Das SuedLink-Projekt - Technische Optionen für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)

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1 Das SuedLink-Projekt - Technische Optionen für eine Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) Beitrag zum zweiten Fachdialog Technik und Gesundheit im Rahmen des Dialogverfahrens zum SuedLink-Projekt Brunsbüttel-Großgartach Dr.-Ing. Jürgen Wilms

2 Netzkonzept für die Energiewende Windparkanbindung im Norden an ein leistungsstarkes, regionales Ost-West-Netz (AC): Windsammelschiene Integration der Solarenergie im Süden durch regionale Netzverstärkung (AC): Solarsammelschiene Integration der gesicherten Leistung durch die konv. Kraftwerke im Westen und Osten (AC): Sammelschiene Gesicherte Leistung Verbindung der Sammelschienen mit HVDC- X X X Leitungen Je nach Wetterlage kann so Nord-, Mittel- oder Süddeutschland mit Strom aus Erneuerbaren Energien versorgt werden Alpine Pumpspeicher stabilisieren das System mit der schnell regelbaren Leistung Quelle: Amprion 2

3 Bundesbedarfsplan = vordringlicher Ausbaubedarf des NEP zusammen. Bundesbedarfsplangesetz (Juli 2013) stellt für 36 bundesweite Vorhaben die energiewirtschaftliche Notwendigkeit und den vordringlichen Bedarf zur Gewährleistung eines sicheren und zuverlässigen Netzbetriebes fest. Für die 16 länder- bzw. grenzübergreifenden Projekte führt die Bundesnetzagentur die Bundesfachplanung und im Anschluss die Planfeststellungsverfahren durch. Quelle: Amprion 3

4 Gleichstrom versus Wechselstrom Transformierbarkeit der Wechselspannung (elektromagnetische Induktion) erlaubt Anpassung an verschiedene Aufgaben: Stromerzeugung und Stromverbrauch: Niederspannung Mittelspannung (Ausnahme Industrie) (230V) 400 V / 1 kv / 5 kv 30 kv Verluste quadratisch vom Strom abhängig: P V = R L I 2 Stromtransport: Höchstspannung / 750 / 765 kv (experimentell bis kv) Anwendungsbezogen höchstmögliche Spannung Jeweils möglichst geringe Ströme damit minimale Verluste Wechselspannungstechnik heute weltweiter Standard 4

5 Grenzen der HDÜ Heutige Grenzen der Drehstromübertragung (Anwendung in Canada, USA, Brasilien, Venezuela, UdSSR / Russland, Indien, Korea und Russland seit etwa 1965) Maximale Spannung 765 kv~3, begrenzt durch Bedarf an (kapazitiver) Blindleistung im Leerlauf, Leiterbündeldurchmesser, Isolationsabstände und die damit erforderlichen Mastdimensionen Ein-/Zwei-System-Mast: Höhe etwa 45 m / 75 m Maximale Übertragungsleistung in der Praxis etwa MW pro Drehstromsystem, begrenzt durch den Blindleistungsbedarf (maximal 25 % übernatürlicher Betrieb bei 400 km Länge, thermische Bemessungsleistung etwa MVA) Maximale Übertragungsentfernung bei etwa km, begrenzt durch die Übertragungswinkel und Blindleistungsbedarf Drehstromkabel bis max. 550 kv verfügbar 765-kV-Drehstromleitung nur als Freileitung realisierbar 5

6 Heutige Grenzen der 765 kv Typisch: H = 43 m B = 40 m P nat = MW S therm = MVA 6

7 Heutige Grenzen der 765 kv 7

8 Hochspannungs-Hochleistungs-Übertragungstechnologien Leitungsgebundene elektrische Energieübertragung Hochspannungs- Drehstrom-Übertragung (HDÜ / HVAC) Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung (HGÜ / HVDC) Drehstrom- Freileitung Erdverlegte Drehstromkabel Untersee- Drehstromkabel Gasisolierte (Rohr-) Leitung (GIL) für Drehstrom Netzgeführte HGÜ (LCC, CSC, classic ) mit Thyristorventilen Selbstgeführte HGÜ (SCC, VSC) mit Transistorventilen Gleichstrom- Freileitung Erdverlegte Gleichstromkabel Untersee- Gleichstromkabel Gasisolierte (Rohr-)Leitung (GIL) für Gleichstrom 8

