1
Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik
Fachgebiet Elektrische Energieversorgung
http://www.iee.uni-hannover.de
Netzanbindung und Netzintegration
von Offshore-Windparks:
Aufgaben, Risiken, Stand der Technik
Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann
2 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Begriffsdefinitionen Einleitung und aktuelle Netzsituation
Aktueller Stand On- und Offshore-Windparkausbau und -anschluss
Netzanschluss und Netzanschlusstechnik
Übertragungstechnik
Herausforderungen für das Übertragungsnetz
Zusammenfassung und Ausblick
Gliederung
Einleitung und aktuelle Netzsituation
2
3 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Aufbau von
Elektroenergiesystemen
Ve
rte
ilu
ng
sn
etz
Ü
be
rtra
gu
ng
sn
etz
Hochspannungsnetz
Mittelspannungsnetz
Niederspannungsnetz
Höchstspannungsnetz
Leistungstransite
~ Offshore WEA
Rückspeisungen
~ DEA
5 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
• politische und gesellschaftliche Rahmenbedingungen/Vorgaben:
– „günstige“, umweltfreundliche und sichere Energieversorgung
– Senkung der CO2-Emissionen (Kyoto-Ziele der Bundesregierung)
– Erzeugungsstruktur ändert sich:
• Steigerung des Anteils der regenerativen Energiequellen am
Stromverbrauch auf 20 % bis 2020
• Kernenergieausstieg und Ersatz therm. Erzeugungskapazität
– Intensivierung des europäischen Strommarkts – und handels
– Anreizregulierung, effiziente Netzbetreiber, kostenoptimale Netze
– Qualitätsregulierung
Einleitung und aktuelle Netzsituation
31.307,60 MW
Stand 31.12.2012
Quelle: DEWI/Deutsche Guard) Stand: 31.12.2012
3
6 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
• neue Übertragungs- und Verteilungsaufgaben
– Änderung der Erzeugungs- und Verbrauchsschwerpunkte
– zunehmende dezentrale Erzeugung
– Intensivierung europäischer Strommarkt
• Aus- und Umbau der Stromnetze ist notwendig und unumstritten
– z. B.: dena-Studie: 850 bzw. 3600 km neue HöS-Leitungen bis 2015/20
– Netzentwicklungsplan
– Verstärkung der Haupttransportwege
– Ausbau der Kuppelleitungskapazitäten
– Ausbau / Umstrukturierung der Verteilungsnetze
• Stromnetze: Transport und Verteilung
– Netze sind über Jahrzehnte gewachsen
– lange Abschreibungs- und Nutzungsdauern
– falsche Planungsentscheidungen führen zu „stranded investments“
Schlussfolgerung aus Entwicklungstendenzen
7 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Aktueller Stand On- und Offshore-Windparkausbau und -anschluss
Begriffsdefinitionen Einleitung
Netzanschluss und Netzanschlusstechnik
Übertragungstechnik
Herausforderungen für das Übertragungsnetz
Zusammenfassung und Ausblick
Gliederung
4
8 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks Quelle: BSH. Stand 04.04.2013
• 2 OWP in der Nordsee in Betrieb
(Alpha Ventus, BARD Offshore 1)
• Aktuell: ~52 Anlagen in Betrieb (11.03.2013)
• Leistung aktuell: 260 MW in Betrieb (11.03.2013)
• Ges. Anlagenzahl im Bau: 398/478
• Gesamtleistung aller OWPs (Bau): 1779 MW/2179 MW
• 26 OWP genehmigt
• Ges. Anlagenzahl: 1359
• Weitere im Genehmigungsverfahren
• Ges. Anlagenzahl: 6600
• Gesamtleistung ca. 25000 MW
• 5 vom BSH genehmigte Netzanbindungen in der Nordsee
Büsum-Brunsbüttel-Trasse
(ca. 60 km + 45 km)
Norderney-Trasse
(ca. 60 km + 70 km
bzw. 120 km + 70 km)
zum Vergleich:
• Maximallast Hannover: 650 MW
• großes Kernkraftwerk: 1500 MW
• Maximallast Deutschland: 85.000 MW
• Minimallast Deutschland: 35.000 MW
9 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
BorWin 1
• Verbindung:
200 km lange und 400 MW starke HGÜ
• Onshore: 75 km Landkabel
Offshore: 125 km Seekabel
(Plattform offshore inkl. Fundament)
• Netzanschlusspunkt: Konverterstation Diele
• Projektstatus: im Testbetrieb Quelle: TenneT
Quelle: BSH. Stand 04.04.2013
5
10 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
BorWin2
• Verbindung Veja Mate und Global Tech I:
200 km lange und 800 MW starke HGÜ
• Onshore: 75 km Landkabel
Offshore: 125 km Seekabel
(Plattform offshore inkl. Fundament)
• Netzanschlusspunkt: Konverterstation Diele
• Projektstatus:
geplantes Ende des Probebetriebs Frühjahr 2013 Quelle: TenneT
Quelle: BSH. Stand 04.04.2013
