Anlage

Systemstabilität

Stabile Netze sorgen für eine zuverlässige Stromversorgung

Die Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB) untersuchen im Netzentwicklungsplan Strom, welcher zusätzliche Übertragungsbedarf durch den Wandel von Stromerzeugung und Verbrauch im deutschen Stromnetz besteht. Sie stellen damit sicher, dass auch in Zukunft genügend Transportkapazität zur Verfügung steht, um jederzeit den Strom von den Erzeugern zu den Verbrauchern zu transportieren.

Doch nicht nur der Übertragungsbedarf ändert sich durch die Energiewende, auch die Anforderungen an das Netz insgesamt ändern sich. Das liegt zum Beispiel an der höheren Auslastung von Leitungen, einer stärkeren Einbindung in das europäische Netz, schnelleren und größere Schwankungen bei der Stromerzeugung sowie dem Wegfall von konventioneller Stromerzeugung.

Um sicherzustellen, dass der Betrieb des Stromnetzes jederzeit – auch bei unvorhergesehenen Ereignissen – stabil ist, untersuchen die Übertragungsnetzbetreiber die Stabilität des Systems in den Zieljahren des Netzentwicklungsplans. Dazu werden der Betrieb und mögliche Störfälle modelliert und geprüft, ob Spannung, Frequenz und Winkel – drei wichtige Kenngrößen für die Stabilität des Wechselstromnetzes – innerhalb der zulässigen Grenzen bleiben.

Statisch vs. Synamisch

Die Stromübertragung ist stabil, wenn die Spannung zwischen den Netzknoten in den zulässigen Grenzen bleibt, die Frequenz von 50 Hertz zu jedem Zeitpunkt gehalten wird und die Synchronität der Generatoren auch im Falle einer Störung gewahrt bleibt. Damit das Stromsystem sich so verhält, werden Blindleistungskompensationsanlagen benötigt.

Blindleistung wird benötigt, um Wirkleistung zu transportieren

Blindleistung hat ihren Namen, weil sie nicht in andere Energieformen umgewandelt werden kann. Im Wechselstromnetz dient sie dazu, die elektrischen und magnetischen Felder, die mit einer Frequenz von 50 Hertz ihre Richtung wechseln, auf- und abzubauen. Er ist damit im übertragenen Sinne das Schmiermittel für einen reibungslosen Netzbetrieb. Ohne diese Blindleistung kann keine Wirkleistung – Leistung, die von Verbrauchern verwendet werden kann – transportiert werden.

Blindleistung dient der Spannungshaltung

Mit Hilfe von Blindleistung wird die Spannung im Übertragungsnetz gesteuert: Durch kapazitive Blindleistung wird die Spannung erhöht, durch induktive Blindleistung wird sie gesenkt.

Verbraucher und, je nach Lastfluss, auch das Stromnetz selbst, stellen induktive Blindleistung bereit und senken damit die Spannung. Um die Spannung dennoch konstant zu halten, wird kapazitive Blindleistung benötigt. Blindleistungskompensation ist also nötig, um induktive und kapazitive Blindleistung jeweils in der Balance und so die Spannung stabil zu halten.

Kapazitive und Induktive Blindleistung

 

Hohe Auslastung einer Leitung bedeutet höheren Blindleistungsbedarf

Die Leitungen des Übertragungsnetzes erzeugen im Betrieb selbst Blindleistung. Je nach Betrieb wird kapazitive oder induktive Blindleistung erzeugt. Unterhalb der natürlichen Leistung der Leitung, die bei etwa einem Drittel ihrer thermischen Kapazität liegt, erzeugt sie kapazitive Blindleistung, oberhalb erzeugt sie induktive Blindleistung. Der Bedarf an kapazitiver Blindleistung steigt dabei mit dem Quadrat der zu transportierenden Wirkleistung. Je höher eine Leitung also ausgelastet wird, desto mehr kapazitive Blindleistung ist zur Kompensation nötig.

Blindleistung kann nicht über große Strecken transportiert werden

Blindleistung muss regional bereitgestellt werden, um die Spannung im Netz zwischen den Netzknoten möglichst auf dem gleichen Niveau zu halten. Sie kann daher nicht über weite Strecken transportiert werden.

Herausforderungen durch die Energiewende

Durch die Energiewende erhöht sich der Gesamtbedarf an Blindleistung. Gleichzeitig werden Anlagen, die in der Vergangenheit Blindleistung bereitgestellt haben, stillgelegt. Außerdem muss Blindleistung aufgrund der schwankenden Erzeugung erneuerbarer Energien innerhalb sehr viel kürzerer Zeiträume bereitgestellt werden.

