Offshore- Windparks in Deutschland Entwicklungen, Technik und Netzanbindung

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1 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Offshore- Windparks in Deutschland Entwicklungen, Technik und Netzanbindung VDE- Bezirksverein Südbayern e.v. Arbeitskreis Energietechnik München, Thomas Ahndorf Master of Engineering (M.Eng.) Fachgebiet

2 Fakultäten der Technischen Universität München

3 Die Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Institut für Energietechnik Lehrstuhl für Hochspannungs- und Anlagentechnik (HSA, Prof. Kindersberger) Lehrstuhl für Elektrische Antriebssysteme und Leistungselektronik (EAL, Prof. Kennel) Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik (EWK, Prof. Wagner) Fachgebiet Energiewandlungstechnik (EWT, Prof. Herzog) Fachgebiet (EEN, Prof. Witzmann) Institut für Informations- und Kommunikationstechnik Institut für Elektronik Institut für System- und Schaltungstechnik Institut für Automatisierungstechnik und Autonome Systeme

4 f [Hz] 50,02 50,01 50,00 Spain France Germany (border to France) P [MW] , ,98 49,97 49,96 49,95 49,94 Germany (east) Hungary Poland P Germany-France (one 380-kVcircuit) , time [sec] Netzanbindung hoher Leistungen aus Offshore-Windparks (Design von Offshore Netzen, Analyse und Vergleich von Übertragungstechnologien, stationäre und dynamische Netzuntersuchungen, technische und wirtschaftliche Optimierung) Integration von PV-Leistung in die Verteilnetze (Belastungsfähigkeit typischer Netze, Identifikation von Reserven, Optimierung durch intelligente Einspeisung und Speicherung) Stabilität von großen Verbundsystemen (Dämpfung von Wirkleistungspendelungen) Modellbildung von Betriebsmitteln und Systemen (VFTO-Analysis, Trafo-ESB für übertragene Steilstoßspannungen)

5 Inhalt 1. Einleitung 2. Planungen in Deutschland 3. Typische Windparks 4. Netzanschluss Herausforderungen und Technik Netzanschlussregeln 5. Hochspannungs- Gleichstromübertragung Technik und Offshore- Anforderungen 6. Zusammenfassung

6 Warum brauchen wir Forschung im Bereich der Energieversorgungsnetze im Kontext der Offshore- Windenergie? Einleitung 6

7 Einleitung Politische Ziele Reduktion der Treibhausgas-Emissionen bis 2020 gegenüber 1990 um rund 35 % (Ziel 40%) Anteil der erneuerbaren Energien an der gesamten Stromversorgung von mindestens 12,5% bis zum Jahr 2010 und von mindestens 30% bis zum Jahr 2020 Windenergie ist wesentlicher Hebel zur Erreichung der Klimaziele

8 Prognose der Stromproduktion 2030 Andere 69% Wind Onshore 14% Wind Offshore 17% 31% Quelle: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU), Plus-Variante (E2-Variante der LEITSTUDIE 2008)

9 Kraftwerke in Deutschland ab 100 MW Quelle: Umweltbundesamt, Juni

10 Initialzündung für die (Offshore-) Windenergie in Deutschland Planungen in Deutschland 10

11 Politische Förderung Quelle: Bundesverband Windenergie e.v

12 Gesetz zur Beschleunigung von Planungsverfahren für Infrastrukturvorhaben ( ) Unter anderem wird in 17 EnWG nach Absatz 2 folgender Absatz 2a eingefügt:,,(2a) Betreiber von Übertragungsnetzen, in deren Regelzone die Netzanbindung von Offshore- Anlagen im Sinne des 10 Abs. 3 Satz 1 des Erneuerbare Energien- Gesetzes erfolgen soll, haben die Leitungen von dem Umspannwerk der Offshore- Anlagen bis zu dem technisch und wirtschaftlich günstigsten Verknüpfungspunkt des nächsten Übertragungs- oder Verteilernetzes zu errichten und zu betreiben; die Netzanbindungen müssen zu dem Zeitpunkt der Herstellung der technischen Betriebsbereitschaft der Offshore- Anlagen errichtet sein. Eine Leitung nach Satz 1 gilt ab dem Zeitpunkt der Errichtung als Teil des Energieversorgungsnetzes

