etg-VDE-Positionspapier
01.01.2011 Mitgliederinformation 78 0

VDE-Positionspapier Übertragung elektrischer Energie

Die ETG-Task Force „Übertragung elektrischer Energie" hat im VDE/ETG-Positionspapier „Übertragung elektrischer Energie" den aktuellen Sachstand und die technologischen Optionen zur Energieübertragung aus Sicht der Netzbetreiber, Hersteller, Verbände und der Wissenschaft aufgenommen und strukturiert dargestellt. Dabei steht neben der Beschreibung des aktuellen Standes der Technik in der Dreh- und Gleichstromübertragung, auch die Gegenüberstellung von möglichen Ausführungen als Erd- oder Freileitung im Fokus. Innovative Technologien werden diskutiert und bezüglich der kurz- und mittelfristigen Anwendbarkeit bewertet. Darüber hinaus werden neue planerische Ansätze zum wirtschaftlichen Netzausbau sowie zukünftige Optionen für die Systemführung aufgezeigt.

Im Anhang des Positionspapiers werden aktuelle Studien zu konkreten Leitungsbauprojekten vorgestellt, die ebenfalls Bewertungen zu möglichen Übertragungstechniken vornehmen.

Das VDE/ETG-Positionspapier wurde am 18.8.2010 im Haus der Bundespressekonferenz in Berlin einem großen Kreis von Journalisten präsentiert. Im Rahmen eines Pressehintergrundgesprächs am 1.10.2010 in München konnte die Diskussion vertieft werden. Das Papier wurde breit verteilt (Ministerien, Behörden, Umweltverbände, Hersteller, Netzbetreiber, Hochschulen usw.) Aufgrund der großen Nachfrage musste inzwischen eine 2. Auflage gedruckt werden.

Nach einer kurzen Einführung zu den Beweggründen der Erstellung des Papiers werden nachfolgend die wesentlichen Aussagen und Empfehlungen dargelegt. Das Positionspapier kann kostenlos unter http://www.vde.com/Infocenter > Studien-Positionen > Positionen abgerufen werden.

Einführung

Die hohe Qualität der Stromversorgung in Deutschland nimmt eine Schlüsselrolle bei der Energieversorgung in Gegenwart und Zukunft ein. Sie ist eine wichtige Grundvoraussetzung für die Leistungsfähigkeit einer modernen Industriegesellschaft im europäischen Binnenmarkt.

Die zunehmenden Handelsbeziehungen für einen funktionierenden Strommarkt setzen einen freizügigen physikalischen Stromtransport voraus. Die Integration erneuerbarer Energien, insbesondere großer Windparks, aber auch der übrige, sich künftig ändernde Kraftwerkspark stellen zusätzliche Anforderungen an das Übertragungsnetz.

Darüber hinaus führen geänderte gesetzliche und regulatorische Rahmenbedingungen zu einer veränderten Betriebsweise der Netze, die unter Berücksichtigung eines immer komplexer werdenden Umfeldes planerisch unterstützt werden muss.

Alle Anforderungen setzen ein stabiles und funktionierendes Übertragungsnetz voraus. Das synchrone Netz ermöglicht das
optimale Zusammenspiel zwischen Erzeugung und Verbrauch. In der Vergangenheit konnte von einem gerichteten Lastfluss vom Kraftwerk, über das Übertragungsund Verteilungsnetz bis zu den Kunden ausgegangen werden. Die Veränderungen der Erzeugungsstruktur durch Zunahme kleiner Erzeugungseinheiten und der damit verbundene verstärkte Einsatz von leistungselektronischen Anlagen verändern die traditionellen Lastflüsse. Die in einem Drehstromnetz global vorliegenden Informationen „Frequenz" und „Synchronität" werden von zwei wesentlichen Effekten beeinflusst:

  • Der vermehrte Einsatz von über Umrichtern angeschlossenen dezentralen Energieumwandlungsanlagen vermindert die rotierende Masse und somit die Intensität des „Herzschlages des Netzes", sofern hier nicht mit regelungstechnischen Mitteln ein Ersatz geschaffen wird.
  • Die zur Verfügung stehende relative Koppelkapazität durch Drehstromleitungen zur synchronen Kopplung der rotierenden Massen nimmt mit zunehmender Netzauslastung ab.

