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Stromtransport:Erfordernisse und Lösungen für ein eu-ropäisches Verbundnetz unter Nutzung solaren Stroms aus Nordafrika
Dr.-Ing. Thomas Benz, DPG-Frühjahrstagung, 16. März 2010
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DESERTEC Industrial Initiative (DII)Konzept für eine nachhaltige Stromversorgung für dieEUMENA-Region
Quelle: DESERTEC Foundationwww.desertec.org
Ziel für 2050:Deckung von etwa15 % des europä-ischen Strombedarfs durch in der MENA-Region regenerativ erzeugten Strom.
EU: EuropeME: Middle EastNA: North Africa
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DrehstromübertragungBis heute das System der Wahl für Europa
Vorteile Transformierbarkeit Einfache elektromechanische
Energieumwandlung Einfache Stromunterbrechung Frequenz als systemweite
Führungsgröße Vermaschbarkeit
Übertragungsnetzder UCTE, Union for the Coordination of Transmission of Electricity(jetzt ENTSO-E, European Network of Transmission System Operators for Electricity).
Stand: 01.07.2008
Quelle:www.entsoe.eu
L
C/2 C/2
Betriebskapazität
BetriebsinduktivitätVereinfachtes Ersatz-schaltbild für eine elektrische Wechsel-stromleitung.
Drehstromfreileitung:InduktivitätsbelagL’= 0,8 … 1,3 mH/kmKapazitätsbelagC’= 9 … 14 nF /km
VPE-Drehstromkabel ( 110 kV):Induktivitätsbelag:L’= 0,2 … 0,6 mH/kmKapazitätsbelag:C’= 200 … 300 nF/km
Grenzen Energieübertragung über lange
Strecken (Verluste, Stabilität) Drehstromkabel bereits bei Entfer-
nungen < 100 km wegen Blind-leistungsbedarf technisch schwierig
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Drehstromübertragung Ist der Mittelmeer-Ring eine Lösung?
MEDRING Update Study - Preliminary findings:
Sending renewable/fossil based AC electricity around the Mediterranean basin might not be the best option.
A 100% AC synchronization is very complicated.
Even when the ring has been com-pleted, its transit capacity will not be sufficient for the necessity of internal transit between Mediterranean countries, nor for the North-South transit.
Kaupp, A.: MEDRING Update Study. Technical Workshop on Electricity Inter-connections in the Mediterranean, 8.+9. Feb. 2010, Brussels.
Quelle: www.ec.europa.eu
Bild: DLRTRANS-CSP Study Report, Juni 2006www.desertec.org
Dahomé, E. (MEDELEC): Syn-chronous or asyn-chronous – Over-view of outstanding questions.Technical Workshop on Electricity Inter-connections in the Mediterranean, 8.+9. Feb. 2010, Brussels.
Quelle: www.ec.europa.eu
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Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ)Die Alternative zur Drehstromübertragung
Vorteile: Geringe Verluste (Gleichstrom) Keine Längenbeschränkung, keine
Stabilitätsprobleme Kabel über große Entfernung ein-
setzbar, da kein Blindleistungsbe-darf
Geringer Flächenbedarf Nachteile:
Basiskosten für Umrichterstationen erst bei größeren Entfernungen wirtschaftlich interessant (auf See: ab ca. 80 km, an Land ab mehreren 100 km)
Punkt-zu-Punkt-Verbindung (aber: selbstgeführte HGÜ vermaschbar)
Beispiele für HGÜ-Projekte in Asien.
Beispiele für HGÜ-Projekte in Europa.
