Hybride und andere Stromtrassen

von Willy Marth
Durch den Ausbau der erneuerbaren Energien verschieben sich die Schwerpunkte der Stromerzeugung. Bis 2022 sollen alle noch laufenden Kernkraftwerke vom Netz gehen. Diese stehen jedoch häufig dort, wo viel Energie benötigt wird – etwa in den süddeutschen Ballungsräumen.


Diese Lücke kann nicht allein durch regenerative Energien vor Ort geschlossen werden. Große Windparks entstehen vor allem in Nord- und Ostdeutschland und auf See. Der dort erzeugte Strom muss zum Verbraucher transportiert werden, wobei das bestehende Netz bereits jetzt an seine Grenzen stößt. Insgesamt müssen in den nächsten Jahren allein 7.500 Kilometer im sogenannten Übertragungsnetz optimiert oder neu gebaut werden.

Während früher der Strom vom Kraftwerk über die Übertragungsleitungen und die Verteilernetze zum Verbraucher floss, müssen die Netze heute den Stromtransport auch „im Gegenverkehr“ bewältigen, da der Strom nicht nur „von oben nach unten“ sondern auch ( u. a. wegen der Solarkollektoren) „von unten nach oben“ fließt. Um also Erzeugung und Verbrauch jederzeit aufeinander abzustimmen, muss der Stromtransport „intelligenter“ bzw. „smarter“ werden.

In diesem Blog werden eine Reihe bekannter und weniger bekannter Probleme beim Netzausbau zusammengestellt.

Spannungsebenen

Wechselstrom wird auf unterschiedlichen Spannungsebenen transportiert:

—Zum Bereich der Niederspannung gehören die etwa 230 Volt, die im Haushalt an der Steckdose anliegen. Auf dieser Spannungsebene wird die Stromenergie über kurze Strecken verteilt.

—Die Mittelspannung beginnt bei ca. 1.000 Volt. Sie dient der Verteilung über Strecken von einigen Kilometern bis um die 100 km, vor allem in ländlichen Gebieten.

—Bei Spannungen größer als 60.000 (=60 Kilovolt) spricht man von Hochspannung. Das üblicherweise mit 110 Kilovolt (kV) betriebene Hochspannungsnetz sorgt für die Grobverteilung von Energie in verschiedene Regionen und Ballungszentren sowie Industriestandorte.

—Das Höchstspannungsnetz wird meist mit 380 kV, zum Teil auch mit 220 kV betrieben. Höhere Spannungen sind ebenfalls möglich. Auf dieser Spannungsebene wird die Energie über weite Strecken großräumig übertragen. Daher wird es auch Übertragungsnetz genannt. Große Energieerzeuger (zum Beispiel Kraftwerke und Windparks) sind so mit den Lastzentren verbunden. Über das Höchstspannungsnetz sind auch die Netze angrenzender Länder mit dem deutschen Stromnetz verbunden.

Gleichstrom wird im Übertragungsnetz nur in sehr hohen Spannungsebenen und über große Entfernungen transportiert. Man spricht dabei von Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ).


Vernetzte Landschaft

Freileitungen

Weltweit werden, seit den 1920er- Jahren, Freileitungen zur Übertragung von Strom in der Höchstspannungsebene eingesetzt. Sie können hohe Leistungen übertragen, da die Wärme, welche durch den Stromfluss entsteht, leicht an die umgebende Luft abgegeben werden kann. Das kann man sich zunutze machen, indem man im Winter, wenn der Stromverbrauch ohnehin erhöht ist, die Freileitungen auch höher belastet.

Der Strom kann entweder als Wechselstrom oder als Gleichstrom übertragen werden. Bei der Übertragung von Wechselstrom teilt sich die elektrische Leistung auf in Wirkleistung und Blindleistung. Nur die Wirkleistung kann von angeschlossenen Verbrauchern genutzt werden -zum Beispiel um Haushaltsgeräte zu betreiben. Die nicht nutzbare Blindleistung muss vor allem auf längeren Strecken kompensiert werden. Die Wechselstromübertragung ist in Deutschland sehr verbreitet, da sich die Spannung sehr effizient verändern lässt.

Gleichstrom wird im Übertragungsnetz nur in sehr hohen Spannungsebenen und über große Entfernungen transportiert. (Siehe oben). Im Gegensatz zum Wechselstrom wird bei der Gleichstrom-Übertragung keine Blindleistung ins Netz gespeist. Bisher wird in Deutschland Gleichstrom besonders bei der Seekabel-Anbindung an andere Länder eingesetzt oder zur Anbindung von Offshore-Windkraftanlagen, also bei der Verwendung von Stromkabeln statt Freileitungen. Künftig soll aber auch im Landesinnern Strom in hohen Spannungsebenen auf längeren Strecken vermehrt als Gleichstrom übertragen werden – allerdings vorrangig als Erdkabel. (Siehe unten).

Wird elektrische Energie über eine Freileitung übertragen, so treten in der Umgebung elektrische und magnetische Felder auf. (Wie übrigens auch bei Haartrocknern, Mikrowellen und Staubsaugern.) Das elektrische Feld ist abhängig von der Spannung und wird in Volt pro Meter angegeben. Das magnetische Feld hängt von der Stromstärke ab; diese magnetische Feldstärke wird in Tesla bzw. Mikrotesla angegeben. Beide Felder nehmen mit zunehmenden Abstand ab. Elektrische Felder lassen sich leicht abschirmen und dringen kaum in den menschlichen Körper ein. Magnetische Felder können nur mit großem Aufwand abgeschirmt werden. Der Bodenabstand der Freileitungen ist so bemessen, dass daraus keinerlei Strahlenschäden entstehen.

Die genauen Kosten für den Ausbau des deutschen Übertragungsnetzes sind derzeit nur schwer zu kalkulieren. Aus den Angaben der Netzbetreiber ergeben sich für die bestätigten Netzentwicklungspläne 2024 Summen von etwa 18 Milliarden Euro für den Netzausbau an Land und etwa 15 Milliarden Euro für denOffshore-Netzausbau. Darin enthalten sind jedoch noch nicht die Mehrkosten für die Erdverkabelung an Land.

Hybrid-Leitungen

Hybridleitungen übertragen sowohl Gleich- als auch Wechselstrom auf einemMastsystem. Die Kombination von Gleich- und Wechselstrom auf Höchstspannungsebene ist in Deutschland noch nicht zum Einsatz gekommen, wird aber weltweit (USA, Kanada) bereits genutzt. Die Bundesnetzagentur hat festgelegt, dass dies beim sog. „Ultranet“, dem Vorhaben 2 im Bundesbedarfsplan, erstmalig der Fall sein soll. Dieser Netzteil wird federführend von Amprion gebaut und transportiert den Strom von Nordrhein-Westfalen nach Philippsburg in Baden-Württemberg. Dafür werden bestehende Wechselstromleitungen umgerüstet. Unter anderem müssen neue Isolatoren für die Leiterseile eingebaut werden.

Der Grund für den Bau von Hybridleitungen ist, dass sie den Strom besondersflexibel übertragen. Gleichstrom eignet sich insbesondere zur Übertragung auf langen Strecken, da die Verluste geringer sind und damit die im Norden erzeugte Energie in den Süden transportiert werden kann. Wechselstrom eignet sich besonders für kürzere Strecken. Indem das bereits bestehende Netz genutzt wird, kann häufig auf den Neubau von Leitungen verzichtet werden. Die eingesetzte Technik ist in Deutschland auf Teststrecken seit Jahren erforscht.

Da im Ultranet bereits eine erhebliche Anzahl von Freileitungen existieren, die zudem großenteils genehmigt sind, hat der Gesetzgeber dort auf dieErdverkabelung verzichtet. Damit reduzieren sich auch die Gesamtkosten für diesen Leitungsteil ganz erheblich.

Erdkabel

In den Anfangsjahren der Energiewende (2011-12) bestand die Absicht, den im Norden Deutschlands erzeugten Strom über fünf Gleichstrom-Freileitungen in den Süden zu transportieren. Wegen der Widerstände der Bevölkerung („Monstertrassen“) wurde dieser Plan weitgehend aufgegeben. Derzeit besteht für die Vorhaben 1, 3, 4 und 5 (also ohne das Vorhaben 2=Ultranet) der sogenannte „Erdkabel-Vorrang“. Das bedeutet, dass diese vier Vorhaben „vorrangig“ als Erdkabel auszuführen sind. Nur in begründeten Ausnahmefällen sind dafür (auf einzelnen Teilstrecken) Freileitungen vorzusehen. Deren Masthöhen – vermutlich um die 70 Meter –  sind zur Zeit noch nicht exakt festgelegt.

Der Einsatz von Erdkabeln in überregionalen Übertragungsnetzen, die große Strommengen über weite Distanzen transportieren, bringt neue technische Herausforderungen. So besteht beispielsweise ein Problem bei der Wärmeleitung. Da das Kabel von Erde umgeben ist, wird die Wärme, die durch die elektrischen Verluste entsteht, nur teilweise abgeführt. das begrenzt den möglichen Stromfluss und damit die über das Kabel übertragbare Leistung.

Die unterirdische Trasse führt auch zu einem großen Aufwand bei notwendigen Reparaturen, denn dabei müssen erst Bagger die Kabel freilegen. Dies wirkt sich  auf die Reparaturdauer und damit auf die Versorgungssicherheit aus. Weiterhin fehlen ausreichende Untersuchungen über die Erwärmung des Bodens und deren Folgen auf die Umwelt.

Im Jahr 2014/15 wurde ein Pilotprojekt zur Erdverkabelung in der Gemeinde Raesfeld im Westmünsterland durchgeführt. Auf 3,5 Kilometer Länge testete der Übertragungsnetzbetreiber Amprion erstmals den Bau einer 380 kV-Hochspannungsleitung in Wechselstromtechnik. Das Unternehmen hat dafür etwa 40 Millionen Euro aufgewendet – sechs Mal soviel, wie eine vergleichbare Freileitung gekostet hätte.

Erdkabel benötigen beim Bau viel Raum. Allein die typische Kabeltrommel für 1000 Meter Kabel hat einen Durchmesser von 4,6 Meter und wiegt 55 Tonnen. Nicht jede Brücke oder Unterführung ist dafür ausgelegt. Die diversen Fahrzeuge und Bagger erfordern im Baubetrieb viel Platz. Zum Schluss darf – zur Enttäuschung der Grundbesitzer – weder die eigentliche Kabeltrasse noch der parallele Baustreifen mit Bäumen oder tief wurzelnden Gräsern bepflanzt werden.

Konverterstationen

Elektrische Energie wird in Kraftwerken überwiegend als Wechselstrom erzeugt. Daher fließt in den deutschen und europäischen Stromnetzen überwiegend Wechselstrom. Im Rahmen des Netzausbaus soll jetzt in Deutschland auch für lange Strecken die effektivere Gleichstromtechnik verwendet und somit ins vorhandene Wechselstromnetz integriert werden. Um Gleichstromleitungen mit dem Wechselstromnetz zu verbinden, sind an den Endpunkten Konverteranlagenerforderlich. Ein Konverter wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um und umgekehrt.

Eine Konverteranlage besteht im Wesentlichen aus vier Funktionsblöcken: dem Wechselstrom-Anschluss, den Transformatoren, dem Umrichter und schließlich der Gleichstrom-Schaltanlage mit den Gleichstrom-Anschlüssen. Im Umrichter, dem Kernstück der Anlage, findet die Umwandlung des Stroms statt. Der Umrichter besteht aus Transistoren, Dioden ,Kondensatoren und Spulen. Da diese Bauteile sehr empfindlich sind, müssen sie in Hallen untergebracht werden. Weil sie zudem unter Hochspannung stehen, müssen mehrere Meter Abstand zum Boden und zu den Wänden eingehalten werden.

Die Fläche, welche für einen Konverter benötigt wird, hängt wesentlich von der Übertragungsleistung der vorhandenen Leitung ab. Für Gleichstrom-Vorhaben geht man bei einer Übertragungsleistung von 2 Gigawatt von einer Gesamtfläche von 10 Hektar (= 100.000 Quadratmeter) aus. Das eigentliche Kernstück der Anlage, die Konverterhalle, nimmt eine deutlich geringere Fläche ein.

Schlussgedanken

Meines Erachtens war es ein schlimmer Fehler, dass die deutschen Politiker (insbeondere die bayerischen Seehofer/Aigner) so schnell eingeknickt sind und die Erdkabel zur Standardlösung für die Gleichstromübertragung von Nord nach Süd zugelassen haben. Die – nur – 5 Trassen hätten angesichts ihrer lediglich geringfügig höheren Masten das (regional) oft chaotische Wechselstromnetz kaum nennenswert optisch verschlechtert. Stattdessen hätte man auf hundert Jahre Erfahrung im Freileitungsbau zurückgreifen können. Demgegenüber ist die Erdverkabelung auf Höchstspannung in Deutschland praktisch Neuland. Die Grundstückseigentümer, zumeist Landwirte, werden ihre Nachteile bei Reparaturen bald  bedauern.

Der Beitrag wurde vom Blog des Autors übernommen hier

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9 Kommentare

  1. Als Ingenieur mit der Fachrichtung Elektrische Energietechnik versuche ich seit über 4 Jahren Bürgerinitiativen zu unterstützen, die das fachliche Wissen nicht besitzen.
    Daher werde ich auch in diesem Blog versuchen etwas Klarheit in das Dunkel zu bringen.

    Willy Marth:
    Grundsätzlich sind die Aussagen in Deinem Artikel korrekt, mit einer Ausnahme, die HGÜ-Maste werden ca. 70 – 80m hoch, aktuelle Maste sind 35m – 40m. Ich überlasse es jedem selber zu entscheiden, ob das „unwesentlich“ ist.

    Ulrich Wolff
    Deine Aussagen sind leider nicht korrekt, bereits heute (27.10.2017) könnten wir sofort alle Kernkraftwerke vom Netz nehmen, ohne das irgendwo das Licht ausgeht und ohne dass wir eine einzige Leitung bauen müssten. Ob Kernkraftwerke ökologisch sinnvoll sind, darf hinterfragt werden. Günstig sind sie nur deshalb, weil Nebenkosten wie z.B. das Lagern der abgebrannten Brennstäbe über Jahrhunderte nicht kalkulatorisch berücksichtigt werden.

    Dietmar Fürste
    Die Halbleiter sind selbstverständlich nicht für die komplette Spannung ausgelegt, sondern werden in Reihe geschaltet, so dass die Summe der Einzelspannungen die Gesamtspannung ergibt. Im Übrigen gibt es HGÜ-Leitungen bereits seit den 60er Jahren. Allerdings werden sie in der Regel für deutlich größere Entfernungen (China 4500m) eingesetzt als hier in Deutschland geplant. Unterlagen gibt es tonnenweise im Internet unter den Stichwörtern Leistungselektronik, Hochspannung-Gleichstrom-Übertragung, Konverter.

    Gerald Pesch
    Woher stammt Deine Information, dass Windkraftanlagen offshore wegen Windmangel häufig stehen? Im Übrigen ist der Anteil der Offshoreanlagen, verglichen mit den Onshoreanlagen sehr gering. Wenn Deine Aussage stimmen sollte (sie tut es nicht), dann würde deshalb die Auswirkung nur minimal sein. Weshalb die Anlagen öfter stehen liegt an den Kohlekraftwerken, die als Grundlastkraftwerke laufen müssen, da sie regelungstechnisch extrem schwerfällig sind. Windkraftanlagen lassen sich sehr schnell abschalten, allerdings müssen wir dann trotzdem den Betreibern die Einspeisevergütung zahlen (obwohl sie stehen), da sie vom Gesetzgeber in der Merit-Order ganz vorn eingeordnet wurden.
    Das die geplanten HGÜ-Leitungen nicht nur für den Windstrom aus dem Norden in den Süden gebaut werden stimmt, sie sollen das Rückrat der Europäischen-Kupferplatte werden.

    • Mathias Grobleben

      Wer kommentieren will, sollte wenigstens lesen können. Fakt ist – wie von mir geschrieben:  Kernkraftwerke können nur durch Kohle- oder Gaskraftwerke ersetzt werden. Der teure „Zappelstrom“ kann nämlich kein einziges (!!!!) dieser unverzichtbaren Kraftwerke ersetzen, sondern macht lediglich auch ihre Stromlieferung extrem unwirtschaftlich und reduziert die Zuverlässigkeit der Versorgung. – Staaten, die Kernenergie nutzen – wie z. B. Russland – „lagern übrigens keine entladenen Brennelemente über Jahrhunderte“, sondern führen diese Wertstoffe  in den Kreislauf zurück!

