Optionen im Stromnetz fürHoch- und Höchstspannung:

Prof. Dr.-Ing. habil. B. R. OswaldLeibniz Universität Hannover

Berlin 14.05.2009

Freileitung/ErdkabelDrehstrom/Gleichstrom

2Spannungsebenen der elektrischen Energieversorgungsnetze

Mittelspannung: 10 und 20 kV

Hochspannung: 110 kV

Höchstspannung: (220) u. 380 kV

Verteilnetze

Übertragungsnetze

Die Spannungen in den einzelnen Netzebenen sind der Transportleistung (P ~ U×I) und der Leitungslänge optimal angepasst, so dass die Verluste (V ~ R×I2) und Spannungsabfälle (ΔU ~ X×I) nicht zu groß werden.

Niederspannung: bis 1000 V

3Hierarchie der Netzspannungsebenen

~≈

~≈

~ ~

230/400 VStrahlennetze

10/20 kVRingnetze

110 kVMaschennetze

380 kVMaschennetz

4Wirk- und Blindleistung (1)

Blindleistung ist der Anteil der Leistung, der keine Arbeit verrichtet.Sie wird für den ständigen Auf- und Abbau der elektrischen undmagnetischen Felder bei Wechselspannung benötigt, belastet dieLeitungen und Betriebsmittel unnötig und verursacht Verluste.

P

SQ

S = √P2 + Q2

5Wirk- und Blindleistung (2)

Wirkleistung

Blindleistung

6

Freileitung oder/und Kabel?

7Anlass und Folgen der Debatte

Niedersächsisches Erdkabelgesetz

zunehmender öffentlicherWiderstand gegen Freileitungsbau

Notwendigkeit des Netzausbaus

EnLAG

„Energiepolitik“

8Notwendigkeit und Wie des Netzausbaus

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)?

9Fragen zum Netzausbau

� Ist der Netzausbau notwendig? Warum?

� Wie soll der Netzausbau erfolgen?

� Welche Kriterien sind bei mehreren Varianten maßgebend?

� Welche Varianten sind prinzipiell möglich?

� Auf welcher Grundlage wird eine Entscheidung herbeigeführt?

� Wer hat die Entscheidung zu verantworten?

10Kriterien zum Netzausbau - das goldenen Dreieck nach EnWG

elektrischethermische

mechanischeEigenschaften

Natur undLandschaft

elektro-magnetische

VerträglichkeitGeräusche

Verhalten im normalen undim gestörten

Betrieb

Investitions-kosten

Betriebskosten(Verlustkosten

Wartungskosten)

sonstige Kostenz. B.

Reparaturkosten

U W

V

Umweltverträg-lichkeit

Versorgungs-zuverlässigkeit

Wirtschaftlichkeit

11Hochspannungs-Hochleistungs-Übertragungstechniken

Drehstrom-freileitung

Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung (HDÜ)

GasisolierteRohrleitung (GIL)

Drehstrom-kabel

bisher dominierende Technik

Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)

HGÜ-classic SVC-HGÜ

Gleichstrom-kabel

Gleichstrom-freileitung

bisher als Punkt zu PunktVerbindung

12

Freileitungen sind besser als ihr Ruf

13Technische und wirtschaftliche Argumente für die Freileitung

Freileitungen sind mit einem Anteil von 99,6 % das dominierende Übertragungsmedium im Höchstspannungsnetz – warum?

