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HGÜ für verlustarmen Stromtransfer

Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung ermöglicht den verlustarmen Transport von Strom über weite Entfernungen. Sie ist damit eine Schlüsseltechnologie bei der Anpassung der Übertragungsnetze an die zunehmende Zahl regenerativer Energiequellen.

Stromnetze spielen eine Schlüsselrolle bei der Erreichung der Klimaneutralität. In einem dezentralen erneuerbaren Energiesystem verbinden die Netze Onshore- und Offshore-Windparks, die kohlenstofffreien Strom produzieren, mit Stromverbrauchern und industriellen Abnehmern. Die Investitionen in neue Übertragungsnetze werden sich in der EU28-Region in den Jahren 2021 bis 2030 auf geschätzt 152 Milliarden Euro belaufen.

Vorhandene Netze optimieren

Dabei erhöht nicht nur der Ausbau das Übertragungspotenzial der Netzinfrastruktur, sondern es stehen auch zahlreiche Technologien zur Verfügung, mit denen sich die Leistungsfähigkeit vorhandener Netze steigern lässt. „Technologien zur Optimierung der Netze ermöglichen es uns, mehr aus den Netzen zu machen, die wir bereits haben. Sie reduzieren die Ausgaben für neue Netzinfrastrukturen. Sie geben uns effizientere Netze, die mehr erneuerbare Energien aufnehmen können und die Menge an Wind- und Solarenergie reduzieren, die wir abregeln müssen“, so Giles Dickson, CEO des Industrieverbandes WindEurope. Er weist zudem darauf hin, dass die meisten der Technologien zur Netzoptimierung bereits erprobt und verfügbar sind.

So lassen sich mithilfe von Systemen zur Echtzeit-Überwachung Übertragungsleitungen enger an ihren thermischen Grenzen betreiben. Dadurch kann die maximale Kapazität besser ausgenutzt werden, ohne die Sicherheit zu beeinträchtigen. Eine andere Technologie sind elektronische Systeme, die die Betriebsparameter von Transformatoren – zum Beispiel Öltemperatur, Umgebungstemperatur oder Last – überwachen und damit die Wartung vereinfachen und Ausfälle reduzieren. Über die Datenerfassung hinaus lassen sich mit Hilfe einer auf Geräteebene eingebetteten Intelligenz Alterungsmodelle erstellen oder Hot-Spot-Berechnungen durchführen – mit dem Ziel einer vorausschauenden Wartung. Eine cybersichere Kommunikation über ein gesichertes Netzwerk, auch per Mobilfunk oder andere Wireless-Technologien, ist dafür Voraussetzung. Neue Transformatorentechnologien verbessern die Regelbarkeit des Netzes, reduzieren Störungen und ermöglichen die Verbindung zu Gleichstromnetzen.

Energie über weite Strecken übertragen

Gerade Gleichstromnetze gewinnen mit der zunehmend erforderlichen Anbindung von erneuerbaren Energiequellen an Bedeutung. Denn große Quellen erneuerbarer Energie sind meist weit entfernt von den Verbrauchern, beispielsweise in Windparks auf dem Meer. Das bestehende Netz, überwiegend mit der etablierten Wechselstromtechnik (AC-Technologie) ausgestattet, gibt die für den Transport dieser Strommengen erforderlichen Kapazitäten jedoch nicht her. Zudem geht bei der AC-Technologie während der Übertragung zwischen langen Distanzen zu viel Energie verloren. Daher gewinnen sogenannte Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme (HGÜ, im Englischen HVDC für High Voltage Direct Current) zunehmend an Bedeutung. Dabei wird auf der Versorgungsseite der Wechselstrom vor der Übertragung zunächst in Gleichstrom umgewandelt. In der Empfangsstation wird der Strom dann für den Verbrauch wieder in Wechselstrom umgewandelt. Mit dieser Technologie werden im Vergleich zum Drehstromnetz die Übertragungsverluste im Mittel um 30 bis 50 Prozent reduziert.

„Die HGÜ-Technologie trägt erheblich zu einer klimaneutralen Energiezukunft bei, indem sie die Integration von erneuerbarer Energieerzeugung auf großen Flächen und in weiter Entfernung ermöglicht“, erklärt Niklas Persson, Managing Director Grid Integration bei Hitachi ABB Power Grids. Das Unternehmen lieferte unter anderem für das NordLink-Projekt – dem „grünen Kabel“ zum Austausch deutscher Windenergie mit norwegischer Wasserkraft – die beiden Konverterstationen. Ohne die HGÜ-Technologie wären die Verluste bei der Energieübertragung über die längste Seekabel-Stromverbindung der Welt viel zu hoch.

Mit HGÜ Strom noch effizienter wandeln

In modernen HGÜ-Systemen werden zwei grundlegende Umrichtertechnologien in den Konverterstationen eingesetzt: konventionelle netzgeführte Stromquellenwandler (LCCs) und Spannungszwischenkreisumrichter-Technologie (Voltage Source Converter, VSC). Letztere bestehen aus einer Reihenschaltung sogenannter Submodule, die aus IGBT-Halbbrücken mit Speicherkondensatoren aufgebaut sind. Sie ermöglichen eine deutlich höhere Netzstabilität, reduzieren die elektrischen Verluste signifikant und minimieren den Aufwand für die Filterung. Besonders niedrige Schalt- und Leistungsverluste sowie eine hohe Zuverlässigkeit verspricht dabei der Einsatz von Leistungselektronik auf Basis von Siliziumcarbid. Laut Mitsubishi Electric können dabei die Verluste im Halbleiter um 50 Prozent reduziert werden. Damit kommt noch mehr der wertvollen „sauberen“ Energie aus regenerativen Quellen beim Verbraucher an.

DC-Grids transportieren verlustarm Strom

Nicht nur bei der Übertragung über lange Strecken, sondern auch im Niederspannungsnetz bietet Gleichstrom einige Vorteile. Die Industrie forscht bereits intensiv an Lösungen für derartige DC-Grids.

Vor 129 Jahren siegte im „Stromkrieg“ der Wechselstrom (AC) gegen den Gleichstrom (DC). Doch heute feiert der Gleichstrom ein Comeback, und das nicht nur in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, sondern auch im Niederspannungsbereich. In Fabriken, in Rechenzentren und sogar in Haushalten könnte elektrische Energie in Zukunft mit Gleichstrom übertragen werden. Der Vorteil: Viele elektrische Verbraucher von der LED-Leuchte über Industrieantriebe bis zum Elektroauto konsumieren eigentlich Gleichstrom. Dieser muss bisher aus dem Wechselstrom aus der Steckdose umgewandelt werden. Und diese Umwandlung führt zu Energieverlusten von bis zu 30 Prozent.

DC-Grids: Baustein zur Klimaneutralität

Vor allem die Industrie sieht in einem Gleichstromnetz einen wichtigen Beitrag zu einer CO₂-neutralen Produktion. Volker Bibelhausen, Vorstandssprecher und Technologievorstand der Unternehmensgruppe Weidmüller, erklärt: „Durch DC-Grids können beispielsweise Photovoltaikanlagen oder dezentrale Energiespeicher einfach eingebunden werden. Und durch die eingehende Reduzierung von Umwandlungsverlusten von AC zu DC und ein intelligentes Lastmanagement können Energieverbräuche signifikant reduziert werden. Spitzenlasten werden vermieden, was sich positiv auf Gerätebauformen und Installationen auswirkt. In Summe sprechen wir von möglichen Einsparungen im zweistelligen Prozentbereich, was uns deutlich hilft, klimaneutral zu werden.“ Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass gerade die Gleichrichterstufen zu einer starken Oberschwingungsbelastung des AC-Netzes führen. Was aufwendige und kostenintensive Filtermaßnahmen notwendig macht, um die normativ geforderte Spannungsqualität sicherzustellen. Auf diesen Aufwand kann man bei DC-Grids verzichten.

Elektrische Anlagen koppeln

„Das große Potenzial der Gleichstromversorgung in der Produktion liegt in der Kopplung aller elektrischen Anlagen der Fabrik zu einem intelligenten DC-Grid. Dieses ermöglicht es, die Verfügbarkeit und Qualität der elektrischen Versorgung vor Ort zu verbessern und so die Zuverlässigkeit der Produktion zu steigern“, so Timm Kuhlmann, Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA in Stuttgart.

Das Forschungsprojekt „DC-Industrie 2“ hat ein derartiges Netz bereits aufgebaut. Dabei werden alle installierten Verbraucher wie frequenzgeregelte Elektromotoren, die Beleuchtung und Prozesstechnologien direkt mit Gleichstrom versorgt und sind über ein gemeinsames Gleichspannungsnetz verbunden – das Netz arbeitet dabei in einem Spannungsband von plus/minus zehn Prozent um einen Nennwert von 650 Volt. Dies erlaubt den direkten Energieaustausch zwischen allen Antrieben, die beispielsweise in Robotern oder Werkzeugspindeln regelmäßig beschleunigen und bremsen. Komponenten, die normalerweise überflüssige Energie verheizen, wie etwa Bremswiderstände, entfallen. Möglich werden solche neuen technologischen Infrastrukturen erst durch die Weiterentwicklung von Leistungshalbleitern. Die hohen Kosten für Komponenten zum Schalten von Gleichströmen sind durch moderne leistungselektronische Bauelemente wesentlich gesunken.

Neue Komponenten sind erforderlich

Allerdings bedeutet die Umstellung auf Gleichstromnetze einige technische Herausforderungen für die Hersteller der verschiedenen Industriekomponenten.

Zum Beispiel bei den Kabeln: Das Unternehmen Lapp, einer der führenden Anbieter im Bereich der Kabel- und Verbindungstechnologie, fand heraus, dass das elektrische Feld einer Gleichspannung anders auf die Kunststoffisolierung einer Leitung wirkt als ein Wechselspannungsfeld. Für bestimmte Anwendungen unter Gleichstrom könnten daher andere Materialien erforderlich sein als in Wechselstromanwendungen. Lapp hat bereits eine Leitung eigens für DC-Anwendungen auf den Markt gebracht.

Auch bei Gleichstrom sicher geschützt

Zudem werden neuartige Schutzschalter benötigt, um elektrische Anlagen und Geräte in nur wenigen Mikro- oder Millisekunden abzuschalten. Die größte Herausforderung bei der Entwicklung eines Gleichstromschutzschalters ist es, den Stromkreis in jedem erdenklichen Fehlerfall, etwa bei einem Kurzschluss, sicher und schnell abzuschalten. Zuerst wird der Fehler erkannt. Anschließend öffnen sich im Inneren des Schutzschalters Schaltkontakte und es entsteht ein Lichtbogen. Um nun den Stromfluss zu unterbrechen und einen Brand zu verhindern, muss dieser Lichtbogen umgehend gelöscht werden.

Während aber bei Wechselstrom der Lichtbogen spätestens in dem Moment von selbst erlischt, in dem der Strom seine Richtung ändert (dies geschieht hundertmal pro Sekunde), muss bei Gleichstrom – der je nach Bedarf stetig in eine bestimmte Richtung fließt – durch zusätzliche Maßnahmen dafür gesorgt werden, dass der Lichtbogen sozusagen künstlich gelöscht wird.

Bis zu zehn Prozent Energie einsparen mit DC-Grids

Doch diese technischen Aspekte sind lösbar: Das Projekt „DC-Industrie“ hat die Machbarkeit eines DC-Grids in der Fabrik nachgewiesen. „Wir können zwischen fünf und zehn Prozent Energie einsparen, indem wir einfach Gleichstrom verwenden“, zieht der Wissenschaftler Timm Kuhlmann ein Fazit.

