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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 Im vermaschten Stromnetz gibt es meistens mehrere Pfade von den Kraftwerken zu den Verbrauchern. Dabei ist es möglich, dass eine Leitung eine deutlich niedrigere Impedanz als die anderen Leitungen zwischen zwei Punkten hat. Demzufolge fließt ein Großteil des Stroms über diese Leitung, während die anderen Leitungen nur wenig belastet werden. Hier eignet sich der Einsatz von Betriebsmitteln zur Lastflusssteuerung. Damit kann man sowohl die Impedanz der einen Leitung erhöhen als auch die Impedanz der anderen Leitungen verringern, um eine gleichmäßige Verteilung des Stroms zu ermöglichen und Überlastungen vorzubeugen. Allerdings ist zu beachten, dass je nach Lastflusssituation unterschiedliche Leitungen überlastet sein können. Daher müssen die Betriebsmittel zur Lastflusssteuerung regelbar sein und ihre Impedanz an die jeweilige Situation anpassen können. Lastflusssteuernde Netzbetriebsmittel sind beispielsweise Phasenschiebertransformatoren (PST), sogenannte FACTS (Flexible AC Transmission Systems) und HGÜ-Systeme (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung). Im Folgenden werden diese Technologien genauer erläutert. Vor allem bei den FACTS erhebt die Liste keine Ansprüche auf Vollständigkeit, sondern zählt nur beispielhaft einige übliche Varianten auf. →→Phasenschiebertransformator (PST): Diese Art von Transformator wird nicht wie üblich genutzt, um die Spannung auf ein höheres oder niedrigeres Level zu transformieren, sondern um eine Spannung einzuprägen und so den Lastfluss zu steuern. Der Phasenschiebertransformator besteht im Prinzip aus zwei einzelnen Transformatoren, von denen einer Spannung aus dem Netz entnimmt, während der andere sie wieder in Reihe zu einer Leitung einprägt. Der Wert der wieder eingeprägten Spannung lässt sich steuern. So kann der Strom je nach Höhe der eingeprägten Spannung auf andere Leitungen verdrängt werden oder zu größeren Teilen auf dieser Leitung fließen. Gegenüber den nachfolgend beschriebenen FACTS hat der Phasenschiebertransformator den Nachteil, dass er nicht so schnell und nur in gröberen Abstufungen regelbar ist. 135 →→FACTS: FACTS zeichnen sich dadurch aus, dass sie leistungselektronische Komponenten (also sehr schnell steuerbare elektronische Schalter) zur Beeinflussung des Lastflusses nutzen. FACTS sind Phasenschiebertransformatoren insbesondere durch die schnellen Reaktionszeiten und die stufenlose Regelbarkeit deutlich überlegen. Beispiele für FACTS sind: • TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor): Ein TCSC ist im Wesentlichen eine regelbare Kapazität, die in die Leitung eingebaut wird. Dadurch, dass damit die Gesamtimpedanz der Leitung verringert oder vergrößert werden kann, kann der Lastfluss über die Leitung gesteuert werden. So kann bei langen Leitungen auch die maximale Übertragungskapazität über die Leitung erhöht werden. • UPFC (Unified Power Flow Controller): Der UPFC ist ein sehr flexibel einsetzbares Werkzeug, dessen Leistungselektronik-Komponenten über Transformatoren mit der gesteuerten Stromleitung verbunden sind. Der UPFC prägt analog einem Phasenschiebertransformator eine Spannung in Reihe zu einer Leitung ein. Der UPFC kann nicht nur den Leistungsfluss steuern, sondern zusätzlich auch spannungsstützend wirken. • D-FACTS (Distributed-FACTS): D-FACTS wirken genau wie einige herkömmliche FACTS auf die Impedanz von Leitungen ein. Sie haben geringe Abmessungen, sind leicht zu installieren und haben nur eine sehr geringe Wirkung. Daher müssen bei der Verwendung von D-FACTS sehr viele davon entlang einer Leitung installiert werden, um einen signifikanten Effekt zu erzeugen. D-FACTS nutzen den kurzen Abschnitt der Übertragungsleitung, an den sie angeschlossen sind, als Sekundärwicklung eines Transformators. Über eine gezielte Spannungseinspeisung 135 APG Academy (2012) 50

