Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen

16/03/2016

Frank Vanwynsberghe – BASF Antwerpen

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ZIEHL 2016

BASF AROUND THE WORLD

Regional centresSelected production sitesMost important research sitesVerbund sites

Freeport Geismar

Antwerp

Nanjing

Kuantan

Ludwigshafen

BASF AROUND THE WORLD

Regional centresSelected production sitesMost important research sitesVerbund sites

Freeport Geismar

Antwerp

Nanjing

Kuantan

Ludwigshafen

Deutsche Nanoschicht

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BASF Antwerpen

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BASF Antwerpen

6 km² Verbundstandort > 50 Chemie-Anlagen 3,2 mio MWh 410 MW Spitzenleistung

1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?

2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren

3. Business Opportunities

4. Technologien zur Netzkupplung

5. Stand der Dinge

6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit

Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen

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Grosse Verbundstandorte

Integration Chemie-Ströme

Integration Energie-Ströme (Wärme-Kälte)

Elektrische Energie ist selbst Energieträger aber auch Enabler

– Struktur (>850 MW, >400 MW)

– Sehr hoher Anteil an (Asynchron-)Motorleistung mit Wiederhochlaufproblematik

– Physikalische Eigenschaften

– Sicherheit

– Schnell : Schutzzeiten < 0,1 s: Nach-Denken ist teuer, Vor-Denken ist die Botschaft

– Grosse direkte Folgen wenn nicht verfügbar : Anlagenschaden

– Domino-Effekte wegen Verbund

Angemessene Verfügbarkeit ist notwendig

Bilanz zwischen Kosten-Nutzen

Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?

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Was wir suchen ist ein Netz mit hoger :

Sicherheit : Personenschutz

Mechanische Festigkeit

Lichtbogenschutz

Verfügbarkeit : teuere Versorgungsunterbrechungen vermeiden

Strahlennetz → Gekuppeltes Netz → Maschennetz

Steigende Verfügbarkeit → (stark) steigende Komplexität

Und das zu einen

Korrekten Kostenlevel : Preiswerte Lösung

Kosten ↔ Nutzen

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?

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Ultrafast, reaction : 1 msPure physical behavior, no switchingSelf restoring

Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?(Kurzschluss-)Strom

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Angedachte Anwendungen

Begrenzung der Kurzschlussleistung bei der Einbindung von:

– Grossen Generatoren

– Grossen Motoren

Begrenzung der Kurzschlussleistung beim Kuppeln von Netzen

Transport von Elektrizität über HTS-Kabel

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?

1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?

2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren

3. Business Opportunities

4. Technologien zur Netzkupplung

5. Stand der Dinge

6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit

Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen

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Sicherheit

Begrenzung der Kurzschluss-Leistung ↔ Bedarf an hoher Kurzschluss-Leistung

Sanierung bestehender Anlagen die « overduty » werden

Verfügbarkeit

Die Folgen von Netzstörungen reduzieren/vermeiden

Die Reduzierung von Ausfallkosten bei den Chemieanlagen

Preiswerte Lösung

Reduzierung TCI / TCO (Total Cost of Investment/Ownership)

Verlustarmer Leistungsaustausch zwischen Netzen

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von GeneratorenEinige Anforderungen

Bei Netzkupplung (≥ 2 Netze kuppeln) soll das Gerät :

Unsichtbar sein und/oder auf normale Lastflüsse für P&Q steuern

Die Folgen eines Kurzschlusses auf das gekuppelte Netz einschränken

– Kurzschlussleistung

– ∆U und Zeit

– Common mode Problematik beim Schutz

– Folgen von Schalterversagern limitieren

Bei der Einbindung von Generator(en) soll das Gerät :

Die Stoss-Kurzschlussleistung stark beschränken

Unsichtbar sein für normale Lastflüsse für P&Q

Generatordimensionierung/-Erregung

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von GeneratorenEinige Anforderungen

Randbedingungen : zu Beachten sind unter anderem :

Netzstruktur

Verhalten Verbraucher

Netzberechnungen (u.a. dynamische Simulation)

Konsequenzen von Fehler im Netz

Schutz

Technologie

Prüfung

…

→ Systemintegrator erforderlich

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von GeneratorenEinige Randbedingungen

1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?

2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren

3. Business Opportunities

4. Technologien zur Netzkupplung

5. Stand der Dinge

6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit

Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesNutzen (↔ Kosten)

NetzNutzungsEntgelte (NNE) : Kapitalkosten ↓

Erweiterung in bestehenden Anlagen

Neue Anlagen

Einbindung von Generatoren

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesNutzen (↔ Kosten)

NetzNutzungsEntgelte (NNE) : Kapitalkosten ↓

Erweiterung in bestehenden Anlagen

Neue Anlagen

Einbindung von Generatoren

Folgekosten Ausfall für Netznutzer ↓ : Verfügbarkeit ↑

Standard : Strahlennetz : Einspeisung AUS = Produktion AUS (evt. Umschaltung mit Unterbrechung)

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesNutzen (↔ Kosten)

NetzNutzungsEntgelte (NNE) : Kapitalkosten ↓

Erweiterung in bestehenden Anlagen

Neue Anlagen

Einbindung von Generatoren

Folgekosten Ausfall für Netznutzer ↓ : Verfügbarkeit ↑

Standard : Strahlennetz : Einspeisung AUS = Produktion AUS (evt. Umschaltung mit Unterbrechung)

Ziehl ist dass die Produktion weiter läuft bei : 2 Kategorien :

Erhöhte Verfügbarkeit :– Gekuppeltes Netz wo die Chemieproduktion bei Schaltfehler, Fehlauslösungen & den

meisten Kurzschlüsse ohne Ausfall weiter lauft.