Stabile Smart Grids trotz erneuerbarer Energien

Smart Grids bedeuten den Umbruch von einer zentral gesteuerten zu einer intelligenten dezentralen Stromversorgung. Eine bessere Stromnetz-Stabilität, besonders im Kontext regenerativer Energien, gehört zu den wichtigen Aspekten der Einführung von Smart Grids.

Die Einbindung regenerativer Energiequellen in das Stromnetz stellt Netzbetreiber vor eine große Herausforderung. Es müssen nicht mehr wie bisher nur einige wenige große Kraftwerke koordiniert werden, sondern eine Vielzahl von Energiequellen und Speichern. Zudem lässt sich das Volumen der aus unbeständigen Quellen wie Photovoltaik oder Windkraft erzeugten Energie nur schwer vorhersagen oder gar beeinflussen. Dadurch wird es immer schwieriger, Stromerzeugung und -verbrauch im Gleichgewicht und damit das Netz stabil zu halten. Um Blackouts und Engpässe zu vermeiden, müssen Angebot und Nachfrage optimal aufeinander abgestimmt werden. Diese Aufgabe übernimmt das Smart Grid.

Energie plus Daten mit Smart Grids

Smart Grids sind intelligente Stromnetze, die nicht nur Energie, sondern auch Daten transportieren. Der Informationsaustausch zwischen allen Teilnehmern ermöglicht es, Stromerzeugung, -speicherung und -verbrauch besser zu koordinieren. Dabei sind intelligente Stromzähler oder Smart Meter, ein wichtiger Bestandteil des Smart Grids. Sie erfassen die Stromverbräuche in Echtzeit und kommunizieren diese an den Netzbetreiber beziehungsweise Stromanbieter. Smart Meter können aber nicht nur Daten senden, sondern auch empfangen – etwa den aktuellen Stromtarif. So können sich zum Beispiel Hausgeräte automatisch einschalten, wenn ein Energieüberschuss im Netz und der Strom besonders günstig ist. Das kann eine entsprechend vorbereitete Waschmaschine sein. Oder auch eine Wärmepumpe, die bei besonders günstigen Stromtarifen gezielt die Puffertemperatur oder die Temperatur der Fußbodenheizung geringfügig anhebt. Dadurch speichern diese Geräte indirekt die günstige Energie.

Bei der Übertragung der Informationen kommen ganz unterschiedliche Technologien zum Einsatz. 5G eignet sich besonders für das Echtzeit-Management und die Automatisierung des intelligenten Stromnetzes. Reicht eine niedrige Bandbreite und ist eine hohe Latenz akzeptabel, sind Low-Power-Funknetze eine kostengünstige Alternative zum Mobilfunk. Eine Breitband-Powerline-Infrastruktur, bei der die Daten über das Stromkabel übertragen werden, verspricht eine hohe Verfügbarkeit und einen einfachen Roll-out.

Energiebedarf prognostizieren

Die durch das Smart Grid verfügbaren Informationen und Messungen können von Energieversorgern genutzt werden. Zum Beispiel um Anlagen zu steuern, zu überwachen und deren variablen Energiebedarf vorauszusagen. Das grundsätzliche Problem dabei ist allerdings die Menge der Daten und die Zeit, die für die Analyse der Informationen benötigt wird.