� einfacher und robuster Aufbau

� höchste Übertragungsfähigkeit pro Stromkreis

� längste Lebensdauer

� kürzeste Reparaturdauer

� Fehlerbeseitigung durch Kurzunterbrechung

� Reichweite ausreichend für westeuropäische Verhältnisse

� geringste Gesamtkosten

� wartungsarm

14

aber sie sind auch…

…weithin sichtbar und insbesondere deshalb beiNichttechnikern in Verruf geraten

15380-kV-Freileitungs-Tragmast

16380-kV-Freileitung Donaumastbild

17

25 m

ca. 50 m

380-kV-Freileitungsmast (Donaumastbild)

31 m

2×3× 4×264-AL1/34-ST1AViererbündelleiter Stahl-Aluminium-Verbundseilemit 264 mm2 Aluminium-querschnitt, 1 Erdseil

18Aufbau eines Freileitungsseils Al/St 265/35

19

Drehstromkabel und GIL

haben andere elektrische undthermische Eigenschaften als

die Freileitung und sind imAufbau komplizierter

Mit wachsender Spannung steigen die Ansprüchean die Isolation beim Kabel wesentlich stärker als

bei der Freileitung

20400-kV-VPE-Einleiterkabel

Querschnitt 2500 mm2, Außendurchmesser 14,2 cm, Gewicht 40 kg/m

Quelle: Nexans

216,3 km 2×1100 MW im luftgekühlten Tunnel teilweise in 25 m Tiefe

Kabelanlage Berlin

22380-kV-Kabelanlage in Berlin

23Gasisolierter Rohrleiter (GIL)

Leiterdurchmesser: außen 180 mm, innen 156 mmKapseldurchmesser: außen 517 mm, innen 500 mm

Quelle: Siemens

242 Systeme GIL im Tunnel

25Erdverlegung eines Leiters der GIL

Quelle: Siemens

26Eigenschaften von Freileitungen, Kabeln und GIL (1)

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 N2 und SF6, 160 mm Isolationsabstand, 517 mm Außendurchmesser

Der Isolierstoff bestimmt weitgehend die Geometrie

27Eigenschaften von Freileitungen, Kabeln und GIL (2)

GIL:Verluste etwa wie Kabel, aber bessere Wärmeabfuhr,Grenzleistung bei Erdverlegung ähnlich Freileitung

Die Verlustwärme und deren Abfuhr bestimmt dieGrenzleistung (Übertragungsfähigkeit)

VPE-Kabel:Geringere Verluste als Freileitung*, schlechte Wärmeabfuhrdurch Isolierung und Erdboden (1400 bis 1500 MVA)**

Freileitung:Höhere Verluste als Kabel, gute Wärmeabfuhr durchumgebende Luft, hohe Grenzleistung (1800 bis 3000 MVA)

* ohne Kompensationsverluste

** 2500 mm2 Cu, je nach Verlegung und Belastungsgrad

28Übertragungsfähigkeit der Freileitung (1 System)

380-kV-Freileitungmit ViererbündelnAldrey/St 564/72 („Finch“)(Elbekreuzung bei Stade)

Belastbarkeitin Abhängigkeit vonder Windgeschwindigkeitund der Umgebungstem-peratur bei maximalerSeiltemperatur von 80 °C

3000 MVA, 4600 Abei 35°C Umgebungs-Temperatur und 0,6 m/sWindgeschwindigkeit

Quelle: Siemens-Energietechnk 1 (1979)

29Belastbarkeit von 380-VPE-Kabeln (ebene Verlegung ohne thermische Beeinflussung)

1600 1800 2000 2200 2400 26000

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

m = 0,7, a = 1,0 m

m = 1,0, a = 0,3 m

thermisch stabilisierte Bettung

Rth in der Trockenzone 1,2 Km/W

A/mm2

Sth

/MV

A

30Cross-Bonding (Auskreuzen) der Kabelschirme (Beispiel)

Cross-Bonding Hauptabschnitt 6,75 km mit 3 Unterabschnitten á 2,25 kmKabelabschnittslänge 750 m, 2 × 77 Verbindungsmuffen,2 × 33 Cross-Bonding-Muffen, 2 × 11 Cross-Bonding-Kästen

31Aufbau einer 380-kV-Cross-Bonding-Muffe

Quelle ewca. 3 m

32Grabenprofile für 2 und 4 Kabelsysteme (Maße in m)

1,75

3,0

7,0

1,5

0,5 0,5

5,0

1,0

1,75

3,0

13,0

1,5

11,0

1,0

0,5 0,5

3,0 3,0

33Blindleistung von 380-kV-Freileitungen und -kabeln

0 500 1000 1500 2000 2500 3000-50

-40

-30

-20

-10

0

10

Blin

dlei

stun

g p

ro k

m in

MV

ar

Leistung in MVA

K 2500 (2 Systeme)

F 565 (2 Systeme)

K 2500 (4Systeme)

34

2zulässig Übertra

2Kapgu az t tng i ä= + II I

l′ ⋅ ⋅ωI CII I U2Kapa

2 2zulässig zulässigÜbertrag ziun täg

2t = - (= - )

Kapazitiver Ladestrom des Drehstrom-Kabels

IÜbertragung

IKapazitätU

′C

Das Produkt Länge ×××× Spannung ist begrenzt Kompensation

35150-Mvar-Kompensationsspule (dreiphasig)

36

Versorgungszuverlässigkeit

…einer möglichst…sicheren…Versorgung…

37Versorgungssicherheit und-zuverlässigkeit

(n-1)-Kriterium

deterministisch

Planung undBetrieb

probabilistisch

Verfügbarkeit bzw.Nichtverfügbarkeit

zufallsbedingteStörereignisse

VDN-Störungsstatistik

Versorgungssicherheit/Zuverlässigkeit

38Nichtverfügbarkeit nach Störungsstatistik

λ = Ausfallhäufigkeit, Anzahl der Ausfälle pro km und Jahr

μ = Reparaturrate, Kehrwert der Reparaturdauer T in Jahren

Nichtverfügbarkeit = μ + λ ×××× l

Beispiel: 60 km 380-kV-Freitung und 60 km 110-kV-Kabel

λ ×××× l≈ λ ×××× l ×××× T h/Jahr

Zeitorientierte Bewertung:

26,8 h/a0,003060,394268,20,00657K

0,623 h/a0,0000710,21182,940,00353F

Nichtverfügbarkeitλ×l / aT / hλ×l / kmaLeitung

Für den Netzbetreiber ist die ereignisorientierte Bewertung interessanter

39„Notmast“ bei der Freileitung

ETG-Tagung, 2. April 2009, Zürich

40

Über die Ausfallrate von 380-KV-VPE-Kabeln liegenaufgrund des bisherigen Einsatzes nur kurzer Längenund der bisher kurzen Einsatzzeiten (etwa seit 1990)keine statistischen Daten vor.

Die Reparaturdauer liegt aber mit Sicherheit deutlich überder der Freileitung (Wochen statt Tage)

Für gleiche Verfügbarkeit beider Leitungssysteme muss dieAusfallrate des Kabels eine Größenordnung kleiner als dieder Freileitung sein

Anforderungen an die Verfügbarkeit von Kabelanlagen

41

Teilverkabelung

4 Pilotprojekte nach EnLAGin Niedersachsen/Hessen

42Möglichkeiten der Teilverkabelung

thermischerEngpass, geringeVerfügbarkeit

kompliziert,Leitungssystemenicht unabhängig

alternativ zur Ausführung links

ideal, aberhoher Aufwand

43Flächenbedarf ca. 50 m × 50 m = 2.500 qm

Kabelübergangsanlage mit Portal für 2 Systeme

44Kabelübergangsanlage mit Endmast

ETG-Tagung, 2. April 2009, Zürich

45

F 250Z = Ω K 50Z = Ω

rF-K = –2/3bF-K = 1/3

rK-F = 2/3bK-F = 5/3

rF-K = –2/3bF-K = 1/3

rK-F = 2/3bK-F = 5/3

Freileitung: Kabel:

uzul

Blitzstoßspannungswelle auf Freileitung – Kabel

46

Wirtschaftlichkeit

… einer möglichst…preisgünstigten…effizienten…Versorgung

47Kostenarten

Kosten (Barwerte)

Investitionskosten Betriebskosten

Verlustkosten Sonstige

einmalig jährlich

Barwert = Investitionskosten+ (jährliche Verlustkosten) ×××× Rentenbarwertfaktor

48Verluste in Leitungssystemen

Verluste

Leitungsverluste Verluste der Nebenanlagen

Stromrichter- undFilterverluste (HGÜ)

spannungsab-hängige Verluste

Kompensations-verluste (AC-Kabel)

stromabhängigeVerluste ( ~ I 2 )

Arbeitsverlustfaktor

49Verluste von Freileitung und Kabel (nicht kompensiert)

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Ve

rlust

e p

ro k

m in

kW

Leistung in MVA

K 2500

F 5652 Systeme Freileitungund 2 Systeme Kabelnicht kompensiert

50Verluste von Freileitung und Kabel (100 % kompensiert)

0 500 1000 1500 2000 2500 30000

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Ve

rlust

e p

ro k

m in

kW

Leistung in MVA

K 2500

F 565

2 Systeme Freileitungund 2 Systeme Kabel100 % kompensiert

51Kosten von 60 km 380-kV-Freileitung und 380-kV-Kabel in Mio. € (je 2 Systeme)

K

Investitionskosten Verlustkosten Gesamtkosten+ =

K F KF F

210

60 5540

100

265

F: 4×565-AL1/72-St1A K: 2XS(FL)2Y 1×2500RM 100 % kompensiert

2,65 : 1

52Kosten von 190 km 380-kV-Freileitung und 380-kV-Kabel in Mio. € (je 2 Systeme)

K

Investitionskosten Verlustkosten Gesamtkosten+ =

K F KF F

670

170 165 130

300

835

F: 4×565-AL1/72-St1A K: 2XS(FL)2Y 1×2500RM 75 % kompensiert

2,8 : 1

53Kosten von 110 km 380-kV-Freileitung (2 Syst.) und 380-kV-Kabel (4 Syst.) in Mio. €

K

Investitionskosten Verlustkosten Gesamtkosten+ =

K F KF F

1050

105 120 85190

1170

F: 3×635/117 Al/St K: 2XS(FL)2Y 1×2500RM 100 % kompensiert

6,2 : 1

54

oder gar HGÜ?

55Verluste auf AC- und DC-Kabelanlagen

2ü

VI, AC 2n

' SP R l

U≈= ⋅ ⋅

2ü

VI, DC 2d

' 2P

P R lU

== ⋅ ⋅ ⋅

2 2 2VI,DC n Al n

2 2 2VI,AC Cud d

'

'

1 3802 2 1,6 0,8 2 1

1 Δ / 600

P R U U

P R RU UR

ρ

ρ=

=≈

= ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ≈ ⋅ ⋅ ⋅ ≈+

stromabhängige Verluste von AC- und DC- Kabeln bei gleicher Länge undÜbertragungsleistung, sowie gleichem Querschnitt von Al- und Cu-Kabeln:

Stromrichter- und Filterverlusteetwa 1,5% pro Station

U- und Kompensationsverlustevon 2 Systemen 2500 mm2 etwa.

0,25 % bei 100 km und 2200 MVA

56Vergleich Drehstrom- HGÜ-Technik im 400-kV-Netz

Drehstromtechnik

� „passend“ zu bestehendem Netz

� asynchrone Netzkopplung,künstliche Erhöhungder Netzstabilität möglich

� „Exot“ im bestehendem Netz

HGÜ-Technik

� wirtschaftliche Länge vonKabeln ist begrenzt,Kompensation erforderlich

� Einstellung des Leistungsflussesnach Regelalgorithmus (ggf. nichtgenügend überlastbar im (n-1)-Fall)