High End Verfügbarkeit :

– Gleich wie ‘Erhöhte Verfügbarkeit’ aber wobei auch der Wiederhochlauf sichergestellt ist.

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35 kV – Sk = 2000 MVA

1 2

6/10 kV

16 MVA10%, Yy0

16 MVA10%, Yy0

1200 – 1600 A rms

Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesStandard : 2 Einspeisungen - Radial

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35 kV – Sk = 2000 MVA

1 2

6/10 kV

16 MVA10%, Yy0

16 MVA10%, Yy0

1200 – 1600 A rms

Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesNetze Kuppeln : zu Vermeiden ist …

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Preiswerte Einbindung von Generatoren in bestehenden Standardanlagen.

Ohne FCL : Sammelschienensystemüberbeansprucht → Blocktransformator

Mit In line FCL : Vermeiden des Blocktransformators

35 kV – Sk = 2000 MVA

1 2

6/10 kV

16 MVA10%, Yy0

16 MVA10%, Yy0

1200 – 1600 A rms

G

In Line FCL

Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesGenerator : In Line SCFCL

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35 kV – Sk = 2000 MVA

1 2

16 MVA10%, Yy0

16 MVA10%, Yy0

Busbar coupling FCL

1200 – 1600 A rms

Preiswerte Anlage : niedrige Kurzschlussleistung

Bei Schaltfehler oder 1 p-Kurzschluss in der 35 kV -Einspeisung : Versorgung wird nicht unterbrochen

Keine ‘common mode’-Anregung des Schutzes beirichtige Dimensionierung des FCL

Beherrschbare Spannungsrückwirkungen beiKurzschlüsse

Schaltfehler

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesFCL als Netzkupplung

6/10 kV

35 kV – Sk = 2000 MVA

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16 MVA10%, Yy0

16 MVA10%, Yy0

Busbar coupling FCL

1200 – 1600 A rms

Preiswerte Anlage : niedrige Kurzschlussleistung

Bei Schaltfehler oder Kurzschluss in der Einspeisung : Versorgung wird nicht unterbrochen

Kurzschluss an Stelle 3 : Wiederhochlauf der ‘grünen’ Last wird gewährleistet ?

3

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesFCL als Netzkupplung : Wiederhochlauf möglich ?

6/10 kV

Kosten

Kapitalkosten

Instandhaltungs- und Betriebskosten

– z.B. Ausbildung

– z.B. Verluste

Zusätzliches Gerät verursacht Ausfallkosten

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesKosten (↔ Nutzen)

1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?

2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren

3. Business Opportunities

4. Technologien zur Netzkupplung

5. Stand der Dinge

6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit

Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen

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Technologievergleich

Klassische Netzkupplung

Drossel (+ C)

Is-Limiter

sFCL → Superconducting Fault Current Limiter, reiner Widerstand

SCFCL → Superconducting Fault Current Limiter, Widerstand + ShuntReactor

SSFCL → Solid State FCL

Back to Back → HVDC

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen4. Technologien zur NetzkupplungKosten↔ Nutzen : Alternative

E-Fluss Îp Common mode beiKS

ILast nachFS**/KS

∆U nachFS**

Über-lastbar

Wirkung

Klassisch P&Q 0 Schutz&∆U=100% 100%/100% 0-5% Ja Physik

Drossel(+C)

P&Q √ Nein bei XD>>Schutz&∆U bei XD<<

100%/100% 0->>15%<15 %

Ja Physik+C Schalten

Is-Limiter P&Q √ Nein&∆U=0% 100%/0 % 0 % Ja/0 % KomplexSpreng-patrone

sFCL P&Q √ Nein&∆U=Dimens. 100%/200ms 0 % Nein Physik

SCFCL P&Q √ Nein&∆U=Dimens. 100%/100% 0 % Ja Physik+C schalten

SSFCL P&Q √ Nein&∆U=Dimens. 100%/100% 0 % Nein Physik+Leistungs-elektr

HVDC P&Q steuerbarStat. Gen.

√ Nein&∆U=0% 100%/100% 0 % Nein Leistungs-elektr

** : FS = Fehlschaltung KS= Kurschluss

* : kein Wiederhochlauf16/03/2016 27

Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen4. Technologien zur NetzkupplungKosten↔ Nutzen : Alternative für erhöhte Verfügbarkeit*

1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?

2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren

3. Business Opportunities

4. Technologien zur Netzkupplung

5. Stand der Dinge

6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit

Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen

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Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren : BASF Antwerpen

Studie läuft : Netzberechnungen, Randbedingungen

Business-case : Gesamtkosten (Kapital, Instandhaltung, Schalthandlungen, Baukosten, ...)

Qualifizierungsanforderungen an Gerät und Lieferanten

Transport von Elektrizität : BASF Ludwigshafen

Pre-studie ongoing

SCFCL als Schutz des HTS-Kabels

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen5. Stand der Dinge

1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?

2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren

3. Business Opportunities

4. Technologien zur Netzkupplung

5. Stand der Dinge

6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit

Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen

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Weltweit : Einbindung von Generatoren : Blocktransformatoren/Kurzschlussleistung

Europa/Asien : Anwendungsmöglichkeiten in Anlagen mit hohen Schadenfolgen

Transportnetz (110/20/35 kV) : Radial, gekuppelt, vermascht

Verteilnetz (6/10 kV) : Radial

USA :

Alle Hochspannungsanlagen : Gekuppelt : Erweiterungen können zu « overduty » Anlagen führen

BASF Ludwigshafen : Platzmangel für Kabeltrassen

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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit