HTS-Systeme als potenzielle Lösung für Großstädte und Zentren mit hoher Lastdichte

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1 HTS-Systeme als potenzielle Lösung für Großstädte und Zentren mit hoher Lastdichte ZIEHL V - Zukunft und Innovation der Energietechnik mit Hochtemperatur-Supraleitern München, März 2016 Dr. Joachim Schneider RWE Deutschland SEITE 1

2 Die Energiewende bringt weiter neue Anforderungen an die Verteilnetze hervor E-Mobilität Dezentrale Erzeugung Digitalisierung Verteilnetze werden immer komplexer Energieeffizienz und verändertes Kundenverhalten Marktdesign und neue Rollen Speicher und Flexibilität Re-Design Kraftwerkspark RWE Deutschland SEITE 2

3 Installierte Leistung [GW] SBU Netz Technik Gesamtüberblick Wachstum der dezentralen Erzeugung bleibt die Herausforderung für die Verteilnetze vor Ort > 97% aller EEG-Anlagen sind im Verteilnetz angeschlossen > Weiter signifikanter Netzausbaubedarf auf Verteilnetzebene (NS/MS/HS) > Vermehrte Grenzwertverletzungen bei Spannung und Strom durch Einspeisung > Erheblicher Anstieg der Korrektureingriffe auf Ebene der Verteilnetze > Zunehmender Daten- und Informationsbedarf zur Netzzustandserfassung > Ausgleich im Verteilnetz, darüber hinaus Überschusseinspeisung von EEG-Strom in die Höchstspannungsebene (primär vor allem im Norden und Osten) Biomasse PV Wind Szenario Bund (NEP) NEP: Netzentwicklungsplan der BNetzA Szenario Länder (BLS) BLS: Bundesländerszenario 1 2 Maximale Verbrauchsleistung Minimale Verbrauchsleistung 1 BDEW, 2011, Abschätzung des Ausbaubedarfs in deutschen Verteilungsnetzen aufgrund von Photovoltaik- und Windeinspeisungen bis dena, 2012, dena-verteilnetzstudie, Ausbau- und Innovationsbedarf der Stromverteilnetze in Deutschland bis RWE Deutschland SEITE 3

4 RWE entwickelt zukunftsweisende Konzepte und innovative Betriebsmittel 1 Proaktives Verteilnetz Definition von Marktrollen nach Ampelphasen 6 Power to Gas Einspeisung von H2 in das Erdgasnetz, Flexibilität bereitstellen 2 ElChe Erprobung des Speichereinsatzes im Verteilnetz GEA Lüdenscheid Stromerzeugung durch Druck aus dem Gasnetz 3 Ampacity Praxistest zur künftigen Energieversorgung von Innenstädten Grid4EU Intelligentes Netzmanagement in Mittelspannungsnetzen 4 E-DeMa Feldtest zum intelligenten Stromverbrauch in Privathaushalten Metropol-E Erprobung von Lade- und Flottenmanagementsystemen 5 Smart Country Validierung innovativer Netzkonzepte und Betriebsmittel Smart Operator Autonome Steuerung der Niederspannungsnetze RWE Deutschland SEITE 4

5 Supraleiter sind bei RWE schon seit längerem ein Thema > Erfahrungen bereits seit mehr als fünfzehn Jahren Feldtest supraleitender 10-kV-Kurzschlussstrombegrenzer 2004/2005 Überlegungen zur Kupplung von 110-kV-Netzgruppen mit SSB Einsparung Netzkuppeltrafo 10 MVA, 3-ph., resistiv > Schlankere Netze durch Einsatz supraleitender Kabel? Gleiche Leistung auf niedrigerer Spannungsebene Weltweit Prototypen > Neue Anforderungen an Verteilungsnetze Optimierung klassischer Betriebsmittel vs. Entwicklung und Netzerprobung neuer Betriebsmittel bis zur Praxisreife SSB: SupraleitenderStromBegrenzer RWE Deutschland SEITE 5

6 AmpaCity: IKU-Innovationspreis-Träger Weltrekord längste supraleitende Kabelverbindung > Projektlaufzeit: September 2011 bis März 2016 > Konsortialpartner neben RWE Deutschland Nexans Deutschland Nexans SuperConductors Karlsruhe Institute for Technology (KIT), Institute for Technical Physics > Kabeltrasse Verbindung der Umspannanlagen Herkules und Dellbrügge in Essen an Stelle einer 110-kV-Verbindung Kabellänge ca. 1 km Betriebsspannung 10 kv Bemessungs-Dauerstrom A UA Herkules RWE Deutschland SEITE 6

