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Stromtransport:Erfordernisse und Lösungen für ein eu-ropäisches Verbundnetz unter Nutzung solaren Stroms aus Nordafrika

Dr.-Ing. Thomas Benz, DPG-Frühjahrstagung, 16. März 2010

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DESERTEC Industrial Initiative (DII)Konzept für eine nachhaltige Stromversorgung für dieEUMENA-Region

Quelle: DESERTEC Foundationwww.desertec.org

Ziel für 2050:Deckung von etwa15 % des europä-ischen Strombedarfs durch in der MENA-Region regenerativ erzeugten Strom.

EU: EuropeME: Middle EastNA: North Africa

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DrehstromübertragungBis heute das System der Wahl für Europa

Vorteile Transformierbarkeit Einfache elektromechanische

Energieumwandlung Einfache Stromunterbrechung Frequenz als systemweite

Führungsgröße Vermaschbarkeit

Übertragungsnetzder UCTE, Union for the Coordination of Transmission of Electricity(jetzt ENTSO-E, European Network of Transmission System Operators for Electricity).

Stand: 01.07.2008

Quelle:www.entsoe.eu

L

C/2 C/2

Betriebskapazität

BetriebsinduktivitätVereinfachtes Ersatz-schaltbild für eine elektrische Wechsel-stromleitung.

Drehstromfreileitung:InduktivitätsbelagL’= 0,8 … 1,3 mH/kmKapazitätsbelagC’= 9 … 14 nF /km

VPE-Drehstromkabel ( 110 kV):Induktivitätsbelag:L’= 0,2 … 0,6 mH/kmKapazitätsbelag:C’= 200 … 300 nF/km

Grenzen Energieübertragung über lange

Strecken (Verluste, Stabilität) Drehstromkabel bereits bei Entfer-

nungen < 100 km wegen Blind-leistungsbedarf technisch schwierig

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Drehstromübertragung Ist der Mittelmeer-Ring eine Lösung?

MEDRING Update Study - Preliminary findings:

Sending renewable/fossil based AC electricity around the Mediterranean basin might not be the best option.

A 100% AC synchronization is very complicated.

Even when the ring has been com-pleted, its transit capacity will not be sufficient for the necessity of internal transit between Mediterranean countries, nor for the North-South transit.

Kaupp, A.: MEDRING Update Study. Technical Workshop on Electricity Inter-connections in the Mediterranean, 8.+9. Feb. 2010, Brussels.

Quelle: www.ec.europa.eu

Bild: DLRTRANS-CSP Study Report, Juni 2006www.desertec.org

Dahomé, E. (MEDELEC): Syn-chronous or asyn-chronous – Over-view of outstanding questions.Technical Workshop on Electricity Inter-connections in the Mediterranean, 8.+9. Feb. 2010, Brussels.

Quelle: www.ec.europa.eu

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Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ)Die Alternative zur Drehstromübertragung

Vorteile: Geringe Verluste (Gleichstrom) Keine Längenbeschränkung, keine

Stabilitätsprobleme Kabel über große Entfernung ein-

setzbar, da kein Blindleistungsbe-darf

Geringer Flächenbedarf Nachteile:

Basiskosten für Umrichterstationen erst bei größeren Entfernungen wirtschaftlich interessant (auf See: ab ca. 80 km, an Land ab mehreren 100 km)

Punkt-zu-Punkt-Verbindung (aber: selbstgeführte HGÜ vermaschbar)

Beispiele für HGÜ-Projekte in Asien.

Beispiele für HGÜ-Projekte in Europa.