11 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
SylWin1
• Verbindung: 205 km lange und 864 MW starke HGÜ
• Onshore: 45 km Landkabel
Offshore: 160 km Seekabel
(Plattform offshore inkl. Fundament)
• Netzanschlusspunkt: Konverterstation Büttel
• Projektstatus: geplantes Ende des Probebetriebs Frühjahr 2014 Quelle: TenneT
Quelle: BSH. Stand 04.04.2013
6
12 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
HelWin1
• Verbindung: 130 km lange und 576 MW starke HGÜ
• Onshore: 45 km Landkabel
Offshore: 85 km Seekabel
• Netzanschlusspunkt: Umspannwerk Büttel
• Projektstatus: geplante Umsetzung: Frühjahr 2013 Quelle: TenneT
Quelle: BSH. Stand 04.04.2013
13 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
DolWin1
• Verbindung: 165 km lange und 800 MW starke HGÜ
• Onshore: 90 km Landkabel
Offshore: 75 km Seekabel
• Netzanschlusspunkt: Konverterstation Dörpen West
• Projektstatus: geplantes Ende des Probebetriebs Frühjahr 2013 Quelle: TenneT
Quelle: BSH. Stand 04.04.2013
7
14 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks Quelle: BSH. Stand 04.04.2013
• 1 OWP in der Ostsee in Betrieb
(Baltic 1)
• Leistung des OWPs: 48,3 MW
• Aktuell: (11.03.2013) ~21 Anlagen in Betrieb
• 3 OWPs genehmigt
• Ges. Anlagenzahl: 245
• Gesamtleistung aller OWPs im Endausbau:1193 MW
15 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Begriffsdefinitionen Einleitung
Netzanschluss und Netzanschlusstechnik
Übertragungstechnik
Herausforderungen für das Übertragungsnetz
Zusammenfassung und Ausblick
Gliederung
Aktueller Stand On- und Offshore-Windparkausbau und -anschluss
8
16 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
17 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
http://www.alpha-ventus.de/
9
18 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
http://www.alpha-ventus.de/
19 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
http://www.alpha-ventus.de/
10
20 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Interne Verbindung der WEA in einem Windpark
Offshore-Umspannstation
Plattform
20...36-kV-
Drehstromkabel
Ringnetz
(einfache Redundanz,
geringere Verluste)
Stichnetz
(keine Redundanz,
kostengünstiger)
Verbindung zum Festland
Cluster 30...40 MW
21 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Interne Verbindung der WEA in einem Windpark
Quelle: Nexans
Kabeleinführungen an
Offshore-WEA Kabelaufhängung auf
Transformatorplattform
11
22 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Quelle: http://bildarchiv.alpha-ventus.de
23 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Offshore-Plattform Alpha Ventus
Quelle: transpower offshore gmbh
Grundfläche: 30 m x 30 m
Wassertiefe: 30 m
Topside: 15 m, 3 Ebenen,
680 t, 20 m über
Wasserspiegel
Jacket: 45 m, 650 t
Befestigung: Stahlrohre als
„Nägel“, jeweils 100 t, 35 m
12
24 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
http://www.alpha-ventus.de/
25 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Interne Verbindung der WEA in einem Windpark
Offshore-Umspannstation
Plattform
20...36-kV-
Drehstromkabel
Ringnetz
(einfache Redundanz,
geringere Verluste)
Stichnetz
(keine Redundanz,
kostengünstiger)
Verbindung zum Festland
Cluster 30...40 MW
13
26 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Verbindung zum Festland
27 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Drehstrom und Gleichstrom
Drehstrom (3-Phasensystem)
• sinusförmige Verläufe von Spannungen
und Ströme mit Frequenz von 50 Hz
• Phaseverschiebung um 120° im
symmetrischen Betrieb
• natürliche Stromnulldurchgänge
Gleichstrom (+/-, 2 Leiter)
• Gleichstrom und -spannung mit geringer Welligkeit
• keine natürlichen Nulldurchgänge, Oberschwingungen
• Bsp.: Sechspuls-Brückenschaltung (B6-Brücke)
14
28 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Quelle: E.ON Netz GmbH, Bayreuth
Netzeinzelanschluss über Drehstrom-Verbindung
Beispiel: Offshore-Testfeld, DOTI (1. deutscher OWP, 30 m Wassertiefe)
• beantragte Windparkleistung: 60 MW, 12 x 5 MW, Multibrid und REpower
• Anschluss an 110-kV-UW Hagermarsch (ca. 60 km + 5 km),
• Endausbau: 1000 MW (200 x 5 MW), Anschluss mit VSC-HGÜ?