7 Machbarkeitsstudie als Grundlage für einen möglichen Feldversuch > Erhöhung der Leistungsdichte und Effizienz durch Einsatz von HTS *) 600 -Kabeln > Vermeidung einer höheren Spannungsebene (für Ballungsgebiete relevant) > Vermeidung von radialem Wärmefluss, damit: 110 kv 10 kv HTS N2XS(FL)2Y 300 / 35 HTS-Kabel keine Bodenaustrocknung kein Übertragungsengpass in Kreuzungsbereichen > Keine äußeren Magnetfelder im Normalbetrieb durch die koaxiale, vollständig geschirmte Anordnung der drei Leiter > Geringerer Raumbedarf bei Anlagen und Trassenbreite und dadurch einfachere Legung durch weniger Erdarbeiten Platzeinsparungen in Innenstädten (110 kv UA) > Höhere Betriebssicherheit durch Kurzschlussstrom begrenzende Eigenschaften > Langfristige Kosteneinsparungspotenziale *) HTS: HochTemperaturSupraleitung M kv 10 kv HTS Invest Operation RWE Deutschland SEITE 7

8 Hochspannungsnetz im Bereich Essen/Mülheim 380-kV-Umspannanlage 220-kV-Umspannanlage 110/10-kV-Anlage Zielgebiet für supraleitende Kabel 110-kV-Kabel 110-kV-Freileitung Grundlage: Ist-Netz (2010) Einspeisepunkte ins supraleitende 10-kV-Netz 380-kV-Umspannanlage 220-kV-Umspannanlage 110/10-kV-Anlage 10-kV-Schwerpunktstation 10-kV-Kabel supraleitend 110-kV-Kabel 110-kV-Freileitung Neue Randbedingungen durch Strukturwandel Im Ruhrgebiet starker Rückgang der Schwerindustrie Anforderungen an Leistung und räumliche Aufteilung der Netze verändert Netz-Neubewertung und Konzeption für optimiertes Zielnetz 2020 Grundlage: Zielnetz 2020 RWE Deutschland SEITE 8

9 Förderung des Projekts AmpaCity durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie > Weltweit erstmalige Anwendung / Demonstration eines ca. 1 km langen HTS-Kabelsystems mit kompaktem konzentrischen Design zur Verbindung von zwei Umspannstationen unter realer Netzbelastung in Kombination mit einem ebenfalls supraleitenden Kurzschlussstrombegrenzer > Das Projekt stellt potenziell eine Initialzündung für den Aufbau weiterer Produktionskapazitäten im Bereich der HTS- Materialien, Kühlanlagen und HTS-Kabeltechnik dar (Kostensenkungspotenziale) > Nach Validierung der Eignung supraleitender Kabel steht eine zukunftsweisende Technologie zur Erfüllung anspruchsvoller Versorgungsaufgaben zur Verfügung > Mit Erreichen der gesteckten Innovationsziele kann mittel- bis langfristig die gesamte Stromversorgung in großen Ballungsräumen mit sehr hohen Energiedichten durch den Wegfall der 110/10-kV-Umspannanlagen vereinfacht werden RWE Deutschland SEITE 9

10 Akzeptanz in der Bevölkerung und in der Politik erfordert Diskussion in der Öffentlichkeit > Kritische Öffentlichkeit gegenüber moderner Technik Auch Projekte für die Energiewende müssen offen erläutert werden Fokus auf lokaler Information in Essen, aber auch intensive überregionale Information (national und international) Sehr positive Resonanz von allen Seiten durch frühzeitige und offene Information > Pressegespräche zu besonderen Anlässen sind ein wichtiger Baustein Abschluss der Typprüfung bei Nexans Erster Spatenstich in Essen Besuch wichtiger Personen oder Gruppen Inbetriebnahme RWE Deutschland SEITE 10

11 Die Pilotstrecke AmpaCity in Essen Technische Spezifikation 1 km Entfernung zwischen den Anlagen 10 kv Betriebsspannung A Bemessungs-Dauerstrom 40 MVA Dauerleistung Umspannanlage Herkules Verbindungsmuffe Umspannanlage Dellbrügge RWE Deutschland SEITE 11 Luftbild: "Darstellung aus HK Luftbilder / Karten Lizenz Nr. 197 / 2012 mit Genehmigung vom Amt für Geoinformation, Vermessung und Kataster der Stadt Essen vom "

12 Die Komponenten des HTS-Systems > Kabelsystem Kabelader - Stromtransport und Spannungsfestigkeit - Transport von flüssigem Stickstoff Kabelkryostat - Thermische Isolierung der Kabelader - Transport von flüssigem Stickstoff Endverschlüsse - Verbindung des Kabels mit Netz / Strombegrenzer, - Anschluss Kühlanlage - Übergang zwischen Betriebs- und Umgebungstemperatur Muffe - Verbindung von einzelnen Kabellängen > Strombegrenzer - Schutz des HTS-Kabels bei Kurzschlüssen im Netz > Kühlanlage - Bereitstellung Kühlleistung für Kabelsystem und Strombegrenzer RWE Deutschland SEITE 12

13 AmpaCity integriert innovative Betriebsmittel in vorhandene Infrastruktur (1/2) 1 (1) HTS-Kabel Trafobox in der UA Herkules (2) Endverschluss 2 (3) Kurzschluss 3 Strombegrenzer 4 (4) Kühlanlage 5 (5) U-Bogen 5 Zur Schaltanlage L1 L2 L (1) HTS- Kabel (2) U-Bogen (3) Endversc hluss 4 (4) Kurzschlu ssstrombegr enzer (5) Kühlanlag e RWE Deutschland SEITE 13

