Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung?
Werbung
Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann „Sicherheit in der Stromversorgung“ Konferenz Erneuerbare Energie Kärnten, Velden, Wörthersee, 7. November 2012 Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik Fachgebiet Elektrische Energieversorgung http://www.iee.uni-hannover.de Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung Vergleich ausgewählter technischer Eigenschaften Verluste und Wirtschaftlichkeitsberechnung Abschließender Vergleich und Zusammenfassung Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 2 Schlussfolgerung aus Entwicklungstendenzen • neue Übertragungs- und Verteilungsaufgaben • Ausbau der Übertragungsnetze ist notwendig und unumstritten – z.B.: dena-Studien: 850 bzw. 3600 km neue HöS-Leitungen bis 2015/20 – Netzentwicklungsplan – Verstärkung der Haupttransportwege – Ausbau der Kuppelleitungskapazitäten – Ausbau / Umstrukturierung der Verteilungsnetze • Kabel oder Freileitung (oder Gasisolierte Übertragungsleitung) – technische Eigenschaften und Betriebsverhalten – wirtschaftliche Gesichtspunkte – Umweltverträglichkeit – Akzeptanz Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 3 Höchstspannungsnetzausbau mit HDÜ und HGÜ HochspannungsDrehstrom-Übertragung (HDÜ) HochspannungsGleichstrom-Übertragung (HGÜ) LCC HGÜ Freileitung Kabel GIL Teilverkabelung Freileitung VSC HGÜ GIL Kabel Teilverkabelung • 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 = Gasisolierte Übertragungsleitung Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 4 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung mit Freileitung, Kabel und GIL Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung Vergleich ausgewählter technischer Eigenschaften Verluste und Wirtschaftlichkeitsberechnung Abschließender Vergleich und Zusammenfassung Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 5 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 • Reichweite begrenzt aber ausreichend für europäisches Verbundnetz Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 6 Drehstromtechnik auf Basis von Freileitungen 2/2 • selbstheilende Isolation, große Isolationsabstände (5000 mm bei 380 kV) • Fehlerbeseitigung durch Automatische Wiedereinschaltung (AWE) • hohe Verfügbarkeit, kurze Reparaturdauern • wartungsarm • sehr hohe Nutzungsdauern (> 80 a) • breite Trasse (Traversen 2 x 16,5 m, Schutzstreifen ca. 50 - 70 m) Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 7 Tonnenmast 8,00 Mastbilder 9,00 9,00 11,00 11,00 11,00 11,00 50,20 3,20 61,20 11,00 11,00 8,00 2,50 Einebenenmast 11,00 8,00 2,50 Donaumast 6,50 9,00 9,00 6,50 6,50 6,50 9,00 9,00 9,00 6,50 9,00 6,84 6,84 28,70 28,70 28,70 39,90 6,50 6,84 Schutzstreifenbreite für 400 m Spannfeld und 46 N/mm2 Mittelzugspannung: ≈ 70 m ≈ 57 m ≈ 48 m Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 8 Mastbilder Schutzstreifenbreite für 400 m Spannfeld und 56 N/mm2 Mittelzugspannung: ≈ 29 m Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 9 Konventionelle Drehstromtechnik auf Basis von Kabeln 1/2 Quelle: Nexans • einfache, bewährte Technik • fester Isolationsstoff, Isolationsabstände bei 380 kV: 30 mm • begrenzte Übertragungskapazität • begrenzte Reichweite: 380 kV, 2.500 mm2 Cu, ca. 1000 MVA, ca. 70 km Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 10 Kapazitiver Ladestrom von Drehstromkabeln IÜbertragung IKapazität C´ 2 2 I zulässig I Übertra I Kapazität gung 2 2 2 I Übertragung I zulässig I Kapazität I zulässig (C / lU )2 Produkt l ·U ist begrenzt: Länge, Spannung wirtschaftliche Kabellänge ist begrenzt: Kompensation