29 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Netzanschluss über Gleichstrom-Verbindung
modulares
Ausbaukonzept
OWP1 OWP2 OWPn-1 OWPn
~ =
~ =
~ =
~ =
~ =
~ =
~ =
~ =
AC-Offshore-Netzanschlussanlage
AC-DC-Offshore-Konvertersystem
(zus. Offshore-Plattform notwendig)
AC-DC-Onshore-Konvertersystem
AC-Onshore-Netzanschlussanlage
AC-Seekabelverbindung
DC-Offshore-Onshore-
Kabelverbindungssystem
Übe
rtra
gu
ng
sblo
ck
Verbindungspunkt
Off-Onshore-Kabel
Quelle: E.ON Netz GmbH, Bayreuth
15
30 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Beispiel: erstes Anschlussprojekt BorWin OWP „BARD Offshore 1“
• ca. 125 km DC-Seekabel, ca. 75 km DC-Landkabel, 400 MW
• Netzverknüpfungspunkt: 380-kV-UW Diele
Quelle: tennet offshore gmbh
31 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Offshore-Plattform BorWin alpha
für VSC-HGÜ-Konverterstation
Quelle: transpower offshore gmbh
Grundfläche: 52 m x 35 m
Gesamthöhe: 82 m
Plattformhöhe: 21 m
Jacket 61 m
(40 m bis Wasserspiegel,
21 m über Wasserspiegel)
Gesamtgewicht: 5000 t
davon Jacket 1800 t
16
32 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Offshore-Plattform BorWin alpha für VSC-HGÜ-Konverterstation
Quelle: transpower offshore gmbh
33 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Netzanschluss und Netzanschlusstechnik
Begriffsdefinitionen Einleitung
Übertragungstechnik
Herausforderungen für das Übertragungsnetz
Zusammenfassung und Ausblick
Gliederung
Aktueller Stand On- und Offshore-Windparkausbau und -anschluss
17
34 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
• HDÜ-Freileitungen dominierend im vermaschten ENTSO-E-Verbundsystem
• HöS-Netzausbau mit HDÜ-Kabeln und GIL ist technisches Neuland
• LCC HGÜ dominierend als Punkt-zu-Punkt-Verbindung (Grenzen der HDÜ)
• Netzausbau im HöS-Drehstromnetz mit HGÜ ist technisches Neuland
GIL Freileitung
Hochspannungs-
Drehstrom-Übertragung (HDÜ)
Kabel
Hochspannungs-
Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)
LCC HGÜ VSC HGÜ
Kabel Freileitung
HöS-Netzausbau mit HDÜ und HGÜ
GIL
Teilverkabelung Teilverkabelung
GIL = Gasisolierte Übertragungsleitung
Quelle: Nexans
Stützisolatoren
Aluminiumleiter
Mantelrohr Al-Legierung
50 Hz
35 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Konventionelle Drehstromtechnik auf Basis von Freileitungen
18
36 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Drehstromtechnik auf Basis von Freileitungen 1/2
• einfache, bewährte robuste Drehstromtechnik, am kostengünstigsten
• Übertragungskapazität bei 380 kV > 3000 MVA
ausführbar bis 1200 kV, Übertragungskapazität ca. 5,5 GVA
• Überlastungsreserve durch Ausnutzung klimatischer Verhältnisse
37 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
380-kV-Freileitung mit Vierer-
bündeln Aldrey/St 564/72
(„Finch“) in Abhängigkeit von
• der Windgeschwindigkeit und
• der Umgebungstemperatur
bei max. Seiltemperatur von 80 °C
3000 MVA, 4600 A
bei 35°C Umgebungstemperatur
und v=0,6 m/s Windgeschwindigkeit
