Stromnetz
Urheber: Stefan Riepl
Rainer Schwarz
Foto: BR 04 2011
BR 5 2011
Der Begriff Stromnetz steht in Deutschland meistens für das Verbundnetz zur Versorgung der Verbraucher durch die Stromanbieter mit elektrischer Energie.
Begriff
Es gibt verschiedene gebräuchliche Bezeichnungen für das Stromnetz: Energieverbundnetz, Lichtnetz, Stromverbundnetz, Elektroenergienetz, Energieversorgungsnetz, Stromversorgungsnetz, Elektrizitätsnetz und Kraftnetz. In Fahr- und Flugzeugen spricht man vom Bordnetz.
Prinzipiell ist ein Stromnetz ein weit gefasster Begriff und bezeichnet in der Physik ein Netzwerk von elektrischen Stromleitungen. Die physikalischen Gesetze in diesen Netzen werden durch die Kirchhoffschen Regeln beschrieben.
Aufgaben
Um die Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen, ist es notwendig, Leitungen von den Elektrizitätswerken zum Verbraucher zu legen. Dazu werden Stromnetze mit verschiedenen, aber festgelegten Spannungen und bei Wechselstrom auch mit festgelegten Frequenzen eingesetzt. Über weite Distanzen wird in Deutschland die Energie mittels Dreiphasenwechselstrom mit einer Netzfrequenz von 50 Hertz (Einheit) und einer Netzspannung von bis zu 400 kV übertragen. Erst in der Nähe des Verbrauchers wird sie auf eine Niederspannung mit einem Effektivwert von 230 V (Einphasenwechselstrom) bzw. 400 V [Dreiphasenwechselstrom) transformiert.
Noch bis in die 1950er Jahre des 20. Jahrhunderts wurden viele Haushalte in Deutschland mit Gleichstrom versorgt, weil die begonnene Umstellung durch den Zweiten Weltkrieg unterbrochen wurde.
In anderen Ländern sind auch andere Spannungen oder Frequenzen möglich. Weit verbreitet ist auch das System mit 117 V (Effektivwert) Netzspannung und einer Frequenz von 60 Hz (insbesondere in Nordamerika).
Mit Freileitungen werden Leistungen bis über 600 MW übertragen.
Um große Leistung zu übertragen, werden hohe Spannungen oder Ströme benötigt.
Zur Verteilung und Fernübertragung großer Leistungen werden hohe Spannungen verwendet:
- es treten geringere Stromwärmeverluste auf
- hohe Spannungen sind leichter zu schalten als hohe Ströme
- es können dünnere Kabeladern bzw. Leiterseile verlegt werden.
Freileitungsnetze zur Verteilung von Elektroenergie werden auch zur Nachrichtenübermittlung eingesetzt (siehe http://www.udo-leuschner.de/basiswissen/SB124-08.htm):
- mittels trägerfrequenzverfahren auf den Leiterseilen
- über die Erdseile
- über mitverlegte Nachrichtenkabel (meist Glasfaserkabel)
Die Nachrichtenübertragung wird von den Energieversorgern selbst verwendet oder auch anderen Nutzern angeboten.
Technik
Spannungsebenen
Stromnetze teilt man nach der Spannung ein, bei der sie Strom übertragen:
- Höchstspannung: In der Regel 230 kV oder 400 kV. In Kanada und in den USA werden 735 kV und 765 kV verwendet. In Russland existiert ein ausgedehntes 750-kV-Netz, von dem einzelne Leitungen auch nach 750-kV-Leitung Rzeszów-Chmelnyzkyj|Polen, Ungarn, Rumänien und Bulgarien führen. Eine Drehstromleitung Ekibastus-Kökschetau|1150-kV-Leitung führt vom Kohlekraftwerk Ekibastus (Kasachstan) zur Stadt Elektrostal (Russland). Sie wird heute jedoch mit 400 kV betrieben.
- Hochspannung: 50 kV bis 150 kV
- Mittelspannung: 6 kV bis 30 kV. Für Netze mit hohem Freileitungsanteil, ausgedehnten ländlichen Regionen und bei neuen Installationen sind 20 kV bis 25 kV üblich. In städtischen Regionen, wo teilweise noch ältere Erdkabeln als Papier-Blei-Ausführungen mit Aluminium als Leiter vorkommen und deren Austausch kostenintensiv ist, werden niedrigere Mittelspannung von 10 kV eingesetzt
- Niederspannungsnetz: 230 V oder 400 V. In der Industrie sind auch andere Niederspannungen üblich, zum Beispiel 500 V oder 690 V in IT-System|IT-Netzen.
