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26.06.2017 Expertengruppe 463 0

ETG-TaskForces

In TaskForces werden fachbereichsübergreifende Themen bearbeitet. Ziel ist meist die Erstellung von Berichten, die als VDE-Studien veröffentlicht werden.

Die erste TaskForce hat 2003 im Auftrag des ETG-Vorstands die großen Blackouts in den USA/Kanada, London, Schweden/Dänemark und Italien analysiert. Weitere Studien vorwiegend zur Energieversorgung folgten. Die Studien haben sich zu einem sehr erfolgreichen Instrument der Arbeit und Positionierung nicht nur der ETG, sondern auch des VDE insgesamt, entwickelt und werden von den Mitgliedern der ETG sehr geschätzt.

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Verwandte Themen

Aktive ETG-TaskForces

Perspektiven der Übertragungstechnik

Mit der Umsetzung der Energiewende steht die Energieversorgung in den nächsten Jahrzehnten vor den vermutlich größten Herausforderungen seit der Elektrifizierung der Industriegesellschaften. Die Knappheit der fossilen Ressourcen, der weltweit steigende Energiebedarf, globale Klimaschutzziele, die Öffnung der Märkte sowie politische Vorgaben wie z.B. der in Deutschland beschlossenen Kernenergieausstieg erfordern eine schrittweise und zugleich tiefgreifende Umstrukturierung der Energieversorgung.

Der voranschreitende Umbau der elektrischen Energieversorgungssysteme im deregulierten Ordnungsrahmen bedingt die Verstärkung der Übertragungsnetze zum Erhalt der System- und Versorgungsicherheit. Die wesentlichen Treiber einer nachhaltigen Netzentwicklung sind neben der Gewährleistung der Versorgungsqualität die zunehmende Integration volatiler und ortsgebundener regenerativer Energieanlagen sowie die zukünftige Entwicklung des europäischen Energiemarkts in punkto Stromerzeugung und -handel. Durch die zeitliche und räumliche Entkopplung der Erzeugungs- und Verbrauchsschwerpunkte in Kombination mit Marktaktivitäten steigen die benötigten Transportkapazitäten. Dies bedingt eine schrittweise Transformation des Übertragungsnetzes vom Verbundsystem zum Transportsystem. Andererseits wird die Notwendigkeit des Netzausbaus zunehmend in Frage gestellt bzw. stößt zunehmend auf Wiederstand in der Bevölkerung.

Zielstellungen

Grundsätzlich stehen für die Energieübertragung auf der Hoch- und Höchstspannungsebene verschiedene Technologien zur Verfügung, die sich hinsichtlich ihres Entwicklungsgrads, ihrer Kosten sowie der (system-)technischen und sozioökologischen Eigenschaften unterscheiden. Das Arbeitsprogramm der TF „Perspektiven der Übertragungstechnik“ verfolgt das Ziel, die unterschiedlichen Technologien gegenüberzustellen und anhand der o.g. Kriterien perspektivisch zu bewerten. Neben den heute zur Verfügung stehenden Betriebsmitteln und Komponenten der Übertragungstechnik werden zukünftige Technologien berücksichtigt, die sich gegenwärtig noch in der Entwicklung oder Erprobung befinden, aber absehbar einsatzfähig sind.

Ausgehend von einem Anforderungskatalog sollen die Untersuchungen in einer Entwicklungs-Roadmap münden und sich dabei an vier wesentlichen Kernfragen orientieren:

  • Welche Eigenschaften von Übertragungstechnologien sind in Bezug auf Bemessungsleistung, Kompatibilität zu dem bestehenden System, Umweltaspekten, Kosten und der gesellschaftlichen Akzeptanz zukünftig notwendig?
  • Welche Technologien mit welchen elektrischen Parametern kommen dafür grundsätzlich in Frage?
  • Welchen Einfluss haben diese Technologien auf das Systemverhalten?
  • Welche Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten müssen dazu angestoßen werden und wie könnte der Weg der Technologien bis zur Produktreife aussehen?

