Rückschau

Aachen, Nordrhein-Westfalen - 2021

Mittelspannungs-Gleichstrom-Forschungsnetz

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Am 19. November 2019 wurde nach fünfjähriger Planungs- und Bauphase das Mittelspannungs-Gleichstrom-Forschungsnetz (MVDC-Netz) am Forschungscampus Flexible Elektrische Netze (FEN) feierlich in Betrieb genommen. Es verbindet auf dem Campus Melaten der RWTH Aachen das E-ON Energy Research Center (E.ON ERC), das Center for Aging, Reliability and Lifecycle Analysis (CARL, im Bau) und das Center for Wind Power Drives (CWD). Es bietet als weltweit einzigartiges Großlabor die Möglichkeit, den Betrieb von Gleichspannungsverteilnetzen und deren Komponenten dauerhaft realitätsnah zu erproben und weiter zu entwickeln. Es entstand im Rahmen einer öffentlich-privaten Partnerschaft zwischen der RWTH-Aachen mit 16 beteiligten Professuren und 21 Industriepartnern als Leuchtturmprojekt der ersten Förderphase mit Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (03SF0491).

Überblick

Die klassischen elektromechanischen Wechselstrom-(AC)-Netze werden mit dem Zubau von immer mehr dezentralen Erzeugungsanlagen zu einem Flaschenhals für die Energiewende. Dies hat in den letzten Jahren zum Beschluss umfangreicher und teurer Ausbauprojekte im Übertragungsnetz geführt. Dabei ist ein wesentlicher Faktor, dass die Leistungsflusssteuerung in AC-Netzen durch die Phasendifferenz der Netzspannung zwischen einzelnen Netzknoten erfolgt. Das verlangt, dass Energieerzeugungsanlagen strikt synchron bei einer festen Frequenz (50  Hz) arbeiten.

In einem elektronischen Gleichstrom-(DC)-Netz existiert die Abhängigkeit von Frequenz, Synchronität und Phasenlage, nicht. Elektronische Wandler in den Netzknoten erlauben stets die bedarfsgerechte Steuerung des Leistungsflusses. Zirkulierende Leistung kann nicht entstehen, lokale Spannungsabweichungen können ausgeregelt werden. Dies eröffnet flexiblere Optionen, Verteilnetze untereinander zu vermaschen und schafft direkte Pfade für die elektrische Energie zwischen verteilten Erzeugungsanlagen und ebenfalls verteilten Verbrauchern. Bei ausgewogener Verteilung saisonal komplementärer Erzeugungsanlagen kann das Übertragungsnetz entlastet werden.

Technologie

Anstelle der 50-Hz-Wechselstromtransformatoren in den heutigen AC-Netzen übernehmen in DC-Netzen elektronische Gleichspannungswandler (DC-Wandler) die zentrale Funktion der Spannungsumwandlung zwischen den verschiedenen Netzspannungsebenen Hoch-, Mittel- und Niederspannung. Die darin integrierten Mittelfrequenztransformatoren arbeiten unabhängig von der heutigen Netzfrequenz von 50  Hz, sind dadurch viel kompakter und benötigen entsprechend weniger Material, insbesondere Kupfer.

Statt eines dreiphasigen Leitersystems verwenden DC-Netze ein einphasiges System mit Hin- und Rückleiter, ggf. ergänzt um einen zusätzlichen, gewöhnlich stromlosen Neutralleiter zum Potentialausgleich zwischen räumlich getrennten Netzknoten.

Trasse des MVDC-Netzes

Die Trasse des Forschungsnetzes führt von einer Schaltanlage im CWD durch Leerrohre unter dem Gehweg parallel zur Straße zur Verzweigung am CARL und weiter zur Einmündung Mathieustraße. Teilweise durch einen Medientunnel setzt sich der Verlauf bis zum E.ON ERC fort. Dort befindet sich eine der Kopfstationen des Forschungsnetzes mit einer weiteren Schaltanlange und mehreren DC-Wandlern, und Verbindung zum öffentlichen AC-Netz.

Die Topologie des Forschungsnetzes mit zwei parallelen Leistungssträngen und die Konfiguration der Schaltanlagen und Kopfstationen erlauben vielfältige Betriebsmöglichkeiten, u. A. für die Prüfung elektromagnetischer Emissionen. Für die Erprobung von Komponenten über alle Betriebsbereiche ist es erforderlich, Strom- und Spannungsverläufe oder Fehlerfälle im Netz flexibel vorgeben zu können, unabhängig von etwa angeschlossenen Verbrauchern. Dies wäre in einem öffentlichen Netz selbstverständlich ausgeschlossen.

Die Topologie des Forschungsnetzes erlaubt vielmehr den Betrieb der getesteten Komponenten bis zur spezifizierten Nennleistung von 5 MW, wobei lediglich dabei entstehende Verluste, typisch einige zehn bis hundert Kilowatt, aus dem öffentlichen Netz ausgeglichen werden. Für Untersuchungen von realistischen Praxissituationen ist außerdem eine wechselseitige Speisung der Großprüfstände in CWD und E.ON ERC über das Forschungsnetz vorgesehen.

Projektdaten