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Agora Toolbox für die Stromnetze

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Agora Energiewende | Toolbox für die Stromnetze - Für die künftige Integration von Erneuerbaren Energien Das Auftreten von Netzengpässen kann im Wesentlichen nur durch Erhöhung der vorhandenen Übertragungskapazität (Netzausbau) oder durch Eingriffe in Einspeisung und Verbrauch behoben werden. Kurzfristig, also im Rahmen der Netzführung, kann die Versorgungssicherheit demnach nur durch Steuereingriffe sichergestellt werden (siehe auch Kapitel 1.6.2.2.), sodass Schäden an Netz, Erzeugungsanlagen und Verbrauchern verhindert werden. Für die Planung des Kraftwerkseinsatzes und Steuereingriffe in Erzeugung und Verbrauch ist auch die Einhaltung des Gleichgewichts aus Erzeugung und Verbrauch zur Frequenzhaltung wichtig (Systembilanz). Dieses Thema ist jedoch weitgehend unabhängig von der Frage des Bedarfs an Netzausbau und Engpassmanagement und soll deshalb hier nicht weiter ausgeführt werden. Ein weiteres grundlegendes Kriterium des sicheren Netzbetriebs ist die Einhaltung von Spannungsgrenzwerten auf allen Spannungsebenen. Die Verletzung von Spannungsgrenzen kann ebenso wie das Auftreten von Betriebsmittelüberlastungen mithilfe von Lastflussrechnungen festgestellt werden. Das Thema Spannungshaltung ist sowohl für die Netzplanung als auch für die Betriebsführung relevant. Während für die Netzplanung im Verteilnetz der Netzausbau die wichtigste Maßnahme zur Einhaltung der Spannungsgrenzen ist, spielen im Übertragungsnetz die Netzverstärkung mit Kompensationsanlagen und der Zugriff auf Kraftwerksblindleistung die wichtigste Rolle. Für die Spannungshaltung in der täglichen Betriebsführung im Übertragungsnetz wird der Blindleistungseinsatz gezielt gesteuert. Da auch Einspeisung und Verbrauch wichtige Einflussgrößen auf die Spannung sind, kann auch deren Anpassung in letzter Instanz zur Spannungshaltung eingesetzt werden (spannungsbedingter Redispatch). Der Begriff der Stabilität beschreibt die Fähigkeit eines Systems, ausgehend von einem anfänglichen Betriebszustand im Gleichgewicht nach Einwirkung einer Störung zu einem neuen Gleichgewicht zu finden, ohne dass in den Gleichgewichten und während des Übergangs bestimmte Grenzen der Betriebsparameter verletzt werden. Um die Anwendung dieses Kriteriums zu illustrieren, werden im folgenden Unterabschnitt die Auswirkungen von Fehlern („Störungen“) beschrieben. 81 In Abschnitt 2.4 wird darauf eingegangen, welchen Einfluss die Stabilität auf Netz ausbau und Engpassmanagement haben kann. Die Einhaltung der Grenzen des sicheren Netz betriebs muss nicht nur im normalen Betrieb gewährleistet sein, sondern sie muss auch robust sein gegenüber Fehlern im Netz. Weil Fehler wie Kurzschlüsse, Leitungsunterbrechungen oder Kraftwerksausfälle jederzeit auftreten können, wird in der Betriebsführung stets eine ausreichende Reserve für solche Fälle bereitgehalten. Dieses Sicherheitskriterium wird als (n-1)-Kriterium bezeichnet und sowohl in der Planung als auch in der Betriebsführung berücksichtigt. Die Bezeichnung „n minus eins“ deutet an, dass im Grundsatz der Ausfall jedes beliebigen Betriebsmittels aufgefangen werden soll, ohne dass dabei die Grenzen des sicheren Netzbetriebs verletzt werden. So wird verhindert, dass durch den Eintritt eines Fehlers eine Kaskade weiterer Fehler ausgelöst wird. 2.2. Fehlerfälle und ihre Auswirkungen Grundsätzlich können beim Betrieb von elektrischen Versorgungsnetzen verschiedenartige Fehler auftreten. Zu allen Fehlerarten gibt es geeignete Maßnahmen zur Vermeidung und zur Begrenzung der Auswirkungen, die von den Netzbetreibern systematisch angewandt werden. In den folgenden Absätzen werden beispielhaft einige Fehler und deren mögliche Auswirkungen beschrieben. Größere Fehler treten extrem selten auf: Entweder, wenn gleich mehrere Gegenmaßnahmen versagen, oder wenn gleichzeitig und unabhängig voneinander mehrere Fehler auf- 81 Für eine ausführliche Definition und Diskussion der Stabilität von Stromversorgungssystemen sei auf Kundur et al. (2004) verwiesen. 32

