- eine ständige, technische Herausforderung

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1 - eine ständige, technische Herausforderung Stand: V

2 Erwartung der Verbraucher Der Anspruch Elektrische Energie soll zu jeder beliebigen Tages- und Nachtzeit, in jeder beliebigen Menge und ohne Unterbrechung verfügbar sein. Die Verfügbarkeit elektrischer Energie muss aus Sicht der Verbraucher 100% betragen 60 Minuten jede Stunde, 24 Stunden jeden Tag, 365 Tage jedes Jahr Die Realität Verfügbarkeit in Deutschland > 99% Elektrische Energie ist (für den Verbraucher) unbegrenzt und zu jeder Zeit verfügbar. Deutschland: 15 min/a Unterbrechung, 0,0028 % 2 2

3 N - 1 : Das Planungsprinzip N - 1 Prinzip Ein Element kann ausfallen und die Versorgung mit elektrischer Energie bleibt trotzdem zu 100% gewährleistet Woher kommt eigentlich die elektrische Energie? 3 3

4 Elektr. Energie Idealer Energieträger? Elektrische Energie ist ein hervorragendes Medium, um aus Primärenergieträgern wie z.b. Kohle erzeugt, über große Entfernungen übertragen und transportiert und universell verwendet zu werden aber nicht um in großen Mengen über unbegrenzte Zeit gespeichert zu werden. Elektrische Energie muß gleichzeitig erzeugt und verbraucht werden. 4 4

5 Der Schluchsee Ein Akkumulator 5 5

6 Woher kommt die elektrische Energie? 6 6

7 Verfügbarkeit der Kraftwerke Kernkraft 1500 MW 7500 h 86% Kohle 700 MW 1 x h 82% Wasserkraft ø 5 MW 5500 h 63% Windkraft 5 MW 140 x h 15% 1 Jahr = 8760 Stunden 7 7

8 Struktur der Energieversorgungsnetze Hochspannung Höchstspannung Mittelspannung Niederspannung 8 8

9 Energieversorgungsnetze in Deutschland 1,56 Millionen km installierte Leitungslänge 40 mal um den Äquator km Transportnetze 380/220kV km Verteilnetze 110/20/10kV km Niederspannungsnetz 400V Energieversorgungsnetze Transportnetze Verteilnetze Niederspannungsnetze 9 9

10 UCTE Europäische Energieversorgung Union für die Koordinierung des Transports elektrischer Energie 10 10

11 Energieversorgung in Deutschland 11 11

12 Quelle: VDE Bericht Stromversorgungsstörungen, November

13 Blackout in Italien, September September 2003 In Italien gehen die Lichter aus 57 Millionen Menschen ohne elektrische Energie Größter Stromausfall seit Jahrzehnten 13 13

14 Produktion elektrischer Energie in Italien Italien verbraucht seit Jahren mehr elektrische Energie als im Land erzeugt wird. Lesitungsbedarf: davon Importe: MW MW ( 24%) Deutschland - Schweiz - Italien: MW Frankreich - Italien: MW Slowenien - Italien: 638 MW Österreich - Italien: 191 MW Der Stromausfall ereignete sich am frühen Morgen um 3.00 Uhr bei geringer Netzlast 14 14

15 Blackout aus dem All 15 15

16 28. September 2003: Blackout in Italien 3.00 Uhr - 380kV Leitung Lavorgo - Mettlen Hohe Strom-Auslastung (86%) Großer Erwärmung der Leiterseile Erhöhter Seildurchhang Zu geringer Abstand zum Baumbewuchs SWITZERLAND Mettlen Sils Albertville Villarodin Moerel Riddes Airolo Ponte Avise Pallanzeno Valpelline Rondissone Lavorgo Soazza Gorduno Mese Sondrio MusignanoBulciago Robbia Soverzene AUSTRIA Lienz Redipuglia Padriciano Divaca SLOVENIA Venaus Le Broc-Carros Camporosso 6x 380 kv Freileitungen 9x 220 kv Freileitungen 16 16

