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Hochspannungs-Gleichstromübertragung

Akronym: HGÜ, HVDC

Definition: die Übertragung hoher elektrischer Leistungen mit Hilfe von Gleichstrom bei hoher elektrischer Spannung

Englisch: high-voltage direct current transmission (HVDC)

Kategorien: elektrische Energie, Grundbegriffe

Autor:

Wie man zitiert; zusätzliche Literatur vorschlagen

Ursprüngliche Erstellung: 26.09.2011; letzte Änderung: 12.09.2019

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:

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 (eine Art von Stromrichter) nötig. Dieser ist technisch aufwendiger 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 höchsten Leistungen werden bislang mit Thyristoren erreicht; mehr Flexibilität z. B. für eigengeführte Umrichter mit Schwarzstartfähigkeit erhält man aber mit Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT), die aber in der Leistung etwas begrenzter sind.

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.

Symmetrische und unsymmetrische Übertragung

Es ist üblich, HGÜ mit symmetrischen Systemen durchzuführen. Hier werden zwei Leiter verwendet, von denen jeder die halbe Nennspannung gegen Erde führt, aber mit gegensätzlichen Vorzeichen. Wenn beide Kabel getrennt in der Erde liegen, muss jedes nur für die halbe Nennspannung isoliert werden.

Es wurden aber bei Seekabeln (z. B. beim Baltic Cable) auch unsymmetrische (monopolare) Systeme mit nur einem Leiter installiert, der die volle Spannung gegen Erde hatte. Der Rückleiter wurde ersetzt durch das Seewasser, angeschlossen über zwei großflächige Elektroden. An diesen Elektroden finden dann Elektrolyseprozesse statt, die zur Bildung von giftigem Chlorgas an der Anode und von ätzendem Natriumhydroxid an der Kathode führen. Die Umweltbelastung dürfte aber moderat sein, da das Chlorgas und das Natriumhydroxid bei großflächigen Elektroden stark verdünnt anfallen. Bei späterem Ausbau zu einem symmetrischen bipolaren Kabel (durch Zufügen eines Rückleiters) lässt sich die übertragene Leistung verdoppeln und gleichzeitig die genannte Elektrolyse vermeiden.

Vor- und Nachteile der Hochspannungs-Gleichstromübertragung

Die Vorteile der HGÜ sind vielfältig:

  • Als Resultat der oben genannten Aspekte kann eine HGÜ-Leitung bei gleichem Materialaufwand für die Leiter ein Mehrfaches an Leistung bei gleichen Energieverlusten übertragen, oder deutlich mehr Leistung bei gleichzeitig reduzierten Verlusten. Die Energieverluste in der Leitung können recht niedrig sein – in der Größenordnung von 3 % pro 1000 km Leitungslänge. Es entfallen Energieverluste durch den Skin-Effekt, ebenfalls die Wirbelstromverluste. 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.
  • 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.
  • 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 Stromnetz bereitstellen.
  • Wo Leitungen elektrisch isoliert werden müssen, ist dies etwas weniger aufwendig.
  • 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.
  • Es kann eine direkte und flexible Leistungsflussregelung realisiert werden – nicht nur indirekt wie bei Wechselstromsystemen über die Beeinflussung von Blindströmen.

Anderseits weist die HGÜ folgende Nachteile auf:

  • Es entsteht ein gewisser technischer Zusatzaufwand für die Umrichter, der bei kürzeren Strecken stärker zu Buche schlägt. Auch die Energieverluste der Umrichter (etwas höher als sonst in Transformatoren) fallen bei kurzen Strecken mehr ins Gewicht.
  • Das Spannungsniveau kann bei Gleichstrom nicht einfach mit Transformatoren herauf- oder heruntergesetzt werden; Gleichstrom-Umrichter sind aufwendiger. Für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen spielt das keine Rolle, aber für Anzapfungen auf der Strecke.
  • Die Umrichter weisen meist geringere Überlastkapazitäten auf als Transformatoren; HGÜ-Systeme können deswegen auch kurzzeitig weniger stark über ihre Nennleistung hinaus betrieben werden.
  • 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. Für stark vermaschte Gleichstromnetze, wie sie für ein Supergrid benötigt würden, müssten noch einige technische Probleme gelöst werden, was aber voraussichtlich gut möglich ist.

Derzeit ist die HGÜ-Technik bei neuen Seekabeln ab Entfernungen von ca. 80 km der Wechselstromtechnik überlegen, an Land erst für Entfernungen ab ca. 400 km; in Einzelfall können sich jedoch auch deutliche Abweichungen von diesen typischen Werten ergeben. Durch weitere technische Verbesserungen könnten die genannten Minimallängen mit der Zeit noch etwas sinken.