Quelle: Vortrag Prof. Oswald, IEH
Kapazitätserhöhung durch
• Leiterseilmonitoring
• Hochtemperaturleiterseile
19
38 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Drehstromtechnik auf Basis von Freileitungen 1/2
• einfache, bewährte robuste Drehstromtechnik, am kostengünstigsten
• Übertragungskapazität bei 380 kV > 3000 MVA
ausführbar bis 1200 kV, Übertragungskapazität ca. 5,5 GVA
• Überlastungsreserve durch Ausnutzung klimatischer Verhältnisse
• geringe Verluste, FL 4x564/72 bei 1000 MVA ca. 95,6 kW/km
=> für Freileitung mit 100 km Länge 1,0 % Verluste
• selbstheilende Isolation, große Isolationsabstände (5000 mm bei 380 kV)
39 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
380-kV-Freileitungstragmast
mit sechs Stromkreisen
selbstheilende Isolation
Isolationsabstände:
• 380 kV: 5000 mm
• 110 kV: 2000 mm
• 20 kV: 180 mm
20
40 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Drehstromtechnik auf Basis von Freileitungen 2/2
• Reichweite begrenzt aber ausreichend für europäisches Verbundnetz
• Fehlerbeseitigung durch KU mit AWE
• hohe Verfügbarkeit, kurze Reparaturdauern
• wartungsarm
• sehr hohe Nutzungsdauern (> 80 a)
• breite Trasse (Traversen 2 x 16,5 m, Schutzstreifen ca. 60 - 75 m)
41 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Konventionelle Drehstromtechnik auf Basis von Kabeln
• einfache, bewährte Technik, hohe Verfügbarkeit, begrenzte Ü-Kapazität
• fester Isolationsstoff, Isolationsabstände bei 380 kV: 30 mm
• begrenzte Reichweite: 150 kV, 1.200 mm2 Cu, ca. 250 MVA, ca. 100 km
Quelle: E.ON Netz
Quelle: E.ON Netz
21
42 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Produkt l ·U ist begrenzt: Länge, Spannung, Kompensation
Kapazitiver Ladestrom von Drehstromkabeln
2
zulässig Übertra
2
Kapgu azi tng täII I
2 / 2
Kapazität
2 2
zulässig zulässigÜbertragung( )II lUI I C
IÜbertragung
IKapazität
C´
43 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Konventionelle Drehstromtechnik auf Basis von Kabeln
• einfache, bewährte Technik, hohe Verfügbarkeit, begrenzte Ü-Kapazität
• fester Isolationsstoff, Isolationsabstände bei 380 kV: 30 mm
• begrenzte Reichweite: 150 kV, 1.200 mm2 Cu, ca. 250 MVA, ca. 100 km
• Blindleistungskompensation (Drosselspulen), zus. Verluste
Quelle: E.ON Netz
Quelle: E.ON Netz
22
44 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Drehstromtechnik auf Basis von Gasisolierten Rohrleitern (GIL)
• 400 kV, >2000 MVA, geringe Verluste, Isoliergas: 20% SF6, 80% N2, 7 bar
• gasdicht verschweißt, Pipelinetechnologie, Rohrstücke 12 – 18 m
• große Übertragungsleistungen Trassenbündelung, Weiterführung Land
• große Längen möglich (>300 km), keine Kompensation, natürlicher Betrieb
• robuste Drehstromtechnik Vorteil unter Offshore-Bedingungen
• hohe Investitionskosten fallen bereits in der 1. Ausbaustufe an
• noch kein Einsatz auf See
Tunnel
2 GIL-Systeme:
2,5 m x 2,5 m
3 GIL-Systeme:
5,0 m x 3,0 m Stützisolatoren
Aluminiumleiter
Mantelrohr Al-Legierung