erforderlich Quelle: Vortrag Prof. Oswald, IEH Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 11 Konventionelle Drehstromtechnik auf Basis von Kabeln 1/2 Quelle: Nexans • einfache, bewährte Technik • fester Isolationsstoff, Isolationsabstände bei 380 kV: 30 mm • begrenzte Übertragungskapazität • begrenzte Reichweite: 380 kV, 2.500 mm2 Cu, ca. 1000 MVA, ca. 70 km • Blindleistungskompensation (Drosselspulen) • geringe Verluste, 2500 mm2 Cu bei 1000 MVA ca. 75 kW/km => für 380-kV-Kabel mit 100 km Länge 0,75 % Verluste (ohne Kompensationsverluste, mit 100 % Kompensation: 0,92 %) Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 12 Konventionelle Drehstromtechnik auf Basis von Kabeln 2/2 Quelle: Nexans • hohe Verfügbarkeit, aber im Fehlerfall sehr lange Ausfallzeiten • HöS-Ebene: Regelgrabentiefen bis 1,75 m, Trassenbreite bis 15 m für 4 Systeme, Trassenbreiten bis 50 m in Bauphase, Bettungsmaterial Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 13 Aufbau 380-kV-Grabenprofil für zwei Drehstromsysteme Quelle: Amprion GmbH Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 14 380-kV Tunnelbauwerke 380-kV-Tunnelbauwerk mit Kabelmuffe, Flughafen Madrid Quelle: Prof. H. U. Paul, Essen 380-kV-Tunnelbauwerk Berlin Quelle: Dipl.-Ing. C. Rathke, IEH Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 15 Konventionelle Drehstromtechnik auf Basis von Kabeln 2/2 Quelle: Nexans • hohe Verfügbarkeit, aber im Fehlerfall sehr lange Ausfallzeiten • HöS-Ebene: Regelgrabentiefen bis 1,75 m, Trassenbreite bis 15 m für 4 Systeme, Trassenbreiten bis 50 m in Bauphase, Bettungsmaterial • große Herausforderung in Bezug auf Logistik und Verlegung • kein elektrisches Feld, nur äußeres Magnetfeld, abhängig von Verlegung • Erstellung von Muffengruben oder Muffenbauwerken (max. alle 900 m), Muffenlänge ca. 3 m, Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 16 Muffenbauwerk Quelle: Dr. Y. Saßnick, Vattenfall Europe Transmission, Fachsymposium Deutsche Umwelthelfe, Berlin, 17. März 2009 Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 17 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung Vergleich Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung ausgewählter technischer Eigenschaften Vergleich ausgewählter technischer Eigenschaften Verluste und Wirtschaftlichkeitsberechnung Abschließender Vergleich und Zusammenfassung Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 18 VSC-Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ Plus / HGÜ light) 1/2 ~ = = ~ • selbstgeführte pulsmodulierte Stromrichter mit Gleichspannungszwischenkreis auf Basis von IGBT unabhängige Wirk-und Blindleistungsregelung ( 4-Quadrantenbetrieb) • Ausführung als Freileitung: 650 kV, >2200 MW, • Ausführung als MI-Kabel: 500 kV, ca. 1600 MW • erprobt, zurzeit als VPE-Kabel bis 400 MW und ±150 kV realisierbar • in Ausführung DolWin2: 900 MW bei ±320 kV • Angeboten: 1.200 MW bei ±320 kV Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 19 VSC-Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ Plus / HGÜ light) 2/2 ~ = = ~ • kein frequenz- und spannungsstarres Netz notwendig (kleine KS-Leistung) • Einsatz von ölfreien Kabel möglich • kompaktere Umrichterstationen als für die klassische HGÜ (1/4) • keine Längenbegrenzung (1.000 – 4.000 km) • Trassenbreite 7 m (2 Systeme) • Entwicklung Kabeltechnologie entscheidend für Entwicklung VSC HGÜ • einfacher Aufbau von Multiterminal-Verbindungen (DC-Leistungsschalter!?) Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 20 Verluste der VSC-Hochspannungs-Gleichstromübertragung Konverterstation ~ Gleichstromleitung Konverterstation = = Umwandlungsverluste + Verluste in Nebenanlagen Übertragungsverluste ~ Umwandlungsverluste + Verluste in Nebenanlagen • derzeit Verluste 2,5 % in den Konverterstationen + Nebenanlagen • angestrebt 2,0 % (multi-level HGÜ) Beispiel: max. Übertragungsleistung 3000 MW über 100 km VSC HGÜ mit Kabel Drehstrom-Freileitung Jahresverlustarbeit 404,11 GWh 125,73 GWh jährliche Kosten 25,46 Mio. € 7,92 Mio. € Energieverbrauch von ca. 100.000 Haushalten Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 21 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung Vergleich ausgewählter technischer Eigenschaften Verluste und Wirtschaftlichkeitsberechnung Abschließender Vergleich und Zusammenfassung Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 22 Vergleich Blindleistungsbedarf und Verluste von Übertragungssystemen Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 23 Überlastbarkeit und Ausfallverhalten • Überlastbarkeit von Betriebsmitteln bietet im Störfall notwendige Reserven • Freileitungen in kälteren oder windstarken Jahreszeiten größte Überlastungsreserve • Kabel in Abhängigkeit von der Vorbelastung ist ggf. eine Überlastung möglich Verkürzung der Lebensdauer • HGÜ-Konverter − nicht bzw. nur sehr geringfügig überlastbar Zerstörungsgefahr HDÜ-Freileitung HDÜ-Kabel geplant ungeplant geplant ungeplant Ausfallhäufigkeit in 1/100km/a 0,17 0,353 --- 0,657 Ausfalldauer T in h 3,00 2,94 --- 68,2 Nichtverfügbarkeit f. 40 km in h/a 0,20 0,42 --- 17,89 VSC HGÜ geplant 150 Zuverlässigkeitsdaten 380-kV-Kabel sind mit Daten von 110-kV-Kabeln abgeschätzt worden (Beispielwerte VDN- Störungsstatistik), Wartungsdaten geschätzt Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 24 Elektromagnetische Felder • Magnetisches Feld abhängig von der Höhe des Stromes • Elektrisches Feld abhängig von der Leiter-Erde-Spannung • Kabel besitzen aufgrund des Schirmes kein äußeres elektrisches Feld • Elektromagnetische Felder abhängig von Abstand zur Leitung und Geometrie: • kleinere Leiterabstände führen zu kleineren Feldern • größere Abstände zur Leitung führen zu kleineren Feldern Verringerung der elektromagnetischen Felder durch geringere Leiterabstände, größere Verlegetiefe bzw. höhere Aufhängepunkte und geringeren Durchhang, optimale Phasenfolge, Sonstiges (z. B. Schirmung) Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 25 Beispiel: Vergleich der magnetischen Induktion Drehstrom-Freileitung und –Kabel in 20 cm über EOK bei 3000 MVA Übertragungsleistung 100 90 Grenzwert: 100 μT (50 Hz) 80 70 B / µT 60 50 40 30 20 10 0 -50 -40 -30 -20 -10 0 x/m 10 20 Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 30 40 50 26 Beispiel: Vergleich der magnetischen Induktion HGÜ-Kabel in 20 cm über EOK bei 3000 MW Übertragungsleistung magnetische Flussdichte B in µT 80 70 magnetisches Gleichfeld keine Grenzwerte z. Vgl. Erdmagnetfeld in Mitteleuropa ca. 48 T 60 50 40 30 20 10 0 -50 -40 -30 Grabenprofil 1 -20 -10 0 10 20 Abstand x zur Leiterachse in m Grabenprofil 2 30 40 50 Grabenprofil 3 Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 27 Beispiel: Vergleich der magnetischen Induktionen Ergebnis: Grenzwert von 100 μT (50 Hz) wird bei allen Varianten eingehalten Normalbetrieb in μT Magnetische Induktion gemäß 26. BImSchV max1 200 m 400 m 12 m ( min. Durchhang) 26,20 0,25 0,06 7,8 m (Mindestabst.) 52,50 0,25 0,06 12 m ( min. Durchhang) 27,81 0,43 0,11 7,8 m (Mindestabst.) 46,30 0,43 0,43 0,11 12 m ( min. Durchhang) 36,46 0,04 0,005 7,8 m (Mindestabst.) 