9 HGÜ = Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung Einsatzzwecke einer HGÜ Übertragung großer Mengen elektrischer Energie (Strom) über große Entfernungen (engl. bulk transmission) Betrieb von Untersee-Kabelverbindungen Kopplung nicht-synchroner Drehstromnetze (ehemalige HGÜ- Kurzkupplungen in Dürnrohr und Etzenricht) Stabilisierung großer synchroner Netzbereiche, um Eigenschwingungsneigung zu vermindern Grundsätzlicher Aufbau einer HGÜ aus drei Komponenten Konverter-Station 1: Leistungselektronische Komponente zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung Übertragungsleitung: Freileitung oder Kabel Konverter-Station 2: Leistungselektronische Komponente zur Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung 9

10 HGÜ = Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung Funktion einer HGÜ Bi-direktionaler Transport großer Mengen elektrischer Energie (Strom) über große Entfernungen möglich An Land: Freileitung oder erdverlegte Kabel möglich Lange Unterseekabelverbindungen möglich Kombinationen von Freileitung, erdverlegtem Kabel und / oder Unterseekabel möglich Quelle: National Grid 10

11 HGÜ Fach-Chinesisch Netzgeführte HGÜ seit etwa 1950 basierend auf Quecksilberdampfgefüllten Elektronenröhren; seit etwa 1970 basierend auf Ventilen aus Leistungshalbleitern wie Thyristoren, später auch GTO s [CSC = Current Source Converter / LCC = Line-Commutated Converter / HVDC classic ] erfordert Bereitstellung hoher Blindleistungen aus dem Drehstromnetz abhängig von Drehstromnetzen an der Konverterstationen erfordert große Filteranlagen, um Oberschwingungspegel zu begrenzen sehr großer Flächenbedarf für die Konverterstationen Technologie für Mitteleuropa nicht (mehr) optimal (U) HVDC classic für Grenzleistungstransporte: MW ± 533 kv= MW ± 800 kv= A km MZ-ZA A km CN MW ± kv= A km ab CN 11

12 HGÜ Fach-Chinesisch Selbstgeführte HGÜ mit Transistor-basierten (IGBT) Leistungshalbleiter- Ventilen [VSC = Voltage Source Converter / SCC = Self-Commutated Converter] Blindleistungsbereitstellung durch Konverter-Stationen Systemstützung von Drehstromnetzen an der Konverterstationen erfordert nur kleine Filter, um Oberschwingungspegel zu begrenzen relativ kleiner Flächenbedarf für die Konverterstationen Technologie de Wahl für Mitteleuropa HVDC Light (ABB); HVDC PLUS (Siemens); HVDC MaxSine (ALSTOM) HGÜ-Systemaufbau: Monopolar/Bipolar mit/ohne metallischen Rückleiter Standard für die in Deutschland geplanten HGÜ s VSC-Konverter in Bipol-Anordnung mit metallischem Rückleiter Freileitungsabschnitte kombiniert mit erdverlegten Kabelabschnitten 12

13 HDÜ in Deutschland Rahmendaten der geplanten SuedLink-HGÜ Zwei-systemige Verbindung P = MW / System L = 800 km 400-kV-HDÜ nicht ausreichend leistungsstark 765-kV-HDÜ in Deutschland nicht realisierbar HGÜ als Übertragungstechnologie geeignet HGÜ-Systemspannung ±500 kv= Grundaufbau: Bi-Pol-HGÜ mit metallischem Rückleiter 3 Leiter-Konfiguration Freileitungsmastbild prinzipiell ähnlich einer 400-KV-HDÜ Mastdimensionen ±500 kv= zu 400 kv~3 etwa % Stromrichter: (netzstützende) VSC-Technologie Kombination von Freileitungs- und Kabelabschnitten 13

14 HGÜ in Bi-Pol-Konfiguration mit metallischem Rückleiter für monopolaren Notbetrieb Quelle: SIEMENS 14

15 HGÜ = Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung Vorteile einer HGÜ gegenüber einer HDÜ Kein Blindleistungsbedarf der eigentlichen Leitung Keine Spannungswinkelproblematik der Übertragung Bessere Ausnutzung der Leitungsisolierung Höhere Übertragungsleistung auf gleichem Mastgestänge möglich Übertragungsverluste beim Transport von MW über 800 km 400 kv~3 HDÜ etwa 9,5 % ± 500 kv= HGÜ etwa 6 % Vorteile eine HDÜ gegenüber einer HGÜ Wirtschaftlichste Übertragung bis etwa 600 km bei Freileitungen und bis etwa 80 km bei erdverlegten Kabeln Ausgereifte Transformatoren- und Leistungsschaltertechnik Gute Vermaschbarkeit Weitestgehend standardisierte Primärtechnik-Komponenten Lebensdauer Primärtechnik: 40 bis 80 Jahre 15