Abgrenzung der Arbeitsinhalte

Aufgrund des Umfangs des zu behandelnden Themas muss zunächst eine klare Abgrenzung bzgl. der zu behandelnden Aspekte erfolgen:

  • Hoch- und Höchstspannungssysteme (110 - 380 kV und darüber)
  • Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung (HDÜ, 50 Hz, 16 2/3 Hz)
  • Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)
  • Es werden nur elektrische Netze betrachtet. Andere Energieträger werden insoweit betrachtet, als dass sie eine Schnitstelle zum elektrischen Netz erfordern.
  • Entwicklungen von Energiemarktmodellen sind nicht Gegenstand der Studie.
  • Zukünftige politische Entwicklungen werden in der Studie nicht berücksichtigt.

Gliederung der Arbeitsinhalte

Für die Arbeiten innerhalb der TF empfiehlt sich zunächst eine Aufteilung der zu betrachtenden Technologien in Drehstrom- und Gleichstrom-Übertragungssysteme. Diese sind später systemtechnisch zu hybriden Übertragungssystemen zusammenzuführen und zu bewerten.
Folgende Arbeitsinhalte werden vorgeschlagen:

  • Betriebsmittel und Komponenten elektrischer Übertragungssysteme: Technologieübersicht und Entwicklungsstand (Freileitungen, Kabel, GIL, Supraleiter, Generatoren, Transformatoren, HGÜ, FACTS, Kompensationseinrichtungen, Komponenten von Schaltanlagen, Schaltgeräte), bisheriger Einsatz, Normung, etc.
  • Systemverhalten von Übertragungssystemen („Interoperabilität“): Hybride Übertragungsnetze, Freileitungen/Kabel, Off-Shore-Netzanschlusssysteme, Grenzen des Systemverbunds …
  • Anforderungskatalog an neue Technologien und Innovationen der Zukunft: (Höchstspannungs-Gleichstromkabel, Leiterseil-Monitoring, HT- bzw. HTLS-Leiterseile, Kompaktmasten, Gleichstromschalter, HS-Speicherkonzepte, etc.), mögliche Entwicklungssprünge und Innovationszeiträume
  • Erstellung einer Entwicklungs-Roadmap für Komponenten und Systeme

Bewertungskriterien

Für die perspektivische Beurteilung von Komponenten und Übertragungssystemen ist festzuhalten, dass die Betrachtung einer singulären Eigenschaft für die vergleichende Bewertung einer Technologie nicht ausreichend ist. Vielmehr muss sich die Bewertung an den nachfolgend genannten Kriterien orientieren:

  • Technisch / ökonomisch (Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten, Übertragungsleistung, Verluste, Verfügbarkeit, Lebensdauer)
  • Sozioökologisch (Akzeptabilität und Umweltauswirkung: Flächenbedarf, Wahrnehmung, Immissionen)
  • Systemtechnisch (gestörter/ungestörter Betrieb, Überlastbarkeit, Systemstabilität, Verfügbarkeit, Ersatz)
Teamsite (nur für Gremienmitglieder)

Gleichspannung in der elektrischen Energieverteilung

Motivation und Einführung

Die existierenden elektrischen Versorgungssysteme gingen bei ihrer Errichtung von einer grundlegenden Top-Down-Verteilung der elektrischen Energie aus. Heute wer-den immer mehr dezentrale elektrische Energiequellen erschlossen, die verteilt in den Mittel- und Niederspannungsnetzen angeschlossen werden und zum großen Teil einen hohen volatilen Anteil besitzen. Dies stellt die zurzeit betriebenen elektrischen Netze vor eine enorme Herausforderung.

Eine Möglichkeit, die Flexibilität in herkömmlichen Drehspannungsnetzen zu erhö-hen, ist die Verbindung unterschiedlicher Netzknoten mit Gleichspannungssystemen. Neben der gesteigerten Flexibilität ermöglichen Gleichspannungsnetze im Vergleich zu herkömmlichen 50/60 Hz-Netzen einen höheren Wirkungsgrad und einen niedri-geren Materialverbrauch, insbesondere von Kupfer und Stahl.

Reine Gleichspannungsnetze sind derzeit nicht Stand der Technik im Verteilnetzbe-reich; Netzbetreiber haben daher nicht die Option, statt herkömmlicher Drehspan-nungsnetze Gleichspannungslösungen aufzubauen. Auf Hochspannungsebene exis-tiert bereits eine Reihe von Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, die mit Gleichspannung (sog. HGÜ) aufgebaut sind. Ebenso existieren einige DC-Kurzkupplungen, bei denen zwei Drehspannungsnetze mit einer Gleichrichter-Wechselrichter-Kombination inner-halb einer Station verbunden werden.

