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Stromübertragung

Autobahnen für elektrischen Strom

Notwendige Erweiterung: Erneuerbare Energien produzieren Strom oftmals fernab der Verbraucherzentren. Der Ausbau effizienter Stromnetze ist daher wichtig.

Um eine nachhaltige Energieversorgung umzusetzen, ist der Ausbau der Fernnetze notwendig. Doch für den Transport großer Leistungen über weite Entfernungen sind die elektrischen Verluste auf konventionellen Wechselstromtrassen zu hoch – und oft fehlt auch die Akzeptanz in der Bevölkerung für Neubauten. Wie könnten die Alternativen aussehen?

Erneuerbare Energien sollten vor allem dort genutzt werden, wo sie reichlich anfallen: Wind auf dem offenen Meer und Sonne in sonnenreichen Gegenden. So sollen bis 2020 in Norddeutschland Windräder bis zu 30 Gigawatt Spitzenleistung installiert sein. Doch gleichzeitig liegen die großen Verbraucherschwerpunkte nicht im Norden, sondern vornehmlich im Süden des Landes – wie aber bekommt man den Strom von Nord nach Süd?

Schon heute reichen die Leitungen nicht. Der saubere Strom aus dem Norden muss häufig auf Stromnetze der östlichen und westlichen Nachbarn Deutschlands umgeleitet werden, um letztlich in Süddeutschland anzukommen. Ein massiver Ausbau des Stromnetzes scheint unausweichlich. Hierzu hat die Bundesregierung mit den vier deutschen Übertragungsnetzbetreibern im Mai 2012 einen Netzentwicklungsplan vorgestellt. Insgesamt sollen in den nächsten zehn Jahren 3.800 Kilometer neue Leitungstrassen entstehen. Ein Mammutvorhaben also, das nach erfolgreicher Umsetzung auch als Blaupause für eine nachhaltige Energieversorgung in anderen Ländern dienen kann, vor allem dann, wenn wie in Deutschland ein wichtiger Anteil der erneuerbaren Energien fernab der Verbraucherzentren „geerntet“ werden soll.

Bis 2022 sollen in Deutschland ca. 3.800 Kilometer neue Trassen gebaut werden.

Effiziente HGÜ-Technik

Aber ist ein derart schneller Ausbau des Stromnetzes überhaupt zu realisieren? „Ab einer Trassenlänge von einigen hundert Kilometern sind bei der bisher dominanten Drehstromtechnik die Verluste zu groß“, erklärt Prof. Dirk Westermann, Leiter des Fachgebiets Elektrische Energieversorgung an der Universität Ilmenau und Mitglied im Beirat der Plattform „Zukunftsfähige Energienetze" des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie. „Hier wäre der Ausbau mit der Technik der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) am effizientesten.“ Damit ist es möglich, Strom auch über mehr als tausend Kilometer mit geringen Verlusten zu transportieren. „Mit Gleichstrom können im Vergleich zu Drehstromleitungen die Übertragungsverluste um 30 bis 50 Prozent reduziert werden“, bringt es Jörg Dorn, Leiter der Produktentwicklung für HGÜ-Systeme bei Siemens Energy, auf den Punkt.

Verlustarmer Stromtransport auf Mallorca

Dass das funktioniert, zeigt seit 2010 eine Siemens-HGÜ in China. Sie versorgt die Megastädte in der Provinz Guangdong mit sauberem Strom aus 1.400 Kilometer entfernten Wasserkraftwerken. Weitere Referenzen in Neuseeland, New York City oder Spanien zeigen ebenfalls die Vorteile dieser Technik. So verbindet eine HGÜ das spanische Festland mit der Baleareninsel Mallorca und versorgt diese mit Strom aus erneuerbaren Energien. Dadurch sollen Lastspitzen während der Urlaubssaison abgefangen und der Insel der Bau neuer Kraftwerksblöcke erspart werden. Siemens hat als einer der führenden Hersteller bei HGÜ einen Weltmarktanteil von etwa 40 Prozent.

Mehr Leistung übertragen

Eine HGÜ-Strecke verbindet wie eine Pipeline zwei Punkte miteinander. Zunächst wandelt eine Umrichterstation am Eingang den Wechselstrom in einen Gleichstrom sehr hoher Spannung, beispielsweise 400.000 oder 800.000 Volt. Am anderen Ende steht ein weiterer Umrichter, der aus dem Gleichstrom wieder Wechselstrom erzeugt, der zu den Verbrauchern geleitet wird. „Zwar sind die Kosten für die Umrichter hoch“, erklärt Westermann, „doch die geringeren Leitungskosten kompensieren ab 600 km diesen finanziellen Mehraufwand wieder.“

Ein weiterer Vorteil von HGÜ: Bei gleicher Trassenbreite kann eine HGÜ-Verbindung zwei- bis dreimal mehr Leistung übertragen als eine Wechselstromtrasse. Bereits vorhandene Strecken ließen sich sofort in leistungsfähige Stromautobahnen umbauen. Die Idee ist umso reizvoller, da in Deutschland praktisch alle Leiterseile an zweiarmigen Masten hängen. Diese führen links und rechts je eine dreiphasige unabhängige Drehstromverbindung, das System ist dadurch redundant.

