HTS-Systeme als potenzielle Lösung für Großstädte und Zentren mit hoher Lastdichte - Dr. Joachim Schneider - ivSupra
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HTS-Systeme als potenzielle
Lösung für Großstädte und
Zentren mit hoher Lastdichte
ZIEHL V - Zukunft und Innovation der Energietechnik mit Hochtemperatur-Supraleitern
München, 15. - 16. März 2016
Dr. Joachim Schneider
RWE Deutschland SEITE 1
Die Energiewende bringt weiter neue Anforderungen an die
Verteilnetze hervor
E-Mobilität
Dezentrale
Erzeugung Digitali-
sierung
Energie- Verteilnetze werden immer komplexer
effizienz Markt-
und ver- design und
ändertes neue
Kunden- Rollen
verhalten
Speicher und Flexibilität Re-Design Kraftwerkspark
RWE Deutschland SEITE 2
SBU Netz – Technik Gesamtüberblick
Wachstum der dezentralen Erzeugung bleibt die Herausforderung
für die Verteilnetze vor Ort
> 97% aller EEG-Anlagen sind im
Verteilnetz angeschlossen 200
Biomasse
180
> Weiter signifikanter Netzausbaubedarf PV
Installierte Leistung [GW]
160
Wind
auf Verteilnetzebene (NS/MS/HS) 140
120
> Vermehrte Grenzwertverletzungen bei Spannung
100
und Strom durch Einspeisung 80 Maximale
Verbrauchsleistung
> Erheblicher Anstieg der Korrektureingriffe auf 60
40
Ebene der Verteilnetze Minimale
20 Verbrauchsleistung
> Zunehmender Daten- und Informationsbedarf zur 0
Netzzustandserfassung 2011 2015 2020 2030 2011 2015 2020 2030
Szenario Bund (NEP) Szenario Länder (BLS)
> Ausgleich im Verteilnetz, darüber hinaus NEP: Netzentwicklungsplan der BNetzA BLS: Bundesländerszenario
Überschusseinspeisung von EEG-Strom in die 1 2
Höchstspannungsebene
(primär vor allem im Norden und Osten)
1BDEW, 2011, “Abschätzung des Ausbaubedarfs in deutschen Verteilungsnetzen
aufgrund von Photovoltaik- und Windeinspeisungen bis 2020”.
2dena, 2012, “dena-Verteilnetzstudie, Ausbau- und Innovationsbedarf der
Stromverteilnetze in Deutschland bis 2030”.
RWE Deutschland SEITE 3
RWE entwickelt zukunftsweisende Konzepte und innovative
Betriebsmittel
1 6 Power to Gas
Proaktives Verteilnetz
Einspeisung von H2 in das
Definition von Marktrollen
Erdgasnetz, Flexibilität
nach Ampelphasen
bereitstellen
2 7
ElChe GEA Lüdenscheid
Erprobung des Speicher- Stromerzeugung durch
einsatzes im Verteilnetz 2 6 Druck aus dem Gasnetz
1
8
3 Ampacity 4 3 9 8 Grid4EU
Praxistest zur künftigen 7 Intelligentes
Energieversorgung von Netzmanagement in
Innenstädten Mittelspannungsnetzen
5
4 10 9
E-DeMa
Metropol-E
Feldtest zum intelligenten 10 Erprobung von Lade- und
Stromverbrauch in
Flottenmanagementsystemen
Privathaushalten
5 Smart Country 10
10 Smart Operator
Validierung innovativer
Autonome Steuerung der
Netzkonzepte und
Niederspannungsnetze
Betriebsmittel
RWE Deutschland SEITE 4
Supraleiter sind bei RWE schon seit längerem ein Thema
> Erfahrungen bereits seit mehr als fünfzehn Jahren
• Feldtest supraleitender 10-kV-Kurzschlussstrombegrenzer 2004/2005
• Überlegungen zur Kupplung von
110-kV-Netzgruppen mit SSB
Einsparung Netzkuppeltrafo
10 MVA, 3-ph., resistiv
> Schlankere Netze durch Einsatz
supraleitender Kabel?
