STROMÜBERTRAGUNG FÜR DEN KLIMASCHUTZ POTENTIALE UND PERSPEKTIVEN EINER KOMBINATION VON INFRASTRUKTUREN

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1 STROMÜBERTRAGUNG FÜR DEN KLIMASCHUTZ POTENTIALE UND PERSPEKTIVEN EINER KOMBINATION VON INFRASTRUKTUREN Publikation Vorlage: Datei des Autors Eingestellt am unter Autor Dipl.-Ing. Martin Pokojski Mitglied ETG im VDE Veranstaltung Münchner VDE/HSS-Kolloquium Stromübertragung für den Klimaschutz Expertentagung der Hanns-Seidel-Stiftung am im Konferenzzentrum München Empfohlene Zitierweise Beim Zitieren empfehlen wir hinter den Titel des Beitrags das Datum der Einstellung und nach der URL-Angabe das Datum Ihres letzten Besuchs dieser Online-Adresse anzugeben. [Vorname Name: Titel. Untertitel (Datum der Einstellung). In: (Datum Ihres letzten Besuches).]

2 Stromübertragung für den Klimaschutz Potentiale und Perspektiven einer Kombination von Infrastrukturen Studie der Energietechnischen Gesellschaft im VDE (ETG) Dipl.- Ing. Martin Pokojski / 1

3 Bearbeiter ETG Task Force Infrastruktur Dr.-Ing. Christoph Dörnemann Wolfgang Glaunsinger Dr.-Ing. Jutta Hanson Dr. Carl Caspar Jürgens Matthias Kirchner Dr.-Ing. Martin Kleimaier Maren Kuschke Dr.-Ing. Hermann Koch Martin Pokojski Axel Schomberg Prof. Dr.-Ing. Kai Strunz Wolfgang Tausend Dr.-Ing. Kristian Weiland Fred Wendt Prof. Dr.-Ing. Dirk Westermann Amprion GmbH VDE/ETG ABB AG NETWORK Institute Nexans Deutschland GmbH Consultant TU Berlin Siemens AG VDE/ETG TenneT TSO GmbH TU Berlin EnBW Regional AG DB Energie GmbH ILF Beratende Ingenieure GmbH TU Ilmenau / 2

4 Aufgaben des zukünftigen Übertragungsnetzes On- / Offshore Windaufkommen Transite Strombezüge Nord Stromspeicher Transite Strombezüge West Bestimmung des Stromaufkommens zur Abschätzung der Übertragungsleistung Transite Strombezüge Ost PV Dez. Erzeugung Transite Strombezüge Süd Sonst. Erzeugung Zielstellungen erfordern massiven Ausbau des Übertragungsnetzes / 3

5 Schwierigkeiten beim Ausbau des Übertragungsnetzes Zunehmende Belastung des 400-kV-Transportnetzes durch Einspeisung von lastferner fluktuierender regenerativer Energie. Nur punktuelle Erleichterungen durch Maßnahmen wie Hochtemperaturseile (TAL) und Temperaturmonitoring (FLM). Beeinträchtigungen durch benachbarte Netze (Quer-/Längsregler). Ertüchtigung des Netzes trotz Dena I und EnLAG wenig erfolgreich. Lt. Dena II zusätzlicher Bedarf an rd km Leitungen. Fehlende Akzeptanz in der Bevölkerung für neue Leitungsprojekte. Änderung der Genehmigungspraxis mit dem Ziel föderal-einheitlicher Verfahren Steigerung der Akzeptanz durch Ressourcen schonende Kombination von Infrastrukturen / 4

6 Nutzbare Infrastrukturen Bahnstromtrassen km / Schienentrassen km: Nutzung des Böschungsbereiches und sonstige Freiräume. Autobahnen: km: Nutzung von Standstreifen sowie Erweiterungsflächen Pipelinetrassen (flächendeckende Öl + Erdgasleitungen): Nutzung der Randstreifen (Arbeitsstreifen) von Trassen. Flüsse und Kanäle km Binnenwasserstraßen: Einbringen in Flussbett oder Uferbereich. Höchstspannungsnetz km: Nutzung der Trassen und Schutzstreifen Potenziale vorhanden: Nutzung ist differenziert zu werten! / 5

