Pictures of the Future – Stromübertragung
Vom Exoten zum Bestseller
Dank modernster Halbleitertechnik verleiht Siemens einem lange bekannten Verfahren neuen Schwung – und bringt erneuerbare Energie über größte Entfernungen verlustarm zum Verbraucher.
Erdbebensicher an der Decke aufgehängt: Thyristor-Ventiltürme einer HGÜ-Strecke in China
Mal eben ein Kilowatt aus dem Regal nehmen, das kann niemand. Elektrische Energie muss gleich nach der Erzeugung genutzt werden. Auch kurzfristiges Speichern ist teuer und umständlich – und bei der Übertragung über große Distanzen sind intelligente Lösungen gefragt, sonst kommt nicht genug nutzbare Energie aus der langen Leitung.
Für die Kopplung regionaler Netze genügt die Hochspannungs-Wechselstromübertragung, deren Strommasten vielerorts das Landschaftsbild prägen. Die Spannung wechselt hier wie beim Strom aus der Steckdose 50 oder 60 Mal in der Sekunde das Vorzeichen, nur ist sie wesentlich höher. Der Grund: Die Verluste durch Erwärmung des Leiters werden größer, je mehr Strom fließt. Da aber der Verbraucher nur an der Leistung – dem Produkt aus Spannung und Strom – interessiert ist, lassen sich die Verluste drastisch reduzieren, wenn man die Spannung auf ein Vielfaches hochtransformiert: Der Strom sinkt dann entsprechend. Doch die Sache hat einen Haken: Bei langen Strecken beginnen die Phasen der elektrischen Schwingungen von Strom und Spannung auseinanderzulaufen, was weitere Verluste bei der nutzbaren elektrischen Leistung verursacht.
Solche Übertragungsverluste begrenzen die verfügbaren Energiequellen. So sind in Asien große Industriestandorte weit von Wasserkraft-Reservoiren entfernt, und in Europa möchten manche die Sonne der Sahara zur Stromgewinnung heranziehen. Doch "Wechselstromverbindungen über mehr als 1000 km sind unwirtschaftlich", rechnete Michail von Dolivo-Dobrowolsky, einer der Pioniere der Elektrotechnik, schon 1919 vor. Noch drastischer gilt dies für Stromverbindungen unter dem Meer, etwa für Kabel zwischen Inseln und Festland. "Wenn man Seekabel mit Wechselspannung betreibt, kommt ab etwa 60 km fast keine Leistung mehr aus dem Kabel", erläutert Dr. Asok Mukherjee von Siemens Power Transmission and Distribution (PTD), Erlangen.
Daher setzen immer mehr Länder auf die moderne Variante einer seit langem bekannten Technik: die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, kurz HGÜ. Wie bei einer Batterie fließt bei der HGÜ ein Gleichstrom durchs Kabel. Bereits die erste Stromübertragung im Jahre 1882 funktionierte mit Gleichstrom: Sie führte vom Ort Miesbach zu einer Elektroausstellung nach München. Damals sammelten die Ingenieure erste Erfahrungen mit der Elektrotechnik. 16 Jahre zuvor hatte Werner von Siemens den ersten Dynamo gebaut und damit die Starkstromtechnik begründet.
Aber eine HGÜ hat ihren Preis. Hier genügen nicht nur zwei Transformatoren wie beim Wechselstrom. Stattdessen müssen die Ströme auf der einen Seite der Verbindung gleichgerichtet und auf der anderen wieder zu Wechselstrom gemacht werden. Dies leisten Stromrichterventile, die im Rhythmus des Drehstroms Ausschnitte gleicher Polarität auf die Gleichstromseite durchschalten und so aus Wechselstrom Gleichstrom machen. Umgekehrt zerhacken sie den Gleichstrom auf der anderen Seite im Takt der Netzfrequenz.
Bereits 1933 lieferte das Siemens-Dynamo-Werk die ersten kommerziell nutzbaren Quecksilberdampf-Gleichrichter. Danach folgten eine 4-MW-Versuchsanlage in Berlin und eine kommerzielle 60-MW-Strecke zwischen Vockerode an der Elbe und Berlin. Die Testanlage wurde im Krieg zerstört. Teile der anderen Strecke demontierten die sowjetischen Truppen für eine Versuchsanlage bei Moskau.
In Deutschland beschäftigte man sich erst 1963 wieder mit HGÜ und experimentierte mit neuen Stromrichterventilen auf Siliziumbasis. 1969 kam der erste große Auftrag. Die portugiesischen Kolonialherren wollten Strom vom Wasserkraftwerk Cahora Bassa in Mosambik über 1 420 km nach Johannesburg in Südafrika transportieren. Eine gewaltige Entfernung, die Ingenieuren auch heute noch Respekt abnötigt – bis heute gibt es nur wenige Stromtrassen vergleichbarer Länge.
Gleichstromübertragung im Jahr 1882
Mutige Entscheidung für Thyristoren. Siemens wurde gebeten, sich mit anderen Partnern am Projekt zu beteiligen. Auf Basis ihrer Forschungen schlugen die Siemens-Techniker eine riskante Lösung vor. Sie wollten ein gerade erst entwickeltes Halbleiterelement verwenden: Thyristoren an Stelle der Quecksilberdampf-Ventile. Denn diese waren aufwändig herzustellen und liefen nicht immer störungsfrei. Bei Steuerungsproblemen konnten sie aufgrund der enormen Energiemengen sogar Transformatoren und Kabel zerstören – ein Grund für die zögerliche Haltung der Energieversorger gegenüber HGÜ. Die internationalen Gutachter verwarfen den Plan zunächst. "Sie wollten die Thyristor-Ventile gar nicht weiter diskutieren", erinnert sich Arnold Hofmann, damals Generalbevollmächtigter der Siemens-Schuckertwerke, im Abschlussbericht. Erst als der schwedische Konzern ASEA aus dem Projekt ausstieg, durften die Siemens-Techniker "ihre" Halbleiterventile bauen.