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HGÜ-TechnikKlassische HGÜ (netzgeführte HGÜ)
Thyristor-Technik (nur einschaltbar) 12-Puls-Umrichter Kurzschlussleistungsbedarf (Betrieb nur
am spannungsstarren Netz) Leistungsbereich: 250 – 9.000 MW Leistungsflussumkehrung durch Um-
polung der Spannung (Stromfluss-richtung bleibt gleich)
Stufenweise Blindleistungsbereit-stellung
Freileitung oder Massekabel (Isolation: ölimprägniertes Papier)
Fernübertragung großer Leistungen550 MW, 120 x 50 x 11 m
PrinzipschaltbildHGÜ Klassik.(HVDC = High Voltage Direct Current)
6-Zoll-Thyristor für HGÜ-Anwendungen.
Sperrspannung:8,5 kV
Stromtragfähigkeit:4,5 kA
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Klassische HGÜ – ProjektbeispielUHVDC-Verbindung Xiangjiaba – Shanghai, China
Kapazität: 6.400 MW (ausreichend für die Versorgung von 31 Mio. Menschen)
Ausführung: bipolare Übertragung DC-Spannung: ±800 kV DC-Strom: 4.000 A Distanz: 2.071 km Verluste: < 7 % (Gesamtsystem) Gründe für die Verwendung von HGÜ:
Große Übertragungsdistanz Große Übertragungsleistung Kompaktheit: 40 % weniger Land-
verbrauch als bei einer Drehstrom-übertragung
2.071 km
1-Phasen-Umrichter-Transformator.
Nennscheinleistung:SN = 297 MVA
Nennspannungen:UN = 515/158 kV
Abmessungen:10,85 x 3,5 x 4,85 m(L x B x H)
Gewicht: 260 t
12 Stck. pro Pol
Nutzung der Wasser-kraft zur Stromerzeu-gung in großer Ent-fernung von den Verbrauchszentren (Shanghai).
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Klassische HGÜ – ProjektbeispielSeekabelverbindung NorNed, Norwegen – Niederlande
Kapazität: 700 MW DC-Spannung: ±450 kV Distanz: 580 km
(Kabel gefertigt und verlegt in Teil-stücken bis 150 km Länge, Gesamt-gewicht 47.000 t)
Wassertiefe bis zu 410 m Verluste: < 4 % (Gesamtsystem) Gründe für die Verwendung von HGÜ:
Lange Seekabelverbindung Kopplung asynchroner AC-Netze Steuerbarer Leistungsfluss (Strom-
handel)
Asynchrone Ver-bindung der Dreh-stromnetze von Norwegen und den Niederlanden.
NorNed-Seekabel.
Leiter: 2 x 790 mm2
Kupfer
Isolierung: Masse-imprägniertes Papier
Abmessungen:217 x 136 mm
Gewicht: 84 kg/m
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HGÜ-TechnikVSC-HGÜ (selbstgeführte HGÜ)
IGBT-Technik (ein- und ausschaltbar) Benötigt keine Kommutierungsblind-
leistung Leistungsbereich: 50 – 1.200 MW Dynamische Spannungsregelung Schwarzstartfähig* Leistungsflussumkehrung durch Um-
kehrung des Stromflusses VPE-Kabel (Isolation: vernetztes
Polyethylen) oder Freileitung Geringer Platzbedarf durch kompakte
Stromrichterstationen Vielfältige Anwendungen
PrinzipschaltbildVSC-HGÜ.(VSC = Voltage Source Converter)
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)-Module für unter-schiedliche Leis-tungsbereiche.
Sperrspannung:2,5 kV
Stromtragfähigkeit:500 bis 2.000 A
*Kann nach einem Netzfehler den Betrieb selbstständig, d.h. ohne Stützung durch das umgebende Drehstromnetz wieder aufnehmen.
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VSC-HGÜ – ProjektbeispielLandkabelverbindung Murraylink, Australien
Kapazität: 220 MW Blindleistung bei Nennleistung:
Wechselrichterbetrieb: -100 bis +100 MVAr Gleichrichterbetrieb: -75 bis +125 MVAr
DC-Spannung: ±150 kV DC-Strom: 739 A Distanz: 176 km Gründe für die Verwendung von HGÜ:
Lange Kabelverbindung (Kabel zum Schutz der Übertragungsstrecke vor Buschbränden)
Steuerbarer Leistungsfluss (Strom-handel)
Einfache Genehmigung
176 km
Asynchrone Ver-bindung der Dreh-stromnetze von Victoria und Südaustralien.
