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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 Erzeugungskapazität. Auch der Strombedarf unterliegt zeitlichen Schwankungen. Hinzu kommen grenzüberschreitende Lastflüsse an den Kuppelstellen des Übertragungsnetzes. Die Betreiber des Übertragungsnetzes müssen eine größere Vielfalt an Betriebssituationen als bisher sicher beherrschen können. Netzengpässe entstehen, wenn ein elektrisches Betriebsmittel (zum Beispiel eine Leitung oder ein Transformator) den notwendigen Leistungsbedarf nicht übertragen kann. Gegenwärtig sind hierbei die thermischen Grenzen im Netzbetrieb ausschlaggebend. Mit steigendem Stromfluss in einer Stromleitung steigt deren Temperatur. Die aus der Erwärmung resultierende Längenänderung der Leiter führt zu einem erhöhten Durchhang der Leiterseile. Damit der Leiterseildurchhang bei Freileitungen nicht zu groß wird, muss die Leitertemperatur begrenzt werden. Bei Erdkabeln ist im Gegensatz zu Freileitungen die Erwärmung des Isolationsmaterials der ausschlaggebende limitierende Faktor. In der Zukunft werden netzdynamisches Verhalten und Stabilitätsgrenzen bei dem Engpassmanagement eine zunehmende Rolle spielen. Beim Betrieb von Freileitungen betrifft dies insbesondere die Spannungsstabilität sowie die transiente Stabilität und damit verbunden die verfügbare Blindleistungskompensation. Bisher ist die Grenze der Spannungsstabilität im deutschen Übertragungsnetz noch weitgehend unproblematisch, da die maximalen thermischen Betriebsströme der Leitungen meist deutlich unter dieser Grenze liegen. Dies kann sich durch Netzoptimierung und Netzverstärkung aber ändern: Wird bei ansonsten ähnlichen Leitungsparametern die Stromtragfähigkeit von Leitungen erhöht (zum Beispiel durch den Einsatz von Freileitungsmonitoring oder Hochtemperaturleiterseilen), gewinnt automatisch die Stabilitätsgrenze an Bedeutung, da sie durch diese Maßnahmen nicht wesentlich verändert wird. Anstelle des (angehobenen) thermischen Limits wirkt dann das Stabilitätslimit als begrenzender Faktor für den Betrieb eines Stromnetzes. Toolbox: Fünf Maßnahmen für eine optimale Ausnutzung der bestehenden Stromnetze Die fünf Maßnahmen – oder „Tools“ – für eine optimale Ausnutzung der Stromnetze haben verschiedene Anwendungsfälle. Es gibt daher keine Universallösung, sondern es geht vielmehr darum, je nach Anwendungsfall die Tools komplementär einzusetzen. → → Freileitungsmonitoring und Hochtemperaturleiterseile: Bei der Netzausbauplanung gilt das sogenannte NOVA-Prinzip: Netz-Optimierung vor -Verstärkung vor -Ausbau. Freileitungsmonitoring (FLM) und Hochtemperaturleiterseile (HTLS) sind klassische NOVA-Maßnahmen, um das bestehende Netz besser auszunutzen oder zu ertüchtigen. Die Berechnung der maximalen Strombelastbarkeit von Leitungen erfolgt nach einer DIN-Norm, die von statischen Annahmen bei Umgebungstemperatur, Globalstrahlung und Windgeschwindigkeit ausgeht. Hierdurch wird die eigentlich verfügbare Übertragungskapazität von Freileitungen zu einem Großteil der Zeit nicht voll ausgenutzt (beispielsweise, wenn viel Wind weht, dadurch die Leiterseile besser gekühlt werden und mehr durchgeleitet werden könnte). Beim FLM werden mittels Sensorik die Temperatur oder der Durchhang der Leitung (direkte Methoden) oder die Wetterbedingungen an der Leitung (indirekte Methode) beobachtet, und der maximal zulässige Strom wird dynamisch angepasst. Der Einsatz von HTLS stellt eine Form der Netzverstärkung dar: Es erfolgt eine Umbeseilung auf bereits bestehenden Trassen durch Leiterseile, die vor allem im Kern aus innovativen Materialien bestehen, die bei steigenden Temperaturen eine geringere Längenänderung aufweisen als die herkömmlichen ACSR-Leiter (Aluminium Conductor Steel Reinforced). Der Einsatz von HTLS ermöglicht etwa 50 bis 100 Prozent mehr Übertragungskapazität als herkömmliche Leiter. Durch FLM und HTLS wird die thermische Grenze der Leitungen angehoben. Neben zusätzlichem Netzausbau lassen sich durch den Einsatz von FLM und 8