Es wuchsen 48 Doppelventile in den Himmel, bestückt mit 48 384 Thyristoren. Die enorme Anzahl erklärt sich aus der relativ geringen Belastbarkeit der damaligen Thyristoren. Der Mut wurde belohnt: Die Anlage funktionierte hervorragend, und nach Cahora Bassa wollte niemand mehr eine HGÜ mit Quecksilberdampf-Ventilen. Auch konnten die Ingenieure die Zahl der Thyristoren stetig verringern, denn die Halbleiter wurden immer leistungsfähiger. Davon profitierten zum Beispiel die von Siemens 1984 in Kanada und 1987 in den USA errichteten HGÜ-Anlagen. Beim 3000-MW-Gui-Guang-Projekt in China, das 2005 fertig gestellt sein soll, werden nur noch 3 744 Thyristoren gebraucht.
Für die an Wechselstrom gewöhnten Energieversorger war die HGÜ aber auch in den 80er Jahren noch ein Exot. Steigende Energiepreise und ein wachsendes Umweltbewusstsein erhöhten jedoch den Druck, möglichst alle Energieressourcen zu nutzen, insbesondere die Wasserkraft. Seit Ende der 90er Jahre gibt es daher einen kleinen HGÜ-Boom. Siemens konnte zwischen 1993 und 2002 sieben Großprojekte in Europa, Asien und den USA verwirklichen, darunter die 1 800-MW-Verbindung Tianshengqiao – Guangzhou in China und East-South Interconnector II in Indien mit 2 000 MW und 1 400 km Länge. 2001 wurde Nordirland über ein 64 km langes Seekabel an Schottland angeschlossen. Ein HGÜ-Seekabel zwischen Australien und Tasmanien ist zur Zeit im Bau.
"Die HGÜ hat mehr als ein halbes Jahrhundert gebraucht, um von einer exotischen Idee zum zuverlässigen Wirtschaftsprodukt zu reifen", sagt Asok Mukherjee. Bei Projektgrößen von 100 bis über 300 Mio. € ist die HGÜ inzwischen auch ein ertragreiches Geschäft geworden, mit einem Marktanteil von etwa 40 % für Siemens.
Seit 1995 setzt Siemens wieder auf eine innovative Technik: per Licht gesteuerte Halbleiter. "Unsere neuen Thyristoren werden nicht mehr durch einen Stromimpuls geschaltet, sondern durch einen nur 10 mW starken Laserblitz", erläutert Hans-Peter Lips, technischer Direktor bei PTD. Aufwändige elektromagnetische Abschirmungen und Steuerelemente sind nicht mehr nötig. Die Steuerung befindet sich weit weg vom Hochspannungsteil der Anlage und ist mit dieser nur über ein Glasfaserkabel verbunden. "So konnten wir die elektronischen Bauteile im Ventil um 80 % reduzieren", sagt Lips. Die schlanken Stromrichterventile waren vom Start weg ein Renner. Sie sind wartungsfreundlich und haben eine Lebenserwartung von über 30 Jahren. Deshalb werden sie in allen neuen HGÜ-Anlagen von Siemens eingesetzt. Auch die übertragbare Leistung soll steigen: Statt der heute maximal 2 000 bis 3 000 MW halten es die Siemens-Techniker für möglich, in absehbarer Zeit 5 000 MW zu erreichen, wenn es der Markt verlangt.
Bernd Schöne
Vorteile der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung
Die HGÜ ist technisch aufwändiger als eine konventionelle Wechselstrom-Hochspannungsstrecke, doch sie hat etliche wichtige Vorteile:
- Sie ist der einzige Weg, Strom über große Entfernungen wirtschaftlich zu transportieren. Eine HGÜ lohnt sich bei Freileitungen ab etwa 600 km. Bei Tiefseekabeln ist die HGÜ schon ab 50 bis 60 km konkurrenzfähig und bei längeren Seekabeln alternativlos.
- Die Streckenkosten sind bei einer HGÜ-Verbindung niedriger als bei konventionellen Überlandleitungen, denn es müssen statt drei Leitern (beim Drehstrom) nur zwei Leiter gezogen werden. Die Strommasten können schmaler ausgeführt werden.
- Alle wechselstrombedingten Verluste, ob induktiver oder kapazitiver Art, fallen weg.
- Es gibt keine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung. Bei Wechselstrom muss dieser Fehler energieaufwändig durch Stellglieder beseitigt werden.
- Bei Gleichstrom nutzen die Elektronen den gesamten Querschnitt des Leiters; bei Wechselstrom fließen sie nur in einer dünnen Schicht an der Oberfläche.
- Die HGÜ ist die einzige Möglichkeit, technisch inkompatible Stromnetze mit unterschiedlichen Regelverfahren oder Netzfrequenzen zu verbinden – ein wichtiges Entscheidungskriterium etwa in Indien, wo es vier regionale inkompatible Netze gibt.
- Die HGÜ mit ihrer schnellen Regelbarkeit der Leistung trägt zur Stabilisierung von bestehenden Drehstromnetzen bei, die sie verbindet.