In Zukunft sind die bestehenden intelligenten Konzepte des Netzausbaus, der Planung und des Betriebs weiter zu entwickeln, um eine anforderungsgerechte leistungsstarke Energieübertragung mit minimalem Aufwand realisieren zu können. Neben den klassischen Drehstromsystemen werden international zunehmend Hochspannungsgleichstromsysteme (HGÜ) in Freileitungs- und Kabeltechnik eingesetzt. Innovative Technologien wie z.B. Gasisolierte Leitungen (GIL) oder leistungselektronische Netzregler ermöglichen neue Formen des Netzausbaues und einen optimierten Netzbetrieb.

Kurzfassung und Empfehlungen

Die Anforderungen an Energieübertragungsnetze in Deutschland und Europa sind zunehmend geprägt durch die europaweiten Energiemärkte und sich verlagernde Einspeiseorte insbesondere infolge des verstärkten Ausbaus erneuerbarer Energiequellen. Unabhängig von den Organisationsformen, den Besitzverhältnissen und den politischen Randbedingungen für die Netzbetreiber bleibt das übergeordnete Ziel die Gestaltung und der Betrieb eines möglichst effizienten Übertragungsnetzes, welches auch unter den sich verändernden Anforderungen den Kriterien der Umweltverträglichkeit, Akzeptanz, Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Sicherheit für die Versorgung gleichermaßen genügt. Eine sichere Energieversorgung zu angemessenen Preisen bei geringem Umwelteinfluss ist ein entscheidender Erfolgsfaktor für den Wirtschaftsstandort Deutschland

Übertragungstechnologien elektrischer Energie

Die heutige und auch zukünftige Basistechnologie der Energieübertragung sind Freileitungsnetze auf Hoch- und Höchstspannungsebene. Hierbei wird ein guter Kompromiss zwischen allen oben genannten Kriterien erreicht. Übertragungsleistungen von zweimal 1800 bis 2500 MVA pro Mast bei 400 kV sind Standard in Deutschland. Höhere Spannungen und Leistungen befinden sich weltweit im Einsatz. Langjährige Erfahrungen beim Bau und Betrieb führen zu einer hohen Sicherheit bei gleichzeitig geringen Kosten. Freileitungen mit ihrer visuellen Umweltbeeinflussung sind zum Bestandteil der Kulturlandschaft geworden. Optimierte kompaktere Mastbauformen, auch mit neuen Werkstoffen können den visuellen Eindruck mindern, wobei jedoch Einschränkungen bei der Verfügbarkeit und im Betrieb entstehen können.

Kabelsysteme bieten eine Alternative zur Reduzierung der Sichtbarkeit. Auf Höchstspannungsebene sind jedoch bislang nur kurze Strecken von wenigen Kilometern für Spezialanwendungen und häufig mit besonderen Verlegearten gebaut. Erfahrungen mit langen unterirdischen Höchstspannungskabelanlagen in vermaschten und stark fluktuierend betriebenen Systemen bestehen bislang nicht. Erst durch Pilotinstallationen können Erfahrungen gesammelt werden, so dass die hohe Systemsicherheit und -verfügbarkeit gewährleistet bleibt. Aufgrund des hohen Verlegeaufwandes und einer vergleichsweise geringeren Übertragungsleistung von bis zu 1000 MVA ist das Kostenniveau in jedem Fall deutlich höher als bei vergleichbaren Freileitungssystemen. Die Sichtbarkeit durch Schutzstreifen, die weitestgehend von Bewuchs freizuhalten sind, ist speziell in Waldgebieten unvermeidlich. Die elektromagnetischen Feldbelastungen sind in derselben Größenordnung wie bei Freileitungen jedoch räumlich stärker konzentriert.

Bild 1: Beispiel für ein Übergangsbauwerk Freileitung auf Kabel für eine 4-systemige Übertragungsleitung

Für gemischte Systeme mit einer teilweisen Verkabelung (Bild 1) gelten dieselben Einschränkungen, wobei durch die Übergangsstellen eine zusätzliche Komplexität beim Aufbau und Betrieb hinzukommt. Zur Vermeidung der hieraus resultierenden Einschränkung der Systemsicherheit ist es vor einem standardmäßigen Einsatz ebenfalls unerlässlich, Pilotinstallationen zu errichten und Erfahrungen mit den Komponenten und deren Betrieb zu sammeln.