13 Auswirkungen der EnWG- Änderung Leitungen von dem Umspannwerk der Offshore- Anlagen Verlagerung der Kosten der Netzanbindung hin zu den Netzbetreibern, welche die Kosten auf die Netznutzungsentgelte umlegen dürfen Nutzung von Synergieeffekten einer gemeinsamen Planung Zeitpunkt der Herstellung der technischen Betriebsbereitschaft Einseitige Planungsunsicherheit zu Lasten der Netzbetreiber Erhöhung des Planungsdrucks auf die Netzbetreiber. Jedoch erhöht Zeitdruck die Kosten der Beschaffung Teil des öffentlichen Energieversorgungsnetzes Die Kosten für den Betrieb sind wälzbar auf die Netznutzungsentgelte Planungsgrundlage (n-1)?

14 Gesetz für den Vorrang Erneuerbarer Energien (EEG) EEG 2004: EEG 2009: Höhere Vergütung und weniger Degression (Onshore- Anlagen): Anfangsvergütung (2009): 7,87 ct/kwh Grundvergütung (2009): 4,97 ct/kwh Degression: 2% p.a. Anfangsvergütung (2009): 9,20 ct/kwh Grundvergütung (2009): 5,02 ct/kwh Degression: 1% p.a. Erhöhte Vergütung für Offshore- Anlagen: Anfangsvergütung (2009): 8,74 ct/kwh Grundvergütung (2009): 5,95 ct/kwh Degression: 2% p.a. Anfangsvergütung (2009): 13 ct/kwh Grundvergütung (2009): 3,50 ct/kwh Degression: 5% p.a. ab 2015 NEU: Sprinter-Bonus auf Anfangsvergütung: 2 ct/kwh bei Inbetriebnahme bis

15 EEG 2004: EEG 2009: Systemdienstleistungs-Bonus (SDL): Repowering-Bonus: NEU: SDL für Neuanlagen: 0,5 ct/kwh zur Anfangsvergütung NEU: Altanlagen (Inbetriebnahme ab ): 5 Jahre SDL von 0,7 ct/kwh wenn die Nachrüstung bis zum erfolgt ist. Einhaltung der Mittelspannungsrichtlinie bzw. des TransmissionCode Verlängerung der Laufzeit der Anfangsvergütung um 2 Monate pro 0,6 % Referenzertrag. Kriterien: - bestehende Anlagen ersetzen oder erneuern. - Inbetriebnahme bis zum Leistung mindestens verdreifachen NEU: Bonus auf die Anfangsvergütung von 0,50 ct/kwh Kriterien: - eine oder mehrere Anlagen endgültig ersetzen - im selben oder benachbarten Landkreis - Inbetriebnahme mindestens vor 10 Jahren - Leistung mindestens verdoppeln, maximal verfünffachen

16 Offshore- Windparks in der Deutschen Nordsee September

17 Offshore- Windparks in der Deutschen Nordsee September OWP Projekte Quelle: Dena, BSH

18 Offshore- Windparks in der Deutschen Ostsee 12 OWP Projekte Beantragte Gesamtleistung ca MW Quelle: Dena

19 Laufende Projekte In Betrieb: Noch kein Park Im Bau: Offshore- Testfeld alpha ventus 12 WEA (2009) BARD Offshore 1 80 WEA 400 MW (2009/10)

20 Offshore- Windparks in der Deutschen Nordsee

21 Offshore- Testfeld alpha ventus Quelle: Deutsche Offshore-Testfeld und Infrastruktur GmbH & Co. KG,

22 Offshore- Testfeld alpha ventus Quelle: Deutsche Offshore-Testfeld und Infrastruktur GmbH & Co. KG,

23 Projekt BARD Offshore 1 Quelle: BARD-Gruppe,

24 Laufende Projekte In Betrieb: Noch kein Park Im Bau: Offshore- Testfeld alpha ventus 12 WEA (2009) BARD Offshore 1 80 WEA 400 MW (2009/10) Bis 2015 zu erwartende Einspeiseleistung aus OWP: 21 genehmigte OWP in der Nordsee (ca Anlagen) 3 genehmigte OWP in der Ostsee (ca. 260 Anlagen) Bei Anlagen zwischen 2,3 MW und 5 MW ergeben sich Leistungen von: Nordsee: MW Ostsee: MW