Kabelverlegung.
Isolierung: 3-fach ex-trudiertes, vernetztesPolyethylen (VPE)
Leiterquerschnitte:1.200 und 1.400 mm2 Aluminium (aufgrund unterschiedlicher thermischer Boden-eigenschaften)
Kabeldurchmesser:80,2 und 83,7 mm
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VSC-HGÜ – ProjektbeispielNetzanbindung Borkum 2, Deutschland
Kapazität: 400 MW DC-Spannung: ±150 kV Distanz: 203 km (128 km Seekabel,
75 km Landkabel) Gründe für die Verwendung von HGÜ:
Lange See- und Landkabelver-bindung
Einfache Blindleistungsbereitstellung zur Spannungsstabilisierung
Schwarzstartfähigkeit
Anschluss des Off-shore-Windpark-Clusters Borkum 2in der Nordsee.
Offshore-HGÜ-Platt-form.
Plattform-Oberdeck:Abmessungen: 54 x 35 x 25 m (L x B x H)Gewicht: 3.300 t (inkl. Anlagen)
Unterwasserstruktur:Gewicht: ca. 2.200 tHöhe: ca. 40 mWasserspiegel bis zur Plattform: 20 m
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VSC-HGÜBeiträge zur Systemstabilität
Wirkleistungsregelung (Frequenz-stabilität)
Jeder Wirkleistungsfluss einstellbar Sofortige Leistungsflussumkehr
(Stromumkehr) Kann nicht unkontrolliert überlastet
werden Blindleistungsregelung (Spannungs-
stabilität) Unabhängig von der Wirkleistung Unterstützt den Netzwiederaufbau
nach Kurzschluss
Reihenschaltung von VSC-HGÜ und Dreh-stromleitung.
Parallelbetrieb von VSC-HGÜ und Dreh-stromleitung.
Asynchrone Einspei-sung in ein Dreh-stromsystem.
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AusblickNächste Entwicklungsschritte
Klassische HGÜ DC-Spannung: 1.000 kV
VSC-HGÜ: DC-Spannung: 640 kV Leistung: 2.400 MW Verluste pro Konverter: < 0,9 %
DC-Kabel DC-Spannung: 640 kV Wassertiefen bis 2.000 m
DC-Leistungsschalter Elektronisch Mechanisch
Aufbau von Gleichstromnetzen (z.B. OffshoreGrid)
Neues IGBT-Modul.
Sperrspannung:4,5 kV
Stromtragfähigkeit:2 kA
Von der Punkt-zu-Punkt-Verbindung zum DC-Netz.
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Zusammenfassung
Mit der klassischen, netzgeführten HGÜ lassen sich große Leistungen sehr effizient über weite Strecken übertragen.
Für die Seekabelübertragung ist die HGÜ oftmals die ein-zig realisierbare Lösung.
Die VSC-HGÜ zeichnet sich zusätzlich dadurch aus, dass sie zur Spannungsregelung, Lastflussregelung und Blind-leistungsbereitstellung im Drehstromnetz eingesetzt wer-den kann.
Die VSC-HGÜ kann an schwachen Drehstromnetzen mit nur geringen Kurzschlussleistungen betrieben werden, was für die Realisierung des DESERTEC-Konzepts von beson-derem Vorteil ist.
Die künftig wohl interessantesten Anwendungen für die VSC-HGÜ liegen generell im Aufbau von DC-Netzen.
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FazitMit HGÜ muss DESERTEC keine Vision bleiben
Wasserkraft200 GW
Solarenergie700 GW
8000 km2
90 x 90 km
Windenergie300 GW
25 000 km2
5000 x 10 km
WasserkraftSolarenergie
HGÜ-VerbindungenWindenergie
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