45 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Bonneville Power Administration HVDC,
LTT Valve: at Pacific Intertie, 3,100 MW
Celilo Converter Station USA, 1997/2004
Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ)
Quelle: Siemens
23
46 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Pellet of
LTT Thyristor
Pellet of
GTO / IGCT
Assembly of
Chips in IGBT
IGCT = Insulated Gate commutated Thyristor
IGBT = Insulated Gate bipolar Transistor
LTT = Light triggered Thyristor
GTO = Gate turn-off Thyristor
Quelle: Siemens
Leistungshalbleiter
Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ)
zwei unterschiedliche HGÜ
netzgeführte HGÜ (klassische HGÜ)
selbstgeführte HGÜ (VSC HGÜ)
47 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Thyristor
Module
Valve Group - Example
Indoor for HVDC
High Power Semiconductors
Quelle: Siemens
24
48 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
klassische Hochspannungs-Gleichstromübertragung (LCC HGÜ)
=~
~=
• bewährte thyristorbasierte Technik: als Freileitung oder Seekabel,
Kupplung asynch. Netze, Punkt-zu-Punkt-Verbindung, Bsp.: Baltic-Cable
49 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
HVDC Moyle Interconnector: 2x250 MW, 250 kV DC, Länge 64 km
25
50 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
klassische Hochspannungs-Gleichstromübertragung (LCC HGÜ)
=~
~=
• bewährte thyristorbasierte Technik: als Freileitung oder Seekabel,
Kupplung asynch. Netze, Punkt-zu-Punkt-Verbindung, Bsp.: Baltic-Cable
• Freileitung: ±800 kV, 6300 MW, MI-Kabel: 500 kV, 2000 MW
• VPE-Kabel wegen Umpolung bei Energieflussumkehr nicht einsetzbar
• Gleichstromkabel: kein Ladestrom, kleinerer Spannungsabfall, keine
Längenbegrenzung (bis zu 4000 km)
• Thyristoren arbeiten netzgeführt: großer Blindleistungsbedarf 50 % Pr,
Netz hoher Kurzschlussleistung (stabiles Offshore-Netz) erforderlich
• min. Leistungsfluss ±10 % Pr ,Blindleistungs- und Oberschwingungskomp.
• großer Platzbedarf für Konverterstationen: 80 m 180 m für 600 MW
51 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
VSC-Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ Plus / HGÜ light) 1/2
=~
~=
• selbstgeführte pulsmodulierte Stromrichter mit Gleichspannungs-
zwischenkreis auf Basis von IGBT
unabhängige Wirk-und Blindleistungsregelung ( 4-Quadrantenbetrieb)
• kein frequenz- und spannungsstarres Netz notwendig (kleine KS-Leistung)
• Ausführung als Freileitung: 650 kV, >2200 MW,
• Ausführung als MI-Kabel: 500 kV, ca. 1600 MW
• erprobt: als VPE-Kabel bis 400 MW und ±150 kV
• angeboten 1.200 MW und ausgeführt 800/1000 MW bei ±320 kV
26
52 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
VSC-Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ Plus / HGÜ light) 2/2
=~
~=
• Einsatz von ölfreien Kabel möglich
• kompaktere Umrichterstationen als für die klassische HGÜ
( 60 m 100 m für 1000 MW)
• keine Längenbegrenzung (1.000 – 4.000 km)
• Trassenbreite 7 m (2 Systeme)
• einfacher Aufbau von Multiterminal-Verbindungen (DC-Leistungsschalter!?)
