Freileitung/Erdkabel Drehstrom/Gleichstrom

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1 Optionen im Stromnetz für Hoch- und Höchstspannung: Freileitung/Erdkabel Drehstrom/Gleichstrom Prof. Dr.-Ing. habil. B. R. Oswald Leibniz Universität Hannover Berlin

2 Höchstspannung: (220) u. 380 kv Übertragungsnetze Hochspannung: 110 kv Verteilnetze Mittelspannung: 10 und 20 kv Niederspannung: bis 1000 V Die Spannungen in den einzelnen Netzebenen sind der Transportleistung (P ~ U I) und der Leitungslänge optimal angepasst, so dass die Verluste (V ~ R I 2 ) und Spannungsabfälle (ΔU ~ X I) nicht zu groß werden. Spannungsebenen der elektrischen Energieversorgungsnetze 2

3 ~ ~ ~ ~ 380 kv Maschennetz 110 kv Maschennetze 10/20 kv Ringnetze 230/400 V Strahlennetze Hierarchie der Netzspannungsebenen 3

4 Blindleistung ist der Anteil der Leistung, der keine Arbeit verrichtet. Sie wird für den ständigen Auf- und Abbau der elektrischen und magnetischen Felder bei Wechselspannung benötigt, belastet die Leitungen und Betriebsmittel unnötig und verursacht Verluste. Q S P S = P 2 + Q 2 Wirk- und Blindleistung (1) 4

5 Blindleistung Wirkleistung Wirk- und Blindleistung (2) 5

6 Freileitung oder/und Kabel? 6

7 Notwendigkeit des Netzausbaus zunehmender öffentlicher Widerstand gegen Freileitungsbau Energiepolitik Niedersächsisches Erdkabelgesetz EnLAG Anlass und Folgen der Debatte 7

8 Die Notwendigkeit des Netzausbaus ist unumstritten Kraftwerksneubau an neuen Standorten Kraftwerksstilllegung Leistungstransite durch Stromhandel Das Wie des Netzausbaus ist nicht unumstritten Freileitung oder Kabel auch als Teilverkabelung? HGÜ im Drehstromnetz oder als Overlay-Netz? Sonstige Möglichkeiten (GIL, supraleitende Kabel)? Notwendigkeit und Wie des Netzausbaus 8

9 Ist der Netzausbau notwendig? Warum? Wie soll der Netzausbau erfolgen? Welche Varianten sind prinzipiell möglich? Welche Kriterien sind bei mehreren Varianten maßgebend? Auf welcher Grundlage wird eine Entscheidung herbeigeführt? Wer hat die Entscheidung zu verantworten? Fragen zum Netzausbau 9

10 Natur und Landschaft elektromagnetische Verträglichkeit Geräusche U V Investitionskosten Umweltverträglichkeit Versorgungszuverlässigkeit elektrische thermische mechanische Eigenschaften W Wirtschaftlichkeit Betriebskosten (Verlustkosten Wartungskosten) sonstige Kosten z. B. Reparaturkosten Verhalten im normalen und im gestörten Betrieb Kriterien zum Netzausbau - das goldenen Dreieck nach EnWG 10

11 Hochspannungs- Drehstrom-Übertragung (HDÜ) Drehstromkabel Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) Drehstromfreileitung HGÜ-classic SVC-HGÜ Gleichstromkabel Gleichstromfreileitung Gasisolierte Rohrleitung (GIL) bisher als Punkt zu Punkt Verbindung bisher dominierende Technik Hochspannungs-Hochleistungs-Übertragungstechniken 11

12 Freileitungen sind besser als ihr Ruf 12

13 Freileitungen sind mit einem Anteil von 99,6 % das dominierende Übertragungsmedium im Höchstspannungsnetz warum? einfacher und robuster Aufbau höchste Übertragungsfähigkeit pro Stromkreis Reichweite ausreichend für westeuropäische Verhältnisse wartungsarm längste Lebensdauer Fehlerbeseitigung durch Kurzunterbrechung kürzeste Reparaturdauer geringste Gesamtkosten Technische und wirtschaftliche Argumente für die Freileitung 13