Die Höchst-, Hoch- und Niederspannungen sind für Westeuropa weitgehend standardisiert. Bei der Mittelspannung ist das zu aufwändig, da man sehr viele alte Erdkabel uneinheitlicher Spannung austauschen müsste.
Foto: Rainer Schwarz
Funktion der einzelnen Netze
- Das Höchstspannungsnetz ist ein Übertragungsnetz. Es verteilt die größtenteils von Kernkraftwerk- und Kohlekraftwerken, aber auch Wasserkraftwerken eingespeiste Energie landesweit an Transformatoren, die nahe an den Verbrauchsschwerpunkten liegen. Diese Kraftwerke übernehmen die Grundlastversorgung. Auch ist es über sog. Kuppelleitungen an das internationale Verbundnetz angeschlossen.
- Das Hochspannungsnetz sorgt für die Grobverteilung von elektrischer Energie. Leitungen führen hier in verschiedene Regionen, Ballungszentren oder große Industriebetriebe. Abgedeckt wird ein Leistungsbedarf von 10 bis 100 MW.
- Das Mittelspannungsnetz verteilt den Strom an die Transformatorstationen des Niederspannungsnetzes oder Einrichtungen wie zum Beispiel Behörden, Schulen oder Fabriken. Stadtwerke, die ebenfalls Kraftwerke oft auch mit Kraft-Wärme-Kopplung betreiben, speisen ihren Strom in dieses Netz.
- Die Niederspannungsnetze sind für die Feinverteilung zuständig. Die Mittelspannung wird auf 400 V bzw. 230 V transformiert und damit werden Privathaushalt, Industrie, Gewerbe und Verwaltungen versorgt.
Die Transformatoren im Niederspannungsnetz haben im allgemeinen ein festes Übersetzungsverhältnis. Um trotz der im Laufe eines Tages auftretenden großen Lastschwankungen die Netzspannung beim Verbraucher in etwa konstant halten zu können, kann das Übersetzungsverhältnis der Transformatoren zwischen Hoch- und Mittelspannungsnetz (z.B. 110 -kV / 20 kV) in Grenzen variiert werden. Dazu werden von der Primärwicklung mehrere Anzapfungen nach außen geführt. Ein extra dafür gebauter Schalter, ein sogenannter Stufenschalter, erlaubt das Umschalten zwischen den Anzapfungen, ohne den Transformator dazu abschalten zu müssen. Dieser Vorgang wird Spannungsregelung genannt. Für die einwandfreie Funktion vieler Geräte muss die Netzspannung innerhalb enger Grenzen gehalten werden. Zu hohe oder zu niedrige Spannungen können durch Stromausfall verursacht werden.
Daneben gibt es auch noch Leitungen mit hochgespanntem Gleichstrom für Übertragung über weite Strecken, insbesondere Seekabel (Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung).
Verbindung der Stromnetze untereinander
Die Verbindung von Stromnetzen mit unterschiedlichen Spannungsebenen erfolgt über Transformatoren, die in Umspannanlagen installiert sind. Der Stromfluß durch die Netze und zu Netzen mit gleicher Spannungsebene erfolgt über Schaltanlagen.
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Verbundnetz
In einem Verbundnetz werden Kraftwerke und Abnehmerzentren zusammengefasst. Sie stellen somit den Gegenpol zu Inselnetzen dar.
- Durch ein Verbundnetz ergeben sich Vorteile
- so wird das Energiesystem stabiler, da so Überkapazitäten und Unterkapazitäten abgefangen werden können,
- durch Energieaustausch können Lastschwankungen minimiert werden,
- Kraftwerke werden besser ausgenutzt und so müssen weniger Kraftwerke bereitgestellt werden,
- Kraftwerke müssen nicht an Orten des Verbrauches errichtet werden, sondern können an produktionsgünstigen Orten errichtet werden
- und die Betriebszuverlässigkeit des Netzes wird gesteigert.
Bei einem asynchronen Verbundnetz wird Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung und für die Transformatoren teure Stromrichter mit im Verhältnis zu anderen Betriebsmitteln nur geringer Überlastbarkeit verwendet. Bei Belastung der Kraftwerke wird die Spannung geringer, es muss nicht geregelt werden. Kabel müssen durch Stromregelungen an dem Quell- oder Ziel-Transformator abgesichert werden. Bei einer Kurzkupplung ist das Kabel sehr kurz.