STUDIE | Toolbox für die Stromnetze - Für die künftige Integration von Erneuerbaren Energien HTLS auch Redispatch und Einspeisemanagement verringern. Zu beachten sind bei ihrem Einsatz sonstige Grenzen (zum Beispiel Stabilitätsgrenzen), die Einhaltung der Grenzwerte für elektrische und magnetische Felder sowie Wechselwirkungen der erhöhten elektromagnetischen Feldstärken mit kreuzenden Rohrleitungen anderer Netze wie dem Gasnetz. →→Netzdienlicher Einsatz von Speichern: Die Mehrfachnutzung von Speichern wird auch als Multi-Use bezeichnet. Am Höchstspannungsnetz sind heute vor allem Pumpspeicherkraftwerke angeschlossen, die im Rahmen des Redispatch regelmäßig reaktiv genutzt werden, wenn eine Anpassung ihrer Leistung für das Engpassmanagement im Übertragungsnetz sinnvoll ist. Die Errichtung neuer Speicher am Übertragungsnetz für den Ausgleich der variablen EE-Einspeisung ist aufgrund hoher Speicherkosten und niedriger Spreads aus volkswirtschaftlicher und betriebswirtschaftlicher Perspektive derzeit nicht sinnvoll. Jedoch kann für die proaktive Vermeidung von Netzengpässen die Nutzung von bestehenden Speichern sinnvoll sein. Auf Verteilnetzebene bestehen hingegen ökonomische Anreize für die Installation neuer Speicher, beispielsweise im Rahmen der Befreiung von Entgelten und Umlagen (Eigenstromprivileg) und der KfW-Förderung von Photovoltaik-Speicher-Systemen. Hier ergibt sich ein Zusammenspiel zwischen Verteilnetz und dem Übertragungsnetz: Sofern netzkritische Zeitpunkte für das Verteilnetz nicht mit den kritischen Betriebssituationen des Übertragungsnetzes zusammenfallen, kann die Flexibilität aus den Verteilnetzen auch in hohem Maße für das Übertragungsnetz nutzbar gemacht werden. →→Lastflusssteuerung im Übertragungsnetz: Durch den koordinierten Einsatz lastflusssteuernder Elemente wird eine Vergleichmäßigung der Lastflüsse im Netz bewirkt und damit die Übertragungskapazität besser ausgelastet. Lastflusssteuernde Netzbetriebsmittel sind Phasenschiebertransformatoren (auch Querregeltransformatoren genannt), FACTS (Flexible AC Transmission Systems) und HGÜ-Systeme (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung). Mittels Lastflusssteuerung kann Strom von einer überlasteten Leitung auf eine nicht ausgelastete Leitung verlagert werden. Es handelt sich um eine Maßnahme, die kurz- bis mittelfristig umgesetzt werden kann. Die Querregler können innerhalb eines bereits bestehenden Umspannwerks oder an einem neuen Standort errichtet werden, der netztechnisch geeignet ist. → → Online Dynamic Security Assessment für die Netzleitstelle: Die Änderungen im Stromversorgungssystem und die Einführung neuer Betriebsmittel führen zu einer steigenden Komplexität im Netzbetrieb. Die verlässliche Beurteilung von Netzzuständen ist für die Wahrung des hohen Niveaus der Versorgungssicherheit von entscheidender Bedeutung. Durch die Erhöhung der thermischen Grenzen (beispielsweise durch die Einführung von FLM und HTLS) gewinnen die Stabilitätsgrenzen zunehmend an Relevanz. Dynamic Security Assessment (DSA) ist ein Tool, das insbesondere in der Netzplanung angewandt wird, um die dynamische Netzsicherheit zu beurteilen (Bewertung der Systemstabilität und Netzsicherheit im Verlauf einer Störung). Im Gegensatz zum bisherigen konventionellen Offline-DSA beinhaltet Online-DSA als Online-Assistenzsystem einen schnellen Screeningprozess des aktuellen Netzzustandes. Dadurch wird eine Echtzeitanalyse der Netzstabilität möglich, die den aktuellen Zustand berücksichtigt und keine langfristigen Vorhersagen benötigt. Dies hat den Vorteil, dass weniger als bisher zur Bestimmung der Übertragungsgrenzen auf Abschätzungen mit „Sicherheitspuffer“ zurückgegriffen werden muss. Da gegenwärtig im Netzbetrieb die thermischen Grenzen maßgeblich sind, kann kurzfristig keine Einsparung von Netzausbau oder Engpassmanagement erreicht werden. Wenn die Stabilitätsgrenzen mittelfristig im Netzbetrieb bei der Begrenzung der Übertragungsleistung relevanter werden, ist der Einsatz von Online-DSA 9

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