14 aber sie sind auch weithin sichtbar und insbesondere deshalb bei Nichttechnikern in Verruf geraten 14

15 380-kV-Freileitungs-Tragmast 15

16 380-kV-Freileitung Donaumastbild 16

17 AL1/34-ST1A Viererbündelleiter Stahl- Aluminium-Verbundseile mit 264 mm2 Aluminiumquerschnitt, 1 Erdseil ca. 50 m 25 m 31 m 380-kV-Freileitungsmast (Donaumastbild) 17

18 Aufbau eines Freileitungsseils Al/St 265/35 18

19 Drehstromkabel und GIL haben andere elektrische und thermische Eigenschaften als die Freileitung und sind im Aufbau komplizierter Mit wachsender Spannung steigen die Ansprüche an die Isolation beim Kabel wesentlich stärker als bei der Freileitung 19

20 Quelle: Nexans Querschnitt 2500 mm 2, Außendurchmesser 14,2 cm, Gewicht 40 kg/m 400-kV-VPE-Einleiterkabel 20

21 Kabelanlage Berlin 21 6,3 km MW im luftgekühlten Tunnel teilweise in 25 m Tiefe

22 380-kV-Kabelanlage in Berlin 22

23 Quelle: Siemens Leiterdurchmesser: außen 180 mm, innen 156 mm Kapseldurchmesser: außen 517 mm, innen 500 mm Gasisolierter Rohrleiter (GIL) 23

24 2 Systeme GIL im Tunnel 24

25 Quelle: Siemens Erdverlegung eines Leiters der GIL 25

26 Der Isolierstoff bestimmt weitgehend die Geometrie Freileitung: Atmosphärische Luft, große Schlagweiten, selbstheilend, 7,8 m Mindestabstand zum Erdboden VPE-Kabel: Fester Isolierstoff, 25 bis 27 mm Isolationsabstand, 142 mm Außendurchmesser GIL: Druckgas N 2 und SF6, 160 mm Isolationsabstand, 517 mm Außendurchmesser Eigenschaften von Freileitungen, Kabeln und GIL (1) 26

27 Die Verlustwärme und deren Abfuhr bestimmt die Grenzleistung (Übertragungsfähigkeit) Freileitung: Höhere Verluste als Kabel, gute Wärmeabfuhr durch umgebende Luft, hohe Grenzleistung (1800 bis 3000 MVA) VPE-Kabel: Geringere Verluste als Freileitung*, schlechte Wärmeabfuhr durch Isolierung und Erdboden (1400 bis 1500 MVA)** GIL: Verluste etwa wie Kabel, aber bessere Wärmeabfuhr, Grenzleistung bei Erdverlegung ähnlich Freileitung * ohne Kompensationsverluste ** 2500 mm 2 Cu, je nach Verlegung und Belastungsgrad Eigenschaften von Freileitungen, Kabeln und GIL (2) 27

28 380-kV-Freileitung mit Viererbündeln Aldrey/St 564/72 ( Finch ) (Elbekreuzung bei Stade) Belastbarkeit in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit und der Umgebungstemperatur bei maximaler Seiltemperatur von 80 C 3000 MVA, 4600 A bei 35 C Umgebungs- Temperatur und 0,6 m/s Windgeschwindigkeit Quelle: Siemens-Energietechnk 1 (1979) Übertragungsfähigkeit der Freileitung (1 System) 28

29 m = 0,7, a = 1,0 m Sth/MVA m = 1,0, a = 0,3 m thermisch stabilisierte Bettung Rth in der Trockenzone 1,2 Km/W A/mm2 29 Belastbarkeit von 380-VPE-Kabeln (ebene Verlegung ohne thermische Beeinflussung)