Die Anwendung darüber hinausgehender innovativer Technologien ist für die speziellen Anforderungen in vermaschten Systemen und längeren Strecken auf Höchstspannungsebene zu überprüfen. Das Leiterseilmonitoring zur erhöhten Ausnutzung des thermischen Betriebsbereichs von Freileitungen wird mehr und mehr in der Praxis angewendet. Der Möglichkeit zur Erweiterung des Betriebsbereichs ist sorgfältig zu evaluieren, um ein Gefahrenpotential durch lokal überhitzte Leiterseilabschnitte auszuschließen. Die steigenden Verluste, die verringerte Betriebsreserve und betriebliche Probleme durch hohe Spannungswinkel und somit schwächere Synchronisierung sind gegenüber dem Nutzen abzuwägen und planerisch und betrieblich zu berücksichtigen.

Die Verwendung von Hochtemperaturleiterseilen unterschiedlicher Bauart erfordert zunächst die Gewinnung weitgehender Erfahrungen bei der Installation und beim Betrieb. Eine höhere Betriebstemperatur bei gleichem Durchhang ermöglicht eine höhere Stromtragfähigkeit und Übertragungsleistung. Dem gegenüber stehen überproportional steigende Verluste mit steigendem Strom und wiederum erhöhte Spannungswinkel. Geringe Biegeradien, teilweise sprödes Materialverhalten und verändertes Verhalten an den Klemmvorrichtungen sind bei der Installation zu beachten und im Betrieb auf ihr Langzeitverhalten hin zu überprüfen, um Gefahren für Menschen und Betrieb auszuschließen. Da bislang nur wenig Installations und Betriebserfahrungen bestehen, sind wiederum zunächst Pilotinstallationen vorzunehmen, um insbesondere Gefährdungen durch diese Technologie auszuschließen.

Eine Alternative zu Kabelsystemen sind Gasisolierte Leitungen (GIL). Die aus gasisolierten Schaltanlagen abgeleitete Technologie ist weitestgehend bekannt. Die Übertragungsleistungen sowie das elektrische Verhalten sind ähnlich wie bei Freileitungen, so dass sich eine relativ einfache Systemintegration ergibt. Die Trassenbreite ist aufgrund der höheren Leistung geringer als bei vergleichbaren Kabelsystemen. Diese Technologie weist je nach Situation und Ausbau ähnliche Investitionskosten wie Hochspannungskabelstrecken vergleichbarer Leistung auf. Installationserfahrungen werden gerade in Deutschland mit einer ersten erdverlegten Anlage von knapp 1 km gesammelt.

Eine langjährig erprobte Technologie ist die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) mit Thyristoren. Die Energieübertragung über weite Distanzen ist mit dieser Technologie weltweit vielfach im Einsatz. HGÜ-Freileitungen mit einer Leistung bis zu 6.400 MW befinden sich im Bau. Seekabelstrecken bis zu 1.000 MW stehen kurz vor dem Einsatz. Konventionelle HGÜ mit Freileitungen werden zur Verbindung asynchroner Netze aber auch parallel zu vermaschten Höchstspannungsnetzen eingesetzt. Neben den konventionellen HGÜ mit Thyristoren werden zunehmend auch HGÜ mit bipolaren Transistoren mit isoliertem Gate (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) und wesentlich kompakteren Gleichspannungszwischenkreisumrichtern (Voltage Source Convertern, VSC) im unteren Leistungsbereich eingesetzt. Derartige HGÜ eignen sich in Verbindung mit VPE-Kabeln insbesondere für Offshore-Anwendungen. Die bislang größte realisierte Anbindung eines Offshore Windparks ist mit einer Übertragungsleistung von 400 MW jedoch noch vergleichsweise gering, wobei mittlerweile eine Leistung von 1.200 MW bei einer Spannung von ±320 kV technisch möglich ist.