7 380 kv ca m 800 kv ca m Optionen für die Integration von Energieversorgungssystemen in bestehende Infrastrukturen (Bsp. Bundesautobahn) Telekommunikation LKW PKW PKW PKW LKW E-Car Kabelsysteme und GIS-Systeme Kabelsysteme und GIS-Systeme / 6

8 Kombination von Energiesystemen mit Éisenbahn-, Pipelinesystemen, Flüssen und Kanälen Eisenbahn Pipelinesysteme m Trassenbreite Kabelsysteme Kabelkanal ca.3,0 m ca.2,5 m Kabelsysteme Ann. 2 Rohrleitungen mit D= 1 m Kabelsysteme Telekommunikation Flüsse/Kanäle Kabelsysteme / 7

9 Infrastrukturen - Bewertungskriterien Autobahn/ Eisenbahn Eisenbahn Flüsse Vorteile Zugänglichkeit, Realisierbarkeit, wenige Ansprechpartner, viele Strecken, Wartungszugang, Sicherheit, siedlungsfern, erweiterbar, Zugänglichkeit, Realisierbarkeit, wenige Ansprechpartner, viele Strecken, Wartungszugang, Sicherheit, Verbindung Vorhandene Verlegetechnik, gute Kühlung, lange Strecken Nachteile EMV, Viele Kreuzungen Verfügbare Trassenbreite, Systembeeinflussung der Bahnsicherheitstechnik (EMV) Schifffahrt, Eingriff in die Natur, schwer zugänglich, EMV, Auswirkung im Fehlerfall, Schleusen, Sperrwerke, Umweltschutzaspekte Kanäle Gute Kühlung, lange Strecken Künstliches Bauwerk mit spez. Bodenbeschaffenhei, Schleusen, Sperrwerke, keine Neubaustrecken, Umweltschutzaspekte Pipelines Nutzung Freileitungstrassen Landes oder Staatsgrenzen Lange Strecken, verzweigtes Netz, vorhandene Trassen mit Schutzstreifen, Zugänglichkeit, Sicherheit (wöchentlich beflogen+begangen), geeignete Trasse für unterirdische Verlegung Verlegung im Schutzstreifenbereich, lange + viele Strecken Eigentumsrecht des Bundes EMV, Dienstbarkeit muss mit privaten Eigentümern ausgehandelt werden, enge Platzverhältnisse Undefinierte Bodenverhältnisse, viele Kreuzungen, große Höhenunterschiede / 8

10 Kombinationen von Infrastrukturen (Qualitative Bewertung) Eignung von Infrastrukturen 60,0 50,0 Betrieb Bau Trassenbedingungen Planung/Genehmigung Planung/Genehmigung (4 Kriterien) Bewertung in Punkte 40,0 30,0 20,0 Trassenbedingung (10 Kriterien) Bau (2 Kriterien) 10,0 0,0 Betrieb (7 Kriterien) Eisenbahn Autobahn Pipelines Flüsse Kanäle Freileitungstrassen Alle Infrastrukturen nutzbar; spezifische Vorteile für jedes System / 9

11 Technologien 380 kv m 800 kv m Siemens Freileitung Gasisolierte Leitung (GIL) Kabel 1) AC und DC Leistungserhöhung Spannungserhöhung verbunden mit größeren Masten Gasdruckerhöhung und Anpassung der Gasqualität Spannungserhöhung und parallele Systeme Besondere Eigenschaften Verlegung Im Vergleich zu Kabeln höhere Verluste Freileitung Kleinere kapazitive Verluste; Kompensation erforderlich DC: Nur ohmsche Verl. AC. Kapaz. u. ohmsche Verluste, Kompensation und Kühlung Erdverlegung und Tunnellösung möglich 1) AC = Wechselspannung DC = Gleichspannung / 10

12 Erdverlegung Graben oder Tunnel Quelle: Optionen im Stromnetz für Hoch- und Höchstspannung: Prof. Dr.-Ing. habil. B. R. Oswald, Leibniz Universität Hannover, Berlin / 11