17 28. September 2003: Blackout in Italien 3.00 Uhr - 380kV Leitung Lavorgo - Mettlen Lichtbogen-Überschlag zu einem Baum Schutzgeräte schalten Leitung automatisch frei, um den Lichtbogen zu löschen Wiedereinschaltung der Leitung war mehrfach erfolglos Leitung bleibt abgeschaltet Stromimporte von MW verteilen sich auf die verbleibenden Leitungen N-1 - Situation!!! 17 17

18 28. September 2003: Blackout in Italien 380kV Leitung Lavorgo - Mettlen 18 18

19 28. September 2003: Blackout in Italien Uhr - 380kV Leitung Sils - Soazza Auslastung beträgt 110% der Nennkapazität Seit 25 Minuten erwärmen sich die Leiterseile zunehmend, die Seile hängen zunehmend durch Kurzschluß auf der Leitung vermutlich wegen Überschlags zum Baumbewuchs Automatische Abschaltung der Leitung durch Schutzgeräte + 25min N-2 - Situation!!! 19 19

20 28. September 2003: Blackout in Italien Uhr - 220kV Leitung Airolo - Mettlen Leitung Sils - Soazza wird extrem überlastet Schutzgeräte schalten die Leitung 4s später automatisch ab + 4s Kaskadenartige Abschaltung aller grenzüberschreitenden Leitungen wegen Überlast, Italien ist vom europäischen Netz getrennt Wegen der Überlastung des Netzes sinkt die Netzfrequenz schnell, da keine Kraftwerksreserven vorhanden sind Die italienischen Kraftwerke werden abgeschaltet, um Zerstörungen zu vermeiden + 1s 3.25:26 Uhr Das italienische Energieversorgungsnetz ist zusammengebrochen Italien ist dunkel 20 20

21 Maßnahmen in Deutschland Nach der Abtrennung des italienischen Netzes wird im europäischen Netz zu viel Energie erzeugt. Schäden an Kraftwerken sind zu befürchten Unmittelbare Reaktionen in Deutschland Reduktion der erzeugten elektr. Energie Kraftwerke werden NICHT angefahren Erhöhung des Verbrauches elektr. Energie Pumpspeicher-KW pumpen Wasser in den oberen Speicher Aufladen des Akkumulators Pumpspeicher-Kraftwerk Wiederherstellung des Gleichgewichtes zwischen Erzeugter elektrischer Energie UND Verbrauchter elektrischer Energie

22 Wiederversorgung von Italien Ab 3.42 Uhr Aufbau der grenzüberschreitenden Hochspannungsleitungen + 42min Uhr ca MW werden aus dem UCTE-Netz importiert + 13h Uhr Versorgung ist vollständig wiederhergestellt + 20h 22 22

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24 Kernenergie Kraftwerke Kern-KW erzeugen in Deutschland ca. 26 Energie. Elektrische Energie wird mit kontrollierte Uran gewonnen. 26% % der elektrischen kontrollierter Kernspaltung aus Deutschen Kernkraftwerken: Leichtwasserreaktoren Druckwasserreaktoren und Siedewasserreaktoren Tschernobyl: Graphit-moderierter Reaktortyp Kernkraftwerke sind in Deutschland in Betrieb

25 Kernenergie Kraftwerke Erzeugung elektrischer Energie in einem Kernkraftwerk Siedewasserreaktor z.b. KKW Krümmel 25 25

26 Kernenergie Kraftwerke Sicherheitsbarrieren gegen das Austreten radioaktiver Stoffe 26 26

27 Kernenergie Kraftwerke Aufbau eines Graphit-moderierten Kernkraftwerkes z.b. Tschernobyl-KKW 27 27

28 Kernenergie Kraftwerke Aus was besteht ein Kernreaktor? Der Kernreaktor besteht aus dem Reaktorgehäuse, aus dem spaltbaren Material Uran, aus einem Stoff zum Abbremsen der Neutronen, dem Moderator, aus einer Vorrichtung zum Einfangen der Neutronen, den Steuer- oder Regelstäben, aus einem Kühlmittel z.b. Wasser, aus Sicherheitsbarrieren zum Strahlenschutz und zur Rückhaltung radioaktiver Stoffe. Wie funktioniert die kontrollierte Kernspaltung? Kontrollierte Kernspaltung: Spaltung von Uran-235 durch Neutronen. Spaltung von Uran-235 entstehen 2..3 schnelle Neutronen Schnelle Neutronen werden durch den sog. Moderator zu langsamen Neutronen abgebremst. Langsame Neutronen spalten wiederum Uran

