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© ABB Group March 15, 2010 | Slide 1 Stromtransport: Erfordernisse und Lösungen für ein eu- ropäisches Verbundnetz unter Nutzung solaren Stroms aus Nordafrika.

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1 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 1 Stromtransport: Erfordernisse und Lösungen für ein eu- ropäisches Verbundnetz unter Nutzung solaren Stroms aus Nordafrika Dr.-Ing. Thomas Benz, DPG-Frühjahrstagung, 16. März 2010

2 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 2 DESERTEC Industrial Initiative (DII) Konzept für eine nachhaltige Stromversorgung für die EUMENA-Region Quelle: DESERTEC Foundation Ziel für 2050: Deckung von etwa 15 % des europä- ischen Strombedarfs durch in der MENA- Region regenerativ erzeugten Strom. EU: Europe ME: Middle East NA: North Africa

3 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 3 Drehstromübertragung Bis heute das System der Wahl für Europa Vorteile Transformierbarkeit Einfache elektromechanische Energieumwandlung Einfache Stromunterbrechung Frequenz als systemweite Führungsgröße Vermaschbarkeit Übertragungsnetz der UCTE, Union for the Coordination of Transmission of Electricity (jetzt ENTSO-E, European Network of Transmission System Operators for Electricity). Stand: Quelle: L C/2 Betriebskapazität Betriebsinduktivität Vereinfachtes Ersatz- schaltbild für eine elektrische Wechsel- stromleitung. Drehstromfreileitung: Induktivitätsbelag L= 0,8 … 1,3 mH/km Kapazitätsbelag C= 9 … 14 nF /km VPE-Drehstromkabel ( 110 kV): Induktivitätsbelag: L= 0,2 … 0,6 mH/km Kapazitätsbelag: C= 200 … 300 nF/km Grenzen Energieübertragung über lange Strecken (Verluste, Stabilität) Drehstromkabel bereits bei Entfer- nungen < 100 km wegen Blind- leistungsbedarf technisch schwierig

4 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 4 Drehstromübertragung Ist der Mittelmeer-Ring eine Lösung? MEDRING Update Study - Preliminary findings: Sending renewable/fossil based AC electricity around the Mediterranean basin might not be the best option. A 100% AC synchronization is very complicated. Even when the ring has been com- pleted, its transit capacity will not be sufficient for the necessity of internal transit between Mediterranean countries, nor for the North-South transit. Kaupp, A.: MEDRING Update Study. Technical Workshop on Electricity Inter- connections in the Mediterranean, Feb. 2010, Brussels. Quelle: Bild: DLR TRANS-CSP Study Report, Juni Dahomé, E. (MEDELEC): Syn- chronous or asyn- chronous – Over- view of outstanding questions. Technical Workshop on Electricity Inter- connections in the Mediterranean, Feb. 2010, Brussels. Quelle:

5 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 5 Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) Die Alternative zur Drehstromübertragung Vorteile: Geringe Verluste (Gleichstrom) Keine Längenbeschränkung, keine Stabilitätsprobleme Kabel über große Entfernung ein- setzbar, da kein Blindleistungsbe- darf Geringer Flächenbedarf Nachteile: Basiskosten für Umrichterstationen erst bei größeren Entfernungen wirtschaftlich interessant (auf See: ab ca. 80 km, an Land ab mehreren 100 km) Punkt-zu-Punkt-Verbindung (aber: selbstgeführte HGÜ vermaschbar) Beispiele für HGÜ- Projekte in Asien. Beispiele für HGÜ- Projekte in Europa.

6 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 6 HGÜ-Technik Klassische HGÜ (netzgeführte HGÜ) Thyristor-Technik (nur einschaltbar) 12-Puls-Umrichter Kurzschlussleistungsbedarf (Betrieb nur am spannungsstarren Netz) Leistungsbereich: 250 – MW Leistungsflussumkehrung durch Um- polung der Spannung (Stromfluss- richtung bleibt gleich) Stufenweise Blindleistungsbereit- stellung Freileitung oder Massekabel (Isolation: ölimprägniertes Papier) Fernübertragung großer Leistungen 550 MW, 120 x 50 x 11 m Prinzipschaltbild HGÜ Klassik. (HVDC = High Voltage Direct Current) 6-Zoll-Thyristor für HGÜ-Anwendungen. Sperrspannung: 8,5 kV Stromtragfähigkeit: 4,5 kA

7 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 7 Klassische HGÜ – Projektbeispiel UHVDC-Verbindung Xiangjiaba – Shanghai, China Kapazität: MW (ausreichend für die Versorgung von 31 Mio. Menschen) Ausführung: bipolare Übertragung DC-Spannung: ±800 kV DC-Strom: A Distanz: km Verluste: < 7 % (Gesamtsystem) Gründe für die Verwendung von HGÜ: Große Übertragungsdistanz Große Übertragungsleistung Kompaktheit: 40 % weniger Land- verbrauch als bei einer Drehstrom- übertragung km 1-Phasen-Umrichter- Transformator. Nennscheinleistung: S N = 297 MVA Nennspannungen: U N = 515/158 kV Abmessungen: 10,85 x 3,5 x 4,85 m (L x B x H) Gewicht: 260 t 12 Stck. pro Pol Nutzung der Wasser- kraft zur Stromerzeu- gung in großer Ent- fernung von den Verbrauchszentren (Shanghai).

8 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 8 Klassische HGÜ – Projektbeispiel Seekabelverbindung NorNed, Norwegen – Niederlande Kapazität: 700 MW DC-Spannung: ±450 kV Distanz: 580 km (Kabel gefertigt und verlegt in Teil- stücken bis 150 km Länge, Gesamt- gewicht t) Wassertiefe bis zu 410 m Verluste: < 4 % (Gesamtsystem) Gründe für die Verwendung von HGÜ: Lange Seekabelverbindung Kopplung asynchroner AC-Netze Steuerbarer Leistungsfluss (Strom- handel) Asynchrone Ver- bindung der Dreh- stromnetze von Norwegen und den Niederlanden. NorNed-Seekabel. Leiter: 2 x 790 mm 2 Kupfer Isolierung: Masse- imprägniertes Papier Abmessungen: 217 x 136 mm Gewicht: 84 kg/m

9 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 9 HGÜ-Technik VSC-HGÜ (selbstgeführte HGÜ) IGBT-Technik (ein- und ausschaltbar) Benötigt keine Kommutierungsblind- leistung Leistungsbereich: 50 – MW Dynamische Spannungsregelung Schwarzstartfähig* Leistungsflussumkehrung durch Um- kehrung des Stromflusses VPE-Kabel (Isolation: vernetztes Polyethylen) oder Freileitung Geringer Platzbedarf durch kompakte Stromrichterstationen Vielfältige Anwendungen Prinzipschaltbild VSC-HGÜ. (VSC = Voltage Source Converter) IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)- Module für unter- schiedliche Leis- tungsbereiche. Sperrspannung: 2,5 kV Stromtragfähigkeit: 500 bis A *Kann nach einem Netzfehler den Betrieb selbstständig, d.h. ohne Stützung durch das umgebende Drehstromnetz wieder aufnehmen.

10 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 10 VSC-HGÜ – Projektbeispiel Landkabelverbindung Murraylink, Australien Kapazität: 220 MW Blindleistung bei Nennleistung: Wechselrichterbetrieb: -100 bis +100 MVAr Gleichrichterbetrieb: -75 bis +125 MVAr DC-Spannung: ±150 kV DC-Strom: 739 A Distanz: 176 km Gründe für die Verwendung von HGÜ: Lange Kabelverbindung (Kabel zum Schutz der Übertragungsstrecke vor Buschbränden) Steuerbarer Leistungsfluss (Strom- handel) Einfache Genehmigung 176 km Asynchrone Ver- bindung der Dreh- stromnetze von Victoria und Südaustralien. Kabelverlegung. Isolierung: 3-fach ex- trudiertes, vernetztes Polyethylen (VPE) Leiterquerschnitte: und mm 2 Aluminium (aufgrund unterschiedlicher thermischer Boden- eigenschaften) Kabeldurchmesser: 80,2 und 83,7 mm

11 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 11 VSC-HGÜ – Projektbeispiel Netzanbindung Borkum 2, Deutschland Kapazität: 400 MW DC-Spannung: ±150 kV Distanz: 203 km (128 km Seekabel, 75 km Landkabel) Gründe für die Verwendung von HGÜ: Lange See- und Landkabelver- bindung Einfache Blindleistungsbereitstellung zur Spannungsstabilisierung Schwarzstartfähigkeit Anschluss des Off- shore-Windpark- Clusters Borkum 2 in der Nordsee. Offshore-HGÜ-Platt- form. Plattform-Oberdeck: Abmessungen: 54 x 35 x 25 m (L x B x H) Gewicht: t (inkl. Anlagen) Unterwasserstruktur: Gewicht: ca t Höhe: ca. 40 m Wasserspiegel bis zur Plattform: 20 m

12 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 12 VSC-HGÜ Beiträge zur Systemstabilität Wirkleistungsregelung (Frequenz- stabilität) Jeder Wirkleistungsfluss einstellbar Sofortige Leistungsflussumkehr (Stromumkehr) Kann nicht unkontrolliert überlastet werden Blindleistungsregelung (Spannungs- stabilität) Unabhängig von der Wirkleistung Unterstützt den Netzwiederaufbau nach Kurzschluss Reihenschaltung von VSC-HGÜ und Dreh- stromleitung. Parallelbetrieb von VSC-HGÜ und Dreh- stromleitung. Asynchrone Einspei- sung in ein Dreh- stromsystem.

13 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 13 Ausblick Nächste Entwicklungsschritte Klassische HGÜ DC-Spannung: kV VSC-HGÜ: DC-Spannung: 640 kV Leistung: MW Verluste pro Konverter: < 0,9 % DC-Kabel DC-Spannung: 640 kV Wassertiefen bis m DC-Leistungsschalter Elektronisch Mechanisch Aufbau von Gleichstromnetzen (z.B. OffshoreGrid) Neues IGBT-Modul. Sperrspannung: 4,5 kV Stromtragfähigkeit: 2 kA Von der Punkt-zu- Punkt-Verbindung zum DC-Netz.

14 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 14 Zusammenfassung Mit der klassischen, netzgeführten HGÜ lassen sich große Leistungen sehr effizient über weite Strecken übertragen. Für die Seekabelübertragung ist die HGÜ oftmals die ein- zig realisierbare Lösung. Die VSC-HGÜ zeichnet sich zusätzlich dadurch aus, dass sie zur Spannungsregelung, Lastflussregelung und Blind- leistungsbereitstellung im Drehstromnetz eingesetzt wer- den kann. Die VSC-HGÜ kann an schwachen Drehstromnetzen mit nur geringen Kurzschlussleistungen betrieben werden, was für die Realisierung des DESERTEC-Konzepts von beson- derem Vorteil ist. Die künftig wohl interessantesten Anwendungen für die VSC-HGÜ liegen generell im Aufbau von DC-Netzen.

15 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 15 Fazit Mit HGÜ muss DESERTEC keine Vision bleiben Wasserkraft 200 GW Solarenergie 700 GW 8000 km 2 90 x 90 km Windenergie 300 GW km x 10 km Wasserkraft Solarenergie HGÜ-Verbindungen Windenergie

16 © ABB Group March 15, 2010 | Slide 16


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