HGÜ-Kabelstrecken weisen für den weiträumigen Stromtransport insbesondere bei längeren Verbindungen Vorteile gegenüber Drehstromkabelverbindungen auf. Der Einsatz von HGÜ-Übertragungsstrecken im stark vermachten Drehstromnetz - Parallelbetrieb Drehstromleitung/HGÜ-Leitung - muss noch in der Praxis untersucht werden. HGÜ (mit Tyristoren oder IGBTs) rechnen sich insgesamt bei langen Übertragungsstrecken durch geringere Kosten für die HGÜ-Freileitung und die geringeren Übertragungsverluste, die die hohen Umrichterkosten und -verluste mehr als kompensieren. Bei Offshore-Anwendungen sind HGÜ-Seekabel in der Regel schon aus technischen Gründen die alleinige Lösung.

Die Lastflüsse in Drehstromnetzen lassen sich durch geschaltete oder leistungselektronisch gesteuerte Netzregler, sogenannte FACTS-Geräte, beeinflussen. Der Bedarf an flexibel einsetzbaren Kompensationseinrichtungen und leistungsflusssteuernden Elementen wird stark ansteigen. Viele Ausführungsvarianten dieser Geräte befinden sich weltweit im Einsatz, andere sind jedoch bisher nur in der Theorie entworfen. Mit Hilfe dieser Geräte könnten Netzbereiche häufig im Betrieb gleichmäßiger und höher ausgelastet werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass sich hierdurch der Betrieb immer in Richtung von Stabilitätsgrenzen verschiebt, so dass aus netzplanerischer Sicht eine grundsätzliche Erhöhung der Übertragungskapazität häufig nur begrenzt zu erzielen ist und gegenüber der Netzsicherheitssituation abzuwägen ist. Der spezifische Einsatz ist streng nach Kosten und Nutzen zu bewerten.

Es ist denkbar, dass das bestehende Übertragungsnetz mit fortschreitender Veränderung insbesondere der Erzeugungsstruktur an die Grenzen seiner Leistungsfähigkeit stößt. Für zukünftige Transportaufgaben kann daher die Schaffung eines Overlaynetzes notwendig werden. Die technologische Realisierung hängt von den systemtechnischen Anforderungen sowie der Entwicklungsmöglichkeit der oben beschriebenen Technologien ab.

Insgesamt sind über die vorgestellten Technologien hinaus keine weiteren revolutionären Technologieschritte zu erwarten. Die heutigen innovativen Technologien bieten von Fall zu Fall Vorteile bei der Anwendung gegenüber heutigen Freileitungen, jedoch müssen speziell zur Gewährleistung der System- und Betriebssicherheit Erfahrungen durch Pilotinstallationen gesammelt werden. Langfristige Kosten für Betrieb, Wartung und Instandhaltung sind zu ermitteln. Gefährdungen von Menschen sind auszuschließen. Pilotinstallationen und zugehörige Aufwendungen für Investitionen, Planung, Betrieb sowie Forschung und Entwicklung führen zunächst zu erhöhten Gesamtkosten, denen jedoch ein bestimmter Nutzen, wie z.B. ein geringerer Trassenverbrauch oder eine geringere visuelle Umweltbeeinflussung gegenüberstehen. Im Rahmen der Erarbeitung des Positionspapiers in der ETG Task Force ist deutlich geworden, dass die Kette von Forschung und Entwicklung, über Pilotanlagen bis hin zum großtechnischen Einsatz in der heutigen Welt unterbrochen ist. Eine Idee bzw. technische Entwicklung wird nur über die kommerzielle Nutzung zur Innovation. Die Unterstützung des innovativen Schrittes durch Pilotanlagen fehlt jedoch im gegenwärtigen regulatorischen Umfeld, so dass viele der aufgelisteten Technologien auf die Erkenntnisse von Pilotinstallationen für die Anwendung speziell in vermaschten und volatil betriebenen Netzen wie in Deutschland und Westeuropa warten, bevor ein großtechnischer Einsatz möglich ist.

Die Autoren empfehlen daher dringend, dass die genannten Kosten für innovative Technologien und Pilotinstallationen vom Regulator als Bestandteil des Netznutzungsentgeltes anzuerkennen sind. Nur so wird es ermöglicht, ein Klima für Innovationen und neue Technologien zu schaffen, das Basis für die zukunftsfähige Übertragungsnetzentwicklung in Deutschland ist.
Eine Forcierung der Forschungs- und Entwicklungsaufwendungen in diesem Bereich führt darüber hinaus zu einem nicht unerheblichen Vorteil für Hersteller und Universitäten in Deutschland. Die Beteiligung der Netzbetreiber an öffentlichen Forschungsprojekten in Deutschland und der EU ermöglicht den Übergang von Forschung und Entwicklung zu Pilotanwendungen. Hierdurch wird die Innovation in Richtung eines kommerziellen Einsatzes und Betriebs neuer Technologien beschleunigt.