Arizona Public Service setzt daher auf Künstliche Intelligenz (KI). Der Energieversorger steht in den USA an dritter Stelle bei Kapazitäten aus Solarenergie. Das Unternehmen kombiniert seine Smart-Meter-Daten mit Wetteraufzeichnungen und demografischen Daten von Drittanbietern, um den Energiebedarf vorauszusagen. Dabei kommt ein Softwaretool des Unternehmens Innowatts zum Einsatz. Die Plattform ist mit über 43 Millionen intelligenten Zählern weltweit verbunden. Sie nutzt KI, um stündlich über fünf Milliarden Datenpunkte zu analysieren. „Mehr denn je benötigen Stromversorger und Netzbetreiber Dateneinblicke, um fundierte Entscheidungen zu treffen, die ihren Kunden heute und in Zukunft am besten dienen“, erklärt David Boundy, Innowatts Chief Product and Technology Officer und General Manager Europe. „Bis zum Sommer 2021 wird erwartet, dass allein in Großbritannien über 25 Millionen intelligente Stromzähler installiert sein werden, die stündlich Milliarden von Datenbits produzieren. Bislang blieb jedoch ein Großteil dieser Daten ungenutzt.“

Störungen dank Digitalisierung gesenkt

Enel bietet ein Paradebeispiel dafür, wie die Digitalisierung die betriebliche Effizienz steigert und die Servicequalität für einen Netzbetreiber verbessern kann. In nur zehn Jahren hat Enel den System Average Interruption Duration Index (SAIDI: je niedriger dieser Indikator, desto besser ist die Netzqualität) um 65 Prozent gesenkt und gibt derzeit fast ein Drittel seines Investitionsbudgets für digitale Technologie aus.

(Quelle: IEA)

Energiefluss gezielt steuern

Neben Smart-Grid-Technologien ist die Leistungselektronik eine Schlüsseltechnologie für die nachhaltige Energieerzeugung, -verteilung und -nutzung. Ohne sie kann die Integration erneuerbarer Energien kaum gelingen, erklärt Prof. Dr.-Ing. Joachim Böcker, Leiter des Fachgebiets Leistungselektronik und Elektrische Antriebstechnik am Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik der Universität Paderborn.

„Es gibt nicht nur eine Form von elektrischer Energie, sondern jeder Verbraucher benötigt eine passende elektrische Versorgung“, schildert er. „Das betrifft sowohl die Höhe der Spannung als auch die Frage nach Gleich- oder Wechselspannung. Auch die Energieerzeuger generieren elektrische Energie ganz unterschiedlicher Art: Photovoltaik-Anlagen liefern Gleichspannung, Windkraftanlagen zwar Wechselspannung, aber leider nicht die zum Wechselspannungs-Stromnetz passende Frequenz. Für Energieübertragung und -verteilung wiederum sind 50-Hertz-Hochspannungssnetze vorherrschend. Hinzu kommen immer mehr Hochspannungs-Gleichstromübertragungen, zum Beispiel zur Anbindung der Offshore-Windkraftanlagen oder zur Kopplung der deutschen und norwegischen Stromnetze über Seekabel.“ All diese Umformungen der elektrischen Energiearten – ob für LEDs oder den Motor eines Elektroautos – ermöglicht heute die Leistungselektronik. Sie bietet darüber hinaus aber auch die Möglichkeit, den Energiefluss gezielt zu steuern, und schafft damit die Voraussetzung für intelligente Energiesysteme. So untersucht Prof. Böcker Stromrichter, die dank des Einsatzes von virtuellen Synchronmaschinen das Anfahren von Inselnetzen unabhängig vom Stromnetz ermöglichen.

In konventionellen Kraftwerken werden über Synchronmaschinen – das sind rotierende elektrische Maschinen – kurzfristig verfügbare Leistungsreserven geschaffen, zum Beispiel bei einem abrupten Erzeugungsausfall oder einer plötzlichen Zunahme der Verbraucherlast. Dieses Verhalten kann über Leistungselektronik simuliert werden und im Fall eines Stromausfalls die Spannung im Netz erneut aufgebaut werden. Das trägt wesentlich dazu bei, dass die nachhaltigen Energienetze der Zukunft auch mit ihren zahlreichen volatilen Quellen zuverlässig und stabil sind.