Elektroenergiesysteme

Frontmatter

1. Elektrische Energie, Lebensstandard, Versorgungssicherheit

Zusammenfassung

Der Wohlstand einer Nation bzw. einer Gesellschaft besitzt zwei Quellen. Man holt ihn entweder aus dem Boden oder man produziert. Beispiele für ersteres sind die erdöl-, erdgas-, diamanten-, gold- oder kohleexportierenden Länder, Beispiele für letzteres die so genannten Industrienationen. Ihre Industrien und Gewerbebetriebe erbringen sowohl mit klassischen als auch zunehmend mehr wissensbasierten Produkten und Dienstleistungen eine Wertschöpfung. Beispielsweise werden in Produktionsbetrieben Rohmaterialien ver- und bearbeitet, zu Produkten veredelt und für einen höheren Preis wieder verkauft. Der so geschaffene Mehrwert finanziert über die Unternehmensteuern, die Ausgaben des Beschaffungswesens sowie durch die Ausgaben der Eigentümer, Lohn- und Gehaltsempfänger für ihren Lebensunterhalt alle anderen privaten und staatlichen Einrichtungen bzw. Dienstleister.

Adolf J. Schwab

2. Elektroenergiesysteme, Verbundsysteme

Zusammenfassung

Die Wurzeln unserer heutigen Stromversorgung reichen zurück bis zur Entdeckung des Induktionseffekts durch Faraday im Jahr 1831, die Entdeckung des elektrodynamischen Prinzips durch Werner von Siemens im Jahr 1866 und den Beginn der großtechnischen Herstellung von Glühlampen durch Edison im Jahr 1879. Anfänglich wurden zahllose Gleichstromgeneratoren, später zunehmend auch Wechselstromund Drehstromgeneratoren dezentral in Fabriken, Bürohäusern, Hotels, Theatern etc. zur Stromerzeugung eingesetzt, zunächst überwiegend für Beleuchtungszwecke.

Adolf J. Schwab

3. Energieressourcen – Energieverbrauch

Zusammenfassung

Der Verbrauch elektrischer Energie unterliegt je nach Tageszeit, Wochentag und Monat zeitlichen Schwankungen, die in Belastungsdiagrammen graphisch dargestellt werden. Beispielsweise zeigt Bild 3.1 eine typische Tagesbelastungskurve höchster und niedrigster Spitzenlast der BRD.

Adolf J. Schwab

4. Stromerzeugung in Wärmekraftwerken

Zusammenfassung

Die großtechnische Umwandlung von Primärenergie in elektrische Energie, kurz die Erzeugung elektrischer Energie, erfolgt in Kraftwerken.

Adolf J. Schwab

5. Stromerzeugung in Kernkraftwerken

Zusammenfassung

Kernkraftwerke sind grundsätzlich auch thermische Kraftwerke bzw. Dampfkraftwerke. In ihnen wird jedoch die zum Verdampfen des Wassers benötigte Wärme nicht durch Verbrennungsvorgänge, sondern durch Freisetzen von Kernenergie in Kernreaktoren gewonnen. Ein Problem der Kernenergie ist ihre geteilte gesellschaftliche Akzeptanz angesichts mehrerer massiver Reaktorunfälle in anderen Ländern und der Problematik der Endlagerung derzeit nur zwischengelagerter radioaktiver Abfälle.

Adolf J. Schwab

6. Stromerzeugung aus Erneuerbaren Energien

Zusammenfassung

Gemäß dem 1. Energiewirtschaftsgesetz EnWG aus dem Jahre 1935 erfolgte die Stromerzeugung in Deutschland vorrangig unter dem Gesichtspunkt minimaler Stromkosten bzw. -preise (s. a. 21.1 und 21.2). Der kostenoptimale Strommix aus fossil befeuerten Kraftwerken, Wasserkraftwerken und später Kernkraftwerken richtete sich neben betrieblichen Erfordernissen nach den aktuellen Preisen bzw. Kosten für die verschiedenen Primärenergieträger. Mit Ausnahme der Wasserkraft wurde die Nutzung Erneuerbarer Energien mittels Windrädern und Solarzellen vielfach belächelt. Angesichts ihrer hohen Investitionskosten waren sie mit der großtechnischen Stromerzeugung in Kraftwerken schlicht nicht wettbewerbsfähig, auch wenn die Primärenergie praktisch kostenlos zur Verfügung stand.

Adolf J. Schwab

7. Kraftwerkleittechnik

Zusammenfassung

Kraftwerke sind komplexe Systeme, deren Betriebsführung insbesondere im Bereich der Umwandlung von Primärenergie in mechanische Energie eine weitgehende Automatisierung ihrer Teilprozesse erfordert. Steigende Anforderungen an primärenergiesparende Betriebsweise, höheren Gesamtwirkungsgrad, besseres Lastfolgeverhalten etc. führen zwangsweise zu immer größeren Blockeinheiten höherer Komplexität. Beispielsweise müssen zur Führung eines modernen steinkohlebefeuerten 475 MW-Blocks etwa 3.500 analoge und 4.000 binäre Messsignale für Temperaturen, Drücke, Durchflüsse, Analysen etc. erfasst und verarbeitet, zur Steuerung des Prozessverhaltens 1.000 Antriebe geschaltet und Ventile betätigt werden.

Adolf J. Schwab

8. Umwandlung mechanischer Energie mittels Synchrongeneratoren

Zusammenfassung

Die großtechnische Umwandlung der von den Gas-, Dampf- und Wasserturbinen, gegebenenfalls auch von Dieselmotoren bereitgestellten mechanischen Energie in elektrische Energie erfolgt mit Drehstromsynchrongeneratoren. Sie erzeugen fast 100 % der weltweit verbrauchten elektrischen Energie. Dem Verständnis ihres Betriebsverhaltens und ihrer Modellbildung für die Spannungs- und Frequenzregelung sowie die Stabilität eines Elektroenergiesystems kommt daher besondere Bedeutung zu. In geringem Umfang werden zur Erzeugung elektrischer Energie auch Drehstromasynchrongeneratoren (z. B. in Windgeneratoren oder kleinen Wasserkraftwerken ohne Wartungspersonal) sowie einphasige Bahnstromgeneratoren (16 2/3 Hz) eingesetzt.

Adolf J. Schwab

9. Bereitstellung elektrischer Energie auf verschiedenen Spannungsebenen

Zusammenfassung

Die verlustarme Übertragung und Verteilung großer Mengen elektrischer Energie erfordert Transformatoren, die diese Energie für den Transport über große Entfernungen auf hohem Spannungsniveau bereitstellen.

Adolf J. Schwab

10. Transport und Übertragung elektrischer Energie

Zusammenfassung

Transport und Übertragung elektrischer Energie erfolgen im Regelfall mit Drehstrom, generisch als Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung bzw. HDÜ bezeichnet (engl.: High-Voltage AC Transmission, HVAC). In einigen Spezialfällen kommen für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen zwei Netzknoten auch so genannte Hochspannungs-Gleichstrom Übertragungen bzw. HGÜ zum Einsatz (engl.: High-Voltage DC Transmission, HVDC). Beide Verfahren werden im folgenden kurz vorgestellt. Die sich anschließenden Abschnitte behandeln systemtechnische und betriebliche Aspekte von Drehstromleitungen.

Adolf J. Schwab

11. Verteilung elektrischer Energie

Zusammenfassung

Von Verteilung spricht man bei der Weiterleitung elektrischer Energie aus den 220 kV-/380 kV-Transportnetzen zu diversen Verteilerunternehmen, und letztlich zu den Sonderabnehmern und Endverbrauchern. In Umspannwerken (16.2) wird die Hochspannung zunächst auf 110 kV heruntertransformiert und über mehrere 110 kV-Netze auf die diversen Regionen einer Regelzone verteilt. In den Umspannstationen der Regionen wird die Hochspannung von 110 kV je nach Lastdichte bzw. Größe des Versorgungsgebiets auf die so genannte Mittelspannung von 10 kV, 20 kV oder 30 kV heruntertransformiert. Von dort fließt die elektrische Energie über Mittelspannungskabel zu den Ortsnetzstationen in den einzelnen Straßenfluchten eines Wohngebiets oder auch eines Gewerbegebiets (Bild 10.3b).

Adolf J. Schwab

12. Sternpunktbehandlung

Zusammenfassung

In symmetrisch betriebenen Drehstromsystemen ergänzen sich die Ströme der drei Phasen stets zu Null. Etwaige Strompfade zwischen den Sternpunkten der Generatoren, Transformatoren und Verbraucher, beispielsweise Kabelmäntel, Blitzschutzerdseile oder das Erdreich, sind dann stromlos.

Adolf J. Schwab

13. Schaltanlagen

Zusammenfassung

Schaltanlagen, genauer gesagt ihre Sammelschienen, bilden die Netzknoten der Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetze, Bild 13.1. Die in den Netzknoten ankommenden und abgehenden Leitungen werden oberbegrifflich als Abzweige bezeichnet, Bild 13.1a. Man unterscheidet Abzweige für Einspeisungen, Abgänge und Kupplungen zu anderen Netzknoten. Wegen der Vielzahl der Abzweige und des für die großen Leitungsquerschnitte benötigten Anschlussraums werden die „Knoten“ technisch als Sammelschienen realisiert, Bild 13.1b. Sind die Abzweige über Schaltgeräte (13.1) mit der Sammelschiene verbunden, spricht man von einer Schaltanlage, in Bild 13.1c strichliert (s. a. Bild 13.2).

Adolf J. Schwab

14. Netzschutz

Zusammenfassung

Netzschutz gliedert sich in den Überspannungsschutz und die so genannte Schutztechnik. Der Überspannungsschutz verhindert das Isolationsversagen von Betriebsmitteln infolge von Überspannungsbeanspruchungen. Er wird bereits bei der Planung von Netzen im Rahmen der Isolationskoordination durch Einbau von Überspannungsableitern realisiert. Der Überspannungsschutz zählt zur so genannten Primärtechnik, bedarf keiner späteren Anpassung und soll deshalb hier nicht näher betrachtet werden.

Adolf J. Schwab

15. Frequenz- und Spannungsregelung

Zusammenfassung

Im stationären Betrieb eines Hochspannungsnetzes mit Nennfrequenz fN und einem bestimmten Spannungsprofil U_Ni (Spannungen der einzelnen Netzknoten) herrscht Gleichgewicht zwischen erzeugter und aufgenommener Wirkleistung sowie erzeugter und aufgenommener Blindleistung. Störungen des jeweiligen Gleichgewichts führen zu unerwünschten Frequenzänderungen ∆f bzw. Spannungsänderungen ∆U. Beispielsweise bewirkt eine Zunahme des Wirkleistungsverbrauchs bei unveränderter Primärenergiezufuhr in den Kraftwerken eine Drehzahlbzw. Frequenzabsenkung, eine Zunahme des Blindleistungsverbrauchs eine Verringerung der Knotenspannungen um die Spannungsabfälle längs der Leitungs- und Generatorreaktanzen.

Adolf J. Schwab

16. Netzleittechnik

Zusammenfassung

Die Transport-, Übertragungs- und Verteilnetze von Elektroenergiesystemen werden mit Hilfe von Netzleitsystemen geführt. Netzleitsysteme weisen gegenüber gewöhnlichen Prozessleitsystemen zwei zusätzliche Komplexitätsgrade auf. Erstens handelt es sich um mehrere, hierarchisch den einzelnen Spannungsebenen zugeordnete, miteinander kommunizierende Prozessleitsysteme mit jeweils eigenerWarte, so genannte Netzleitstellen. Zweitens macht die extreme räumliche Dispersion der einzelnen Prozessleitsysteme und ihrer Prozesskomponenten die Einführung einer zusätzlichen Technologie, der so genannten Fernwirktechnik, erforderlich (16.4). Bild 16.1 zeigt die grundsätzliche Struktur des Netzleitsystems eines einzelnen 110 kV-Netzes.

Adolf J. Schwab

17. Netzbetrieb

Zusammenfassung

Die komplexe Aufgabe des Netzbetriebs teilen sich die beiden großen Themenkomplexe Netzführung und Netzbereitstellung, Bild 17.1.

Adolf J. Schwab

18. Berechnung von Netzen und Leitungen im stationären Betrieb

Zusammenfassung

Die Berechnung von Netzen und Leitungen im stationären Betrieb erfolgt heute fast ausschließlich im Rahmen der so genannten Leistungsflussrechnung. Vor dem Aufkommen der Digitalrechner wurden Knotenspannungen und Zweigströme mittels analoger Netzmodelle (spezielle Analogrechner) bestimmt.

Adolf J. Schwab

19. Kurzschlussstromberechnung

Zusammenfassung

Beim Versagen der Isolation zwischen den Leitern eines Drehstromsystems infolge Alterung, betrieblicher oder atmosphärischer Überspannungen etc. kommt es an der Fehlerstelle zu einem Lichtbogen, der die Verbraucherimpedanzen praktisch kurzschließt. Über die Fehlerstelle und in den zu- und abgehenden Leitungen fließen Kurzschlussströme, deren Höhe und zeitlicher Verlauf sich nach den im Strompfad liegenden Leitungsimpedanzen und den komplexen Generatorinnenwiderständen richtet. Die möglichen Fehlerströme müssen während der Planung eines Netzes und der Auslegung seiner Komponenten sowie für Sicherheitsbetrachtungen und den Netzschutz rechnerisch ermittelt werden.

Adolf J. Schwab

20. Stabilität von Elektroenergiesystemen

Zusammenfassung

Im stationären Betriebszustand eines Elektroenergiesystems herrscht an jedem Generator und auch im gesamten Netz ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und verbrauchter Wirkleistung sowie ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und verbrauchter Blindleistung, so genannte Wirkleistungs- und Blindleistungsbalance (siehe Kapitel 15). Laständerungen, Kurzschlüsse oder Erzeugungsausfälle stören diese Gleichgewichte und führen zu elektromechanischen Ausgleichsvorgängen der Generatoren sowie meist aperiodischen Änderungen der Knotenspannungen bzw. Spannungen an den Sammelschienen.

Adolf J. Schwab

21. Wirtschaftliche Aspekte in Elektroenergiesystemen

Zusammenfassung

Wegen der großen volkswirtschaftlichen Bedeutung einer zuverlässigen flächendeckenden Energieversorgung wurde in Deutschland bereits 1935 durch die damalige Reichsregierung das Energiewirtschaftsgesetz EnWG erlassen. Der Fokus lag auf einer möglichst sicheren und kostengünstigen Energieversorgung.

Adolf J. Schwab

22. Anhang

Zusammenfassung

Wechselspannungen und -ströme werden im Zeitbereich durch Sinusbzw.

Adolf J. Schwab

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