STUDIE | Toolbox für die Stromnetze - Für die künftige Integration von Erneuerbaren Energien treten, deren gemeinsame Auswirkungen nicht mehr beherrscht werden können. In der Praxis sind die meisten Fehler auf externe Einflüsse zurückzuführen (Blitzeinschläge, Äste von Bäumen oder andere physikalische Einwirkungen an Freileitungen, Kabelschäden durch Erdarbeiten etc.). Weiterhin können auch Fehler aus dem Bereich des Netzbetriebs zu Fehlern führen (menschliches Versagen: Schaltfehler). In diesem Zusammenhang spielt auch der Netzschutz eine Rolle, also das automatische System zur Erkennung von Fehlern und deren kurzfristiger Behebung. Der Netzschutz überwacht kontinuierlich die Leitungen und Transformatoren, um Überlastungen oder Kurzschlüsse zu erkennen und das betroffene Betriebsmittel abzuschalten, bevor weiterer Schaden entsteht. Das Betriebsmittel steht dann dem Netz solange nicht mehr zur Verfügung, bis es nach Klärung des Problems und gegebenenfalls erforderlicher Reparatur wieder zugeschaltet wird. Der Netzschutz als technisches System kann aber ebenso von Fehlfunktionen betroffen sein, die dann auf das Netz wirken. 2.2.1. Fehlerfälle Zu den häufigsten Fehlern gehören Kurzschlüsse, also unbeabsichtigt auftretende leitende Verbindungen zwischen spannungsführenden Teilen. Sie werden durch viele verschiedene Ursachen ausgelöst: Versagen der Isolation infolge von Alterung oder Verschmutzung, menschliches Versagen durch Schaltfehler, äußere Einflüsse wie Gewitter, Vögel, Baggerarbeiten etc. Kurzschlüsse führen einerseits zu hohen Strömen in Richtung des Kurzschlusses, andererseits sinkt die Spannung in der Nähe des Fehlers stark ab. Im Übertragungsnetz sind die Schutzsysteme dafür ausgelegt, innerhalb von 150 Millisekunden jeden Kurzschluss zu erkennen und betroffene Betriebsmittel abzuschalten. 82 Wenn diese Schutzsysteme nicht richtig funktionieren, lassen sich folgende Fälle unterscheiden: →→Spontane Schutzauslösungen – es erfolgt die Abschaltung von Betriebsmitteln, obwohl gar kein Kurzschluss vorliegt. →→Schutzüberfunktion – es werden nicht betroffene Betriebsmittel abgeschaltet, obwohl ein anderes Betriebsmittel von dem Kurzschluss betroffen ist. →→Schutzversagen – ein Betriebsmittel wird nicht abgeschaltet, obwohl ein Kurzschluss vorliegt. Dies führt dann zu einer Störungsausweitung: In der Regel werden dann durch den sogenannten Reserveschutz mehrere Betriebsmittel der Nachbarschaft ausgeschaltet und der Fehler damit doch noch (wenn auch verzögert) geklärt. Neben der Abschaltung von Betriebsmitteln als Folge von Kurzschlüssen werden Schutzgeräte auch dafür eingesetzt, eine thermische Überlastung zu verhindern (Überstromschutz) oder die Folgen einer zu niedrigen Spannung zu vermeiden (Unterspannungsschutz). Diese Geräte reagieren im Falle einer Auslösung ebenfalls mit der Abschaltung der überwachten Betriebsmittel. Unabhängig vom Netzschutz können in allen Kraftwerken interne Probleme auftreten, die eine sofortige Trennung vom Netz erfordern und damit einen Kraftwerksausfall bewirken. 2.2.2. Auswirkungen Wird ein belastetes Betriebsmittel im Netz abgeschaltet, muss sich der Lastfluss im Netz neu einstellen. Dabei kann es zur Verletzung von thermischen Grenzen oder Spannungsgrenzen an anderen Betriebsmitteln im stationären Zustand kommen. Ein erster Fehler, der zum Verlust eines Betriebsmittels führt, kann so die Überlastung anderer Betriebsmittel zur Folge haben, die daraufhin ebenfalls vom Schutz abgeschaltet werden. In der Folge werden daraufhin weitere Betriebsmittel überlastet. Im Extremfall können so aus kleinen Fehlern Großstörungen entstehen. Die Beachtung des (n-1)-Kriteriums soll genau diese Fehlerkaskade verhindern. 82 50Hertz et al. (2015) 33

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