29 Kernenergie Kraftwerke Was ist die Aufgabe des Moderators? Der Moderator bremst schnelle Neutronen zu langsamen Neutronen ab, damit eine kontrollierte und stabile Kettenreaktion in Gange kommt und bleibt. Moderator Kontrolle der Kettenreaktion Welche Moderatoren werden verwendet? Graphit (Kohlenstoff) Gute thermische und mechanische Eigenschaften Preiswert, eingesetzt in Graphit (U.K., Russland) raphit-moderierten Reaktoren Leichtes Wasser H 2 O Leichtwasser-moderierte Reaktoren (Deutschland, Frankreich) 29 29

30 Kernenergie Kraftwerke Leichtes Wasser H 2 O Wasserstoff ist das beste Bremsmittel, hat aber eine große Neigung Neutronen einzufangen und damit die Kernspaltung zu stoppen. Anzahl Neutronen muss erhöht werden Lösung: Uran-Anreicherung Der Anteil Uran-235 in Natur-Uran muß von 0,7% auf 7% angereichert werden, um die durch den Wasserstoff eingefangenen Neutronen auszugleichen und die kontrollierte Kernspaltung zu erhalten. Angereichertes Uran Wasser = Moderator + Kühlmittel 30 30

31 Graphit-moderierte Reaktoren Moderator = Graphit UNGLEICH Kühlmittel = Wasser Wenn die Anzahl der Kettenreaktionen und damit die Leistung ansteigt, entstehen im Kühlmittel Wasser mehr Dampfblasen. Dampfblasen absorbieren weniger Neutronen Am Moderator Graphit kann nun eine höhere Anzahl von Neutronen abgebremst werden Anzahl der Kernspaltungen steigt. Anzahl Kernspaltungen steigt Mehr Dampfblasen werden erzeugt Nur durch geeignete Sicherheitseinrichtungen kann verhindert werden, dass der Reaktor außer Kontrolle gerät. Dieser Effekt führte 1986 zum Reaktorunfall von Tschernobyl

32 Leichtwasser-moderierte Reaktoren Wasser = Moderator + Kühlmittel Wenn die Anzahl der Kettenreaktionen und damit die Leistung ansteigt, entstehen im Kühlmittel Wasser mehr Dampfblasen. Wasser ist gleichzeitig Moderator Mehr Dampfblasen Verdünnung" des Moderators Es werden weniger Neutronen absorbiert, noch weniger abgebremst. Anzahl der Kernspaltungen sinkt von selbst. Totaler Kühlmittelverlust = Totaler Verlust des Moderators Kettenreaktion kommt von selbst zum Erliegen Selbststabilisierung der Kernspaltung im Störungsfall Inhärente (innewohnende) Stabilität 32 32

33 Kernenergie Kraftwerke Und die Erkenntnisse? Die Technologie deutscher Kernkraftwerke ist wesentlich sicherer als die des Tschernobyl-Reaktors. Das Bedienpersonal war schlecht ausgebildet und stand unter ernormen Zeitdruck. Was folgt für die Kernkraftwerke in Deutschland? Niemand kann Störfälle bei Kernkraftwerken ausschließen. Ein Tschernobyl-Unfall ist in deutschen KKW nicht möglich, da deutsche KKW eine selbststabilisierende Technologie verwenden deutsche KKW einen deutlich höheren Sicherheitsstandard besitzen. deutsche KKW behördlich streng überwacht werden, was in der damaligen UdSSR fehlte

34 Kernenergie Kraftwerke Erzeugung elektrischer Energie in einem Kernkraftwerk Druckwasserreaktor 34 34

35 Kernenergie Kraftwerke Steuerung der Kettenreaktion schnelle Regelvorgänge durch Steuerstäbe Mittel/langfristige Regelvorgänge Zugabe von flüssigem Bor Reaktor- Schnellabschaltung Steuerstäbe fallen in die kritische Masse und stoppen sofort die Kettenreaktion 35 35