ost, soll in einigen Jahren im Süden des 50 Hertz-Gebietes starten und in das südliche Bayern führen, um den Strom aus dem Norden in die Verbrauchs zentren im Süden zu bringen.

26 26 50Hertz Die 50 Hertz-Stromautobahnen Trassennutzung Schaffung neuer Lebensräume Teilweise verlaufen Freileitungen durch Waldgebiete und queren diese in Schneisen. Unter ökologischen Gesichtspunkten lassen sich diese Schneisen als»lebenslinien«betrachten. Wie im Bundesnaturschutzgesetz festgehalten, ist 50 Hertz dazu verpflichtet, eventuelle Rodungen durch Neupflanzungen auszugleichen. Beim Bau von neuen Freileitungen wird Wert darauf gelegt, Flora und Fauna so wenig wie möglich zu beeinträchtigen. Warum können Vögel auf den Leiterseilen sitzen? Wenn sich Vögel auf einer Freileitung niederlassen, sitzen sie auf dem Erdseil, in dem keine Energie transportiert wird. Theoretisch können sie auch auf dem Leiterseil sitzen solange sie nur eines berühren. Das elektrische Feld der Leiterseile hält sie aber bei Höchstspannungsleitungen davon ab. Im Jahr 2009 führte 50 Hertz in Zusammenarbeit mit Partnern vor Ort die EU-geförderte Studie»Ökologisches Schneisenmanagement«durch. Anlass war der geplante Bau der Südwest-Kuppelleitung zwischen Halle ( Saale ) und Schweinfurt. Die Ergebnisse zeigen, wie zukünftig Eingriffe in die Landschaft minimiert und somit wertvolle Kultur- und Naturgüter bestmöglich bewahrt werden können. Strommasten bieten Vögeln zusätzliche Brutmöglichkeiten. Durch das Anbringen von Nisthilfen an Leitungsmasten Kästen, Flechtkörbe oder stählerne Horstunterlagen unterstützt 50 Hertz die Bestände von Dohlen, Turmfalken, Baumfalken und Fledermäusen sowie der bevorzugt»mastbrütenden«fischadler. In bestimmten Gebieten werden die Erdseile für Vögel mit sogenannten Vogelschutzmarkern besser sichtbar gemacht, damit die Vögel sie im Flug leichter wahrnehmen. In den Schneisen entstehen, meistens sogar aktiv unterstützt, neue Lebensräume. Hier können sich verschiedenste, oftmals schützenswerte Biotope und Lebensplätze für Insekten, Reptilien, Vögel und Säugetiere entwickeln. In diesen neu geschaffenen und entstandenen Lebensräumen lassen sich auch seltene Pflanzen finden, die auf eine extensive Bewirtschaftung und regelmäßige Freihaltung angewiesen sind wie zum Beispiel viele der heimischen Orchideen.

27 Die Umsetzung des ökologischen Schneisenmanagements : Die ökologisch gepflegte Pilotschneise bei Oberweißbach in Thüringen nach Beendigung der Arbeiten. Neue Lebensräume entstehen.

28 Kontakt 50 Hertz Transmission GmbH Eichenstraße 3 A Berlin T + 49 ( 0 ) F + 49 ( 0 ) hertz.com Impressum Herausgeber : 50 Hertz Transmission GmbH Bildnachweis : Jan Pauls, Andreas Teich, Archiv 50 Hertz Konzept und Gestaltung : DreiDreizehn Werbeagentur GmbH, 313.de Druck : Kehrberg Druck Service

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