Aus dem Facharchiv: Elektropraxis
Energie – Erzeugung, Handel und Transport (16)
Der Transport von Offshore-Windstrom von Nord- und Ostseeküste in den Süden Deutschlands erfordert einen innovativen Netzausbau. Eine der Optionen dafür ist die Technik der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ).
Wie bereits im vergangenen Beitragsteil beschrieben, ging dem Bau von Anlagen zur Stromübertragung über längere Strecken eine erbitterte Auseinandersetzung zwischen zwei amerikanischen Erfindern und Unternehmern voraus, wobei der eine, Edison, für seine Gleichstrom-Technologie kämpfte, während sein Gegner, Westinghouse, Wechselstrom favorisierte und sich damit auf breiter Front durchsetzte.
Wie in Amerika kam auch in Deutschland bald Wechselstrom zum Einsatz, so zum Beispiel, als im Jahr 1891 die Übertragung elektrischer Energie über eine Strecke von 176 km gelang, nämlich von Lauffen (südlich Heilbronn) nach Frankfurt – mit hochgespanntem 3-Phasen-Wechselstrom, kurz: Drehstrom. In der Folge blieben Drehstromerzeugung und -übertragung erste Wahl (Bild 1), da sie immer wieder ihre Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit unter Beweis stellten. Doch heute sind Drehstromnetze angesichts neuer bisher weniger beachteter Herausforderungen Gleichstromnetzen immer häufiger unterlegen.
Netzgeführte Hochspannungs-DC-Übertragung
Bei der Übertragung über weite Strecken sind einige spezielle Merkmale des Drehstroms zu bedenken: Wechselstrom baut in jedem Kabel und bei jeder Leitung im Rhythmus der Netzfrequenz kapazitive und induktive Widerstände auf, auch im unbelasteten Zustand, was vor allem bei großen Kabellängen zu merklichen Verlusten führt.
Im Gegensatz dazu muss eine Gleichstromverbindung unabhängig von der Belastung keine kapazitive oder induktive Blindleistung, sondern ausschließlich Wirkleistung übertragen. Kompensationsmittel wie Drosselspulen oder Kondensatoren, die bei langen Drehstromleitungen unverzichtbar sind und bei Seekabeln zu enormem Aufwand und hohen Kosten führen, entfallen bei Gleichstromübertragungen. Hinzu kommen signifikante Vorteile beim Kabel beziehungsweise bei der Freileitung: Gleichstromtechnik kennt keine Stromverdrängung im Leiter; in der Isolation entstehen keine dielektrischen Verluste; eine Erwärmung der Bewehrung durch Induktion ist ausgeschlossen.
Das alles bedeutet, dass für den Aufbau eines Gleichstromkabels für hohe Lasten ein geringerer Aufwand vonnöten ist als bei einem Drehstromkabel. Auch die Tatsache, dass eine Drehstromübertragung drei, eine Gleichstromübertragung hingegen nur zwei Leiter erfordert (wird die Erde als Rückleiter verwendet, reicht sogar einer), ist ohnehin als großer Vorteil für die HGÜ-Technik zu verbuchen.
Der grundlegende Aufbau einer klassischen netzgeführten HGÜ (engl. HVDC – High Voltage Direct Current) ist relativ einfach zu erklären: Auf der einen Seite der Übertragungsstrecke wird die Drehstrom-Spannung über einen Transformator auf beispielsweise 800 kV hochgespannt und dann gleichgerichtet; am andern Ende nimmt die Umwandlung den entgegen gesetzten Weg. Das bedeutet, dass auf jeder Seite eine Stromrichterstation installiert ist, die im Wesentlichen aus einem oder mehreren Stromrichtern, einem Transformator und den zugehörigen Steuerungs- und Regelungssystemen besteht. Die führenden Unternehmen auf diesem Gebiet wie beispielsweise Hitachi ABB Power Grids (ABB Power Grids gehört jetzt zu Hitachi; im Folgenden wird nur die Bezeichnung ABB verwendet) und Siemens haben jeder für sich Konzepte entwickelt, die auf die jeweilige Anwendung zugeschnitten sind.
Die Stromrichtersysteme der klassischen HGÜ arbeiten mit Thyristoren, die gezielt gezündet und im Takt der Netzfrequenz im Nulldurchgang wieder gelöscht werden. Deshalb spricht man auch von netzgeführten Umrichtern oder von netzgeführten HGÜ-Anlagen, die sich wirtschaftlich vor allem bei hohen Übertragungsleistungen über größere Entfernungen rentieren. Beispielsweise liegt das Leistungsvermögen der 2013 fertiggestellten Jinping-Sunan-Verbindung in China im Bereich von 7 200 MW bei einer Gleichspannungshöhe von 800 kV. Die Übertragungsentfernung zwischen den Umrichterstationen beträgt 2 090 km. Diese Technik produziert allerdings auch reichlich Oberschwingungen, deren Reduzierung mit einem erheblichen technischen Aufwand verbunden ist. Außerdem lassen sich als Verbindungsleitungen nur Freileitungen und spezielle Ölkabel einsetzen.
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