14 AmpaCity integriert innovative Betriebsmittel in vorhandene Infrastruktur (2/2) Anlieferung und Einzug des Kabels Aufstellung des LN2-Tanks Trafo-Box Einbau des U-Bogens Einbau des Kurzschlussstrombegrenzers RWE Deutschland SEITE 14

15 Die Vorbereitungen zur Inbetriebnahme > Befüllung des Stickstofftanks Füllung mit flüssigem Stickstoff > Kabelprüfung in Anlehnung an Vorschriften in DIN VDE und IEC Spannungsprüfung Verlustfaktormessung Teilentladungsmessung > Alle Teilprüfungen erfolgreich bestanden absolviert Einbindung des HTS-Kabels in das 10-kV-Netz RWE Deutschland SEITE 15

16 Seit Inbetriebnahme problemlose Funktion des Systems, Optimierungen erfolgten im laufenden Betrieb > Symmetrierung der Erdkapazitäten Unsymmetrische Erdkapazitäten des AmpaCity-Kabels durch nachträglichen Einbau von Kondensatoren kompensiert > Optimierung Kühlanlage Ertüchtigung der Vakuumpumpen nach Einfrierungen von feuchter Luft > Optimierung Systemüberwachung Erhöhung der Ansprechzeiten nach KU für unterbrechungsfreien Betrieb > Erfolgreiche Durchführung von Kurz- und Erdschlussversuchen im Netz Einwandfreie Funktion sowohl des Kurzschlussstrombegrenzers als auch der Schutzsysteme Das HTS-System beherrscht nicht nur den ungestörten Dauerbetrieb, sondern auch relevante Betriebssituationen im praktischen Netzeinsatz > Seit der Inbetriebnahme vor rund 2 Jahren wurden ca Kilowattstunden mit dem AmpaCity-Kabel übertragen besuchten über 100 Gruppen mit insgesamt mehr als Teilnehmern die Umspannanlage Herkules RWE Deutschland SEITE 16

17 KlimaExpo.NRW zeichnet AmpaCity aus > AmpaCity offiziell qualifiziertes Projekt der KlimaExpo.NRW NRW-Wirtschaftsminister Garrelt Duin übergab die Urkunde an Dr. Arnd Neuhaus, Vorstandsvorsitzender RWE Deutschland Wirtschaftsminister würdigt AmpaCity als Musterbeispiel für die Zukunft der Stromversorgung in Ballungsgebieten Dr. Joachim Schneider, Technikvorstand der RWE Deutschland: AmpaCity zählt zu den herausragenden innovativen Projekten, die RWE mit großer Energie und Leidenschaft umsetzt. Auszeichnungen wie diese zeigen uns, dass wir auf dem richtigen Weg sind." Vor dem Supraleiter in der Essener Innenstadt (von links nach rechts): Dr. Joachim Schneider, Technikvorstand der RWE Deutschland, Reinhard Paß, Oberbürgermeister der Stadt Essen, Garrelt Duin, Wirtschaftsminister des Landes Nordrhein- Westfalen, Dr. Heinrich Dornbusch, vorsitzender Geschäftsführer der KlimaExpo.NRW, Dr. Arndt Neuhaus, Vorstandsvorsitzender der RWE Deutschland, Frank Schmidt, Geschäftsführer Nexans Superconductors und Carola Geiß-Netthöfel, Regionaldirektorin beim Regionalverband Ruhr. Quelle: Pressemitteilung RWE Deutschland AG, 14. April 2015 RWE Deutschland SEITE 17

18 RWE und Nexans vereinbaren exklusive Zusammenarbeit > Lösungsportfolio und Zuständigkeiten Machbarkeit Netz Bau / bauliche Infrastruktur Kabel Kühlung Strombegrenzer Verbindungstechnik und Endverschluss Schulung Umwelt RWE Deutschland SEITE 18

19 Zusammenfassung und Ausblick > Basis für die Entscheidung zum weiteren Ausbau von Trassen mit HTS-Systemen Feldtest AmpaCity sehr erfolgreich durchgeführt Es ist beabsichtigt, das System weiter als Innovation zu nutzen Mögliches Szenario für RWE Deutschland: Ausbau eines HTS-Cityrings mit einer Länge von rund 20 km zur vollständigen Versorgung der Innenstadt, mit entsprechendem Rückbau von 110-kV-Anlagen Bedeutende Signalwirkung für die zukünftige Gestaltung von Stromverteilungsnetzen in Ballungsgebieten Abschluss des Pilotprojekts ist auch wichtige Grundlage für die generelle weitere Verbreitung der HTS- Technologie Breite Anwendung ist abhängig von der Verbesserung Qeuelle: Nexans Deutschland des Preis-Leistungs-Verhältnisses der HTS-Leitermaterialien, der Optimierung der Kabelherstellung und der Kosten sowie der Robustheit der Kühltechnik HTS-Technologie ist auch schon kurzfristig wirtschaftlich einsetzbar, wenn positive Sekundäreffekte hinzu kommen Mittelfristig wird eine Preisdegression erwartet RWE Deutschland SEITE 19

20 Backup RWE Deutschland SEITE 20