• Entwicklung Kabeltechnologie entscheidend für Entwicklung VSC HGÜ
• noch hohe Verluste, wirtschaftlich erst ab großen Übertragungslängen
53 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
=~
~=
Verluste der VSC-Hochspannungs-Gleichstromübertragung
Konverterstation Gleichstromleitung Konverterstation
• derzeit Verluste 2,5 % in den Konverterstationen + Nebenanlagen
• angestrebt 2,0 %
Umwandlungsverluste +
Verluste in Nebenanlagen
Übertragungsverluste Umwandlungsverluste +
Verluste in Nebenanlagen
VSC HGÜ mit Kabel Drehstrom-Freileitung
Jahresverlustarbeit 404,11 GWh 125,73 GWh
jährliche Kosten 25,46 Mio. € 7,92 Mio. €
Beispiel: max. Übertragungsleistung 3000 MW über 100 km
Jahresenergieverbrauch von
ca. 100.000 Haushalten
27
55 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Hochspannungs-Gleichstromübertragung
Quelle: Siemens AG, 2011
56 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Verlegung Gleichstrom-Seekabel durch Team Oman
Quelle: transpower offshore gmbh
28
57 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Einspülen auf See
Quelle: transpower offshore gmbh
58 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Seekabelverlegung im Watt mit Spezialschiff Installer
Quelle: transpower offshore gmbh
29
59 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
unterirdische Kabelführung: HDD-Bohrverfahren (Horizontal Direct Drilling)
Quelle: transpower offshore gmbh
60 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Verlegung Gleichstrom-Landkabel, HDD Bohrung Norderney und
Verlegebarge Nostag 10 am Strand von Norderney (BorWin alpha)
Quelle: transpower offshore gmbh
30
63 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Seekabelverlegung Alpha Ventus
Quelle: transpower offshore gmbh
66 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Übertragungstechnik
Netzanschluss und Netzanschlusstechnik
Begriffsdefinitionen Einleitung
Herausforderungen für das Übertragungsnetz
Zusammenfassung und Ausblick
Gliederung
Aktueller Stand On- und Offshore-Windparkausbau und -anschluss
31
67 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
• Entstehung von Netzengpässen im deutschen Übertragungsnetz
Einsatz von Engpassmanagementverfahren/Auktionen
Herausforderungen für das Übertragungsnetz
68 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Jardelund
Brunsbüttel
Diele
Herausforderungen für das Übertragungsnetz: Netzengpässe
32
69 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
• Entstehung von Netzengpässen im deutschen Übertragungsnetz
Einsatz von Engpassmanagementverfahren/Auktionen
Eingriffe in Kraftwerkspark („Redispatch“) und internationalen
Stromhandel (Einschränkung von Transitkapazitäten) erforderlich
Herausforderungen für das Übertragungsnetz
70 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Redispatch: Bsp. unvorhergesehene Windstromeinspeisung
~
~ Land A
Land B
Erhöhung des Exports
von Land A Land B
1) Leitung A-B ist überlastet
2) Redispatchmaßnahme:
Androsselung von KW A
Hochfahren von KW B
3) Beseitigung des Engpasses
KW A
KW B
33
71 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
• Entstehung von Netzengpässen im deutschen Übertragungsnetz
Einsatz von Engpassmanagementverfahren/Auktionen
Eingriffe in Kraftwerkspark („Redispatch“) und internationalen
Stromhandel (Einschränkung von Transitkapazitäten) erforderlich
Netzverstärkungen und Netzausbau dena I und II, NEP
• Sicherung der Spannungsstabilität
Bereitstellung von Blindleistung in Verbrauchernähe zur
Netzstützung (Kondensatorbänke, FACTS)
Herausforderungen für das Übertragungsnetz
72 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
0
100
200
300
0
100
200
300400
405
410
415
x in kmy in km
U in k
V
Spannungsprofil: mit Blindleistungskompensation 4x100 Mvar
Umin = 411,5 kV
144 Knoten
4 Kraftwerkseinspeisungen
Last 14065 MW mit cos=0.9
34
73 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
0
100
200
300
0
100
200
300400
405
410
415
x in kmy in km
U in k
V
Spannungsprofil: mit Blindleistungskompensation 4x50 Mvar
Umin = 410,6 kV
144 Knoten
4 Kraftwerkseinspeisungen
Last 14065 MW mit cos=0.9
74 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
0
100
200
300
0
100
200
300400
405
410
415
x in kmy in km
U in k
V
Spannungsprofil: ohne Blindleistungskompensation
Umin = 409,0 kV
144 Knoten
4 Kraftwerkseinspeisungen
Last 14065 MW mit cos=0.9
35
75 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
0
100
200
300
0
100
200
300
380
390
400
410
x in kmy in km
U in k
V
Spannungsprofil: Erzeugungsverlagerung,
ohne Blindleistungskompensation
Umin = 378,5 kV 144 Knoten
2 Kraftwerkseinspeisungen
Last 14265 MW mit cos=0.9
76 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
