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Dienstag, 12. Dezember 2017

Stromnetze

Technik für die Superhighways

Von Heinz Wraneschitz | 20. April 2017 | Ausgabe 16

Der Gleichstrom wird in Zukunft Einzug in die öffentliche Stromversorgung halten – für ganz bestimmte Aufgaben. Eine Abkehr von der 50-Hz-Wechselspannung als Basis aber ist kaum in Sicht.

Foto: dpa Picture-Alliance/Oliver Berg

Testphase: 2012 bauten Amprion und TransnetBW beim Eon-Kraftwerk Datteln IV eine Versuchsanlage zur Schaltung zwischen Gleich- und Wechselstromnetz.

Der Ausbau des deutschen Höchstspannungsübertragungsnetzes im Rahmen der Energiewende baut auf Gleichstromtechnik: Die vom Bundestag beauftragte Bundesnetzagentur hat inzwischen grünes Licht für den Bau mehrerer Strecken gegeben, die auf Basis von Hochspannungsgleichstromübertragung, kurz HGÜ, arbeiten sollen. Das Argument: Der im Norden zahlreich erzeugte Windstrom muss in die Verbrauchszentren vor allem im Süden Deutschlands gebracht werden. Und Hochspannung über weite Strecken zu übertragen, geht mit Gleichspannungstechnik besser als mit der üblichen 380-kV-Wechselspannung.

Warum die Stromnetze auf Wechselstrom basieren

Unumstritten ist das nicht: Der Übertragungsnetzausbau „mit HGÜ-Abschnitten ist keine Alternative zum Kabel und schon gar nicht zur Freileitung“, auch wenn HGÜ „durchaus Vorteile gegenüber der Freileitung“ habe, sagt der emeritierte Professor Bernd Oswald. Der ehemalige Inhaber des Lehrstuhls Elektrische Energieversorgung an der Leibniz-Universität Hannover gilt als Fachmann auf dem Höchstspannungssektor.

2010 fällte Oswald folgendes Urteil über HGÜ-Kabel: „Sie sollten nur dort eingesetzt werden, wo ihre Vorteile auch voll zum Tragen kommen, um so den hohen technischen Aufwand und die hohen Kosten zu rechtfertigen. Im Übertragungsnetz ist das jedenfalls nicht der Fall.“ So ergeben Oswalds Berechnungen für unterirdische HGÜ zum Beispiel drei- bis fünffache Kosten gegenüber Drehstromleitungen auf Masten mit gleicher Kapazität.

Dennoch setzt die Bundesregierung vor allem auf drei HGÜ-Trassen zwischen Nord- und Süddeutschland, die bis heute öffentlich massiv diskutiert, oft sogar bekämpft werden. Das Präferieren der HGÜ-Technik hat seinen Grund: Die moderne Leistungselektronik – Thyristoren und Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode – macht es möglich, heute auch Gleichstrom auf Spannungsebenen zu heben, die eine Übertragung über lange Strecken verlustarm erlauben.

Dennoch hat Gleichstrom in eng vermaschten Stromnetzen wie dem europäischen Verbundnetz bislang kaum Bedeutung. Ausnahmen sind HGÜ-Kurzkupplungen, um unterschiedlich betriebene Netze zusammenzuschalten, zum Beispiel zwischen Ost- und Westeuropa.

Ansonsten verbinden HGÜ fast immer zwei Punkte über weite Entfernungen. Gerade in Seekabeln wird diese Form der Stromübertragung genutzt. „Es entstehen eigentlich nur ohmsche Verluste auf den Kabeln. Die könnten theoretisch beliebig lang sein“, erläutert Ernst-Dieter Wilkening vom Institut Elenia der Technischen Universität Braunschweig.

Der Unterschied zum Drehstromkabel, so Wilkening: „Dort könnte ich heute auch schon über die doppelte Länge wie zurzeit gut übertragen, also 1500 km, wenn ich auf 800 kV statt derzeit 400 kV ginge. Das Problem: Ich brauche für AC-Kabel Blindleistung“, was wegen der wiederkehrenden Ladeströme dickere Querschnitte bedeutet. DC-Kabel aber „werden einmal aufgeladen – reicht“.

Außerdem, so heißt es in der internationalen „HVDC Grid Feasibility Study“ des Cigré, des Internationalen Rats für große elektrische Netze, vom Dezember 2012: „Die Erfahrungen der letzten Jahrzehnte zeigen, dass der Genehmigungsprozess für eine solche (800-kV-Leitungs-)Lösung sehr zeitaufwendig ist.“ Heute seien HGÜ-Übertragungen schlichtweg schneller realisierbar, schreibt die für die Studie verantwortliche Forschungsgruppe WG B4–52 des Cigré über ein einige 10 000 km langes DC-Hochspannungssystem in Europa und Nordafrika, das das heutige 400-kV-Wechselspannungsnetz ergänzen sollte.

Die Studie sollte die Realisierbarkeit des „Desertec“-Projekts geprüft werden, der Solarstromerzeugung vor allem auf afrikanischem Boden für Verbraucher in Europa. Doch zumindest die Desertec-Vision des Wüstenstroms, mit dem Mitteleuropa versorgt, scheint tot zu sein. Doch ausgeträumt ist der Traum vom europäischen HGÜ-„Overlay“-Verbundnetz dennoch nicht. Denn Grundlage von Desertec waren auch die großen Windparks in Nordeuropa, gekoppelt mit Wasser- und Pumpspeicherkraftwerken.

