© ABB Group November 14, 2013 | Slide 1 Hochspannungsnetzausbau in Deutschland Wie wir die...
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Hochspannungsnetzausbau in DeutschlandWie wir die regenerativen Energien zum Verbraucher bringen
Günter Stark, ABB AG, Tel: 0621 381 3680, Email: [email protected]
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WindeSolar
Wellen Bio
Quelle: DG Energy, European Commission
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Erneuerbare Energien in MitteleuropaNeue Anforderungen an das Übertragungsnetz
Mehr als 25 GW aus Windkraft in Nord-
und Ostsee
Neue Wasser- und Pumpspeicherwerke
in den Alpen
Neue Wasserkraft- und Pumpspeicherwerke in
Skandinavien
Zentral Europa wird die “Drehscheibe”
für Energieübertragung und Handel
Neue Solar Kraftwerke in Nordafrika und im
mittleren Osten
Erzeugung fern von Verbrauchszentren
Wind Energie insb. Offshore Wasserkraftwerke Solar Kraftwerke (langfristig)
Kleine dezentrale Erzeugungseinheiten
Photovoltaik Blockheizkraftwerke
Volatile Erzeugung Wind Energie Solar Enegrie
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Erneuerbare Energie aus volatilen Quellen Erzeugung Wind- und Solar in Deutschland
Quelle: Amprion, EnBW
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Veränderung der ErzeugungslandschaftLeistung 2011 - vor dem Moratorium
Quelle: Amprion
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Veränderung der ErzeugungslandschaftLeistung 2011 - nach dem Moratorium
Quelle: Amprion
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Veränderung der Erzeugungslandschaft führt zu veränderten Anforderungen an das Übertragungsnetz
Quelle: Amprion
Situation 2010 Szenario 2020
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Nach den ersten Schritten mit Gleichstrom setzte sich schließlich die Wechselstrom (Drehstrom) Technik durch
Energieübertragung über großeEntfernungen auf dem Hochspannungs-pegel von 750kV/400kV, um die Verluste gering zu halten
Stromproduktion und Stromverbrauchin derselben geographischen Region.
Die Entwicklung der elektrischen Übertragungsnetze
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Übertragungsnetze der Zukunft
Ferntransportkapazität
Ultra-Höchstpannungs-Overlay-Netz
HVDC-Systeme
Lastflusssteuerung und Blindleistungskompensation: Flexible Alternating Current Systems (FACTS)
Weitbereichsüberwachung
neue Überwachungsqualität
besseres Systemverständnis
Unterstützung in Krisensituationen
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Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung … … ist keine neue Technologie
1954 – Erste kommerzielle HVDC mit Quecksilberdampfgleichrichter
1970 – Erste Thyristor-Ventile für HVDC
1980 – Die größte Leistung, Itaipu 6.300 MW
1997 – Erste kommerzielle HVDC Light Installation
2008 – NorNed, das längste Seekabel geht in Betrieb
2009 – BorWin1, erste Netzanbindung für einen Offshore Windpark
2010 – 800 kV HVDC Übertragung in Betrieb
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Klassische Anwendungsbereiche
Asynchrone Verbindung verschiedener Drehstromnetze
Weiträumiger Leistungstransport
Elektrische Seekabelverbindungen
Neue Anwendungsbereiche
Anbindung von Offshore-Windparks
Verstärkung und Stabilisierung bestehender Drehstromnetze durch parallelen Betrieb von HGÜ-Systemen (hybride Netze)
Anwendungsbereiche HGÜ
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Netzverhalten HVDC
600 MW, 80 x 180 m
HVDC Classic
benötigt Blindleistung
Kurzschlussleistung / stabiles Netzwird benötigt
minimaler Leistungsfluss erforderlich
Leistungsflussumkehr nur mit Verzögerung bei Kabelsystemen
Filterschaltungen notwendig bei sich ändernder Wirkleistung
350 MW, Gebäude 24 x 90 m
unabhängige Blindleistungsregelung
benötigt keine Kurzschlussleistung
jeder Wirkleistungsfluss einstellbar
sofortige Leistungsflussumkehr
keine Filterschaltungen notwendig
Verwendung von Kunststoffkabeln möglich
HVDC Light
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Einsatzbereiche HVDC
HVDC Classic mit Freileitung
HVDC Lightmit VPE Kabel
HVDC Classic/ HVDC Light mit MI - Kabel
HVDC Light mit Freileitung
Udc in kV
Leistung in MW
800
700
600
500
400
300
200
0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000
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Xiangjiaba – Shanghai, ChinaDas längste und leistungsstärkste HVDC System
Kunde: SGCC
Übertragungsleistung: 6.400 MW
DC Spannung: ± 800 kV
Länge der Freileitung: 2.000 km
Verluste: < 7 %
AC Spannung: 525 kV
Hauptgründe für HVDC:
Stromtransport über große Distanz
Geringer Flächenbedarf
Geringe Verluste
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Xiangjiaba – Shanghai, ChinaDas längste und leistungsstärkste HVDC System
FULONGFULONG
FENGXIANFENGXIAN
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Longquan- Three Gorges- 3000 MW
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Freileitungsmast DC 800KV
800 kV Mast des Xiangjiaba – Shanghai Projekt
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Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ)Die Alternative zur Drehstromübertragung
Bewährte Lösung für Fernübertragung und Seekabelverbindungen
Vorteile:
Geringe Verluste (Gleichstrom)
Geringer Flächenbedarf
Keine Längenbeschränkung, keine Stabilitätsprobleme
Kabel über große Entfernung einsetzbar, da kein Blindleistungsbedarf
Nachteile:
Basiskosten für Umrichterstationen erst bei größeren Entfernungen wirt-schaftlich interessant (auf See: ab ca.60 km, an Land ab mehreren 100 km)
Punkt-zu-Punkt-Verbindung (aber: selbstgeführte HGÜ vermaschbar)
HGÜ-Projekte von ABB in Asien
HGÜ-Projekte von ABB in Europa
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56 HVDC Classic Projekte seit 195414 HVDC Classic Upgrades seit 199114 HVDC Light Projekte seit 1997
TrollNelson River 2
CU-project
Vancouver IslandPole 1
Pacific Intertie
Pacific IntertieUpgrading
Pacific IntertieExpansion
Intermountain
Blackwater
Rio Madeira
Inga-Shaba
Brazil-ArgentinaInterconnection I&II
EnglishChannelDürnrohrSardinia-Italy
Highgate
Châteauguay
Quebec-New England
Skagerrak 1-3
Konti-Skan Baltic Cable
FennoSkan 1&2
Kontek
SwePol
ChaPad
Rihand-Delhi
Vindhyachal
Sakuma
Gezhouba-Shanghai
Three Gorges-Shanghai
Leyte-Luzon
Broken Hill
New Zealand 1&2
Gotland Light
Gotland 1-3
Murraylink
Eagle Pass
Tjæreborg
HällsjönHagfors
Directlink
Cross Sound
Italy-GreeceRapid City
Vizag II
Three Gorges-Guandong
Estlink
Valhall
Cahora Bassa
SapeiSquare Butte
Sharyland
Three Gorges-Changzhou
Outaouais
Caprivi Link
Hülünbeir- Liaoning
Lingbao II Extension
Xiangjiaba-Shanghai
BorWin1
NorNed
Apollo Upgrade
EWIP
IPP Upgrade
Itaipu
ABB HVDC Systeme Light und Classic seit 1954
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Guangdong
Fujian
Taiwan
Sichuan & Chongqing
Hubei
Hunan
Jiangxi
Heilongjiang
Inner Mongolia
Hebei
Henan Jiangsu
Shandong
Anhui
Guangxi Guizhou
Beijing Tianjin
Shanghai
Jilin
Gansu
Shaanxi
Shanxi
Qinghai
Xinjiang
Xizang
Ningxia
Liaoning
Zhejiang
Yunnan
Hainan Nuozhadu-Guangdong
800kV, 5000-6000 MW, 2015Bangkok
NW-Sichuan (Baoji – Deyang)
3000 MW, 2011
BtB North - Central1000 MW, 2012
BtB Shandong - East 1200 MW, 2011
Planned Future HVDC Projects by 2020 in China
Irkutsk (Russia) - Beijing800kV, 6400 MW, 2015
BtB Northeast-North (Gaoling)
1500 MW, 2008
Goupitan - Guangdong3000 MW, 2016
Russia
Jinghong-Thailand3000MW, 2013
Ningxia - Tianjing 3000 MW, 2010
NWPG
NCPG
NEPG
CCPG ECPG
North Shaanxi-Shandong3000 MW, 2011
Yunnan - Guangdong
800kV, 5000 MW, 2009
SCPG
Hulunbeir (Inner Mongolia) - Shenyang
3000 MW, 2010Xianjiaba – Shanghai 800kV, 6400 MW, 2011
Xiluodu - Hanzhou
800kV, 6400 MW, 2015
Xiluodu - Hunan
800kV, 6400 MW, 2014
(The year means project in operation)
Hami – C. China800kV, 6400 MW, 2018
Humeng – Shandong
Humeng - Tianjing800kV, 6400 MW, 2016
Humeng - Liaoning
800kV, 6400 MW, 2018
Jinsha River II – East China
800kV, 6400 MW, 2016
Jinsha River II - Fujian
800kV, 6400 MW, 2018
Jinsha River II – East China
800kV, 6400 MW, 2019
Jingping – East China
800kV, 6400 MW, 2012
Lingbao BtB Expansion 750 MW, 2009
Gezhouba-Shanghai Expansion 3000 MW, 2011
BtB China-Russia (HeiHe)
800kV, 6400 MW, 2015
750 MW, 2008
FarEast (Russia) – NE China
3000 MW, 2010
(Indicative map)
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NorNed HVDC Verbindung Weltweit längstes und leistungsstärkstes Seekabel
Kunden: Statnett SF, Norwegen TenneT bv, Holland
Übertragungsleistung: 700 MW
DC Spannung: ± 450 kV
Länge des Seekabels: 580 km
Verluste: < 4 %
Wassertiefe: bis zu 410 m
AC Netze: 300 kV in Feda, Norwegen 400 kV in Eemshaven, Holland
Hauptgründe für HVDC:
Lange Seekabelverbindung
Asynchrone AC Netze
Absolute Leistungsflusskontrolle
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NorNed - Lagerung eines HVDC Seekabels
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Netzintegration von Offshore Windparks
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Offshore Windpark Cluster in der Nordsee Von der Vision zur Realität….
Borwin
Dolwin
Helwin
Sylwin
Borwin1 2007 Vergabejahr
BorWin2 2011
BorWin3 2012
Borwin4 2012
DolWin1 2010
DolWin2 2011
Dolwin3 2012
Dolwin4 2013
HelWin1 2010
HelWin2 2011
SylWin1 2011
SylWin2 2013
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Kunde
TenneT
Lieferumfang
400 MW HVDC Light® System Offshore Station auf Plattform mitFundamentstruktur
Onshore Station Diele
170 kV GIS Schaltanlage
Kommunikationssysteme
Überwachungs- und Sicherheitstechnik
Kabel
Seekabel AC Kabel (1200 m)
DC Kabel Seekabel (2x125km)
DC Kabel Land (2x75km)
Glasfiber Kabel (200 km)
BorWin1Lieferumfang
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400 MW HVDC LightPlattform Layout
GIS
Ventilraum
Dieselgenerator
Transformatoren
AC BereichGlättungsdrosseln
DC Bereich
Topside Länge: 50 mBreite: 33,5 mHöhe: 22 mGewicht: 3200 t
Jacket Höhe: 62 mGewicht: 1800 t
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BorWin1 Die Plattform auf dem Weg zum Ziel
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400 MW HVDC LightErsatzschaltbild
Diele1Offshore1
HVDC Light Cable +150 kV
HVDC Light Cable -150 kV
154 kV
Phase Reactor
AC Filter
Power Transformer D
C C
apac
itor
Converter Valve
GIS
Scope
SLD March 2008JL
AC
Bre
aker
+
prei
nser
t. R
esis
tor
DC
Cho
pper
Bard platform
1 km
? km OWP Future 1
OWP Future 2? km
Future shunt reactor(s) max
40 MVar
Future HVDC Transmission Link 1
Future HVDC Transmission Link 2
400 kV
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BorWin1IGBT Stack Installation
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125 km See Kabel 1200 mm2 Cu
Wattenmeer, Norderney und Ems 1600 mm2 Cu
75 km Land Kabel 2300 mm2 AL
Dreifach extrudiertes VPE
Leiter Schirm
HVDC Polymer Isolator
Isolator Schirm
Schirm Bleimantel
Armierung verzinkte Stahldrähte
Schutz: Polypropylen
BorWin1See- und Landkabel
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BorWin1 Seekabelverlegung
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BorWin1 Landkabelverlegung
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Temperaturverteilung im Boden (Beispiel)
Max. Verluste von 60 W/m resultieren in max.55 W/m2 an der Oberfläche über dem Kabel (Sonneneinstrahlung im Winter circa: 200 W/m2)
Temperatur am Kabel Jacket bei sommerlichen Bedingungen: 42 °C(Austrocknen der Erde tritt frühstens bei 50 °C ein )
4139373533312927252321191715
Temperatur in °C
-1 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
0
-0,2
-0,4
-0,6
-0,8
-1,0
-1,2
-1,4
Tiefe in m
Entfernung in m
40
35
30
25
20
Temperatur in °C
0 0,40,2 0,6 0,8 1
Entfernung in m
Temperature profilecorrespondingto the red line
© ABB Group April 11, 2023 | Slide 33
Magnetisches Feld
Sehr geringes magnetisches Feld
Die Belastungen für Mensch und Tierwelt seitens HVDC Kabel liegen deutlich unter denen der dynamischen Feldbelastungen seitens der Drehstromsysteme.
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BorWin1HVDC Light Station, Diele
Cooling Units
ReactorsValves
Chopper
AC Filter Yard
DC FilterYard
Power Transformer
© ABB Group April 11, 2023 | Slide 35
Offshore-Netzanschluss DolWin alpha Erste 320-kV-VPE-Gleichstromkabelverbindung
Seekabel (links)
Leiter: 1.600 mm2 Cu
Kabeldurchmesser: 125 mm
Gewicht an der Luft: 44 kg/m
Gewicht im Wasser: 32 kg/m
Landkabel (rechts)
Leiter: 2.000 mm2 Al
Kabeldurchmesser: 114 mm
Gewicht: 13 kg/m