Auch innerhalb von Gebäuden werden Gleichspannungssysteme entwickelt, die die einzelnen Erzeugungs- und Verbrauchseinheiten verbinden. Heutige Erzeuger und Lasten besitzen fast ausschließlich einen Gleichspannungswandler, auch bei einem Anschluss an ein Wechselspannungssystem. Bei einer Nutzung von Gleichspannung in der Hausverteilung könnte dieser zusätzliche Wandler entfallen und damit Kosten und Verluste senken.

Heutiger Einsatz von Gleichspannung in der elektrischen Versorgung

Heute existieren Gleichspannungsnetze insbesondere für geschlossene Anwendun-gen; sie werden in der terrestrischen Elektrizitätsversorgung derzeit nur wenig einge-setzt. Auf Niederspannungsebene (750 V) und bis zu 1,5 kV (FRA, NL) bzw. 3 kV (BEL, ESP) wird Gleichspannung europaweit in Nahverkehrs- und Bahnanwendun-gen eingesetzt. In neuen Flugzeugen wie der Boeing 787 werden DC-basierte Bord-netze genutzt (±270 V). In den USA und Japan werden 380V DC-Netze für Gebäude-technik erprobt. Dieselbe Spannungsebene wurde durch ABB in Rechenzentren ein-gesetzt. In den USA arbeiten viele Forschungseinrichtungen an Mittelspannungs-DC-Bordnetzen (6 kV) für die Versorgung und den Antrieb von Schiffen.

Grundsatzstudie der ETG zur Gleichspannung in der elektrischen Ener-gieverteilung

Im Rahmen dieser Studie, die mit einem ersten Treffen im Januar/Februar 2015 be-ginnen soll, sollen der Stand der Technik für Gleichspannungssysteme in der elektri-schen Energieverteilung sowie zukünftige Anforderungen ermittelt werden. Dabei geht es nicht nur um reine Gleichspannungssysteme, sondern auch wie Gleichspan-nung die herkömmlichen Versorgungssysteme sinnvoll ergänzen kann und wie der hybride Betrieb einschließlich der dazu notwendigen Migration durchgeführt wird. Ebenso sollen erste Überlegungen zum Anschluss an die Übertragungsnetzebene angestellt werden.

Vorgeschlagene Inhalte der Grundsatzstudie

Als Basis für die Inhalte der Studie soll die folgende Zusammenstellung dienen. Eine weitere Detaillierung wird die erste Aufgabe der neu zu gründenden Task Force sein.

  • Stand der Technik und Standardisierung für Gleichspannungssysteme (ge-meinsam mit DKE)
  • Zukünftige Verteilnetzstrukturen AC/DC als hybrider Ansatz Reine DC Netze Schnittstellen zum Übertragungsnetz
  • Selektivschutz Konzepte für Gleichspannungssysteme Algorithmen
  • Komponenten für Gleichspannungssysteme Mess- und Schutzwandler Schalttechnik Kabel und Freileitungen Automatisierungstechnik
  • Betriebsführung Stabilität Regelungsverfahren Grid Codes
  • Empfehlungen zur Standardisierung (Komponenten, Grid Codes)
  • Nicht-technische Aspekte Wirtschaftlichkeit Feldbelastungen/Umweltverträglichkeit Akzeptanz Integration von Systemen in Städte und Landschaften

Aufruf zur Beteiligung an der ETG-Grundsatzstudie

Die ETG ruft Experten aller beteiligten Stakeholder wie z.B. Forschungsinstitute, Energieversorger, Gerätehersteller auf, sich an der Studie zu beteiligen.

  • Zeitrahmen der Studie
    max. 2 Jahre (bis Ende 2016)
  • Arbeitsweise
    Die Task Force trifft sich in regelmäßigen Abständen (6-8 Wochen Rhythmus). Bei Bedarf werden Webkonferenzen zwischengeschaltet, um den Zeit- und Rei-seaufwand zu minimieren.

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