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 vorgesehen, dass für diesen Zweck auch vermehrt Freileitungen (sowie zusätzliche Seekabel) mit HGÜ-Technik realisiert werden. Ebenfalls interessant wäre die stärkere Anbindung norwegischer Pumpspeicherkraftwerke an Mitteleuropa. Weiter gehende Pläne für ein europäisches Supergrid würden sogar massive Leitungskapazitäten vorsehen, um zukünftige große Windparks und solarthermische Kraftwerke in Nordafrika sowie Speicherkraftwerke in Island in einen großen Verbund zu integrieren. Die erheblichen Kosten könnten sich leicht bezahlt machen durch stark verminderten Bedarf für elektrische Energiespeicher und durch die dann mögliche vermehrte Platzierung von Kraftwerken für erneuerbare Energie an optimalen Standorten.

Obwohl die HGÜ-Technik besonders für die Übertragung sehr hoher Leistungen (hunderte von Megawatt oder mehr) entwickelt wurde, ist sie in manchen Fällen auch für kleinere Leistungen von unter 100 MW interessant – insbesondere wenn die Nachteile der Wechselstromübertragung wesentlich wären, etwa bei Untersee-Leitungen für Offshore-Windparks oder bei der Verbindung zweier nicht synchronisierter Wechselstromnetze.

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, mit denen beispielsweise der Energieaustausch zwischen verschiedenen, nicht synchron laufenden Übertragungsnetzen möglich ist.

Umrüstung von Stromtrassen auf HGÜ

Es ist möglich, Stromtrassen ganz oder teilweise von der konventionellen Drehstrom-Übertragung auf Hochspannung-Gleichstromübertragung umzustellen. Dazu werden einfach einzelne Leiterseile mit Gleichstrom betrieben, ohne an den Strommasten etwas ändern zu müssen. Die Übertragungskapazität einer Trasse kann auf diese Weise erheblich gesteigert werden, beispielsweise um 30 oder gar 50 %, in manchen Fällen sogar noch mehr.

Siehe auch: Hochspannungsleitung, Gleichstrom, Wechselstrom, Stromnetz, Gleichrichter, Umrichter
sowie andere Artikel in den Kategorien elektrische Energie, Grundbegriffe

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Kommentare von Lesern

08.11.2018

Die Umrüstung von Stromtrassen (speziell 380 kV) auf HGÜ könnte einen wichtigen Beitrag zur Energiewende leisten. Zum Beispiel wäre es dann möglich, Windstrom aus Nordfriesland auch bei stärkerem Wind in den Süden zu schicken, anstatt die Windmühlen abzuregeln.

Antwort vom Autor:

Stimmt.

01.09.2019

Übertragungsverluste sind auch für HGÜ-Stromtrassen nicht zu unterschätzen, hängen aber immer stark von deren Auslastung ab:

Bei Freileitungen können mit bis zu 100 V/km Spannungsabfall auf 500 kV leicht 2 % Energie je 100km verloren gehen: Von der Küste bis nach München also nicht unerheblich. Geringere Verluste durch stärkere Kupferkabel sind mit teurem Material zu erkaufen:

Ab einer gewissen Länge wird der Transport von Elektrizität viel teurer, als direkt am Zielort einen ausgewogenen Mix von Windkraft + Photovoltaik + Nahwärme-BHKW zu installieren: Milliarden-teure Stromtrassen-Projekte wie “SüdLink” müssen viel kritischer nachgerechnet werden: Es scheint, sie liegen eher im Interesse der daran verdienenden Elektrokonzerne, statt mit einer strukturellen Energie-Wende verstärkt auf verteilte Infrastruktur mit Quartier- und Mieterstrom zu setzen…

Fern-Stromtrassen haben bei voller Last oft über 15 % Verlust. Für Landverbindungen wird HGÜ erst über 600 km Punkt-zu-Punkt etwas günstiger als Drehstrom-Leitungen, die man statt früher mit 380 kV im Neubau auch schon wie in anderen Ländern erprobt mit über 750 kV errichten kann: Meist die bessere Lösung für ein dicht vermaschtes Netz mit vielen Anzapfungen wie in Europa, bis auf spezielle Ausnahmen (v.a. Seekabel).

Die Praxis zeigt, wie schwierig Stromtrassen bei uns zu verlegen sind.

Leistungsfähigere H2-Pipelines lassen sich hingegen relativ billig, leicht & schnell unterirdisch entlang des bestehenden Erdgasnetzes realisieren, auf bereits genehmigten Trassen.

Für konkrete Zahlen: https://www.ffe.de/attachments/article/527/Kurzgutachten_Kostenvergleich%20Stromtransport.pdf (Vergleich HGÜ vs. PtG-Transport)

Das Ergebnis dort ist einseitig, da ausdrücklich nur der nackte Transport kalkuliert wurde, ohne Nutzung von Heizwärme aus PtG & Rückverstromung und ohne wichtige Aspekte wie volatile Verfügbarkeit der Quelle, Speicherung & direkte Vermarktung von Wasserstoff für H2BZ-Mobilität am Zielort.

Antwort vom Autor:

Bei unbefangener Betrachtung der von Ihnen genannten Studie der FFE kommt man zu ganz anderen Resultaten. Sie bemängeln die Energieverluste der HGÜ-Lösung von 15 %, gehen aber mit keinem Wort darauf ein, dass die Energieverluste bei der von Ihnen offenbar favorisierten PtG-Lösung weitaus höher sind: ca. 72 %! Für die Kosten gilt genau dasselbe. Dies zeigt eine extreme Einseitigkeit.