       

  2. „Durch den Ausbau der erneuerbaren Energien verschieben sich die Schwerpunkte der Stromerzeugung. Bis 2022 sollen alle noch laufenden Kernkraftwerke vom Netz gehen. … Diese Lücke kann nicht allein durch regenerative Energien vor Ort geschlossen werden,“ sagt  der Autor.-  Richtig ist dagegen, dass „diese Lücke“ grundsätzlich nicht mit Hilfe von „Zappelstrom“ geschlossen werden kann!!! Das geht bekanntlich nur mit Hilfe von Gas- oder Kohlekraftwerken, die allerdings nicht wirtschaftlich ausgelastet werden könnten, wenn nicht der deutsche Irrsinn „Energiewende“  unverzüglich in der Mottenkiste politischen Unsinns verschwindet! – Warum wohl nimmt selbst Japan seine Kernkraftwerke (nach Überprüfung der Tsunami Gefahr) wieder in Betrieb? – Zur Erinnerung: In der Mitte des vorigen Jahrhunderts stand erstmalig das Problem der Stromversorgung Süddeutschlands an. Der Lösungsansatz nach damaligem Stand der Technik war zunächst Importkohle, Kraftwerke an der Küste und Stromleitungen. –  Wirtschaftlich, technisch und ökologisch unschlagbare waren bekanntlich alternativ (inzwischen nachgewiesen!!!!) die Kernkraftwerke vor Ort, die inzwischen lediglich einige technisch ungebildete Narren stören. 

     

  3. Über die erwähnten Konverteranlagen (Gleich- und Wechselrichter mit Halbleitertechnik), deren Aufbau und Wirkungsgrade würde ich gerne mehr erfahren, da ich vor einiger Zeit selbst mit Entwicklung und Fertigung von Hochspannnungs-Erzeugern (im Milliwatt-Bereich!) befasst war, (Wechsel-Spannungs-Vervielfacher mit Kondensator-Kaskade für elektrostatische Anwendungen, z.B. für  Pulverlackierung).

    Ich stelle es mir jedenfalls als äußerst schwierig vor, im Höchstspannungsbereich, wo 100 kV schon eine Funken-Schlagweite von mehreren Zentimetern und ihre elektrostatischen Felder schon respektable Kräfte erzeugen, Leistungs-Halbleiter einzusetzen, zumal die Durchbruchspannung eines einzelnen Halbleiters physikalisch bedingt bei nur wenigen Volt liegt.

    Bauelemente für den Hochspannungsbereich werden sich vermutlich auch in einer völlig anderen Preisklasse befinden, als z.B. die CPU eines PC oder die Elektronik eines Steckernetzteils. Dem Autor wäre ich jedenfalls dankbar für einen Hinweis auf weiterführende Literatur dazu.

  4.  
    Wobei diese „Windstromleitungen“ auch nur ein weiterer Ökobetrug sind. Windstrom fällt auch offshore nur stochastisch an, die Jahresdauerlinien zeigen auch hier, der Normalzustand ist der Stillstand! Somit können diese Leitungen sich gar nicht amortisieren, es sei denn dass hauptsächlich Kohlestrom nach Süddeutschland transportiert wird. Aber das darf keiner wissen, deswegen die großartige Kulisse der „Windstromleitung“. Aber die grünen Schlümpfe wollen ja belogen werden; wir schaffen das….
     

      • SPON, da werden 2/3 meiner Beiträge vom Zensor gesperrt. Nur manchmal Abends gehen meine Beiträge durch. SPON ist eine Öko-Stasi. Aktivisten wie Karl-Felix oder H. Berger (alias Syrakusa) sind immer dabei, „Klimaleugner“ müssen draussen bleiben….

        • Bei SPON kommt es immer auf den Moderator an.

          Gerade bei dem Thema mit den sinkenden Leitungskosten hatte unsere Fraktion das Sagen! Leider schon geschlossen.

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