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11.12.2020 09:41 Alter: 46 days

Innovative Hochtechnologie im Übertragungsnetz

Die Stromnetzinfrastruktur ist das Rückgrat der Energieversorgung. Um die Herausforderungen der Energiewende zu bewältigen, werden in Ergänzung zu den bewährten klassischen Betriebsmitteln neue Technologien und Verfahren zum Einsatz kommen. Dr. Frank Golletz, Technischer Geschäftsführer von 50Hertz, beschreibt in diesem Gastbeitrag wichtige Innovationen, mit deren Hilfe der Übertragungsnetzbetreiber immer mehr Erneuerbare Energien sicher und zuverlässig in das Gesamtsystem integriert und zu den Verbraucherinnen und Verbrauchern transportiert.


Dr. Frank Golletz, Technischer Geschäftsführer, 50Hertz Transmission GmbH Fotos: Jan Pauls

50Hertz wird in den kommenden Jahren weitere technische Innovationen zusammen mit Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft entwickeln und einsetzen. Das betrifft Software wie auch Hardware. Sogar beim Design von Strommasten gibt es inzwischen neue Lösungen, wie 50Hertz im Forschungsprojekt CompactLine unter Beweis gestellt hat.

Die deutschen Stromnetze arbeiten so zuverlässig wie fast nirgendwo auf der Welt. Stromunterbrechungen sind extrem selten – obwohl immer mehr Strom aus fluktuierenden Quellen wie Wind und Sonne eingespeist wird. Grundlage für diese Systemsicherheit sind robuste Betriebsmittel wie Leitungen und Umspannwerke, die ausreichend dimensioniert sind, N-1-Reserven bereithalten und von hervorragendem Fachpersonal optimal gewartet und betrieben werden.

Im Zuge der Energiewende sind weitere erhebliche Transportkapazitäten erforderlich, um Strom aus den ertragreichen Windregionen im Norden und Osten in die großen Städte und Wirtschaftszentren transportieren zu können. Im Netzgebiet von 50Hertz, das Ostdeutschland sowie die Stadtstaaten Hamburg und Berlin umfasst, müssen, wie im Netzentwicklungsplan vorgesehen, in den kommenden zehn Jahren über 1.000 Kilometer bestehende Trassen ertüchtigt oder neue Leitungen errichtet werden. Die Übertragungskapazität vorhandener 220 kV-/380 kV-Leitungen nähert sich immer häufiger den physikalischen Grenzen. Ältere Leitungen, die bereits mehrere Jahrzehnte im Dienst sind, können nicht dauerhaft unter Volllast gefahren werden, ohne das Gesamtsystem zu gefährden.

Bereits heute deckt 50Hertz an rund 1.400 Stunden im Jahr den Strombedarf in seinem Netzgebiet vollständig mit Erneuerbaren Energien ab. Für die Netze stellt das eine besondere Belastung dar. Und der Erneuerbaren-Anteil wird kontinuierlich zunehmen. Im Zuge unserer 50Hertz-Strategie „von 60 auf 100 bis 2032 – neue Energie für eine starke Wirtschaft“ streben wir an, bis zum Jahr 2032 die Stromnachfrage, über das Jahr gerechnet, zu 100 Prozent aus Wind- und Solarkraft, ergänzend auch aus Biomasse und anderen Erneuerbaren, sicherzustellen.

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen wir unser Netz und unsere Anlagen optimieren, verstärken und ausbauen. Dabei werden die bestehenden Assets so effizient wie möglich genutzt – und neue Anlagen effizient geplant, umgesetzt und betrieben. Ein gutes Beispiel dafür, wie vorausschauende Planung, internationale Zusammenarbeit und Einsatz innovativer Technologien ineinandergreifen, ist die kürzlich eingeweihte Kriegers Flak Combined Grid Solution (KF CGS) in der Ostsee, nordwestlich der Insel Rügen. Dabei handelt es sich um einen hybriden Offshore-Interkonnektor, der das Netz von 50Hertz mit dem des dänischen Netzbetreibers Energinet – und damit zwei wichtige europäische Strommärkte – verbindet. Dazu wurden weltweit zum ersten Mal zwei bestehende Windparks (Baltic 1 mit 48 MW, Baltic 2 mit 288 MW auf deutscher Seite) sowie der im Bau befindliche dänische Windpark Kriegers Flak mit 600 MW miteinander verbunden. Mit anderen Worten: Eine nur 25 Kilometer lange neue Seekabelverbindung zwischen zwei Offshore-Umspannplattformen reichte aus, um eine insgesamt fast 200 Kilometer lange Kabelverbindung mit einer Leistung von 400 MW zwischen beiden Ländern herzustellen.