Bei einem synchronen Verbund wird Drehstrom übertragen. Dabei müssen alle Kraftwerke in Phase laufen, sonst wirken einige als Verbraucher. Aufgrund der endlichen Lichtgeschwindigkeit sind solche Netze auf 3000 km Durchmesser beschränkt. Drehstrom führt zu höheren Verlusten in den Kabeln, so dass er zum Beispiel bei einem Seekabel von über 30 Kilometer Länge nicht verwendet wird. Im synchronen Verband führen leichte und kurzfristige Überlastungen zu großflächigen und langzeitigen Stromausfällen. In Mittel- und Westeuropa werden die Vorschriften im Rahmen der Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity|UCTE festgelegt, wobei für Deutschland die Deutsche Verbundgesellschaft im Auftrag der UCTE die entsprechenden Vorschriften festlegt. In Nordeuropa heißt der entsprechende Zusammenschluss NORDEL.
Verteilung
Foto: Rainer Schwarz
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Die elektrische Energie kann in diesen Größenordnungen nur drahtgebunden über Hochspannungsleitungen übertragen werden. Für diese Aufgabe stehen Freileitungen und Erdkabel zur Verfügung. Hierbei haben beide Systeme Vor- und Nachteile.
Für den Einsatz von Freileitungen sprechen die geringeren Kosten sowie leichtere Lokalisierbarkeit und Behebbarkeit von Fehlern. Dem gegenüber sind die Leitungen größeren Umwelteinflüssen ausgesetzt, wirken sich störend auf das Landschaftsbild aus und können eine Gefahrenquelle für Menschen, Tiere und Maschinen darstellen (Beispiel: Klettern auf Strommasten). Bei Freileitungen werden verschiedene Typen von Freileitungsmast eingesetzt, z. B. Tragmasten, Winkeltragmasten, Abspannmasten, Weitabspannmasten und Endmasten.
Über besondere Probleme im Leitungsbau bei der Überquerung von Hindernissen, siehe Freileitungskreuzungen.
Erdkabel haben einen geringeren Platzbedarf, sind vor Umwelteinflüssen besser geschützt und bei der Bevölkerung besser akzeptiert. Sie zeichnen sich aber auch durch höhere Kosten und hohen Wartungsaufwand bei Defekten aus und es gibt technische Probleme, wenn unterirdische Hochspannungsleitungen gewisse Kabellängen überschreiten, beispielsweise bei der Wärmeabfuhr, die bei Freileitungen durch die umgebende Luft gewährleistet ist, bei Erdkabeln hingegen nicht.
Das deutsche Stromnetz ist ca. 1,6 Mio. km lang, davon im Jahre 2003 ca. 71 % unterirdisch verlegt. Im Vergleich zu dem Wert für 1993 von nur ca. 64 % zeigt sich die Tendenz, die unterirdische Stromverteilung auszubauen.
Netzbetreiber
Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)
Im Bereich der Höchstspannungsnetze sind die Netze der einzelnen Betreiber zum nationalen Verbundnetz zusammengeschlossen. Zurzeit sind diese vier Netzbetreiber in Deutschland:
- EnBW Transportnetze AG (umfasst das Netz der früheren Badenwerk AG und der EVS Energie-Versorgung Schwaben AG,
- E.ON Netz GmbH (umfasst heute das frühere Netz von PreussenElektra und der Bayernwerk AG,
- RWE Transportnetz Strom|RWE Transportnetz Strom GmbH (umfasst heute das frühere Netz der RWE und der Vereinigte Elektrizitätswerke Westfalen|VEW) und
- Vattenfall Europe Transmission GmbH (umfasst heute das frühere Netz der Vereinigte Energiewerke AG|VEAG, der Bewag (Berlin)|BEWAG und der Hamburgische Electricitäts-Werke|HEW).
Nach dem Verband der Netzbetreiber (VDN), eine Unterorganisation des Verband der Elektrizitätswirtschaft (VDEW), beträgt die Anzahl der in Deutschland im Jahre 2003 installierten Transformatoren 557.000 Stück.
Diese Betreiber sind Mitglieder im Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity|UCTE und somit auch am Europäisches Verbundsystem|europäischen Verbundsystem beteiligt.
