Elektrische Energieversorgung 3

Die Analyse des dynamischen Verhaltens und der Stabilität des Energieversorgungsnetzes setzt eine wirklichkeitsgetreue Modellierung aller Netzelemente einschließlich Regelkomponenten voraus. Sowohl zur Lösung spezieller Aufgaben wie für das Verständnis der sich abspielenden Vorgänge sind aber zweckmäßige Vereinfachungen sinnvoll.

Hauptmerkmale einer technisch guten elektrischen Energieversorgung sind die Zuverlässigkeit des Netzbetriebs und die Qualität der Spannung, d. h. die Einhaltung aller Spannungsmerkmale, wie Frequenz, Amplitude, Form und Symmetrie.

Kapitel 2 behandelt die Frage der Frequenzabweichungen und der Frequenzregelung unter der Annahme, die Synchronisiervorgänge seien unter Wahrung der Stabilität des Netzes erfolgreich abgeschlossen. Es bleibt zu klären, welche Bedingungen erfüllt sein müssen, damit dies tatsächlich auch eintritt.

Hinsichtlich der zahlreichen Abkürzungen wird auf die Erläuterung im Anhang D verwiesen.

Das elektrische Energieversorgungsnetz ist das tragende Element der elektrischen Energieverteilung vom Kraftwerk zum Verbraucher. Öffentliche und industrielle Energieversorgungsnetze und elektrische Anlagen in Kraftwerken müssen eine hohe Verfügbarkeit besitzen. Die gründliche Planung ist allein aus wirtschaftlichen Aspekten unumgänglich, da eine Versorgungsunterbrechung hohe Folgekosten nach sich ziehen kann. Die vorausschauende Planung für Investitionen elektrischer Anlagen und Einrichtungen reicht bis zu zwei Jahrzehnte weit. Für diesen Zeitraum sind die grundsätzlich erforderlichen Investitionen und Maßnahmen zu ermitteln. Einzelheiten in der Ausführung und im zeitlichen Ablauf brauchen dabei noch nicht festgelegt werden. Daher haben Planungsaufgaben für elektrische Netze bei Energieversorgungsunternehmen, bei Industriebetrieben sowie bei öffentlichen Einrichtungen einen hohen Stellenwert.

Mit der kommerziellen Verfügbarkeit leistungselektronischer Komponenten hoher Bemessungsleistung ist deren Anwendung in Anlagen für die Hoch- und Höchstspannungsseite der elektrischen Energieübertragung in unterschiedlichen Systemausführungen forciert worden. Im Zusammenhang damit entstand das Konzept des Flexible AC Transmission Systems (FACTS). In diesen Übertragungssystemen sind leistungselektronische und andere statisch regelbare Betriebsmittel installiert (FACTS-Elemente), um die Steuerbarkeit und damit Anpassungsfähigkeit zu vergrößern ([13, 14, 28]). Der Einsatz von FACTS-Elementen ermöglicht eine stärkere Auslastung bestehender Energieübertragungssysteme – erreichbar ohne platzintensive Zubaumaßnahmen – durch anpassungsfähige Leistungsflussregelung, Vergrößerung der übertragbaren Leistung und schnelle Beeinflussung des Spannungsprofils.

In den Anfängen der elektrischen Energieversorgung wurde zunächst Gleichstrom verwendet und erst später vom Wechselstrom verdrängt (Kimbark E.D.: Direct Current Transmission, Volume 1, Wiley-Interscience, 1971). Bereits 1881 experimentierte Marcel Deprez mit Lichtbogenlampen, die mittels Gleichstromgeneratoren betrieben wurden und veröffentlichte daraufhin die erste theoretische Arbeit über HGÜ. Die Anfänge der Transformation, mehrphasiger Systeme und Asynchronmotoren in den 1880er und 1890er Jahren hingegen stellten den Wendepunkt zur Wechselstromtechnik bzw. Drehstromstrom her. Der Transformator machte es auf einfache, zuverlässige und effiziente Art und Weise möglich verschiedene Spannungsebenen für die Erzeugung, Übertragung, Verteilung und Nutzung von Elektroenergie zu verwenden. Insbesondere ermöglichte er die Energieübertragung über weite Strecken und auf hohen Spannungsebenen. Die Erschließung der Wasserkraft, die sich meist weit entfernt von großen Ballungszentren befindet, gab zusätzliche Anreize für diese Art der elektrischen Energieübertragung. Somit wurden Gleichstromsysteme nahezu vollständig durch Wechselstromsysteme verdrängt. Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) bietet dagegen volle Regelbarkeit der Strecken und benötigt naturgemäß für die Übertragung elektrischer Energie keine Blindleistung sondern lediglich bei Ausführung als fremdgeführte HGÜ Kommutierungsblindleistung an den Umrichterstandorten. Obwohl die Vorteile der Gleichstromübertragung von Beginn an erkannt wurden, musste deren praktische Anwendung auf die Entwicklung von passend dimensionierten elektrischen Ventilen warten. 1939 machte Dr. Uno Lamm die bedeutende Entwicklung von Quecksilberventilen für Hochspannungsanwendungen. Damit leistete er Pionierarbeit bei der Entwicklung der modernen HGÜ-Technologie.

Methoden zur Lösung der Betriebsführungs- und Planungsprobleme eines vertikal integrierten Energieversorgungsuntenehmens (VIEVU) sind seit Jahrzehnten bekannt [7, 9, 10, 12, 14], (usw., s. dazu auch [1, 2]), und werden im folgenden zuerst zusammenfassend dargelegt und dann aus der Sicht der liberalisierten Energieversorgung ergänzt. Dies setzt die Kenntnis der elementaren mikroökonomischen Grundgesetze voraus, weshalb ein diese erklärender Abschnitt vorangestellt wird.

Zur Gewährleistung einer sicheren und zuverlässigen Versorgung mit elektrischer Energie bedarf es, neben den primären Bestandteilen des Energieversorgungsnetzes, auch der sogenannten Sekundärtechnik, um den Energieversorgungsprozess überwachen und steuern zu können. Die dafür benötigte Leit- und Informationstechnik erstreckt sich von der Feldebene innerhalb der Schaltanlagen und Umspannwerke über die Stationsleittechnik bis zur Netzleitebene und die daran angrenzende Integration mit der EVU-weiten IT-Welt. In Abb. 10.1 sind die einzelnen Ebenen der Leit- und Informationstechnik dargestellt. Am Beginn dieses Kapitels wird im Folgenden näher auf die unteren zwei Ebenen (Felderfassung, Lokalsteuerung und Automation sowie Kommunikation) eingegangen. Danach werden die oberen Ebenen (Netzüberwachung und Netzbetrieb, SCADA, höherwertiger Netzbetrieb sowie Geschäftsprozesse) behandelt. Am Ende des Kapitels erfolgt ein Ausblick auf die unter dem Begriff „Smart Grid“ zusammengefassten Innovationen der zukünftigen Energieversorgungen.