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Integration erneuerbarer Energienin das Versorgungssystem

der Zukunft

Prof. István ErlichUniversität Duisburg‐EssenEssen, 30. November 2011

Herausforderungen

• Beträchtlicher Anteil von erneuerbaren Quellen• Volatile Einspeisung → Reservehaltung, Speicherung• Technische Eigenschaften der neuen „erneuerbaren

Kraftwerke“ unterscheiden sich von denen der herkömmlichen Kraftwerke

• Extensiver Stromhandel • Große Distanzen zwischen Erzeuger- und

Lastschwerpunkten• Transportbedarf erfordert zusätzliche Leitungen• Leitungsbau nur eingeschränkt möglich

2

3

00

5,000

10,000

15,000

20,000

25,000

30,00019

92

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

[MW]

Installed capacity ‐ start of the year Addition during the year

Installierte Windleistung

Deutschland

4

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

00:00 04:48 09:36 14:24 19:12 00:00

Load and Wind Power in VE‐T Area

Wind, Sun, 04.10.2009

Load, Sun, 04.10.2009

MW

Time

Source: VE‐T Web page

VE-T Grid

Installed Wind Power: ca. 10,500 MWShare of Wind Energy: ca. 20%

Herausforderungen

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Installed Wind Power: ca. 10,500 MWShare of Wind Energy: ca. 20%

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

9000

00:00 04:48 09:36 14:24 19:12 00:00

Wind Power in VE‐T Area

Sat, 31.10.2009

Fri, 30.10.2009

Thu 29.10.2009

Sun, 04.10.2009

Source: VE‐T Web page

MW

Time

Herausforderungen

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Brauchen wir neue Leitungen?

Offshore

18640 MW

Offshore

1711 MW

Onshore

25000 MW

North See Baltic See

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Brauchen wir neue Leitungen?

Die Frage ist weniger ob Ja oder Nein, sondern wann und welche Leitung ist erforderlich.

Machen lange „Overlay“-Leitungen evt. lokale Netzverstärkungen überflüssig?

Einigung auf ein langfristiges strategisches Netzausbaukonzept dringend erforderlich!

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Kabel oder Freileitung?

Einige Aspekte:

Kosten Genehmigungsprozedur Umwelteinfluss Elektromagnetische Felder Verfügbare Technologien Netzsicherheit Lebensdauer

Freileitung wäre technisch und wirtschaftlich günstiger.

400-kV-VPE-Kabel, zwei Stromkreise

400-kV-Freileitung

9

Zusätzliche Komponenten

Ladeleistungs-KompensationsspulePhasenschieber-Transformator

Ireactive

10

Zusätzliche Komponenten

Kondensatorbank 400 kV

Erhöhter Bedarf an kapazitiver Blindleistung

Quelle: SIEMENS AG, MSCDN Willington; GB; 225 Mvar 400 kV

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Zusätzlich Komponenten?

12

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Freileitungen

Mastbild Donaumast/Doppelsystem Donaumast/Doppelsystem Spannung kV 380 500 Masthöhe ca. m 51 63 Traversenbreite ca. m 40 45 Schutzstreifenbreite ca. m 70 75 Anz. Teilleiter 4 4 Bündel-Abstand ca. m 6,5 8,0 Teilleiterquerschnitt mm2 4*264/34 4*680/85 4*264/34 4*680/85Bündel-Durchmesser mm 360 410 380 410 therm. Grenzleistung MVA 2*1790

(2*2720A) 2*3028 (2*4601A)

2*2355 (2*2720A)

2*3984 (2*4601)

Grenzleistung bei 1 A/mm2

MVA

2*698 (2*1061A)

2*1790 (2*2720A)

2*918 (2*1061A)

2*2356 (2*2720A)

Widerst.belag R´35°C m/km 2*28,2 2*11,0 2*28,2 2*11,0 Reaktanzbelag X´1 m/km 2*260,0 2*250,0 2*270,0 2*260,0 Verlustbelag bei Höchstlast

W/m 2*625,9

2*698,6

2*625,9

2*698,6

Verlustbelag bei 1 A/mm2

W/m 2*95,2

2*244,1

2*95,2

2*244,1

Charakteristische Parameter

14

0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

S

Cu 2500 Al 3000 Al 1600

MVA 2 systemsm = 0.7

0

400

800

1200

1600

2000

S

Cu 2500 Al 3000 Al 1600

MVA

22001 systemm = 0.7

air, 40°Cair, 30°C

water, 2 pipes, 20°Cwater, 4 pipes, 10°C

soil, s = 0.3 msoil, s = 1.0 m

380-kV-VPE-Kabel

Belastbarkeit

Quelle: Prof. Brakelmann

15

0 5 10 15 200

5

10

15

20

B

3

T

x

2

1

2*1000 A

m

Quelle: Prof. Brakelmann

Magnetische Feldstärke

Vergleich Kabel - Freileitung

HVDC Technologies

HVDC Classic 300 – 6.400 MWThyristor-TechnologyOverhead Lines and Oel CablesReactive Power in steps

HVDC Light® 50 – 1.100 MWIGBT-TechnologyOverhead Lines and VPE CablesContinues reactive power controlDynamic voltage controlBlack Start capability

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Long Distance Transmission

Alternativen:

400 kV, 50 Hz, AC:Wirtschaftlich bis 400-500 km, ggf. mit Serienkompensation; VPE Kabel vorhanden; voll integrierbar in das bestehende Netz

HVDC Classic:500-800 kV, Entfernungen 400-2000 km; nur Ölkabelvorhanden kommt nur als Freileitung in Frage; nicht netzwerkfähig

VSC-HVDC (HVDC Light, Plus):Nur bis 300 kV und 1100 MW; Entfernungen 400-1000 km; VPE-Kabel bis 300 kV; netzwerkfähig aber kein Gleichstromschalter vorhanden

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Anfang- und Endpunkte der Verbindungensind beliebig gewählt

DC

DC

DC

DC

ACDC

AC withTCSC

Scenario I:

400 kV AC evtl. mit TCSC bei Entfernungen bis zu 500-600 km(Freileitung, Kabel)

HVDC Classic bis für 600-2000 km (Freileitung)

Overlaynetz

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Anfang- und Endpunkte der Verbindungensind beliebig gewählt

DC

DC

DC

DCAC

DCScenario II:

Vermaschtes300 kV HVDC Light, Plus(Kabel und Freileitung, kein Schalter!)

Overlaynetz

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Smart Grids

Intelligente Netze

Demand Side Management

DynamischeNetzauslastung

Zustandsmonitoring

Wide Area Protection and Emergency control, Self-healing Grids

PMUWide Area

Measurament

DynamischeNetzauslastung

DynamischeSteuerung mitLeistungs-elektronik

Verteilnetze

Load Load Load Load

Typically radial structure

10-30 kV

Entfernung

Ohne dezentrale Einspeisung

Spa

nnun

g

Mit dezentraler Einspeisung

Verteilnetze

Load Load Load Load

Typically radial structure

10-30 kV

Beträchtlicher Ausbaubedarf Änderung des Schutzkonzeptes (möglich Rückspeisung) Problem Netzinselung Spannungshaltung: koordinierte Spannungsregelung, evt.

Stufensteller zu 0.4 kV

• Volatile Leistungsflüsse Netzführung wird schwieriger

• Lange Leistungstransite, höher ausgelastete Leitungen geringere Sicherheitsreserven

• Smart Grids besserer Überblick und Emergency Control, dynamische Netzauslastung

• Leistungselektronik im Netz schnelle Stellmöglichkeiten aber auch mehr Fehlerquellen

Aber: Mittel- und langfristig gibt es keine Alternative zur Nutzung erneuerbaren Energien!

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Zukunft

Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

Prof. I. Erlich

Universität Duisburg-EssenFG Elektrische Anlagen und Netze