Verteilnetzbetreiber (VNB)
Neben diesen vier Netzbetreibern gibt es noch um die 900 weitere Netzbetreiber, die auf regionaler Ebene agieren und den Strom zu den Endverbrauchern liefern. Diese werden Verteilnetzbetreiber genannt.
Vergütung der Netzbetreiber
Die Netzbetreiber erhalten ihre Vergütung nicht über den Verkauf von Strom, sondern für die Bereitstellung der Netze. Dafür erhalten sie von den Stromproduzenten ein Netznutzungsentgelt für die Dienstleistung "Durchleiten von Strom vom Kraftwerk zum Verbraucher".
Stromnetz der Bahn
Ein weiteres Energieversorgungsnetz in Deutschland betreibt die Bahn. Die DB Energie betreibt das größte zusammengeschaltete 110-kV-Netz in Deutschland. Das Freileitungsnetz hat eine Länge von ca. 7600 km. Im Gegensatz zum nationalen Verbundnetz beträgt die Netzfrequenz 16,7 Hz und es wird Einphasenwechselstrom verwendet. In 175 Unterwerken wird die Spannung auf 15 kV transformiert und in die Oberleitung eingespeist. Die DB Energie betreibt eigene Kraftwerke zur Abdeckung der Grundlast und Mittellast. Die Energie für die Spitzenlast wird aus dem nationalen 50 Hz-Energienetz bezogen. Die Lastschwankungen können bei der Deutsche Bahn AG innerhalb weniger Sekunden 300 Megawatt|MW betragen und werden über rotierende Umformer abgefangen, die ihren Strom aus dem 50-Hertz-Netz beziehen. Daneben wird auch noch Elektroenergie mit den Bahnstromnetzen der Schweiz und Österreich ausgetauscht.
Die mit Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 25 Hertz betriebene Mariazeller Bahn (Österreich) verfügt über ein kleines eigenes 27-kV-Netz zur Übertragung des Stroms zu den Unterwerken.
In den übrigen Ländern erfolgt die Energieversorgung elektrischer Bahnen aus dem öffentlichen Stromnetz. Bei Gleichstrombahnen durch Gleichrichter in den Unterwerken, bei mit Einphasenwechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz betriebenen Bahnen werden die Phasen des Drehstromsystems im Unterwerk aufgespalten und verschiedenen Streckenabschnitten zugewiesen. In Schweden, Norwegen sowie zum Teil in den Bundesländern Brandenburg, Mecklenburg-Vorpommern und Sachsen-Anhalt wird der für die Speisung der Oberleitung nötige Einphasenwechselstrom von 16,7 Hz in den Unterwerken mit Hilfe rotierender Synchron-Umformer oder Frequenzumrichter erzeugt. In diesen Gebieten gibt es keine Bahnstromleitungen.
siehe auch:
- Energieversorgungsunternehmen
- Netzverträge
- Netzschutz
- Bahnstromleitung
- Erdseil
- Deadline (Hochspannungstechnik)
- Europäisches Verbundsystem
- Innerdeutscher Stromverbund
- Kraftwerksmanagement
- Regelenergie
- Niederspannungsnetze: TN-Systeme, TT-Systeme und IT-Systeme
- Stromversorgung Lübeck: Beispiel der Geschichte einer kommunalen Stromversorgung
- Michail von Dolivo-Dobrowolsky als Mitentwickler des modernen Drehstromnetzes
- Stromkrieg lähmender Konkurrenzkampf in der Frühzeit des amerikanischen Stromnetzes
- Länderübersicht Steckertypen, Netzspannungen und -frequenzen
- Spezielle Anlagen des europäischen Stromnetzes:
Nord-Süd-Leitung, Elbekreuzung 1 und 2, Baltic-Cable, Kontek, Konti-Skan
Literatur
- Strom aus Steinkohle, Stand der Kraftwerkstechnik, Herausgegeben von der STEAG Aktiengesellschaft Essen, Springer-Verlag 1988, ISBN 3-540-50134-7, Bahnstromversorgung Seite 514 bis 534
- Yucra-Lino, Oscar: Development of intelligent, robust, and non-linear Models in Dynamic Equivalencing for Interconnected Power Systems. Duisburg: WiKu-Wissenschaftsverlag (2006). ISBN 3-86553-167-9
- European Technology Platform SmartGrids (Europäische Kommission) 2007:
- Adolf J. Schwab: Elektroenergiesysteme - Erzeugung, Transport, Übertragung und Verteilung elektrischer Energie, Springer Verlag 2006, ISBN 3-540-29664-6
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