0
100
200
300
0
100
200
300
380
390
400
410
x in kmy in km
U in k
V
Spannungsprofil: Erzeugungsverlagerung, Blindleistungs-
kompensation 4x100 Mvar (4xNetzmitte)
Umin = 380,6 kV 144 Knoten
2 Kraftwerkseinspeisungen
Last 14265 MW mit cos=0.9
36
77 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
0
100
200
300
0
100
200
300
380
390
400
410
x in kmy in km
U in k
V
Spannungsprofil: Erzeugungsverlagerung, Blindleistungs-
kompensation 6x100 Mvar (2xEckknoten und 4xNetzmitte)
Umin = 387,7 kV 144 Knoten
2 Kraftwerkseinspeisungen
Last 14265 MW mit cos=0.9
78 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
0
100
200
300
0
100
200
300
380
390
400
410
x in kmy in km
U in k
V
Spannungsprofil: Erzeugungsverlagerung, Blindleistungs-
kompensation 10x100 Mvar (6x“Kante“ und 4xNetzmitte)
Umin = 396,1 kV 144 Knoten
2 Kraftwerkseinspeisungen
Last 14265 MW mit cos=0.9
fehlende Blindleistungseinspeisung
größere Spannungsabfälle
dezentrale Blindleistungseinspeisung mit
Kompensationseinrichtungen/FACTS
oder große Windparks, PV-Parks erforderlich
37
79 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
• Entstehung von Netzengpässen im deutschen Übertragungsnetz
Einsatz von Engpassmanagementverfahren/Auktionen
Eingriffe in Kraftwerkspark („Redispatch“) und internationalen
Stromhandel (Einschränkung von Transitkapazitäten) erforderlich
Netzverstärkungen und Netzausbau
• Sicherung der Spannungsstabilität
Bereitstellung von Blindleistung in Verbrauchernähe zur
Netzstützung (Kondensatorbänke, FACTS)
• Sicherung der Frequenzstabilität und Versorgungszuverlässigkeit
Bereitstellung von Leistungsreserve („Schattenkraftwerke“) und
Ausgleichsleistung
Herausforderungen für das Übertragungsnetz
80 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Clu
ste
r I
Clu
ste
r II
Clu
ste
r III
Clu
ste
r IV
Cluster I 1 0,971 0,926 0,862
Cluster II 0,971 1 0,928 0,936
Cluster III 0,926 0,928 1 0,911
Cluster IV 0,862 0,936 0,911 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25Kumulierte Häufigkeitsverteilung
P in p.u.
f(P)
0,4965
0,378
m
TEN-E-Studie: Wind- und Einspeisevorhersage
hohe Korrelation zwischen den
Einspeisungen der OWP-Clustern
Ausnutzungsgrad: 50 %,
d. h. > 4000 h Nutzungsdauer
zuverl. Einspeiseprognosesysteme, Bereitstellung von Leistungsreserve
38
81 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Beitrag der Windkraft zur Deckung der täglichen Netzhöchstlast:
2003 zwischen 0,1 und 32 %
0,0
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
Ante
il d
er W
indkr
aft
an d
er N
etzh
öch
stla
st [%
]
Jan Feb März April Mai Juni Juli Aug Sept Okt Nov Dez
82 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Wind bläst länger als prognostiziert - Bedarf an neg. Reserveleistung
(Beispiel: E.ON-Regelzone 03.05.2003)
0
500
1.000
1.500
2.000
2.500
3.000
3.500
4.000
4.500
5.000
00:00 h 03:00 h 06:00 h 09:00 h 12:00 h 15:00 h 18:00 h 21:00 h 00:00 h
Leis
tung [M
W]
Prognose
Windstromeinspeisung
- 2.080 MW
Ausgleichsleistung ist vorzuhalten
39
84 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
• Entstehung von Netzengpässen im deutschen Übertragungsnetz
Einsatz von Engpassmanagementverfahren/Auktionen
Eingriffe in Kraftwerkspark („Redispatch“) und internationalen
Stromhandel (Einschränkung von Transitkapazitäten) erforderlich
Netzverstärkungen und Netzausbau
• Sicherung der Spannungsstabilität
Bereitstellung von Blindleistung in Verbrauchernähe zur
Netzstützung (Kondensatorbänke, FACTS)
• Sicherung der Frequenzstabilität und Versorgungszuverlässigkeit
Bereitstellung von Leistungsreserve („Schattenkraftwerke“) und
Ausgleichsleistung
Problem der Frequenzstabilität: fehlende rotierende Masse
Beispiel: Ausfall 3.000 MW im UCTE Verbundsystem beherrschbar
Herausforderungen für das Übertragungsnetz
85 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
• Netzfrequenz ist proportional zur Drehzahl der rotierende Massen
der Synchrongeneratoren in den Kraftwerke
• Drehzahlschwankungen entsprechen Frequenzschwankungen
Antriebsleistung < abgegebene Leistung sinkende Netzfrequenz
Turbinenleistung PT = Antriebsleistung
abgegebene elektrische Leistung Pel = Last
Frequenzschwankungen in Stromnetzen
rotierende Masse
PT = Pel f konstant PT < Pel f sinkend
40
86 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
~ ~ ~ ~ Pü
jederzeit ausreichende Vorhaltung von
– Primärregelleistung
– Sekundärregelleistung und
– Minutenreserveleistung
Frequenz-Übergabeleistungs-Regelung im Verbundnetz
f = 50 Hz
X
87 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
0 50 100 150 200 250 300-0.02
-0.01
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
t in s
f ,
PP,
PS in
p.u
.
