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2022 | Book

Elektroenergiesysteme

Smarte Stromversorgung im Zeitalter der Energiewende

Author: Prof. Dr. Adolf J. Schwab

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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About this book

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 Migration des überwiegenden Teils der deutschen Jahresstromproduktion weg von den großen Kraftwerken zu Millionen dezentraler EE-Stromerzeugungsanlagen in den Verteilnetzen behandelt das Buch das gesamte Spektrum der Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie. Der Paradigmenwechsel in der Stromproduktion und Stromverteilung geht einher mit der Aufrüstung klassischer Verteilnetze zu Smart Grids mittels kommunikationsfähiger, intelligenter Messsysteme sowie umfassender Änderungen ihrer Netzführung und Netzbereitstellung. Besondere Beachtung erfahren wirtschaftliche Aspekte im Rahmen der Liberalisierung des Strommarktes und der Energiewende sowie informationstechnische Aspekte digitaler Kraftwerks- und Netzleittechnik. Visionen von Smart Homes und Smart Cities sowie potenzieller Optionen künftiger Energiespeicherung lassen die weitere Evolution der allgemeinen Stromversorgung erahnen. Neu aufgenommen wurden eine Einführung in den Datenaustausch in Rechnernetzen, eine umfassende Darstellung der Erdschlussbehandlung und eine Einführung in Gleichstromnetze in der Fabrikautomatisierung. Die seltenen Risiken flächendeckender Blackouts durch geomagnetische Stürme oder nukleare elektromagnetische Impulse runden das Werk ab.
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 allgemeinen und industriellen Stromversorgung befasst sind.

Table of Contents

Frontmatter
Kapitel 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.
Adolf J. Schwab
Kapitel 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 Wechselstrom- und 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
Kapitel 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
Kapitel 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
Kapitel 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
Kapitel 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
Kapitel 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, flexibleres Lastfolgeverhalten etc. führten 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
Kapitel 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
Kapitel 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
Kapitel 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
Kapitel 11. Verteilung elektrischer Energie vor der Energiewende
Zusammenfassung
Verteilnetze übernehmen die Aufgabe, die von den Kraftwerken eines Elektroenegiesystems erzeugten und in die 380 kV und 220 kV Übertragungsnetze eingespeisten großen Strommengen auf die vielen Millionen Endkunden derart bedarfsgerecht zu verteilen, dass an allen Abnahmestellen je nach Spannungsebene die individuell benötigte Strommenge bei der vereinbarten Versorgungsspannung unterbrechungsfrei zur Verfügung steht. Hierzu bedienen sich die Verteilnetze einer hierarchisch gestuften Struktur unterschiedlicher Spannungsebenen, beginnend mit den so genannten Hochspannungsnetzen 110 kV, ihnen unterlagerten Mittelspannungsnetzen 10 kV, 20 kV und 30 kV, schließlich den Niederspannungsnetzen 230 V/400V.
Adolf J. Schwab
Kapitel 12. Smart Grids
Zusammenfassung
Mit der Verkündung der Energiewende durch die Bundesregierung Anfang des 21. Jahrhunderts (2.1.2) begann die Migration eines Großteils der Bruttojahresstromerzeugung weg von den grob 300 thermischen Großkraftwerken hin zu derzeit bereits über 1,5 Millionen dezentralen EE-Erzeugungseinrichtungen in den Verteilnetzen. Über 90 % der Anlagen dienen der Eigenstromversorgung und sind direkt über den eigenen Zählerschrank und den Hausanschlusskasten an das Niederspannungsnetz angebunden. Zahlreiche von Großinvestoren errichtete größere EE-Erzeugungsanlagen speisen wegen ihrer höheren Leistungen in höhere Spannungsebenen der mehrschichtigen Verteilnetzstruktur ein (engl.: independent power producers).
Adolf J. Schwab
Kapitel 13. Sternpunktbehandlung
Zusammenfassung
In symmetrisch betriebenen Drehstromsystemen ergänzen sich die Ströme der drei Phasen in den Sternpunkten der Betriebsmittel stets zu Null.
Adolf J. Schwab
Kapitel 14. Schaltanlagen
Zusammenfassung
Schaltanlagen, genauer gesagt ihre Sammelschienen, bilden die Netzknoten der Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetze, Bild 14.1. Die in den Netzknoten ankommenden und abgehenden Leitungen werden oberbegrifflich als Abzweige bezeichnet, Bild 14.1a. 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 14.1b. Sind die Abzweige über Schaltgeräte (14.1) mit der Sammelschiene verbunden, spricht man von einer Schaltanlage, in Bild 14.1c strichliert (s. a. Bild 14.2).
Adolf J. Schwab
Kapitel 15. 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
Kapitel 16. Frequenz- und Spannungsregelung
Zusammenfassung
Im stationären Betrieb eines Hochspannungsnetzes mit Nennfrequenz fN und einem bestimmten Spannungsprofil UNi (Spannungen der einzelnen Netzknoten) herrscht ständig ein instantanes Gleichgewicht zwischen erzeugter und aufgenommener Wirkleistung sowie erzeugter und aufgenommener Blindleistung. Störungen des jeweiligen Gleichgewichts führen zu unerwünschten Frequenzänderungen Δf bzw. Spannungsänderungen ΔU. Beispielsweise bewirkt eine Erhöhung des Wirkleistungsverbrauchs ΔP bei unveränderter Primärenergiezufuhr in den Kraftwerken eine Drehzahl- bzw.
Adolf J. Schwab
Kapitel 17. 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. Zweitens macht die extreme räumliche Dispersion der einzelnen Prozessleitsysteme und ihrer Prozesskomponenten die Einführung einer zusätzlichen Technologie, der so genannten Fernwirktechnik, erforderlich (17.4), die künftig im Rahmen der Digitalisierung der Netze, insbesondere in den Verteilnetzen, auch von Rechnernetzen vom Typ LoraWan unterstützt werden wird (s. a. 12.2).
Adolf J. Schwab
Kapitel 18. Netzbetrieb
Zusammenfassung
Die komplexe Aufgabe des Netzbetriebs teilen sich die beiden großen Themenkomplexe Netzführung und Netzbereitstellung, Bild 18.1.
Adolf J. Schwab
Kapitel 19. 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
Kapitel 20. 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
Kapitel 21. 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 16). 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. Stellt sich nach Beseitigung der Störung wieder ein stationärer Gleichgewichtszustand ein, bezeichnet man ein Netz als stabil.
Adolf J. Schwab
Kapitel 22. 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 allem aber auch von der Aussicht, mit dem Geschäftsmodell „Strom erzeugen und verkaufen“ auf legale Weise gutes Geld verdienen zu können. Wirtschaftliche Aspekte sind eine inhärente Komponente von Elektroenergiesystemen.
Adolf J. Schwab
Kapitel 23. Anhang
Zusammenfassung
Die in elektrischen Energienetzen auftretenden Wechselspannungen und Wechselströme besitzen im ungestörten Betrieb einen näherungsweise sinus- bzw. kosinusförmigen zeitlichen Verlauf konstanter Kreisfrequenz ω = 2πf (f = 50 Hz), so genannte harmonische Zeitfunktionen, beispielswei.
Adolf J. Schwab
Backmatter
Metadata
Title
Elektroenergiesysteme
Author
Prof. Dr. Adolf J. Schwab
Copyright Year
2022
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-64774-5
Print ISBN
978-3-662-64773-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-64774-5