25 Wie ist ein typischer Offshore- Windpark aufgebaut? Typischer Windpark 25

26 REPower 5M Nennleistung 5 MW Generator Doppeltgespeister Asynchrongenerator Rotordurchmesser 126,0 m Nabenhöhen m Onshore m Offshore Rotordrehzahl 6,9 12,1 1/min (+15%) Abbildung: REPower Systems

27 Multibrid M5000 Nennleistung 5 MW Generator Synchrongenerator mit Vollumrichter Rotordurchmesser 116,0 m Nabenhöhen 102 m Rotordrehzahl 5,9 14,8 1/min (±10%) Abbildung: Multibrid Entwicklungsgesellschaft mbh

28 Elektrisches Layout

29 Offshore- Steckdose! Aber wie? Netzanschluss 29

30 Herausforderungen für die Übertragungsstrecke Vollverkabelung Entfernung zum Netzknoten Forderungen der Netzanschlussregeln Anfahren / Inselbetrieb Schwankende Einspeisung Netzfehler Onshore Netzfehler Offshore

31 Norddeutsches Übertragungsnetz Jardelund Brunsbüttel Diele 100 km Quelle: DENA, UCTE

32 Erzeugungsanlage Erzeugungseinheit weitere ms

33 m/s Fachgebiet für Windschwankungen s Quelle: FINO

34 Übertragungstechnologien für einen 400 MW Windpark Drehstrom Gleichstrom

35 Limitierungen bei Drehstrom Dreileiter- Seekabel Betriebsspannung: 155 kv Querschnitt: 1200 mm² Cu Kompensation Zwischenkompensation auf See schwer möglich

36 Drehstromübertragung - Blindleistung und Verluste Blindleistungsbeitrag Ein Kabelsystem 140 km (65 km Land, 75 km See) 3x1200 mm² Dreileiterkabel (240 MVA Übertragungsleistung) Ladeleistung Q= 156 Mvar Leerlaufstrom I= 575A am Anfang der Leitung I/Ib= 62% Leerlaufverluste Pv= 8,4 MW Spannungsanhebung Ende des Kabels Ue= 1.11 p.u. (Nach Ausfall der Kompensation)

37 Drehstromübertragung - Blindleistung und Verluste Optimierungspotential

38 Hochspannungs- Drehstromübertragung Vorteile: Relativ kleine Plattform Schwarzstartfähig Flexibilität für den weiteren Ausbau Redundanz durch zwei Kabelsysteme Thermische Überlastfähigkeit Nachteile: Keine Entkopplung der Netze im Störungsfall Aufwendigere Verlegung Breitere Kabeltrasse Eingeschränkte Regelfähigkeit (nur über Stufenschalter der Drosseln und des Trafos) Relativ hohe Verluste Notwendige Kompensation Einhaltung der Netzanschlussregeln?

39 Hochspannungs- Drehstromübertragung Gut geeignet für kurze Entfernungen und kleinen Leistungen

40 Erste AC- Übertragung (Deutschland) Offshore Testfeld alpha ventus 12 Anlagen Je 5 MW 60 km Kabel Quelle: alpha ventus

41 Alleskönner HGÜ? Hochspannungs- Gleichstromübertragung 41

42 Limitierungen bei Gleichstrom IGBT Sperrspannung: ca. 2 kv Zweigstrom: ca. 1,5 ka Thyristoren Sperrspannung: > 8,5 kv Zweigstrom: einige ka Seekabel Betriebsspannung: ±150 kv bis ±300 kv

43 Hochspannungs- Gleichstromübertragung Hohe Übertragungsleistungen (>6000 MW, China) Große Übertragungsentfernungen (>2000 km, China) Kein Blindleistungsbeitrag der Kabel Kein Skineffekt im Kabel Dafür Verluste in den Umrichtern (bis 3% je Umrichter)