13 Tunnellösung - Basis für Innovationen Ausbaustufen Lösungsansatz: Endlos-Kabel in Verbindung mit Kabeltunnel Transport von Endloskabeln mittels elektr. Rollensystem M Kabelfabrik Kabeltunnel Reduzierung von Muffen und Kabeltransporten durch trassennahe Kabelfabrik DC 1) 3 Syst. DC 5 Syst. 320 kv MW 320/500 kv MW Vermeidung von Verfügbarkeitseinschränkung durch Muffen Austausch von Kabelsystemen 3. Hohe Flexibilität (AC-/DC- Kabel, GIL) Kostensenkungspotenziale Nutzung von Innovationen wie z. B. Supraleiter DC 5 Syst. 1) DC Gleichspannung 500 kv MW / 12

14 Umsetzung eines Tunnelkonzeptes (Am Beispiel einer Autobahnlösung) Minimierung der Kosten durch - kontinuierliche Bearbeitung des Baugrunds - geringe Bautiefen zur Vermeidung größerer Abraummengen - fabrikmäßig vorgefertigte Tunnelkomponenten - Verwendung standardisierter vorgefertigter Komponenten für Ein- und Ausfahrten - Überquerung von Tälern und Höhen durch Integration der Tunnel in vorhandene Baukörper LKW / 13

15 Technologie-Varianten zum Kostenvergleich Leistung 6 GW, Distanz 400 km Varianten: Wechselspannung (AC) - AC-400-kV-Freileitung - AC-400-kV- erdverlegtes Kabel - AC-400-kV-GIL - AC-550-kV-GIL - Gleichspannung (DC) - DC +/- 320-kV-DC-Freileitung - DC +/-320-kV-DC-Kabel Konventionelles Netz AC 400 kv Transformator Phasenwinkelregler Transformator Phasenwinkelregler + Spannungsumsetzer AC- Schaltanlage AC- Schaltanlage Neue Freileitung AC 400 kv Neue GIL AC 550 kv Weitere Annahmen Vermaschtes Netz Erdlösungen ohne und mit Tunnel 400-kV-AC-Freileitung als Referenz VSC- HGÜ Neues Kabel DC 320 kv / 14

16 Kostenvergleich Annahme: Übertragung von 6 GW über eine Distanz von 400 km Bewertung des kompletten Systems einschließlich Schaltanlage, Quer- und Längsregler, Auf-/Abspanntrafos und VSC-HGÜ-Stationen 900% 800% 700% Vergleich der Übertragungskosten (normiert auf MW und 400 km Distanz) AC Freileitung und Kabel Gasisolierte Systeme (GIL) Freileitung und Kabel DC 600% 500% 400% 300% 200% 100% 0% A C 1 B C D E F F 1 G H I J J 1 AC Kabel erdverlegt AC Kabel im Tunnel AC Kabel E-Technik GIL400 kv erdverlegt GIL550 kv erdverlegt GIL400 kv im Tunnel GIL400 kv E-Technik GIL550 kv im Tunnel GIL550 kv E-Technik DC Kabel erdverlegt DC Kabel im Tunnel DC Kabel E-Technik G 1 Freileitung 4x400 kv Systeme VPE Erdkabel 6 x 400 kv- Systeme inkl. Kompensation GIL (400-kV 3 Systeme / 550 kv 2 Systeme) inkl. Kompensation AC (einschl. Schaltanlage, Längs-/Quersteller oder Trafo) Freileitung 4 x 320 kv Systeme VPE-Kabel 5 x 320 kv Systeme DC (einschl. VSC-Kopfstation) / 15

17 Qualitative Aspekte Gesellschaftliche Akzeptanz Bessere Genehmigungsfähigkeit Positive Auswirkung auf die Volkswirtschaft Geringerer Platzbedarf Installations-, Reparatur- und Wartungsfreundlichkeit Potential für Leistungssteigerung Innovationsfähigkeit Kombination mit anderen Medien Sicherheit (insbesondere Schutz gegen Terrorismus) Qualitative Vorteile für Tunnelsysteme durch Innovationspotenzial und gesellschaftliche Akzeptanz / 16