Quelle:www.transpower.de
Leistung:800 MW
DC-Spannung:±320 kV
Bemessungsstrom:1.260 A
Länge Seekabel:2 x 75 km
Länge Landkabel:2 x 90 km
Geplante Inbetrieb-nahme: 2013
© transpower stromübertragungs gmbh 2010
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NorGer / NordLink Interconnector
Nordlink Interconnector
Power: 1400 MW
Clients:
Statnett, TenneT
Norway: Oksenladen
Germany: Brunsbüttel
Project Time Schedule
Decision: 2013
Award: 2014
In Operation: 2018
Volume: 2 Bn USD
NorGer Interconnector
Power: 1400 MW
Clients:
Statnett, Agder, EGL, Lyse
Norway: Tonstad
Germany: Moorriem
Project Time Schedule
Decision: 2013
Award: 2014
In Operation: 2018
Volume: 2 Bn USD
© ABB Group April 11, 2023 | Slide 37
Morgen: Europa 2020
Windenergie
HVDC Verbindungen
© ABB Group April 11, 2023 | Slide 38
Übermorgen: Europa 20XX Szenario
Wasserkraft200 GW
Solarenergie700 GW
8000 km2
90 x 90 km
Windenergie300 GW
25 000 km2
5000 x 10 km
Windenergie
Wasserkraft
Solarenergie
HVDC Verbindungen
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Onshore DC Netze
© ABB Group April 11, 2023 | Slide 40
Offshore DC Netze
© ABB Group April 11, 2023 | Slide 41
AusblickNächste Entwicklungsschritte
VSC-HGÜ - HVDC Light®:
DC-Spannung: 640 kV
Leistung: 2.400 MW
Verluste pro Konverter: < 0,9 %
DC-Kabel
DC-Spannung: 640 kV
Wassertiefen bis 2.000 m
Aufbau von Gleichstromnetzen (z.B. OffshoreGrid)
Zusammenwirken mit dem Drehstromnetz:
Hybrides AC-/DC-Netz
Überlagertes DC-Netz
Standardisierung erforderlichCigré (WG B4.52 „HVDC Grid Feasibility study” und weitere 5 neue WGs), CENELEC, IEC usw.
Neues IGBT-Modul.
Sperrspannung:4,5 kV
Stromtragfähigkeit:2 kA
Von der Punkt-zu-Punkt-Verbindung zum DC-Netz.
Quelle: ABB
© ABB Group April 11, 2023 | Slide 42
1997HellsjönPrototype95 mm2 Al ± 10 kV3 MW
2001Murraylink360 km1.400 mm2 Al± 150 kV220 MW
2008Up to 2.500 mm2 Al ± 320 kV600-1.200 MW
2004Estlink200 km2.000 mm2 Al± 150 kV350 MW
2007Borkum 2150 km2.300 mm2 Al ± 150 kV400 MW
2000Directlink390 km630 mm2 Al± 80 kV60 MW
In 10 Jahren 400-fache Leistung
Leistungsentwicklung
© ABB Group April 11, 2023 | Slide 43
ZusammenfassungNächste Entwicklungen bei HGÜ und Kabel
VSC-HGÜ - HVDC Light®:
Nächste Entwicklungschritte zu höheren Spannungen und höheren Leistungen, bei geringeren Konverterverlusten, Kommerziell erhältlich bis zu einer Spannung von 320 kV und einer Übertragungsleistung bis zu 1.100 MW.
Aufbau von Gleichstromnetzen (z. B. OffshoreGrid)
Zusammenwirken mit dem Drehstromnetz:
Hybrides AC-/DC-Netz / Überlagertes DC-Netz
Standardisierung erforderlich Cigré (WG B4.52 „HVDC Grid Feasibility study” und weitere 5 neue WGs), CENELEC, IEC usw.
Kabelsysteme zur Verlegung in größeren Wassertiefen
Flexible Kabelsysteme
© ABB Group April 11, 2023 | Slide 44
© ABB Group April 11, 2023 | Slide 48
Entwicklungstrends Höhere Spannungen für höhere Leistungen
Entwicklungstreiber
Stark wachsendes Interesse an Erd-verkabelung als Alternative zur Frei-leitungslösung
Substitution von vorhandenen 400-kV-Freileitungen
Forderung nach Übertragungsleis-tungen von 1.200 bis 1.300 MWpro System
500-kV-Kabel in Japan in Erprobung
Für Spannungen von 800 kV und da-rüber eventuell neue Herstellungs-technologien
Tra
nsm
issi
on C
apac
ity
1000 1500 2000 2500 30000
500
1000
1500
2000
2500
3000
MW
mm2
Conductor area
320 kV
400 kV
600 kV
Aluminum conductor