Höherer Transportbedarf führt zu höherem Blindleistungsbedarf

Die Stromerzeugung verlagert sich durch die Energiewende weiter weg von den Verbrauchszentren. Dadurch steigt insgesamt der Transportbedarf und so auch insgesamt der Bedarf für Blindleistungskompensation.

Höhere Netzauslastung führt zu höherem Blindleistungsbedarf

Ein wichtiger Teil der Maßnahmen zur Netzoptimierung ist die höhere Auslastung bestehender Leitungen. Dadurch soll Netzausbau vermieden werden.

Durch die höhere Auslastung von Leitungen wird jedoch auch mehr kapazitive Blindleistung benötigt, da der Blindleistungsbedarf mit höherer Auslastung der Leitungen exponentiell steigt.

Blindleistungsbedarf

 

Weniger konventionelle Kraftwerke bedeuten weniger Blindleistung

Bisher wurde insbesondere kapazitive Blindleistung oft von konventionellen Kraftwerken bereitgestellt. Durch den Wegfall eines großen Teils der konventionellen Erzeugung im Zuge der Energiewende, fällt auch der Großteil der bisherigen Anlagen zur Bereitstellung von Blindleistung weg.

Der Wegfall dieser Reserven muss durch Kompensationsanlagen ersetzt werden.

Laständerungen bedeuten einen höheren Bedarf an dynamischer und regelbarer Kompensation

Durch die große Zahl wetterabhängiger erneuerbarer Energien ändern sich Wirkleistungsflüsse oft sehr schnell. Dadurch ändert sich auch die zum Transport benötigte Blindleistung sehr schnell. Deshalb muss die Blindleistungskompensation zunehmend dynamisch erfolgen.

Technologien

Die Stabilität des Netzes hängt wesentlich von der Bereitstellung von Blindleistung ab. Da diese nur noch eingeschränkt aus (konventionellen) Erzeugungsanlagen zur Verfügung steht, müssen spezielle Anlagen im Übertragungsnetz die nötige Blindleistungskompensation leisten.

Hierfür gibt es eine Reihe technischer Möglichkeiten, von denen einige hier dargestellt werden:

Statische Blindleistungskompensation:

MSCDN (Mechanically Switched Capacitators with Damping Network) sind Kondensatoren, die kapazitive Blindleistung bereitstellen und z.B. bei hoch ausgelasteten Leitungen zum Einsatz kommen, um die Spannung zu erhöhen.

Drosselspulen werden eigesetzt, um induktive Blindleistung bereitzustellen und bei niedriger Auslastung der Leitungen die Spannung zu senken.

Spulen und Kondensatoren werden meist manuell geschaltet und präventiv zur Kompensation von längerfristigen Schwankungen der Spannung eingesetzt. So werden Drosselspulen zum Beispiel nachts zur Senkung der Spannung bei geringer Last eingesetzt, wenn die Leitungen unterhalb ihrer natürlichen Leistung betrieben werden und dadurch kapazitive Blindleistung erzeugen. MSCDN kommen dagegen tagsüber zur Erhöhung der Spannung bei hoher Last zum Einsatz.

Dynamische und regelbare Blindleistungskompensation:

SVC (Static VAr Compensator) werden zur stufenlosen Blindleistungskompensation eingesetzt und können sowohl kapazitive als auch induktive Blindleistung liefern.

STATCOMs (Static Synchronous Compensators) werden wie SVCs zur stufenlosen Blindleistungskompensation eingesetzt.

Rotierende Phasenschieber sind Synchronmotoren, die dynamisch Blindleistung zur Verfügung stellen können. Sie dienen zum Teil als Ersatz der entfallenden rotierenden Massen aus der konventionellen Erzeugung.

HGÜ-Konverter können ebenfalls regelbare Blindleistung bereitstellen. Da Blindleistung jedoch nur lokal genutzt werden kann, ist der Einsatz auf das Netz in der Nähe des jeweiligen Konverters beschränkt.

Dynamische und regelbare Kompensationsanlagen spielen eine zunehmend wichtige Rolle, weil sie auch kurzfristige Schwankungen ausgleichen können und damit insgesamt stabilisierend auf das Netz wirken.

Der Ausbaubedarf für Blindleistungskompensationsanlagen zur Stabilisierung des Netzes wird in den Analysen zur Systemstabilität zum NEP 2030 (2019) auf Basis des Szenarios B 2035 mit mindestens 38,1 - 74,3 GVAr für Deutschland beziffert, was nach aktuellem Stand der Technik (300 MVAr/Anlage) einem Zubau von 127 - 248 Anlagen entspricht.

Zubaubedarf