68,33 0,04 0,005 Kabel Variante 1 1,5 m Legetiefe 91,33 0,03 0,007 Kabel Variante 2 1,5 m Legetiefe 64,14 0,02 0,005 Kabel Variante 3 1,5 m Legetiefe 63,93 0,02 0,005 Leitungstyp Leiterabstand zur EOK Donaumast Tonnenmast Einebenenmast 1) maximal auftretende magnetische Gesamtinduktion bei maximalem Strom, bei Freileitung nur in Spannfeldmitte, bei Kabel entlang der gesamten Trasse zum Vergleich Haushaltsgeräte in 30 cm Abstand: • Staubsauger: 2-20 μT • Elektroherd: 0,15-8 μT • Handmixer: 0,6-10 μT • Fernseher: 0,04-2 μT Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 28 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung Vergleich ausgewählter technischer Eigenschaften Verluste und Wirtschaftlichkeitsberechnung Abschließender Vergleich und Zusammenfassung Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 29 Wirtschaftlichkeit Investitionskosten Betriebskosten sonstige Kosten z.B. Reparaturkosten einmalig jährlich bei Ereignissen Verlustkosten Wartungskosten stromabhängige Verluste spannungsabh. Verluste Kompensationsverluste HDÜ u. HGÜ HDÜ HDÜ-Kabel Stromrichterverluste HGÜ Kostenvergleich unter Berücksichtigung aller Kostenanteile (Barwerte) Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 30 Wirtschaftlicher Vergleich HDÜ-Freileitung, -Kabel und HGÜ-Kabel Investitionskosten HGÜ-Kabel 2 Abzweige Konverter Abzweig HGÜ-Kabel ohne Abzweig Konverter an Leitungsenden HDÜ-Kabel HDÜ-Freileitung break-even distance Länge Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 31 Wirtschaftlicher Vergleich • Drehstrom-Freileitung in allen untersuchten Varianten günstigste Lösung • Drehstrom-Kabel in Abhängigkeit von Leistung und Länge ca. 3-4 mal teuer • VSC-HGÜ mit Kabel in Abhängigkeit von Leistung und Länge ca. 2-9 mal teurer • VSC-HGÜ mit Kabel in Abhängigkeit der Leistung ab 130-250 km kostengünstiger als Drehstrom-Kabel Kostenfaktoren Drehstrom-Kabel zur Freileitung Leistung Länge in km VSC-HGÜ mit Kabel 50 100 200 500 50 100 200 500 1000 MW 2,83 2,83 2,83 2,76 8,81 5,16 3,34 2,20 2000 MW 4,17 4,17 4,17 4,10 8,88 5,14 3,28 2,12 3000 MW 3,85 3,85 3,85 3,60 9,40 5,44 3,46 2,12 Keine Pauschalangaben: individuell untersuchen! Quelle: Rathke, Mohrmann, Hofmann: Ökologische Auswirkungen von 380-kV-Erdleitungen und HGÜErdleitungen. Abschlussbericht Technik/Ökonomie. EFZN, Studie im Auftrag des BMU, 2012. Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 32 Gliederung Begriffsdefinitionen Einleitung Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung Vergleich ausgewählter technischer Eigenschaften Verluste und Wirtschaftlichkeitsberechnung Abschließender Vergleich und Zusammenfassung Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 33 Zusammenfassung • Ziel: sichere, „günstige“ und umweltverträgliche Energieversorgung • Frage „HDÜ- oder HGÜ-Freileitung oder -Kabel?“ – technische Gesichtspunkte – wirtschaftliche Gesichtspunkte und – Umweltverträglichkeit und Akzeptanz • in HöS-Netzen sind HDÜ-Freileitungen dominierend und Standard • in der HöS-Ebene bestehen: – technische und betriebliche Nachteile sowie – wirtschaftliche Nachteile der HDÜ-Kabel und HGÜ gegenüber der FL – Einsatz von HDÜ-Kabel oder HGÜ im vermaschten HöS-Netz ist aus technischer und betrieblicher Sicht nicht notwendig hoher technischer Aufwand und höhere Investitionskosten größere Verluste der VSC HGÜ gegenüber HDÜ • Einsatz der HGÜ dort, wo Grenzen der HDÜ-Technik erreicht werden Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 34 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit ! Prof. Dr.-Ing. habil. Lutz Hofmann [email protected] Institut für Energieversorgung und Hochspannungstechnik Fachgebiet Elektrische Energieversorgung http://www.iee.uni-hannover.de Gretchenfrage des Netzausbaus: Kabel oder Freileitung? 35