18 Zukunftsorientierter Lösungsansatz für Stromtransport On- / Offshore Windaufkommen Transite Strombezüge Nord Stromspeicher Neue Anforderungen: Transite Strombezüge West Bestimmung des Stromaufkommens zur Abschätzung der Übertragungsleistung Transite Strombezüge Ost On-/Offshore-Einspeisung EU-Binnenmarkt für Elektrizität PV Dez. Erzeugung Sonst. Erzeugung Transite Strombezüge Süd Änderung der Transportaufgabe Kombination von Infrastrukturen Notwendigkeit eines Overlay-Netzes / 17

19 Beispielhafte Overlay-Struktur für Deutschland rd. 22 GW 6 GW 6 GW 12 GW 12 GW rd. 5 GW 70 % über Overlay 6 GW 6 GW 12 GW 12 GW 6 GW 12 GW 12 GW 6 GW Overlay-Netz in AC und DC darstellbar - Weitgehender Abtransport des Energieaufkommens in Nord- und Ostsee Kennzeichnend für Netzkonzept - 12 GW-Leistungstrassen zu Verbrauchsschwerpunkten - Anbindung des Overlay an das 400-kV-Netz - Sukzessiver Aufbau der Systeme - Lastflussoptimierung durch Querverbindung 6 GW 6 GW 6 GW Voraussetzung für DC-Lösung Verfügbarkeit leistungsstarker HGÜ-Stationen (Voltage Source Converter (VSC)-Technologie) Einsatzfähigkeit von DC-Leistungsschaltern Overlay als Kern eines europäischen Netzes / 18

20 Overlay-Netz - Vorteile Stromversorgung - großräumiger Energieaustausch - Finanzielle Vorteile durch Optimierung von Investition und Folgekosten - Verbesserte Umsetzung von Netzausbau und -umstrukturierung Wirtschaftliche Effekte - Beschleunigte Ablösung fossiler Energieträger, reduzierter Speicherbedarf - Einheitliche Strompreiszone - Impuls für großflächigen europaweiten Ausbau; Deutschland als Innovationsführer. - Effizienz- und Beschäftigungseffekte durch Ausbau des Transportnetzes Umweltpolitische Effekte - Reduzierter Trassenbedarf - Optimierung der Systemführung bei der Verwertung von erneuerbarer Energie / 19

21 Entscheidungsschritte Aufgabe Technologieentscheidung Übertragung Bautechnik Bauweise Technologie Mast/ Erde/Tunnel Spannung OHL/ CAB/GIL Leistung AC/DC.kV. GW A B GW = Gigawatt QC = Wechselspannung DC = Gleichspannung OHL = Freileitung CAB = Kabel GIL = Gasisolierte Leitung / 20

22 Overlay - Roadmap DC 800-kV AC 800-kV-GIL Spannung in kv DC 320-kV DC 500-kV AC 550-kV-GIL DC 500-kV 320-kV Supraleiter Tunnel AC 400-kV-GIL erdverlegt Ertüchtigung, Vermaschung und Verknüpfung des 400-kV-Netzes 1) ) Im Unterschied zu Dena-Abschätzungen Umsetzungsschritte / 21

23 Schlussfolgerungen Integration erneuerbarer Energien durch Netzausbau Reduzierung des Energiespeicherungsbedarfs Akzeptanzsteigerung für neue Versorgungssysteme durch Kombination von Infrastrukturen Energieübertragung als gesamtstaatliche, ordnungspolitische Aufgabe Overlay-Netz unter Einbeziehung von Trassen des Bundes und der Länder Chancen für Innovationen durch neue Ansätze Kostensenkungspotenziale durch Innovation Technologieführerschaft im Übertragungsnetzbereich Impuls für großflächigen, europaweiten Netzausbau Effizienz- und Beschäftigungseffekte durch Ausbau des Übertragungsnetzes / 22

24 Vielen Dank für Ihr Interesse! / 23