44 Hochspannungs- Gleichstromübertragung IGBT- HGÜ Thyristor- HGÜ

45 Hochspannungs- Gleichstromübertragung IGBT- HGÜ Selbstgeführt Schwarzstartfähig Vier Quardanten- Betrieb Umkehr der Energieflussrichtung durch Umkehren der Stromrichtung VPE Kabel möglich Gute Entkopplung der Netze im Fehlerfall Thyristor- HGÜ Führung beidseitig an vorhandenen starren Netzen Blindleistungsbezug Große Netzfilter Umkehr der Energieflussrichtung durch Umpolen der Spannung Papierisolierte Kabel Hohe Übertragungsleistung

46 Thyristor- Hochspannungs- Gleichstromübertragung Schwarzstart unklar Inselnetzfähigkeit nur mit Zusatzeinrichtungen Dieselgeneratoren STATCOM

47 Hybrid-LCC-HGÜ Abbildung: Areva

48 Thyristor- Hochspannungs- Gleichstromübertragung Schwarzstart unklar Inselnetzfähigkeit nur mit Zusatzeinrichtungen Dieselgeneratoren STATCOM Platzbedarf auf einer Plattform Teure und schwere papierisolierte Kabel -> Nicht optimal für Offshore- Einsatz

49 Drehstrom vs. Gleichstrom Bessere Überlastbarkeit der Drehstrom- Lösung Bei einer 140 km Kabelstrecke niedrigere Systemverluste der HGÜ Vorteile bei den Investitionskosten für die HGÜ Bessere Systemdynamik der HGÜ Günstigeres Systemverhalten der HGÜ im Fehlerfall Höhere Komponentenanzahl der HGÜ -> Wartungsaufwand HGÜ ist meist die bessere Wahl für Offshore- Windparks

50 Erste Offshore- Wind- HGÜ 1,2) AC: Transformatoren, Filter, Schaltanlage, Drossel 3) Halbleiter: IGBT- Ventile 4) DC: Kabelanschlüsse 5) Kühlung: Klimaanlage, Hilfsanlagen 6) DC Chopper: DC Chopper Widerstand Abbildung: ABB

51 Erste Offshore- Wind- HGÜ 1,2) AC: Transformatoren, Filter, Schaltanlage, Drossel 3) Halbleiter: IGBT- Ventile 4) DC: Kabelanschlüsse 5) Kühlung: Klimaanlage, Hilfsanlagen 6) DC Chopper: DC Chopper Widerstand Abbildung: ABB

52 Erste Offshore- Wind- HGÜ Abbildung: ABB

53 Weiterer Forschungsbedarf für eine sinnvolle technische und wirtschaftliche Gesamtkonzeption Ausblick 53

54 Weitere Themen Dynamischen Verhalten bzw. Interaktion der Offshore- Windparks mit dem Übertragungsnetz an Land Sinnvolle Netzverstärkung/Ausbau Übergeordnete Betriebsstrategie Ausbauszenarien in der Nordsee Erzeugungsausfall von 3000 MW in Norddeutschland

55 Ausbauszenarien in der Nordsee Einzelanbindung Zentrale Sammelschiene Subclustering

56 Zusammenfassung Zusammenfassung 56

57 Zusammenfassung Offshore- Wind wird einen wesentlichen Beitrag zur Erfüllung der Klimaziele leisten Offshore- Windparks bedürfen erweiterte technische Vorgaben für den Netzanschluss Veröffentlichung der Anforderungen an seeseitige Netzanschlüsse an das Netz der E.ON Netz vom 01. April 2008 Für die meisten Windparks ist eine HGÜ technisch und wirtschaftlich am sinnvollsten Bau der ersten HGÜ für einen Offshore- Windpark Viele Unwägbarkeiten im zeitlichen Ausbau, daher schwierige Gesamtplanung

58 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Thomas Ahndorf Master of Engineering (M.Eng.) Fachgebiet Tel.: +49 (0) Fax. : +49 (0) thomas.ahndorf@mytum.de