STUDIE | Toolbox für die Stromnetze - Für die künftige Integration von Erneuerbaren Energien auf der Primärseite kann dann die Impedanz auf der Sekundärseite angepasst werden. 136 • HGÜ: Gleichstrom wird normalerweise verwendet, um Strom über lange Strecken zu transportieren oder asynchrone Netze zu koppeln. Bei Anwendungen als HGÜ-Kurzkupplung wird der übliche Drehstrom in Gleichstrom umgewandelt und direkt dahinter wieder zurück in Drehstrom gewandelt. Der Vorteil der HGÜ ist, dass bei der Umwandlung in Drehstrom (oder Gleichstrom) genau gesteuert werden kann, welche Leistung fließen soll. Wird eine HGÜ-Kurzkupplung in eine Leitung eingebaut oder eine HGÜ als Übertragungsleitung eingesetzt, lässt sich der Lastfluss über diese Leitung also sehr gut steuern. Die HGÜ kann je nach technischer Ausführung analog dem UPFC auch spannungsstützend wirken. 3.4.2. Anwendungsfälle Wie bereits erwähnt können die beschriebenen Betriebsmittel beispielsweise dazu eingesetzt werden, den Strom von einer überlasteten Leitung auf eine nicht ausgelastete Leitung zu verlagern. Das lässt sich realisieren, indem entweder Impedanzen von Leitungen verändert oder Spannungen in Reihe zu Leitungen eingeprägt werden. Insbesondere bei parallelen Leitungen, von denen eine oder mehrere überlastet sind, ist dies sinnvoll. Die folgende Liste beschreibt beispielhafte Anwendungen von verschiedenen technischen Maßnahmen zur Lastflusssteuerung. →→Phasenschiebertransformator (PST): Im aktuellen NEP Strom sind einige Maßnahmen für innerdeutsche PST zur besseren Ausnutzung der Übertragungskapazität vorgesehen. Beispiele hierfür sind geplante PST in Urberach und im östlichen Ruhrgebiet im Netzgebiet von Amprion und in Borken im Netzgebiet von TenneT. 137 136 Divan, D. und Johal, H. (2005), Pacific Gas and Electric Company (2016) 137 50Hertz et al. (2017) Abgesehen davon werden PST bisher vor allem an Ländergrenzen eingesetzt. Beispielsweise werden beziehungsweise wurden mehrere PST an der deutsch-polnischen Grenze installiert. Die ersten Phasenschieber gingen 2016 auf der polnischen Seite in Betrieb. Weitere PST werden gegenwärtig auf der deutschen Seite von 50Hertz errichtet. Diese Projekte sind dafür vorgesehen, den Strom, der von Norddeutschland nach Süddeutschland beziehungsweise Österreich gehandelt wird, nicht teilweise über Polen fließen zu lassen. Durch die Installation des Phasenschiebers können die ungeplanten Lastflüsse über Polen reduziert werden und das polnische Netz kann somit entlastet werden. 138 Ähnliche Projekte gibt es an der deutschen Grenze zu Tschechien und an vielen anderen europäischen Grenzen. Durch die Entlastung der benachbarten Netze erhöht sich die Auslastung anderer Übertragungsstrecken im deutschen Netz. →→FACTS: In Deutschland sind gegenwärtig kaum FACTS zur Lastflusssteuerung vorgesehen. Im NEP 2030 werden zwar zum ersten Mal lastflusssteuernde PST in größerem Maßstab, aber nur ein FACTS berücksichtigt. Aktuell plant TenneT einen TCSC an einer Leitung zwischen Stadorf und Wahle. Durch die verringerte Impedanz sollen die Auslastung dieser Leitung erhöht und parallele Leitungen entlastet werden. 139 →→HGÜ: HGÜ-Fernübertragung wird bereits seit längerer Zeit zur Kopplung des deutschen Netzes an das asynchrone Nachbarnetz der skandinavischen Länder eingesetzt (Baltic Cable und Kontek, mit NordLink ist eine weitere Verbindung in Bau). Auch der Großteil der Anbindungen der deutschen Offshore-Windparks erfolgt über HGÜ. Innerhalb des deutschen Netzes benennt der Bundesbedarfsplan 2015 fünf HGÜ-Fernübertragungsprojekte, die bis 2021 (Ultranet) beziehungsweise 2025 (alle anderen) in Betrieb gehen sollen. Im NEP 2030 ist außerdem eine HGÜ-Kurzkupplung in Bentwisch im Netzgebiet von 50Hertz mit Inbetriebnahme 138 50Hertz und PSE (2014), 50Hertz und PSE (2016) 139 50Hertz et al. (2017) 51

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