Hochspannungs-Gleichstromübertragung | <<< | >>> | Feedback |
Acronym: HGÜ
Definition: die Übertragung hoher elektrischer Leistungen mit Hilfe von Gleichstrom bei hoher elektrischer Spannung
Die Übertragung hoher elektrischer Leistungen (z. B. aus einem großen Kraftwerk) mit Kabeln erfordert die Verwendung sehr hoher elektrischer Spannungen (außer wenn die Übertragungsstrecke sehr kurz ist). Sonst würde die hohe Leistung nämlich eine sehr hohe Stromstärke verlangen, und diese würde ein enorm dickes Kabel nötig machen, um die Verluste durch den elektrischen Widerstand des Kabels (die ohmschen Verluste) gering zu halten.
Eine Hochspannungsleitung kann nun auf zwei verschiedene Weisen betrieben werden:
- mit Wechselstrom (oder Drehstrom, meist Dreiphasenwechselstrom), bei dem die Spannung und Stromstärke periodisch oszillieren,
- mit Gleichstrom, wobei die Spannung ständig etwa gleich bleibt oder auch pulsiert (also in der Stärke schwankt), aber ohne dass die Richtung von Spannung und Strom wechselt.
Im letzteren Fall spricht man von Hochspannungs-Gleichstromübertragung.
Gleichrichter und Umrichter
In der Regel wird die zu übertragende elektrische Energie zunächst als Wechsel- bzw. Drehstrom gewonnen – meist im Generator eines großen Kraftwerks, der praktisch nie direkt Gleichstrom liefert. Deshalb muss zunächst mit Hilfe eines Gleichrichters Gleichstrom hergestellt werden, um die Hochspannungs-Gleichstromleitung speisen zu können.
Am Ende der Leitung muss die Energie häufig wieder in ein Wechselspannungsnetz eingespeist werden. Hierfür ist ein Umrichter (oder Stromrichter) nötig. Dieser ist technisch aufwändiger als ein Gleichrichter. Jedoch ist dies für moderne Leistungselektronik heute kein Problem mehr; selbst Leistungen im Gigawatt-Bereich können zu vertretbaren Kosten und mit recht geringen Energieverlusten (deutlich unter 2 % für Gleichrichter und Umrichter zusammen) umgeformt werden.
Die Gleichrichter und Umrichter befinden sich in sogenannten Stromrichterstationen oder Konverterstationen am Anfang und Ende der HGÜ-Leitung. Diese Stationen enthalten auch Einrichtungen zur Steuerung und zur Beherrschung von Störfällen.
Vor- und Nachteile der Hochspannungs-Gleichstromübertragung
Die Vorteile der HGÜ bestehen im Wesentlichen darin, dass diverse Nachteile der Wechselstromübertragung vermieden werden:
- Es entfällt die ganze Problematik der Blindströme mitsamt der sonst dagegen nötigen Maßnahmen. Die Blindstrom-Problematik ist besonders ernst bei Seekabeln und Erdkabeln, so dass dort dieser Vorteil der HGÜ besonders wichtig ist. Geeignete Stromrichter können darüber hinaus sehr flexibel Blindleistung für das versorgte Netz bereitstellen.
- Es werden weniger Leiter benötigt als bei der Drehstromübertragung. Deswegen ist der Flächenbedarf für die Übertragungsstrecke erheblich reduziert. Die HGÜ-Leitungen sind deswegen in der Landschaft auch weniger störend.
- Der Skin-Effekt, der allerdings erst bei recht großen Leiterquerschnitten relevant ist, wird vermieden.
- Verluste durch Koronaentladungen sind bei gleicher Spannung geringer als bei Wechselspannung, bzw. es ist eine höhere Spannung bei gleichen Koronaverlusten möglich, somit eine geringere Stromstärke und deshalb geringere ohmsche Verluste und/oder ein geringerer Leiterquerschnitt.
- Wo Leitungen elektrisch isoliert werden müssen, ist dies etwas weniger aufwändig.
- Wenn zwei Wechselspannungsnetze mit Hilfe von HGÜ aneinander gekoppelt werden, ist keine Synchronisation der beiden Netze notwendig; die beiden Netze müssen nicht einmal die gleiche Netzfrequenz aufweisen.
Anderseits weist die HGÜ folgende Nachteile auf:
- Es entsteht ein gewisser technischer Zusatzaufwand für die Gleichrichter und Umrichter, der bei kürzeren Stücken stärker zu Buche schlägt.
- Das Spannungsniveau kann bei Gleichstrom nicht einfach mit Transformatoren herauf- oder heruntergesetzt werden; Gleichstrom-Umrichter sind aufwändiger. Für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen spielt das freilich keine Rolle.
- Die Gleichrichter und Umrichter führen zu höheren Energieverlusten als sonst die in Transformatoren (insgesamt z. Zt. rund 1,5 %); allerdings wird dies bei längeren Strecken durch die geringeren Leitungsverluste mehr als kompensiert.
- Schalter für hohe Leistungen sind bei Gleichstrom schwerer zu realisieren, da keine automatische Lichtbogenlöschung im Nulldurchgang der Spannung möglich ist.
- Die Steuerung der Leistungsflüsse in vermaschten Netzen ist mit Gleichstrom schwieriger. (Bisher wurden hauptsächlich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen realisiert, also nicht vermaschte Gleichstromnetze.)
Beispiele für Anwendungen der Hochspannungs-Gleichstromübertragung
Die Hochspannungs-Gleichstromübertragung ist besonders vorteilhaft, wenn sehr lange Leitungen realisiert werden müssen. Beispielsweise werden in China rund 5 GW Leistung aus mehreren Wasserkraftwerken in der Provinz Yunnan mittels HGÜ in die fast 1500 km entfernte bevölkerungsreiche und stark industrialisierte Provinz Guangdong transportiert.
In Europa wurden bisher vor allem Seekabel mit HGÜ realisiert, beispielsweise das Kabel NorNed zwischen Norwegen und den Niederlanden. Durch den massiven Ausbau der erneuerbaren Energien, insbesondere der Windenergie, entsteht ein zusätzlicher Bedarf für Leitungskapazitäten über größere Entfernungen, um die so gewonnene Energie konsequent nutzen zu können. Es ist denkbar, dass für diesen Zweck auch vermehrt Freileitungen mit HGÜ-Technik realisiert werden. Ebenfalls interessant wäre die stärkere Anbindung norwegischer Pumpspeicherkraftwerke an Mitteleuropa.
Gleichstromkurzkupplungen
In manchen Fällen geht es nicht um nennenswerte Übertragungsdistanzen, sondern nur um die Vorteile der entfallenden Notwendigkeit der Netzsynchronisation. Hier kommen sogenannte Gleichstromkurzkupplungen zum Einsatz.
Siehe auch: Hochspannungsleitung, Gleichstrom, Wechselstrom