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HGÜ-TechnikKlassische HGÜ (netzgeführte HGÜ)

Thyristor-Technik (nur einschaltbar) 12-Puls-Umrichter Kurzschlussleistungsbedarf (Betrieb nur

am spannungsstarren Netz) Leistungsbereich: 250 – 9.000 MW Leistungsflussumkehrung durch Um-

polung der Spannung (Stromfluss-richtung bleibt gleich)

Stufenweise Blindleistungsbereit-stellung

Freileitung oder Massekabel (Isolation: ölimprägniertes Papier)

Fernübertragung großer Leistungen550 MW, 120 x 50 x 11 m

PrinzipschaltbildHGÜ Klassik.(HVDC = High Voltage Direct Current)

6-Zoll-Thyristor für HGÜ-Anwendungen.

Sperrspannung:8,5 kV

Stromtragfähigkeit:4,5 kA

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Klassische HGÜ – ProjektbeispielUHVDC-Verbindung Xiangjiaba – Shanghai, China

Kapazität: 6.400 MW (ausreichend für die Versorgung von 31 Mio. Menschen)

Ausführung: bipolare Übertragung DC-Spannung: ±800 kV DC-Strom: 4.000 A Distanz: 2.071 km Verluste: < 7 % (Gesamtsystem) Gründe für die Verwendung von HGÜ:

Große Übertragungsdistanz Große Übertragungsleistung Kompaktheit: 40 % weniger Land-

verbrauch als bei einer Drehstrom-übertragung

2.071 km

1-Phasen-Umrichter-Transformator.

Nennscheinleistung:SN = 297 MVA

Nennspannungen:UN = 515/158 kV

Abmessungen:10,85 x 3,5 x 4,85 m(L x B x H)

Gewicht: 260 t

12 Stck. pro Pol

Nutzung der Wasser-kraft zur Stromerzeu-gung in großer Ent-fernung von den Verbrauchszentren (Shanghai).

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Klassische HGÜ – ProjektbeispielSeekabelverbindung NorNed, Norwegen – Niederlande

Kapazität: 700 MW DC-Spannung: ±450 kV Distanz: 580 km

(Kabel gefertigt und verlegt in Teil-stücken bis 150 km Länge, Gesamt-gewicht 47.000 t)

Wassertiefe bis zu 410 m Verluste: < 4 % (Gesamtsystem) Gründe für die Verwendung von HGÜ:

Lange Seekabelverbindung Kopplung asynchroner AC-Netze Steuerbarer Leistungsfluss (Strom-

handel)

Asynchrone Ver-bindung der Dreh-stromnetze von Norwegen und den Niederlanden.

NorNed-Seekabel.

Leiter: 2 x 790 mm2

Kupfer

Isolierung: Masse-imprägniertes Papier

Abmessungen:217 x 136 mm

Gewicht: 84 kg/m

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HGÜ-TechnikVSC-HGÜ (selbstgeführte HGÜ)

IGBT-Technik (ein- und ausschaltbar) Benötigt keine Kommutierungsblind-

leistung Leistungsbereich: 50 – 1.200 MW Dynamische Spannungsregelung Schwarzstartfähig* Leistungsflussumkehrung durch Um-

kehrung des Stromflusses VPE-Kabel (Isolation: vernetztes

Polyethylen) oder Freileitung Geringer Platzbedarf durch kompakte

Stromrichterstationen Vielfältige Anwendungen

PrinzipschaltbildVSC-HGÜ.(VSC = Voltage Source Converter)

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)-Module für unter-schiedliche Leis-tungsbereiche.

Sperrspannung:2,5 kV

Stromtragfähigkeit:500 bis 2.000 A

*Kann nach einem Netzfehler den Betrieb selbstständig, d.h. ohne Stützung durch das umgebende Drehstromnetz wieder aufnehmen.

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VSC-HGÜ – ProjektbeispielLandkabelverbindung Murraylink, Australien

Kapazität: 220 MW Blindleistung bei Nennleistung:

Wechselrichterbetrieb: -100 bis +100 MVAr Gleichrichterbetrieb: -75 bis +125 MVAr

DC-Spannung: ±150 kV DC-Strom: 739 A Distanz: 176 km Gründe für die Verwendung von HGÜ:

Lange Kabelverbindung (Kabel zum Schutz der Übertragungsstrecke vor Buschbränden)

Steuerbarer Leistungsfluss (Strom-handel)

Einfache Genehmigung

176 km

Asynchrone Ver-bindung der Dreh-stromnetze von Victoria und Südaustralien.

Kabelverlegung.

Isolierung: 3-fach ex-trudiertes, vernetztesPolyethylen (VPE)

Leiterquerschnitte:1.200 und 1.400 mm2 Aluminium (aufgrund unterschiedlicher thermischer Boden-eigenschaften)

Kabeldurchmesser:80,2 und 83,7 mm

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VSC-HGÜ – ProjektbeispielNetzanbindung Borkum 2, Deutschland

Kapazität: 400 MW DC-Spannung: ±150 kV Distanz: 203 km (128 km Seekabel,

75 km Landkabel) Gründe für die Verwendung von HGÜ:

Lange See- und Landkabelver-bindung

Einfache Blindleistungsbereitstellung zur Spannungsstabilisierung

Schwarzstartfähigkeit

Anschluss des Off-shore-Windpark-Clusters Borkum 2in der Nordsee.

Offshore-HGÜ-Platt-form.

Plattform-Oberdeck:Abmessungen: 54 x 35 x 25 m (L x B x H)Gewicht: 3.300 t (inkl. Anlagen)

Unterwasserstruktur:Gewicht: ca. 2.200 tHöhe: ca. 40 mWasserspiegel bis zur Plattform: 20 m

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VSC-HGÜBeiträge zur Systemstabilität

Wirkleistungsregelung (Frequenz-stabilität)

Jeder Wirkleistungsfluss einstellbar Sofortige Leistungsflussumkehr

(Stromumkehr) Kann nicht unkontrolliert überlastet

werden Blindleistungsregelung (Spannungs-

stabilität) Unabhängig von der Wirkleistung Unterstützt den Netzwiederaufbau

nach Kurzschluss

Reihenschaltung von VSC-HGÜ und Dreh-stromleitung.

Parallelbetrieb von VSC-HGÜ und Dreh-stromleitung.

Asynchrone Einspei-sung in ein Dreh-stromsystem.

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AusblickNächste Entwicklungsschritte

Klassische HGÜ DC-Spannung: 1.000 kV

VSC-HGÜ: DC-Spannung: 640 kV Leistung: 2.400 MW Verluste pro Konverter: < 0,9 %

DC-Kabel DC-Spannung: 640 kV Wassertiefen bis 2.000 m

DC-Leistungsschalter Elektronisch Mechanisch

Aufbau von Gleichstromnetzen (z.B. OffshoreGrid)

Neues IGBT-Modul.

Sperrspannung:4,5 kV

Stromtragfähigkeit:2 kA

Von der Punkt-zu-Punkt-Verbindung zum DC-Netz.

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Zusammenfassung

Mit der klassischen, netzgeführten HGÜ lassen sich große Leistungen sehr effizient über weite Strecken übertragen.

Für die Seekabelübertragung ist die HGÜ oftmals die ein-zig realisierbare Lösung.

Die VSC-HGÜ zeichnet sich zusätzlich dadurch aus, dass sie zur Spannungsregelung, Lastflussregelung und Blind-leistungsbereitstellung im Drehstromnetz eingesetzt wer-den kann.

Die VSC-HGÜ kann an schwachen Drehstromnetzen mit nur geringen Kurzschlussleistungen betrieben werden, was für die Realisierung des DESERTEC-Konzepts von beson-derem Vorteil ist.

Die künftig wohl interessantesten Anwendungen für die VSC-HGÜ liegen generell im Aufbau von DC-Netzen.

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FazitMit HGÜ muss DESERTEC keine Vision bleiben

Wasserkraft200 GW

Solarenergie700 GW

8000 km2

90 x 90 km

Windenergie300 GW

25 000 km2

5000 x 10 km

WasserkraftSolarenergie

HGÜ-VerbindungenWindenergie

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