Weil die Übertragungsnetze Ost-Dänemarks und Deutschlands nicht synchron arbeiten, war für diesen Interkonnektor zusätzlich die Errichtung eines Back-to-Back- Konverters am Umspannwerk Bentwisch bei Rostock erforderlich. In dieser Anlage wird der ankommende Wechselstrom in Gleichstrom und sofort wieder in Wechselstrom gewandelt, damit er problemlos in beide Richtungen fließen kann. Um die Kapazität des Interkonnektors möglichst vollständig auszunutzen und gleichzeitig vor Überlastung zu schützen, wurde von 50Hertz und Energinet gemeinsam ein sogenannter Master Controller for Interconnector Operations (MIO) entwickelt, der vom 50Hertz-Control-Center in Neuenhagen bei Berlin aus sämtliche Prozesse der KF CGS steuert und kontrolliert. Dieses elektronische „Gehirn“ entscheidet, wieviel Leistung über den Interkonnektor bereitgestellt, welche Spannung eingestellt und wieviel Strom in die jeweilige Richtung transportiert wird. Dabei berücksichtigt der MIO sowohl die Erzeugungsleistung der drei Windparks auf Basis von Wetterprognosen als auch die Erfordernisse des grenzüberschreitenden Stromhandels.

Perspektiven für ein europäisches Offshore-Grid

Diese Hybridlösung hat mehrere Vorteile: Statt eines aufwändigen Genehmigungsverfahrens für eine ganz neue, über 200 Kilometer lange Trasse war nur ein Genehmigungsverfahren für das kurze Verbindungsstück erforderlich. So konnten auch die Umwelteinwirkungen am Ostseegrund und an Land so gering wie möglich gehalten werden. Und auch ökonomisch ist das Projekt mit einer Investitionssumme von rund 300 Mio. Euro effizient. Zusätzlich eröffnet die CGS neue Perspektiven, wie zukünftig die europäischen Anrainerstaaten in der Nordund Ostsee Offshore-Grids zur gemeinsamen Stromversorgung in Europa aufbauen können. Diese sind eine wichtige Voraussetzung, wenn die Europäische Union bis 2050 rund 300 GW Windkraftleistung in Nord- und Ostsee installieren lassen will – das ist das 25fache der derzeit installierten Offshore-Wind-Leistung.

Doch nicht nur auf See, auch für den Transport großer Mengen Strom über weite Distanzen an Land sind technische Innovationen und Pionierarbeit erforderlich. Höchstspannungs-Gleichstromleitungen werden eine zentrale Rolle spielen, um den auf dem Meer oder küstennah erzeugten Windstrom mit möglichst geringen Verlusten dorthin zu transportieren, wo er tatsächlich gebraucht wird. Im Netzgebiet von 50Hertz wird diese Aufgabe unter anderem der sogenannte SuedOstLink übernehmen, eine rund 500 Kilometer lange Erdkabelverbindung zwischen Sachsen-Anhalt und Bayern. Im nördlichen Abschnitt von Wolmirstedt bei Magdeburg bis zur bayerischen Grenze wird die Leitung von 50Hertz realisiert, der südliche Abschnitt bis Landshut wird von TenneT umgesetzt.

Nach einer erfolgreich verlaufenen einjährigen Testphase, bei der eine Gesamtbetriebsdauer von 40 Jahren simuliert wurde, entschieden sich beide Partner dafür, weltweit zum ersten Mal kunststoffisolierte Erdkabel auf der Spannungsebene 525 kV einzusetzen. Auf diese Weise erhöht sich die Leistungsfähigkeit gegenüber den herkömmlichen 320-kV-Kabelsystemen um das 1,7fache und es kann so in einer Trasse wesentlich mehr Energie übertragen werden als mit herkömmlichen Techniken. Die beiden mit dem Kabelbau beauftragten Unternehmen NKT (Dänemark) und Prysmian Power (Italien) haben in den Präqualifikationstests bewiesen, dass die verwendeten ultrareinen Kunststoffisolierungen den extremen Belastungen der 525-kV-Höchstspannung dauerhaft gewachsen sind.

Foto: Jan Pauls

Hightech unter der Erde. Moderne kunststoffisolierte Erdkabel können große Mengen Strom sicher und zuverlässig transportieren.

Künstliche Intelligenz für bewährte Technik

Dies sind zwei Beispiele für gerade realisierte und im Genehmigungsverfahren befindliche Projekte. Aber Hightech kommt auch in Bestandsanlagen zunehmend zum Einsatz. Unser Fokus richtet sich daher auch auf die Inspektion und Wartung von Freileitungen und Masten, die über Jahrzehnte hinweg den Einflüssen von Wind und Wetter ausgesetzt sind. Moderne Analysetechnik wird uns helfen, über unsere vorhandene und gewachsene Netzinfrastruktur noch mehr Energie als bisher sicher zu transportieren. 50Hertz bewirtschaftet ein Netz mit 10.400 Kilometer Stromkreislänge. Um Schäden und Auffälligkeiten zu erkennen, waren bisher in erster Linie Sichtkontrollen mit dem geschulten Auge erforderlich, sowohl vom Boden aus als auch aus der Luft per Hubschrauberbefliegung.

Vor einigen Monaten haben wir damit begonnen, mit sogenannten multisensorischen Inspektionsflügen unser Freileitungsnetz einer neuartigen Prüfung zu unterziehen. Diese Flüge werden mit einem Helikopter durchgeführt, der verschiedene Mess- und Aufnahmetechniken wie Laserscanning, Thermo- und Koronakameras an Bord hat. Nach Überfliegung von rund 1.500 Leitungskilometern konnten bereits 800 Auffälligkeiten festgestellt werden, die mit dem bisherigen Instrumentarium nicht erkennbar waren. Die Messergebnisse werten unsere Spezialisten jetzt aus. So können sie bestehende oder zu erwartende Leitungsmängel viel einfacher als bisher erkennen und darauf mit den entsprechenden Wartungs- oder Reparaturarbeiten frühzeitig reagieren. Die bei diesen Messungen gewonnenen Daten sind auch eine Grundlage für weitere Optimierungen unter Einsatz von Systemen mit künstlicher Intelligenz. 50Hertz braucht für seine Innovationen Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft, denn allein sind die komplizierten Sachverhalte nicht mehr zu lösen. Ein gutes Beispiel dafür ist unsere CompactLine. Mehr als zehn verschieden Konsortialpartner haben mehrere Jahre an der Idee gearbeitet eine 380-kV-Freileitung zu entwickeln, die räumlich in einen 220-kV-Korridor passt. Dazu haben die Partner eine Anleihe bei der Seilbahn genommen und das eigentliche Leiterseil an ein Tragseil gehangen, dass deutlich straffer gespannt werden kann als die üblichen Freileitungsseile. Heute ist ein Pilotprojekt bereits das zweite Jahr in Betrieb und überträgt im gleichen Korridor wir zuvor die sechsfache Leistung. Allerdings brauchen solche innovativen Projekte Zeit, bis sie zum Stand der Technik werden.

In den kommenden Jahren werden nach und nach Kohlekraftwerke aus dem deutschen elektrischen System ausscheiden. Damit fallen nicht nur Anlagen weg, die unabhängig von Wind und Sonne rund um die Uhr Strom erzeugen können. Die konventionellen Kraftwerke haben mit ihren rotierenden Schwungmassen der Generatoren auch Systemdienstleistungen wie Spannungs- und Frequenzhaltung sowie Blindleistungskompensation übernommen. Es werden noch weitere innovative technische Lösungen nötig sein, damit die Erneuerbaren auch diese Aufgaben Schritt für Schritt übernehmen können. Bereits bewährte Betriebsmittel wie rotierende Phasenschieber oder Flexible Drehstrom-Übertragungssysteme (Statcoms) sind hier nur der Anfang.

Doch mit Hightech allein ist es nicht getan. Wir brauchen auch hochqualifiziertes Fachpersonal. Wir brauchen Frauen und Männer, die sowohl mit der Digitalisierung und ihren Möglichkeiten vertraut sind, als auch mit robuster analoger Elektrotechnik. Dieser Mix aus beiden Welten wird für uns eine der größten Herausforderungen in den nächsten Jahren.

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Foto: Jan Pauls

Der Back-to-Back-Konverter im Umspannwerk Bentwisch bei Rostock wandelt Wechselin Gleichstrom um und umgekehrt, da das deutsche und das dänische Stromsystem nicht synchron zueinander sind.