06.09.2019

(gleicher Autor wie beim vorherigen Kommentar)

Extrem teuer sind Fern-Stromtrassen allemal, wobei eine Abwägung zwischen teurem Kupferquerschnitt in der Investition und teuren Verlusten im Betrieb zu treffen ist.

Die Investition für 800 km Südlink wird sogar so hoch, dass allein das Netzentgelt zu deren Amortisation umgelegt auf die transportierte Energie teurer ist, als den Strom direkt in Bayern aus Erdgas zu produzieren.

Warum man Südlink trotzdem baut? Fragen sie lieber die Lemminge, warum sie baden gehen: Für Betreiber Tennet ist ein staatlich garantiert goldenes Geschäft auf Kosten der Stromverbraucher Grund genug!

Antwort vom Autor:

Die Behauptung zu den Kosten erscheint mir nicht plausibel. Wenn man bedenkt, dass Milliarden von Kilowattstunden pro Jahr übertragen werden können, und dies für viele Jahrzehnte, kommt man keineswegs auf so exorbitante spezifische Kosten. Das klingt für mich also sehr nach Propaganda.

06.09.2019

(gleicher Autor wie beim vorherigen Kommentar)

HGÜ ist über Land nur vorteilhaft auf sehr langen Leitungen >600 km ohne Anzapfungen, da an beiden Enden extrem teure Umrichter-Stationen erforderlich sind, die jeweils bis zu 1,5 % Verlust verursachen: 3 % der Energie sind also schon verloren, bevor der Strom auf die Reise geht; auf der Strecke ist der Verlust ca. 1-2 % pro 100 km:

Strecken wie Südlink verlieren insgesamt etwa 15 % auf 800 km, wobei Betreiber Tennet – der Transparenz nicht allzu sehr verpflichtet – dazu nur höchst vage optimistische Angaben macht.

Antwort vom Autor:

Das von Ihnen genannte FFE-Kurzgutachten nimmt Energieverluste des HGÜ-Systems von gut 13 % an, nicht 15 %. Der von Ihnen noch großzügig “aufgerundete” Wert ist wesentlich höher als alles, was ich bei anderen HGÜ-Projekten gesehen habe, aber ich habe momentan sonst keine konkreten Zahlen für Südlink bei der Hand.

Auf jeden Fall müssen diese Energieverluste jedoch relativiert werden, da typische Alternativen mit wesentlich höheren Verlusten einher gingen. Die von Ihnen offenbar favorisierte Lösung mit Power to Gas ist jedenfalls ganz massiv schlechter – warum verschweigen Sie das? Andere wollen Windenergieanlagen zwecks Vermeidung von Langstrecken-Übertragung vermehrt in Süddeutschland aufstellen, aber dort leisten sie typischerweise weitaus weniger wegen der schlechteren Windsituation.

Die Speicherung mit Pumpspeicherkraftwerken bringt ebenfalls viel höhere Verluste mit sich. Allenfalls mit Lithium-Batterien läge man vielleicht etwas günstiger, aber damit lassen sich so große Energiemengen, wie sie z. B. Südlink transportieren wird, nicht auf bezahlbare Weise handhaben.

06.09.2019

(gleicher Autor wie beim vorherigen Kommentar)

Die Angabe “3 % pro 1000 km Leitungslänge” entstammt offenbar chinesischer Propaganda und gilt höchstens bei 10 % Auslastung mit geringen Strömen: Die Verluste steigen immerhin quadratisch mit der transportierten Leistung, die im Mittel z.B. der Hälfte der Nennleistung entsprechen kann. Realistischer werden auch 85 % der Nennleistung angegeben, da wohl stets eine Reserve vorzuhalten ist: Ein Standard scheint aber nicht üblich.

Antwort vom Autor:

Nein, das ist keine chinesische Propaganda. (Warum sollten chinesische Abnehmer europäischer Technik Propaganda dafür machen?) Ein Zitat aus Wikipedia: “Bei erwogenen und bisher nicht realisierten Projekten wie Desertec oder dem Europäischen Supergrid wird bei einer 5000 km langen HGÜ-Leitung mit 800 kV von Leitungsverlusten um 14 % ausgegangen. Dies entspricht rund 2,8 % relativen Leitungsverlusten auf 1000 km.” Allerdings wurden die Umrichter-Verluste von ja ca. 1,5 % an beiden Enden des Systems offenbar nicht berücksichtigt; damit käme man auf 3,4 % pro 1000 km.

Ich habe diese vier Kommentare desselben Autors in voller Länge aufgenommen, weil sie für mich als exemplarisch erscheinen für immer wieder geäußerte extrem einseitige Kritik an HGÜ-Projekten bei gleichzeitiger Bevorzugung von Alternativen, die sogar in den selbst genannten Problemfeldern (Kosten und Energieverluste) viel schlechter abschneiden. Solche Propaganda erzeugt viel Verwirrung und trägt damit zur Behinderung der Energiewende bei.

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