Rückschau

Dortmund, Nordrhein-Westfalen - 2020

Entwicklung und Evaluierung innovativer Betriebsmittel für transeuropäische HGÜ-Netze

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Innovationsprojekt Klimaschutz

Das deutsche Stromnetz unterliegt im Zuge der Energiewende einem weitreichenden Änderungsprozess. Die stetig steigende Einbindung Erneuerbarer Energien und die damit verbundene schwankende und dezentrale Erzeugung und Einspeisecharakteristik fordern ein Umdenken und Neugestalten der Stromübertragung. Um hier eine Lösung zu schaffen, forscht das Testzentrum für Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) der TU Dortmund an Materialien für HGÜ-Erdkabel der nächsten Generation, die eine effizientere und sichere Energieübertragung ermöglichen.

Schlüsselkomponenten der Energiewende im Fokus
Die Entwicklung und Evaluierung innovativer Betriebsmittel für den Einsatz in Systemen der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) stehen im Vordergrund dieser Projekte. Hierbei werden wesentliche Kompetenzen im Themenfeld der HGÜ am Standort Deutschland geschaffen. Diese neuen Ressourcen werden bereits selbst im Vorhaben genutzt, sie bilden aber auch die Grundlage für den zukünftigen wissenschaftlichen und praxisorientieren Fortschritt in diesem Themenfeld. Mit dieser Zielsetzung agiert die TU Dortmund als Konsortialführer des Verbundprojektes E²HGÜ, dessen wissenschaftliche und industrielle Projektpartner die Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt, die Amprion GmbH, die HSP Hochspannungsgeräte GmbH, die Siemens AG und die Südkabel GmbH umfassen.

Verzahnt mit diesem Vorhaben wird im Rahmen des Projekts InfraHGÜ ein weiterer Beitrag zur Errichtung einer Prüfumgebung für Gleichspannungsprüfungen an der TU Dortmund geleistet. Die in diesem Rahmen neu geschaffene Laborinfrastruktur in Form des HGÜ-Testzentrums bildet die Basis für die in diesen Projekten durchgeführten experimentellen Untersuchungen. Hierbei werden die gewonnen Erkenntnisse und die Prüfumgebung nachhaltig in aktuellen und zukünftigen Forschungsvorhaben eingesetzt.

Technologiewandel in der Energiefernübertragung
Die stetige Weiterentwicklung von Betriebsmitteln der klassischen elektrischen Energietechnik hat über die Jahre hinweg zu einer Optimierung von Wechselspannungskomponenten geführt, die eine Lebensdauer von bis zu 40 Jahren oder gar darüber hinaus erreichen. In dem für das Gelingen der Energiewende erforderlichen Technologiewandel bei der Energiefernübertragung wird der HGÜ-Technologie eine Schlüsselrolle zu Teil. Hierdurch wird exemplarische die Anbindung von Offshorewindparks und die verlustarme Übertragung von Energie über große Entfernungen ermöglicht.

Mit der zunehmenden Einführung der HGÜ-Technologie und deren Integration in das bestehende Wechselspannungsnetz wird eine vergleichbare Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Fehlertoleranz von DC-Komponenten im Vergleich zu konventionellen AC-Betriebsmitteln erwartet. Daher werden im Rahmen der vorliegenden Projekte Schlüsselkomponenten der Energieübertragung wie Kabel, Freileitungen, Durchführungen und Transformatoren detailliert betrachtet, entwickelt, modelliert, evaluiert sowie qualifiziert.

Neuartige Prüfumgebung: Das HGÜ-Testzentrum
Das an der TU Dortmund realisierte HGÜ-Testzentrum bildet die Basis für experimentelle Untersuchungen und verfügt über drei Laborumgebungen.

Neben dem in Abbildung 1 dargestellten Freifeld- und Hallenbereich jeweils mit den Abmessungen 25 x 35 m steht zusätzlich ein Experimentierfeld mit den Abmaßen 40 x 40 m für hochspannungstechnische Untersuchungen zur Verfügung. Die modulare Anlage für Gleichspannungsprüfungen mit einer maximalen Ausgansspannung von ±1200 kV kann hierbei in unterschiedlichen Konfigurationen im Parallel- bzw. Individualbetrieb im Hallenbereich und  in den Freiluftumgebungen eingesetzt werden.

Einblicke in die experimentellen Untersuchungen
Besonders die Schlüsselkomponenten der Energiewende stehen im Fokus. Abbildung 2 zeigt einen Einblick in die Untersuchungen an einem HGÜ-Kabelsystem. Dieses wird parallel zur hochspannungstechnischen Belastung ebenfalls thermischen Lastwechselprüfung unterzogen. Neben der Kabelübertragung steigt ebenfalls der Stellenwert von HGÜ-Freileitungsübertragungen im Zuge der Energiewende. Eine Impression bezüglich der in diesem Themenfeld durchgeführten Untersuchungen zeigt Abbildung 3, in welcher der Aufbau einer  HGÜ-Freileitungsnachbildung mitsamt der zugehörigen Isolatoren dargestellt ist.

Darüber hinaus sind im Rahmen der Vorhaben ebenfalls Hochspannungsdurchführungen und Nachbildungen von Transformatoren zum Einsatz von HGÜ-Netzen versuchstechnisch betrachtet worden. Zugehörige Modellierungen sowie weiterführende Analysen der Betriebsmittel und neuartige Analyse-, Diagnose- und Messverfahren  derartiger Schlüsselkomponenten und ihrer Materialien runden die Projekte ab.

• Bereitstellung der Erkenntnisse für den wissenschaftlichen Nachwuchs und die Allgemeinheit in mehr als 37 projektbezogenen Veröffentlichungen.
   
• Nachhaltiger Einsatz der Erkenntnisse und der Prüfumgebung in aktuellen und zukünftigen Forschungsvorhaben.

Projektdaten E²HGÜ:

• Durchführungszeitraum: 2014 - 2019
• Projektkonsortium: Technische Universität Dortmund, Hochschule für angewandte Wissenschaften Würzburg-Schweinfurt, Amprion GmbH, HSP Hochspannungsgeräte GmbH, Siemens AG und Südkabel GmbH
• Förderer: Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)

Projektdaten InfraHGÜ:

• Durchführungszeitraum: 2014 - 2017
• Projektbeteiligter: Technische Universität Dortmund
• Förderer: Ministerium für Innovation, Wissenschaft und Forschung des Landes Nordrhein-Westfalen