Die Studie E-Highway2050 des Entso-E, des Verbands europäischer Übertragungsnetzbetreiber, skizziert über die üblichen Zehn-Jahres-Pläne des Konsortiums hinaus die weitere Entwicklung der europäischen Höchstspannungsnetze. Dabei wird von weiter wachsenden DC-Anbindungen in Europa ausgegangen, vor allem auch durch den Ausbau erneuerbarer Energien getrieben. Zu denjenigen, die bis 2030 heute schon geplant sind, rechnet die Studie bis 2050 mit mindestens 50 GW an weiteren DC-Kapazitäten im Höchstspannungsbereich.

Auf lange Sicht sieht E-Highway2050 die Entwicklung vermaschter Gleichstrom-Overlay-Netze als Option: „In dem Maße, wie spannungsgeführte Hochleistungsstromrichter und spezifische Schaltanlagenausrüstung technisch reifer werden und Markterfahrung gesammelt wird, könnte ein lokal vermaschtes HGÜ-Netz in Europa erzeugt werden.“

Die Studie geht dabei auch davon aus, dass dies nicht nur an Land, sondern auch auf See geschehen wird. Während die Entso-E-Studie an Land HGÜ-Verbindungen ab 600 km gegenüber der Wechselstromtechnik als Option ansieht, läge die Entfernung offshore bei 150 km und mehr.

Beispiel für HGÜ-Verbindungen sind in der Studie immer wieder die in Deutschland geplanten drei HGÜ-Trassen: Die im Osten (SuedOstLink) soll die „neuen“ Bundesländer mit Bayern verbinden. Eine andere Trasse führt in der Mitte (SuedLink) von Schleswig-Holstein nach Baden- Württemberg, die dritte, westliche (UltraNet), von Emden bis in den Raum Karlsruhe.

Bauen dürfen die Leitungen die vier deutschen Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) 50Hertz, Amprion, Tennet und Transnet BW. Zumindest „SuedLink“ und „SuedOstLink“ sollen dabei fast komplett als Erdkabel verlegt werden, „weil Erdkabel anders als Leitungen auf Strommasten das Landschaftsbild weniger stören“, wie es der Bürgerdialog des Bundeswirtschaftsministeriums formuliert. Richtig ist: HGÜ strahlt weniger als Hochspannungsdrehstrom. Aber wie erwärmen sich beispielsweise die Erdschichten über den 30 m breiten Kabelgräben im Betrieb?

Ein weiterer großer Nachteil, weil Kostenfaktor: HGÜ brauchen an ihrem Start- und Zielpunkt je eine Umrichterstation, die aus dem Gleich- wieder Drehstrom macht und ihn ins bestehende Wechselstrom-Übertragungsnetz einspeist. Diese Stationen machen auch Teile der geringeren Verluste auf dem Transportweg wieder zunichte: Die Elektronik verbraucht Strom.

Die Elektrotechnik im Gleichstromsektor sei vorhanden und funktioniere, betonen Hersteller wie ABB, Siemens und GE. Das wurde auch bereits in vielen Projekten bewiesen, die bisher besonders im Ausland verwirklicht wurden. In China gibt es die mit 2059 km längste Erdkabel-HGÜ zwischen Jinping und Sunan.

Wobei die Marktforscher von IHS Technology seit dem Jahr 2000 weltweit einen deutlichen Zuwachs an HGÜ-Projekten festgestellt haben. Gab es zur Jahrtausendwende global 66 Projekte, so sind 125 neue bis 2015 hinzugekommen, der Löwenanteil davon – wie die Verbindung zwischen Jinping und Sunan – in Asien. Der europäische Anteil bleibe bei 30 %, so IHS. Die Analysten verweisen aber darauf, dass es durch die Notwendigkeit in Europa, unterschiedliche Spannungsebenen miteinander zu koppeln, einen Bedarf an HGÜ-Interkonnektoren gebe.

Die neutrale Prüfung der Gleichstrom-Netzkomponenten scheint noch nicht allzu weit verbreitet: Erst Ende März wurde an der TU Dortmund der Grundstein für das „Forschungszentrum für die HGÜ“ gelegt. 5 Mio. € wird die noch in diesem Jahr entstehende Halle nebst Freilandprüffeld kosten. „Die Anlage ist deutschlandweit einzigartig“, behauptet die TU-Leitung. Und: Das Prüfzentrum biete die Chance, Gleichspannungen bis zu 1200 kV „auch bei realen klimatischen Bedingungen“ zu erforschen. swe

Aber selbst wenn bei längeren Strecken HGÜ sogar als Kabelstrecken gebaut werden: Günstiger scheint heute trotz Blindleistungskompensation die Drehstromanbindung zu sein. Henrich Quick jedenfalls, Leiter Projekte Offshore bei der 50Hertz Transmission GmbH, bekennt gegenüber VDI nachrichten: „Für die durch 50Hertz zu realisierenden Netzanschlüsse in der Ostsee sind weiterhin Drehstromanschlüsse die effizienteste Lösung.“ Die seien „bei kürzeren Anschlussdistanzen wirtschaftlicher als Gleichstromanschlüsse“. Von den fünf Offshore-Anbindungen im Offshore-Netzentwicklungsplan (O-NEP) Ostsee 2030 ist demnach auch nur eine in HGÜ-Technik geplant. Der O-NEP Nordsee 2030 weist keine Wechselstromtrasse für eine Landanbindung aus.

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