� natürliche Erhöhungder Netzstabilitätdurch Verstärkung dersynchronen Kopplung

� einfache Leistungsaus-und Einkopplung durchTransformatorstationen

� aufwändige Leistungsaus-und Einkopplung durchzus. Stromrichterstation

� ungenügender Beitrag zur Spannungsstützung bei KS

� selbsttätige Einstellungdes Leistungsflussesnach Impedanzverhältnis

� Möglichkeit der geregeltenBlindleistungsbereitstellung

� weitgehend wartungsfrei

57

Umweltverträglichkeit

… einer möglichst…umweltverträglichen…Versorgung

58Elektrische Feldstärke der 380-kV-Freileitung (Donaumastbild)

2 Systeme bei einem Leiterabstand von 12 m über EOK

Quelle: ForWind-Gutachten

59Elektrische Feldstärke der 380-kV-Freileitung (Donaumastbild)

2 Systeme am Ort des größten Durchhangs beim Mindestabstand 7,8 m

Quelle: ForWind-Gutachten

60Magnetische Induktion der 380-kV-Freileitung (2 Systeme)

Quelle: ForWind-Gutachten

61Magnetische Induktion des 380-kV-Kabels (2 Systeme)

Quelle: ForWind-Gutachten

62Bodensaustrocknung im Nahbereich des Kabels

Abstand von der Kabelachse

Grenzisotherme

dx

Kabeloberflächentemperatur

Temperatur

Erdbodenoberfläche

IsothermenTrockenbereich

Oberkante thermische Bettung

63Grabenprofile für 2 und 4 Kabelsysteme (Maße in m)

1,75

3,0

7,0

1,5

0,5 0,5

5,0

1,0

1,75

3,0

13,0

1,5

11,0

1,0

0,5 0,5

3,0 3,0

64Umweltfachlicher Vergleich Freileitung-Kabel (Beispiel)

Quelle: UmweltPlan GmbH Sralsund/Güstrowwww.regierung-mv.de

Zitat aus dem Umweltgutachten zur Teilverkabelung der 380-kV-Leitung Schwerin-Krümmel (Abschnitt MV)

65Umweltfachlicher Vergleich Freileitung-Kabel (Beispiel)

Quelle: UmweltPlan GmbH Sralsund/Güstrowwww.regierung-mv.de

Zitat aus dem Umweltgutachten zur Teilverkabelung der 380-kV-Leitung Schwerin-Krümmel (Abschnitt MV)

66

Summa summarum

möglichstsicher,

preisgünstig,verbraucherfreundlich,

effizient undumweltverträglich

67Zusammenfassung (1)

Freileitungen sind aus gutem Grund das dominierende Übertragungsmediumim Höchstspannungsnetz und keineswegs veraltet.

Durch den Einsatz „dickerer“ und „verbesserter“ Leiterseile lassen sich dieVerluste verringern und die Übertragungsfähigkeit weit über die der alternativin Frage kommenden Kabel steigern.

Eine sachliche Diskussion Freileitung und oder Kabel darf nicht losgelöstvon der Spannungsebene geführt werden, denn Kabel „fühlen sich in denniederen Spannungsebenen wohler als in den höheren“.

VPE-Kabel gelten inzwischen bis zur Höchstspannungsebene als technischausgreift, wurden aber bisher im Übertragungsnetz, wenn überhaupt, aus wirt-schaftlichen und betrieblichen Gründen nur auf kurzen Strecken eingesetzt.

68Zusammenfassung (2)

Beide Techniken haben durchaus Vorteile auch gegenüber der Freileitung.Sie sollten aber nur dort eingesetzt werden, wo ihre Vorteile auch voll zumTragen kommen, um so den hohen technischen Aufwand und die hohenKosten zu rechtfertigen. Im Übertragungsnetz ist das jedenfalls nicht der Fall.

Der Ausbau des Übertragungsnetzes mit GIL- oder gar HGÜ-Abschnitten istkeine Alternative zum Kabel und schon gar nicht zur Freileitung.

Bei der Durchsetzung der öffentlich geforderten und politisch unterstütztenVerkabelung 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.

Auf die technischen und betrieblichen Nachteile sowie die Mehrkosten derHöchstspannungskabel gegenüber der Freileitung wurde im Vortrag aus-führlich eingegangen.