30 Cross-Bonding Hauptabschnitt 6,75 km mit 3 Unterabschnitten á 2,25 km Kabelabschnittslänge 750 m, 2 77 Verbindungsmuffen, 2 33 Cross-Bonding-Muffen, 2 11 Cross-Bonding-Kästen Cross-Bonding (Auskreuzen) der Kabelschirme (Beispiel) 30

31 ca. 3 m Quelle ew Aufbau einer 380-kV-Cross-Bonding-Muffe 31

32 7,0 1,75 1,0 1,5 0,5 0,5 3,0 5,0 13,0 1,75 1,0 1,5 0,5 0,5 3,0 3,0 3,0 11,0 Grabenprofile für 2 und 4 Kabelsysteme (Maße in m) 32

33 10 F 565 (2 Systeme) Blindleistung pro km in MVar K 2500 (2 Systeme) K 2500 (4Systeme) Leistung in MVA Blindleistung von 380-kV-Freileitungen und -kabeln 33

34 I Übertragung I Kapazität U C I zulässig = I +I 2 Übertragung 2 Kapaziä t t I Übertragung = Izulässig - IKapazi tät = Izulässig -( ωc l U) 2 Das Produkt Länge Spannung ist begrenzt Kompensation Kapazitiver Ladestrom des Drehstrom-Kabels 34

35 150-Mvar-Kompensationsspule (dreiphasig) 35

36 Versorgungszuverlässigkeit einer möglichst sicheren Versorgung 36

37 Versorgungssicherheit/Zuverlässigkeit deterministisch probabilistisch (n-1)-kriterium Verfügbarkeit bzw. Nichtverfügbarkeit Planung und Betrieb zufallsbedingte Störereignisse VDN-Störungsstatistik Versorgungssicherheit und-zuverlässigkeit 37

38 Zeitorientierte Bewertung: Nichtverfügbarkeit = λ l μ + λ l λ l T h/jahr λ = Ausfallhäufigkeit, Anzahl der Ausfälle pro km und Jahr μ = Reparaturrate, Kehrwert der Reparaturdauer T in Jahren Beispiel: 60 km 380-kV-Freitung und 60 km 110-kV-Kabel Leitung λ l / kma T / h λ l / a Nichtverfügbarkeit F 0, ,94 0,2118 0, ,623 h/a K 0, ,2 0,3942 0, ,8 h/a Für den Netzbetreiber ist die ereignisorientierte Bewertung interessanter Nichtverfügbarkeit nach Störungsstatistik 38

39 ETG-Tagung, 2. April 2009, Zürich Notmast bei der Freileitung 39

40 Über die Ausfallrate von 380-KV-VPE-Kabeln liegen aufgrund des bisherigen Einsatzes nur kurzer Längen und der bisher kurzen Einsatzzeiten (etwa seit 1990) keine statistischen Daten vor. Die Reparaturdauer liegt aber mit Sicherheit deutlich über der der Freileitung (Wochen statt Tage) Für gleiche Verfügbarkeit beider Leitungssysteme muss die Ausfallrate des Kabels eine Größenordnung kleiner als die der Freileitung sein Anforderungen an die Verfügbarkeit von Kabelanlagen 40

41 Teilverkabelung 4 Pilotprojekte nach EnLAG in Niedersachsen/Hessen 41

42 thermischer Engpass, geringe Verfügbarkeit kompliziert, Leitungssysteme nicht unabhängig alternativ zur Ausführung links ideal, aber hoher Aufwand Möglichkeiten der Teilverkabelung 42

43 Flächenbedarf ca. 50 m 50 m = qm Kabelübergangsanlage mit Portal für 2 Systeme 43

44 ETG-Tagung, 2. April 2009, Zürich Kabelübergangsanlage mit Endmast 44

45 Freileitung: Z F = 250Ω Kabel: Z K = 50Ω r F-K = 2/3 b F-K = 1/3 r K-F = 2/3 b K-F = 5/3 r K-F = 2/3 b K-F = 5/3 r F-K = 2/3 b F-K = 1/3 u zul Blitzstoßspannungswelle auf Freileitung Kabel 45