PP
PS
f
Netzzeitkonstante Tm=8 s
Primärreglerzeitkonstante Tp=3 s
Frequenz
Primärregelleistung
Sekundärregelleistung
650 mHz
Einsatz Primär- und Sekundärregelleistung
41
88 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50-0.02
-0.018
-0.016
-0.014
-0.012
-0.01
-0.008
-0.006
-0.004
-0.002
0
t in s
f in
p.u
.
f (T'm
=8)
f (T'm
=4)
fehlende rotierende Masse
größerer Frequenzeinbruch
Regelleistungsbereitstellung durch DEA
91 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
• Entstehung von Netzengpässen im deutschen Übertragungsnetz
Einsatz von Engpassmanagementverfahren/Auktionen
Eingriffe in Kraftwerkspark („Redispatch“) und internationalen
Stromhandel (Einschränkung von Transitkapazitäten) erforderlich
Netzverstärkungen und Netzausbau
• Sicherung der Spannungsstabilität
Bereitstellung von Blindleistung in Verbrauchernähe zur
Netzstützung (Kondensatorbänke, FACTS)
• Sicherung der Frequenzstabilität und Versorgungszuverlässigkeit
Bereitstellung von Leistungsreserve („Schattenkraftwerke“) und
Ausgleichsleistung
Problem der Frequenzstabilität: fehlende rotierende Masse
Beispiel: Ausfall 3.000 MW im UCTE Verbundsystem beherrschbar
• erweiterte Netzanschlussbedingungen für regenerative Erzeuger
Regel- und Blindleistungsbereitstellung, Verhalten im Fehlerfall, etc.
Herausforderungen für das Übertragungsnetz
42
92 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Sicherung der Netzstabilität und Versorgungszuverlässigkeit
0t
SekundärregelungPrimär-regelung
Auskopplung von Schwungenergie
xP
xP
f
f
Bsp. Frequenzausgleichsvorgang
• Der Ausfall von 3.000 MW Erzeugungsleistung muss im ENTSO-E (UCTE)
Verbundsystembeherrschbar sein!
• erweiterte Netzanschlussbedingungen für regenerative Erzeuger:
Regel- und Blindleistungsbereitstellung, Verhalten im Fehlerfall, etc.
Quelle: E.ON Netz
93 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Herausforderungen für das Übertragungsnetz
Zusammenfassung und Ausblick
Übertragungstechnik
Netzanschluss und Netzanschlusstechnik
Begriffsdefinitionen Einleitung
Gliederung
Aktueller Stand On- und Offshore-Windparkausbau und -anschluss
43
94 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
zukünfige Netzsituation in DE wird dominiert durch …
die Änderung der Erzeugungsstruktur und den europäischen Strommarkt
die Stromnetze übernehmen Schlüsselfunktion …
koordinierter Ausbau von regenerativen Erzeugungsanlagen und der Netze
erforderlich sind …
• netzverträgliche Integration regenerativer und dezentraler Energie-
erzeugungsanlagen
• Ausbau der HS- und HöS-Netze für den regionalen und überregionalen
Energietransport in die Verbrauchszentren
• Übernahme von Kraftwerkseigenschaften durch EEG-Erzeugungsanlagen
=> erweiterte Netzanschlussbedingungen
• aktiver Beitrag der WEA und Windparks zur Systemsicherheit
=> Regelleistungsbereitstellung, Spannungs-Blindleistungsregelung,
Engpassmanagement, Leistungsregelung, Fahrpläne, etc.
Zusammenfassung und Ausblick
95 Netzanbindung und Netzintegration von Offshore-Windparks
Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik
Fachgebiet Elektrische Energieversorgung
http://www.iee.uni-hannover.de
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit !
Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann