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Über dieses Buch

In außergewöhnlich verständlicher Weise führt dieses Buch in die Komplexität moderner Elektroenergiesysteme und insbesondere in das Generationenprojekt Energiewende ein. Von der Umwandlung der Primärenergieressourcen der Erde in konventionellen thermischen Kraftwerken bis hin zur aktuellen Verlagerung des überwiegenden Teils der deutschen Jahresstromproduktion weg von den großen Kraftwerken auf Millionen dezentraler EE-Stromerzeugungsanlagen in den Verteilnetzen behandelt das Buch das gesamte Spektrum der Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Die Migration der Stromproduktion geht einher mit der Aufrüstung der bisherigen Verteilnetze zu Smart Grids sowie umfassenden Änderungen ihrer Netzführung und Netzbereitstellung. Besondere Beachtung erfahren wirtschaftliche Aspekte im Rahmen der Liberalisierung des Strommarkts und der Energiewende sowie informationstechnische Aspekte sicherer Kraftwerks- und Netzleittechnik. Visionen von Smart Homes und Smart Cities sowie potentiellen Optionen künftiger Energiespeicherung lassen die weitere Evolution der allgemeinen Stromversorgung erahnen. Neu aufgenommen wurden auch die seltenen Risiken flächendeckender Black-Outs durch geomagnetische Stürme oder nukleare elektromagnetische Impulse.
Das Buch wendet sich vorrangig an Studierende und Berufsanfänger der Elektrotechnik sowie an alle in der Praxis stehenden Ingenieure und Fachleute anderer Disziplinen, die mit Elektroenergiesystemen, der Energiewende und allen daraus resultierenden Veränderungsprozessen in der öffentlichen und industriellen Stromversorgung befasst sind.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Chapter 1. Elektrische Energie und Lebensstandard

Zusammenfassung
Der Wohlstand einer Nation 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.
Adolf J. Schwab

Chapter 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. Bereits Ende des 19. Jahrhunderts gab es in Deutschland etwa 500 in Privatbesitz befindliche dezentrale Kraftwerke, meist zur Eigenversorgung von Unternehmen oder Großgebäuden.
Adolf J. Schwab

Chapter 3. Energieressourcen – Energieverbrauch

Zusammenfassung
Der Verbrauch elektrischer Energie unterliegt je nach Tageszeit, Wochentag und Monat zeitlichen Schwankungen, die in Tageslastdiagrammen grafisch dargestellt werden. Beispielsweise zeigt Bild 3.1 zwei typische Tageslastkurven höchster und niedrigster Spitzenlast der BRD.
Adolf J. Schwab

Chapter 4. Stromerzeugung in Wärmekraftwerken

Zusammenfassung
Die großtechnische Umwandlung von Primärenergie in elektrische Energie, kurz die Erzeugung elektrischer Energie, erfolgt in Kraftwerken. Abhängig von der eingesetzten Primärenergie unterscheidet man.
Adolf J. Schwab

Chapter 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

Chapter 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. 2.1.1 und 2.1.2). 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 anfänglich vielfach belächelt.
Adolf J. Schwab

Chapter 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 1.100 Antriebe geschaltet und Ventile betätigt werden.
Adolf J. Schwab

Chapter 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 den überwiegenden Anteil 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

Chapter 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

Chapter 10. Transport und Übertragung elektrischer Energie

Zusammenfassung
Transport und Übertragung elektrischer Energie erfolgen im Regelfall mit Drehstrom, oberbegrifflich als Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung bzw. HDÜ bezeichnet (engl.: High-Voltage AC Transmission, HVAC). In einigen Spezialfällen kommt für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen zwei Netzknoten auch Gleichstrom zum Einsatz, so genannte Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung bzw. HGÜ (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

Chapter 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 Höchstspannung der Transportnetze zunächst auf 110 kV heruntertransformiert und über mehrere 110 kVHochspannungsnetze auf die diversen Regionen einer Regelzone verteilt, so genannte Grobverteilung (engl.: sub transmission), s. a. 2.2.
Adolf J. Schwab

Chapter 12. Sternpunktbehandlung

Zusammenfassung
In symmetrisch betriebenen Drehstromsystemen ergänzen sich die Ströme der drei Phasen in den Sternpunkten der Betriebsmittel stets zu Null
Adolf J. Schwab

Chapter 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

Chapter 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

Chapter 15. Frequenz- und Spannungsregelung

Zusammenfassung
Im stationären Betrieb eines Hochspannungsnetzes mit Nennfrequenz fN und einem bestimmten Spannungsprofil UNi (Spannungen der einzelnen Netzknoten) herrscht ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und aufgenommener Wirkleistung sowie erzeugter und aufgenommener Blindleistung. Störungen des jeweiligen Gleichgewichts führen zu unerwünschten Frequenzänderungen Δf bzw. Spannungsänderungen ΔU.
Adolf J. Schwab

Chapter 16. Netzleittechnik

Zusammenfassung
Das Transportnetz und die Verteilnetze eines Elektroenergiesystems 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 eigener Warte, so genannte Netzleitstellen.
Adolf J. Schwab

Chapter 17. Netzbetrieb

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

Chapter 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

Chapter 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.
Adolf J. Schwab

Chapter 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

Chapter 21. Wirtschaftliche Aspekte in Elektroenergiesystemen

Zusammenfassung
Wie die vorangegangenen Kapitel gezeigt haben, sind Elektroenergiesysteme bezüglich Variabilität, Konnektivität und investiertem Kapital die größten und komplexesten von menschlicher Hand geschaffenen technischen Systeme. Getrieben wurde diese Entwicklung vom stetig wachsenden Bedarf der Stromkunden und vom technischen Fortschritt, vor allemaber auch von der Aussicht,mit demGeschäftsmodell „Strom erzeugen und verkaufen“ auf legale Weise gutes Geld verdienen zu können. Wirtschaftliche Aspekte sind eine inhärente Komponente von Elektroenergiesystemen.
Adolf J. Schwab

Chapter 22. Anhang

Zusammenfassung
Wechselspannungen und -ströme werden im Zeitbereich durch Sinusbzw. Kosinusfunktionen, so genannte harmonische Funktionen
Adolf J. Schwab

Erratum zu:

A.J. Schwab
Adolf J. Schwab

Erratum zu: Energieressourcen – Energieverbrauch

Erratum zu:
Kapitel 3 in: A. J. Schwab, Elektroenergiesysteme ,
Kapitel 3
S. 76 In der eingerückten Auflistung im unteren Drittel der Seite ist in jeder Zeile das Wort „Leistungsfluss“ zu ersetzen durch das Wort „Energiefluss“.
Adolf J. Schwab

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