46 Wirtschaftlichkeit einer möglichst preisgünstigten effizienten Versorgung 46

47 Kosten (Barwerte) Investitionskosten Betriebskosten Verlustkosten Sonstige einmalig jährlich Barwert = Investitionskosten + (jährliche Verlustkosten) Rentenbarwertfaktor Kostenarten 47

48 Verluste Leitungsverluste Verluste der Nebenanlagen spannungsabhängige Verluste Kompensationsverluste (AC-Kabel) stromabhängige Verluste ( ~ I 2 ) Stromrichter- und Filterverluste (HGÜ) Arbeitsverlustfaktor Verluste in Leitungssystemen 48

49 Verluste pro km in kw Systeme Freileitung und 2 Systeme Kabel nicht kompensiert F 565 K Leistung in MVA Verluste von Freileitung und Kabel (nicht kompensiert) 49

50 500 Verluste pro km in kw Systeme Freileitung und 2 Systeme Kabel 100 % kompensiert F 565 K Leistung in MVA 50 Verluste von Freileitung und Kabel (100 % kompensiert)

51 Investitionskosten + Verlustkosten = Gesamtkosten ,65 : K F K F K F F: AL1/72-St1A K: 2XS(FL)2Y RM 100 % kompensiert 51 Kosten von 60 km 380-kV-Freileitung und 380-kV-Kabel in Mio. (je 2 Systeme)

52 Investitionskosten + Verlustkosten = Gesamtkosten ,8 : K F K F K F F: AL1/72-St1A K: 2XS(FL)2Y RM 75 % kompensiert 52 Kosten von 190 km 380-kV-Freileitung und 380-kV-Kabel in Mio. (je 2 Systeme)

53 Investitionskosten + Verlustkosten = Gesamtkosten ,2 : K F K F K F F: 3 635/117 Al/St K: 2XS(FL)2Y RM 100 % kompensiert 53 Kosten von 110 km 380-kV-Freileitung (2 Syst.) und 380-kV-Kabel (4 Syst.) in Mio.

54 oder gar HGÜ? 54

55 stromabhängige Verluste von AC- und DC- Kabeln bei gleicher Länge und Übertragungsleistung, sowie gleichem Querschnitt von Al- und Cu-Kabeln: 2 Sü VI, AC = ' 2 n P R l U 2 Pü VI, DC = ' = 2 2 d P R l U P R' U U = 2 = 2 1,6 0,8 2 1 P VI,DC = n ρal 1 n 380 VI, AC R' Ud ρcu 1+ Δ R/ R= Ud 600 U- und Kompensationsverluste von 2 Systemen 2500 mm 2 etwa. 0,25 % bei 100 km und 2200 MVA Stromrichter- und Filterverluste etwa 1,5% pro Station Verluste auf AC- und DC-Kabelanlagen 55

56 Drehstromtechnik HGÜ-Technik passend zu bestehendem Netz selbsttätige Einstellung des Leistungsflusses nach Impedanzverhältnis natürliche Erhöhung der Netzstabilität durch Verstärkung der synchronen Kopplung wirtschaftliche Länge von Kabeln ist begrenzt, Kompensation erforderlich einfache Leistungsausund Einkopplung durch Transformatorstationen weitgehend wartungsfrei Exot im bestehendem Netz Einstellung des Leistungsflusses nach Regelalgorithmus (ggf. nicht genügend überlastbar im (n-1)-fall) asynchrone Netzkopplung, künstliche Erhöhung der Netzstabilität möglich Möglichkeit der geregelten Blindleistungsbereitstellung ungenügender Beitrag zur Spannungsstützung bei KS aufwändige Leistungsausund Einkopplung durch zus. Stromrichterstation Vergleich Drehstrom- HGÜ-Technik im 400-kV-Netz 56

