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2015 | Book

Elektroenergiesysteme

Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie

Author: Adolf J. Schwab

Publisher: Springer Berlin Heidelberg

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About this book

In sehr verständlicher Weise führt das Buch in die Komplexität moderner Elektroenergiesysteme und die aktuelle Energiewende ein. Dabei werden technologische Innovationen und politische Rahmenbedingungen in Form des aktuellen Energiewirtschaftsgesetzes und des Erneuerbare-Energien-Gesetzes besonders berücksichtigt. Der so gewonnene Überblick ermöglicht den schnellen Einstieg in die umfangreiche Fachliteratur.

Von der Umwandlung der Primärenergieressourcen der Erde in kohlebefeuerten Kraftwerken und in Kernkraftwerken bis hin zur rapide wachsenden Nutzung Erneuerbarer Energien sowie dem Paradigmenwechsel von zentraler zu dezentraler Stromerzeugung behandelt das Buch das gesamte Spektrum der Erzeugung, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie und der hierzu erforderlichen technischen Einrichtungen. Besondere Beachtung erfahren hierbei auch die wirtschaftlichen Aspekte im Rahmen der Liberalisierung des Strommarkts und der Energiewende sowie die informationstechnischen Aspekte im Rahmen der Kraftwerks- und Netzleittechnik. Visionen von Smart Grids, Smart Homes und Smart Cities sowie potentielle Optionen der Energiespeicherung lassen die weitere Evolution der allgemeinen Stromversorgung erahnen.

Table of Contents

Frontmatter
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
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.
Adolf J. Schwab
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
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. 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.
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 1.100 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, 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
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-Hochspannungsnetze auf die diversen Regionen einer Regelzone verteilt, so genannte Grobverteilung (engl.: sub transmission), s. a. 2.2. In den Umspannstationen der Regionen wird die Hochspannung von 110 kV je nach Lastdichte bzw.
Adolf J. Schwab
12. Sternpunktbehandlung
Zusammenfassung
In symmetrisch betriebenen Drehstromsystemen ergänzen sich die Ströme der drei Phasen in den Sternpunkten der Betriebsmittel stets zu Null
$${{\underline{I}}_{R}}+{{\underline{I}}_{S}}+{{\underline{I}}_{T}}={{\underline{I}}_{N}}=0.$$
(12.1)
.
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 \({f_N}\) und einem bestimmten Spannungsprofil \({U_{Ni}}\) (Spannungen der einzelnen Netzknoten) herrscht ein Gleichgewicht zwischen erzeugter und aufgenommener Wirkleistung sowie erzeugter und aufgenommener Blindleistung.
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 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 (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
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. In diesem letzten Kapitel werden einige dieser Aspekte ansatzweise vorgestellt, um den Leser auch die wirtschaftliche Komplexität von Elektroenergiesystemen erahnen zu lassen.
Adolf J. Schwab
22. Anhang
Zusammenfassung
Wechselspannungen und -ströme werden im Zeitbereich durch Sinus- bzw.
Adolf J. Schwab
Erratum
Adolf J. Schwab
Backmatter
Metadata
Title
Elektroenergiesysteme
Author
Adolf J. Schwab
Copyright Year
2015
Publisher
Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN
978-3-662-46856-2
Print ISBN
978-3-662-46855-5
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-662-46856-2