Firewall gegen Netzstörungen

Darüber hinaus könnten HGÜ-Trassen helfen, die Energiesysteme in Europa besser miteinander zu vernetzen. So stößt die sich abzeichnende Erweiterung des europäischen Stromverbunds in Richtung Osten und Süden – bis hin nach Russland, dem Mittleren Osten und Afrika – schnell an die Grenzen der Machbarkeit eines weiträumigen synchronen Netzbetriebes. Aus technischen Gründen können die dortigen Wechselstromnetze nicht direkt mit dem innereuropäischen Stromnetz zusammenarbeiten. HGÜ-Konverterstationen zur Netzkupplung könnten hier Abhilfe schaffen, denn mit einer HGÜ lassen sich Wechselstromnetze auch weiträumig beliebig miteinander koppeln. Gleichzeitig wirken die Konverterstationen wie eine Firewall, indem sie die kaskadenartige Ausbreitung von Störungen im Netz blockieren – und damit auch die Ausbreitung von Blackouts. Und noch ein weiterer Trumpf der HGÜ sticht bei einem Blackout. „Wir haben die HGÜ-Technik so weiterentwickelt, dass ein zusammengebrochenes Netz damit wieder angefahren werden kann“, sagt Dorn.

Künftig wird es sogar möglich sein, eine HGÜ-Verbindung mit einer Abzweigung zu versehen. Damit könnten dann Ballungsgebiete wie das Ruhrgebiet, das am Rand der avisierten Nord-Süd-Trassen liegt, ebenfalls von der HGÜ-Technik profitieren. Diese sogenannte Multi-Terminal-HGÜ ist auch für das künftige Stromnetz eines Europäischen Super Grids eine wesentliche Voraussetzung.

Öffentlichkeit einbeziehen

Technisch stünde also dem Ausbau der Stromnetze nichts mehr im Wege. Doch die technische Machbarkeit ist nicht alles: Um den Ausbau der Energiesysteme umsetzen zu können, ist die breite Unterstützung der Öffentlichkeit für den Bau neuer Trassen wesentlich. Eine sachliche Information, eine möglichst frühzeitige Beteiligung der Bevölkerung an den Ausbauplanungen, aber auch eine Vereinfachung der Genehmigungsverfahren und eine hohe Transparenz der Entscheidungen werden hier für den Erfolg unabdingbar sein. Dabei sind nicht überall Hochspannungsmasten sinnvoll und einsetzbar – so etwa in Ballungszentren oder in unmittelbarer Flughafennähe.

Hier könnten gasisolierte Leitungen (GIL) genutzt werden. Bei ihnen ersetzt ein Gemisch aus Stickstoff und Schwefelhexafluorid (SF6) die bei Erdkabeln sonst verwendete Isolation auf Papier- oder Kunststoffbasis. Bisher sind GIL-Verbindungen für Drehstrom und Betriebsspannungen bis 550 Kilovolt im Einsatz. Als Stromleiter fungiert ein etwa 18 Zentimeter dicker Rohrleiter, den ein 50 Zentimeter dickes Aluminium-Schutzrohr umgibt. Will man mit höheren Spannungen arbeiten, geht auch das ohne Weiteres – man muss nur den Durchmesser der Rohre entsprechend erhöhen.

Eine ausgereifte Alternative zu Strommasten

GIL können hohe Leistungen auf kleinstem Raum verlustarm übertragen. Ein weiterer Vorteil: Auch in unmittelbarer Nähe von GIL-Trassen sind kaum elektrische oder magnetische Felder messbar. Daher stören die gasisolierten Leitungen weder Telekommunikations- noch Flugüberwachungseinrichtungen. Selbst die strengsten europäischen Richtlinien hält die GIL-Technik problemlos ein. Daher können sich Menschen oberhalb von GIL-Tunneln beliebig lange aufhalten. Unterirdische Leitungen sind also mittlerweile eine gut ausgereifte Alternative zum Strommast – allerdings auch rund viermal so teuer wie ihre Freiluftpendants. Daher kommen GIL hauptsächlich nur dort in Frage, wo Höchstspannungen bei begrenzten Platzverhältnissen übertragen werden müssen oder wo besondere Umweltanforderungen existieren. Um die hohen Kosten für die Netzanbieter erträglich zu machen, diskutieren Experten auch eine Kombination von Strom- und Datenverbindungen. Die Idee: Künftig könnten beide Infrastrukturnetze zusammen in einem begehbaren Tunnel neben Autobahnen, Schifffahrtskanälen oder Eisenbahnlinien verschwinden.

Auch Lösungen, die die Gasisoliertechnik für Gleichspannung einsetzen, sind in der Entwicklung. „Gasisolierte Gleichstrom-Anlagen für Spannungen bis zu 320 Kilovolt haben wir bereits auf den Markt gebracht“, erklärt Dr. Denis Imamovic, Entwicklungsleiter für gasisolierte Systeme für Gleichspannungen bei Siemens. Derzeit entwickeln die Experten kompakte Gleichstromanlagen für bis zu 500 Kilovolt. „Unsere Erfahrungen zeigen, dass auch die Gleichstromübertragung mit gasisolierten Hochspannungsleitungen möglich ist“, sagt Imamovic. Derzeit plant Siemens eine Pilotinstallation mit dem Netzbetreiber.

Bernd Schöne