16 HDÜ versus HGÜ Nachteile einer HGÜ gegenüber einer HDÜ Bislang keine ausreichend schnellen DC-Schalter existent Einsatz von vorgelagerten AC-Leistungsschaltern erforderlich Keine Standardisierung der Primärtechnik Keine Standardisierung der MSR-/ Leittechnik Bislang keine HGÜ-Netze möglich, sondern praktisch fast ausschließlich HGÜ-Punkt-zu-Punkt-Übertragungen Hohe Kosten für die Konverterstationen Wirtschaftlichkeit HGÜ gegenüber HDÜ erst ab Entfernungen > km Spannungsanpassung nur über AC-Transformatoren möglich Lebensdauer der Leistungselektronik, insbesondere bei VSC s? Begrenzter Wettbewerb in Europa: ABB / ALSTOM / SIEMENS 16

17 HDÜ versus HGÜ Quelle: SIEMENS 17

18 HGÜ: derzeitige Entwicklungsgrenzen Quelle: Amprion 18

19 Freileitung versus erdverlegtem Kabel Vorteile Freileitungen Preiswerte Lösung Robuste, langlebige Technik Luft als selbstheilende Isolierung ( KU / AWE möglich) Reparatur oft schnell / im Betrieb möglich Geringer Einfluss auf Boden und Grundwasser Nachteile Freileitungen Sichtbarkeit Breiter Schutzstreifen Korona-Erscheinungen: Emission von Geräuschen, Funkstörungen, ionisierten Partikel, Ozon Elektrische und elektromagnetische Felder unter Leitung 19

20 Freileitung versus erdverlegtem Kabel Vorteile erdverlegte Kabel Keine Sichtbarkeit Schmaler Schutzstreifen Keine elektrisches Feld außerhalb der Kabel Elektromagnetisches Feld abhängig von Verlegeanordnung Nachteile erdverlegter Kabel Fertigungslängen durch Straßentransport begrenzt Fertigung + Muffenmontage unter Reinraumbedingungen Durchgehende, linienförmige Baustelle Große Erdmassenbewegungen Großer Eingriff in den Boden und ggfs. Grundwasser Potentiell schwierige Verlegung in Feuchtgebieten/Mooren 20

21 Tragmast einer 400-kV-Doppelfreileitung (Donaumastbild) 2 Drehstromsysteme mit jeweils 3 Phasen und 4er-Bündelleitern A Dauerstrom MVA thermische Bemessungsleistung 600 MW natürliche Leistung Quelle: E.ON Netz 21

22 Tragmast einer 400-kV-Hybrid-Doppelfreileitung (Donaumastbild) Quelle: Amprion 1 Drehstromsystem mit 3 Phasen und 4er-Bündelleitern MW HDÜ- Übertragungsleistung 1 Gleichstromsystem mit 3 Phasen und 4er-Bündelleitern A Dauerstrom MW HGÜ- Übertragungsleistung 22

23 400-kV-Drehstrom-Kabelübergangsanlage Quelle: TenneT TSO 23

24 In Deutschland bislang typische 400-kV-Drehstrom-Masten Quelle: TenneT TSO 24

25 In Deutschland bislang typische 400-kV-Drehstrom-Masten Quelle: 50Hertz Transmission 25

26 Neue Entwicklungen bei 400-kV-Drehstrom-Masten DK FI NL 26

27 Neue Entwicklungen bei 400-kV-Drehstrom-Masten FI FI CH 27

28 Neue Entwicklungen bei 400-kV-Drehstrom-Masten FR FR FR AE 28

29 Neue Entwicklungen bei 400-kV-Drehstrom-Masten DE DE DE 29

30 400-kV-Drehstrom-Kabel: Tiefbauplanung Projekt Raesfeld Quelle: Amprion 30

31 400-kV-Drehstrom-Kabel: Tiefbau Projekt Raesfeld Quelle: Amprion 31

32 400-kV-Drehstrom-Kabel: Tiefbau Projekt Raesfeld 32

33 ±300-kV-Gleichstrom-Kabel:1Tiefbau Projekt BorWin1 Quelle: ABB 33

34 ±300-kV-Gleichstrom-Kabel:1Tiefbau Projekt BorWin1 Quelle: ABB 34

35 HGÜ-Koverterstation Dörpen/West DolWin1 800 MW + DolWin2 900 MW + DolWin3 900 MW (im Bau) Quelle: ABB Quelle: Sonne Wind & Wärme : Heinz Rolfes; Matthäi 35

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