© ABB Group November 14, 2013 | Slide 1 Hochspannungsnetzausbau in Deutschland Wie wir die regenerativen Energien zum Verbraucher bringen Günter Stark,

© ABB Group April 11, 2023 | Slide 1

Hochspannungsnetzausbau in DeutschlandWie wir die regenerativen Energien zum Verbraucher bringen

Günter Stark, ABB AG, Tel: 0621 381 3680, Email: [email protected]


WindeSolar

Wellen Bio

Quelle: DG Energy, European Commission


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


Erneuerbare Energie aus volatilen Quellen Erzeugung Wind- und Solar in Deutschland

Quelle: Amprion, EnBW


Veränderung der ErzeugungslandschaftLeistung 2011 - vor dem Moratorium

Quelle: Amprion


Veränderung der ErzeugungslandschaftLeistung 2011 - nach dem Moratorium

Quelle: Amprion


Veränderung der Erzeugungslandschaft führt zu veränderten Anforderungen an das Übertragungsnetz

Quelle: Amprion

Situation 2010 Szenario 2020


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


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


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


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


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


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


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


Xiangjiaba – Shanghai, ChinaDas längste und leistungsstärkste HVDC System

FULONGFULONG

FENGXIANFENGXIAN


Longquan- Three Gorges- 3000 MW


Freileitungsmast DC 800KV

800 kV Mast des Xiangjiaba – Shanghai Projekt


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


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


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)


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


NorNed - Lagerung eines HVDC Seekabels


Netzintegration von Offshore Windparks


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


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


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


BorWin1 Die Plattform auf dem Weg zum Ziel


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


BorWin1IGBT Stack Installation


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


BorWin1 Seekabelverlegung


BorWin1 Landkabelverlegung


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


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.


BorWin1HVDC Light Station, Diele

Cooling Units

ReactorsValves

Chopper

AC Filter Yard

DC FilterYard

Power Transformer


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


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


Morgen: Europa 2020

Windenergie

HVDC Verbindungen


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


Onshore DC Netze


Offshore DC Netze


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


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


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



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

Documents

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