57 Umweltverträglichkeit einer möglichst umweltverträglichen Versorgung 57

58 Quelle: ForWind-Gutachten 2 Systeme bei einem Leiterabstand von 12 m über EOK Elektrische Feldstärke der 380-kV-Freileitung (Donaumastbild) 58

59 Quelle: ForWind-Gutachten 2 Systeme am Ort des größten Durchhangs beim Mindestabstand 7,8 m Elektrische Feldstärke der 380-kV-Freileitung (Donaumastbild) 59

60 Quelle: ForWind-Gutachten Magnetische Induktion der 380-kV-Freileitung (2 Systeme) 60

61 Quelle: ForWind-Gutachten Magnetische Induktion des 380-kV-Kabels (2 Systeme) 61

62 Erdbodenoberfläche Oberkante thermische Bettung Isothermen Trockenbereich Kabeloberflächentemperatur Grenzisotherme Temperatur d x Abstand von der Kabelachse Bodensaustrocknung im Nahbereich des Kabels 62

63 7,0 1,75 1,0 1,5 0,5 0,5 3,0 5,0 13,0 1,75 1,0 1,5 0,5 0,5 3,0 3,0 3,0 11,0 Grabenprofile für 2 und 4 Kabelsysteme (Maße in m) 63

64 Zitat aus dem Umweltgutachten zur Teilverkabelung der 380-kV-Leitung Schwerin-Krümmel (Abschnitt MV) Quelle: UmweltPlan GmbH Sralsund/Güstrow Umweltfachlicher Vergleich Freileitung-Kabel (Beispiel) 64

65 Zitat aus dem Umweltgutachten zur Teilverkabelung der 380-kV-Leitung Schwerin-Krümmel (Abschnitt MV) Quelle: UmweltPlan GmbH Sralsund/Güstrow Umweltfachlicher Vergleich Freileitung-Kabel (Beispiel) 65

66 Summa summarum möglichst sicher, preisgünstig, verbraucherfreundlich, effizient und umweltverträglich 66

67 Eine sachliche Diskussion Freileitung und oder Kabel darf nicht losgelöst von der Spannungsebene geführt werden, denn Kabel fühlen sich in den niederen Spannungsebenen wohler als in den höheren. Freileitungen sind aus gutem Grund das dominierende Übertragungsmedium im Höchstspannungsnetz und keineswegs veraltet. Durch den Einsatz dickerer und verbesserter Leiterseile lassen sich die Verluste verringern und die Übertragungsfähigkeit weit über die der alternativ in Frage kommenden Kabel steigern. VPE-Kabel gelten inzwischen bis zur Höchstspannungsebene als technisch ausgreift, wurden aber bisher im Übertragungsnetz, wenn überhaupt, aus wirtschaftlichen und betrieblichen Gründen nur auf kurzen Strecken eingesetzt. Zusammenfassung (1) 67

68 Auf die technischen und betrieblichen Nachteile sowie die Mehrkosten der Höchstspannungskabel gegenüber der Freileitung wurde im Vortrag ausführlich eingegangen. Bei der Durchsetzung der öffentlich geforderten und politisch unterstützten Verkabelung oder Teilverkabelung von wichtigen Ausbaustrecken des Übertragungsnetzes muss man sich der Konsequenzen insbesondere hinsichtlich der höheren Kosten und eventueller betrieblicher Nachteile bewusst sein. Dazu sollte der Vortrag einen Beitrag leisten. Der Ausbau des Übertragungsnetzes mit GIL- oder gar HGÜ-Abschnitten ist keine Alternative zum Kabel und schon gar nicht zur Freileitung. Beide Techniken haben durchaus Vorteile auch gegenüber der Freileitung. Sie sollten aber nur dort eingesetzt werden, wo ihre Vorteile auch voll zum Tragen kommen, um so den hohen technischen Aufwand und die hohen Kosten zu rechtfertigen. Im Übertragungsnetz ist das jedenfalls nicht der Fall. Zusammenfassung (2) 68

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