Über die Netztechnologien hinaus erfordern Unsicherheiten bezüglich zukünftiger Entwicklungen und ein zunehmend volatiler Betrieb neue Arten der Planung und Risikobewertung. Damit die Netzsicherheit nicht sinkt, müssen zu jedem identifizierten Risiko ausreichende und eindeutige Abhilfemaßnahmen definiert werden. Betriebliche Maßnahmen müssen gegenüber Netzinvestitionen mit wahrscheinlichkeitstheoretischen Verfahren wirtschaftlich abgewogen werden. Netz- und marktbezogene Maßnahmen nach EnWG § 13 dürfen nur der Ausnahmefall sein und nur bei Gefährdung der Systemsicherheit ergriffen werden. Hierzu können neue Planungs- und Bewertungsverfahren Abhilfe schaffen. Eine Ausbauplanung auf Basis weniger deterministischer Netznutzungsfälle ist zukünftig nur noch bedingt möglich.
Neben den Möglichkeiten des Auftretens von Engpässen sind auch die Häufigkeit und die Dauer des Auftretens von Bedeutung. Lastflussberechnungen auf Basis der Ergebniszeitreihen energiewirtschaftlicher Marktmodelle oder probabilistischer Modelle bieten in diesem Zusammenhang die Möglichkeit, stochastische Eigenschaften von Verbrauchern und Einspeisern besser abzubilden und so ein umfassenderes Bild der Gesamtsituation im Übertragungsnetz zu erhalten. Energiewirtschaftliche Marktmodelle sind bereits einsatzbereit, Verfahren zur probabilistischen Netzberechnung sind momentan noch in der Entwicklung.
Die Einbeziehung von klimatischen Abhängigkeiten zwischen Netzbelastung und Netzbelastbarkeit in den Netzplanungsprozess erlaubt eine Nutzung vorhandener Freiheitsgrade in der Betriebsmittelbelastbarkeit.
Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass z.B. die oben genannte Technologie des Leiterseilmonitorings nur mit einer gewissen Einsatzwahrscheinlichkeit die Erhöhung der Übertragungsleistung im Leistungsbereich von mehreren 100 MW erlaubt. Alternative Maßnahmen müssen somit vorgehalten werden, wenn bei hohen Außentemperaturen hohe Übertragungsleistungen gefordert sind.

Der Netzbetrieb steht vor neuen Herausforderungen, da die Systeme künftig immer näher und häufiger an den Belastungsgrenzen betrieben werden. Eine komplexere Netzüberwachung und die automatisierte Aktivierung von Handlungen bei Störungen (Defence Plan, Special Protection Schemes) werden somit ein integraler Bestandteil einer zukünftigen Systemführung. Zur Unterstützung der Systemführung müssen zusätzliche Informationen über den aktuellen Netzzustand (Klimadaten, Spannungswinkel, Nachbarnetze) in geeigneter Form online und mit einer Analytik verknüpft zur Verfügung stehen. Um dies zu erreichen, ist ein Austausch von Informationen über den aktuellen Netzzustand sowohl regional als auch überregional weiterzuentwickeln. Die Weiterentwicklung derartiger Verfahren unter Einsatz moderner Mess- und Kommunikationstechnik ist Gegenstand der Forschung.

Es wird dringend empfohlen, die genannten Themen der Planung und des Betriebs neben der pilotmäßigen Erprobung der Übertragungstechnologien durch die Förderung von Forschungs- und Entwicklungsvorhaben von Herstellern, Netzbetreibern und Universitäten geeignet zu unterstützen. Generell ist festzuhalten, dass erhöhter Transportbedarf im Leistungsbereich von mehreren tausend Megawatt in erster Linie nur durch den Ausbau des Netzes d.h. durch den Neubau von Höchstspannungsfreileitungen in Dreh- oder Gleichstromtechnologie gedeckt werden kann, um die Integration großer Mengen erneuerbarer Energien sowie eines flexiblen Marktgeschehens zu ermöglichen.

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