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Donnerstag, 21. Februar 2019

Stromnetze

Gleichstromschaltung: Lichtbogen ade!

Von Iestyn Hartbrich | 25. Januar 2013 | Ausgabe 4

Bislang galt Wechselstrom beim Aufbau eines stabilen Stromnetzes als alternativlos. Nur wenige große "Strom-Autobahnen" sollen laut Netzentwicklungsplan in Deutschland Gleichstrom transportieren. Doch auch ein Gleichstromnetz scheint nun technisch und wirtschaftlich möglich: Der Elektrokonzern ABB gab bekannt, einen Sicherheitsschalter entwickelt zu haben, der einzelne Netzabschnitte abschalten kann, ohne gleich das gesamte Netz zu gefährden.

"Highway to hell" – Autobahn in die Hölle – heißt das bekannteste Lied der australischen Rockband AC/DC, die ihren Namen aus den englischen Bezeichnungen für Wechselstrom (alternating current = AC) und Gleichstrom (direct current = DC) zusammensetzte. Heute ist die Autobahn im Zusammenhang mit AC und DC wieder ein Thema – allerdings nicht im musikalischen, sondern im physikalischen Sinne.

AC/DC steht auch für einen 100 Jahre alten Streit in der Energiewirtschaft, den sich schon Thomas Edison und George Westinghouse Ende der 1880er-Jahre darüber lieferten, ob sich nun Wechsel- oder Gleichstrom besser für Stromnetze eigne. Wechselstrom, so ein Ergebnis, ermöglicht den einfacheren Aufbau von Netzen.

Allerdings ist die Länge einer Wechselstromleitung begrenzt. Künftig soll aber zunehmend Energie in großen Windparks im Norden Deutschlands oder Solarenergie im Norden Afrikas gewonnen werden, die über große Distanzen zu den industriellen Ballungsräumen gelangen muss.

In Deutschland sollen diese Aufgabe mehrere große "Strom-Autobahnen" übernehmen: etwa von der Nordsee bis kurz vor Stuttgart. Diese sind als Gleichstromleitungen ausgeführt, so sieht es der Netzentwicklungsplan vor, der – jährlich aktualisiert – die Zukunft der Übertragungsnetze für die nächsten zehn bis 20 Jahre ausleuchtet.

Hybrider Gleichspannungsleistungsschalter

Allein: Sie lassen sich bislang nicht zu einem stabilen Gleichstromnetz vermaschen, sollte das jemals politisch gewollt sein. Wäre ein solches Netz an nur einem Punkt gestört, würde das komplette System – wenn auch nur für einen kleinen Moment – ausfallen.

Das liegt laut dem schwedisch-schweizerischen Elektrokonzern ABB daran, dass es bislang keine effiziente Lösung gibt, um einzelne Netzabschnitte gezielt abzuschalten. Rein mechanisches Schalten sei unmöglich, da der unweigerlich entstehende Lichtbogen Kabel und Komponenten im Schalter schädigen würde. Zudem fließe im Lichtbogen weiterhin ein Strom. Leistungselektronik-Schalter vermögen zwar sauber zu schalten, verursachen laut ABB aber mit 0,3 % zu hohe Verluste.

Diese Schaltproblematik könnte der Vergangenheit angehören, verkündete ABB. Man werde auf der Hannover Messe vom 8. bis 12. April einen hybriden Schalter vorstellen, mit dem sich Leitungen für die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) in rund 5 ms schalten ließen.

Der Nutzen: Sollte es dazu kommen, dass HGÜ künftig nicht mehr nur als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, sondern als Netze gebaut werden, ermöglicht der Schalter, im Störungsfall gezielt die betroffenen Netzabschnitte abzuschalten. Das restliche Netz kann währenddessen weiter betrieben werden.

"Der zweipfadige Schalter macht sich zunutze, dass Strom an einer Abzweigung in der Leitung immer den Weg des geringsten Widerstands einschlägt", sagt Raphael Görner, Leiter Marketing und Vertrieb Grid Systems bei ABB in Mannheim. Der Strom fließe im Schalter während des störungsfreien Betriebs zunächst durch zwei Schalter – einen mechanischen und einen verlustarmen Leistungselektronikschalter, der aus sogenannten IGBTs besteht (insulated
gate bipolar transistor = IGBT).

Im Störungsfall, also wenn die Spannung an einem der Messpunkte plötzlich abfällt, werde der verlustarme Schalter aktiviert. "Er treibt nun den Widerstand in diesem Pfad künstlich in die Höhe – gerade so weit, dass der Strom von nun an den zweiten Pfad einschlägt", so Görner.

Darauf befinde sich ein zweiter, aus IGBTs bestehender Schalter, dessen Aufgabe es sei, den Strom abzuschalten. Er besteht dabei aus vier identischen 80-kV-Modulen, die zusammen die für Hochspannungsgleichstromskabel üblichen 320 kV abschalten – betragsmäßig das 1400-fache der Steckdosenspannung in privaten Haushalten. Währenddessen trenne der mechanische Schalter im ersten Pfad die Leitung, so dass in beiden Pfaden kein Strom mehr fließe. Im Netzentwicklungsplan 2012 wird die Möglichkeit diskutiert, auch Netze mit 500 kV Netzspannung zu betreiben. Laut Angaben von ABB sei der Schalter aufgrund seiner modularen Bauweise auch für diese höheren Spannungen skalierbar.

Die Verluste, die beim Durchfließen des neuen Schalters im ungestörten Netzbetrieb entstehen, gibt ABB mit 0,01 % an. Dieser Wert sei vernachlässigbar klein, verglichen mit anderen Verlustquellen – etwa einer Konverterstation, die 1 % Verlust aufweist. Diese ist für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom und umgekehrt verantwortlich und kann so beide Netze miteinander verbinden.

Drei Dinge haben laut Görner dazu geführt, dass der Schalter ausgerechnet in diesen Tagen entwickelt wurde, wo das Rätsel doch bereits hundert Jahre alt ist. "Erstens haben sich in den letzten zehn Jahren die Leistungshalbleiter – Grundlage für die Leistungselektronik in der HGÜ – aus technischer Sicht dramatisch weiterentwickelt."

Der mechanische Schalter selbst steuere zweitens seinen Teil bei. Görner: "Während normalerweise eine vorgeladene Feder beim Entladen einen solchen Schalter betätigt und dafür zwischen 50 ms und 100 ms braucht, ermöglicht unser weiterentwickelter Antrieb Schaltzeiten von 2 ms." Über das genaue Funktionsprinzip schweigt man sich noch aus bei ABB.

Der letzte Grund ist ein wirtschaftlicher: Görner sieht etwa im Netzentwicklungsplan das politische Bekenntnis, langfristig auf HGÜ zu setzen. "Auch aus unserer Sicht ist es ökonomisch sinnvoller, den Strom von den Produktionsstätten in Norddeutschland über dezidierte Ferntransportleitungen zu den Verbrauchern zu bringen, als das bestehende Drehstromnetz noch mehr als ohnehin nötig auszubauen."

Ob sich am Ende Gleichspannungsnetze bilden werden, liegt im Dunkeln. Die aktuelle Diskussion um Gleichspannungsnetze jedoch würde DC-Pionier Thomas Edison sicherlich wie Musik in den Ohren geklungen haben. IESTYN HARTBRICH