• Gleiche Leistung auf niedrigerer
Spannungsebene
• Weltweit Prototypen
SSB: SupraleitenderStromBegrenzer
> Neue Anforderungen an Verteilungsnetze
• Optimierung klassischer Betriebsmittel vs.
• Entwicklung und Netzerprobung neuer Betriebsmittel bis zur Praxisreife
RWE Deutschland SEITE 5
AmpaCity: IKU-Innovationspreis-Träger
Weltrekord – längste supraleitende Kabelverbindung
> Projektlaufzeit: September 2011 bis März 2016
> Konsortialpartner neben RWE Deutschland
• Nexans Deutschland
• Nexans SuperConductors
• Karlsruhe Institute for Technology (KIT), Institute for
Technical Physics
> Kabeltrasse
• Verbindung der Umspannanlagen Herkules und
Dellbrügge in Essen an Stelle einer
110-kV-Verbindung
• Kabellänge ca. 1 km UA Herkules
• Betriebsspannung 10 kV
• Bemessungs-Dauerstrom 2.310 A
RWE Deutschland SEITE 6
Machbarkeitsstudie als Grundlage für einen
möglichen Feldversuch
> Erhöhung der Leistungsdichte und Effizienz durch Einsatz von HTS*)-Kabeln 600 650
600 400 650
110 kV 10 kV HTS
> Vermeidung einer höheren Spannungsebene (für Ballungsgebiete relevant)
N2XS(FL)2Y HTS-Kabel
700
700
> Vermeidung von radialem Wärmefluss, damit: 300 / 35
850
850
100 200 100
• keine Bodenaustrocknung
1200 1050
1050
125 100 100 100 100 125 125 100 100 100 100 125
1200
• kein Übertragungsengpass in Kreuzungsbereichen 145 145
175 125 125 175 175 125 125 175
> Keine äußeren Magnetfelder im Normalbetrieb
• durch die koaxiale, vollständig geschirmte
Anordnung der drei Leiter
> Geringerer Raumbedarf bei Anlagen und
120
Trassenbreite und dadurch
100
• einfachere Legung durch weniger Erdarbeiten
80
• Platzeinsparungen in Innenstädten (110 kV UA)
60
> Höhere Betriebssicherheit durch Kurzschluss-
strom begrenzende Eigenschaften 40
20
> Langfristige Kosteneinsparungspotenziale
0
*) HTS: HochTemperaturSupraleitung M€ 110 kV 10 kV HTS
Invest Operation
RWE Deutschland SEITE 7
Hochspannungsnetz im Bereich Essen/Mülheim
Einspeisepunkte ins supraleitende 10-kV-Netz
380-kV-Umspannanlage 380-kV-Umspannanlage
220-kV-Umspannanlage 220-kV-Umspannanlage
110/10-kV-Anlage 110/10-kV-Anlage
Zielgebiet für supraleitende Kabel 10-kV-Schwerpunktstation
110-kV-Kabel 10-kV-Kabel supraleitend
110-kV-Freileitung
110-kV-Kabel
110-kV-Freileitung
Grundlage: Ist-Netz (2010)
Neue Randbedingungen durch Strukturwandel
• Im Ruhrgebiet starker Rückgang der Schwerindustrie
• Anforderungen an Leistung und räumliche Aufteilung der Netze
verändert Grundlage: Zielnetz 2020
• Netz-Neubewertung und Konzeption für optimiertes Zielnetz 2020
RWE Deutschland SEITE 8
Förderung des Projekts AmpaCity durch das
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie
> Weltweit erstmalige Anwendung / Demonstration eines ca. 1 km
langen HTS-Kabelsystems mit kompaktem konzentrischen
Design zur Verbindung von zwei Umspannstationen unter
realer Netzbelastung in Kombination mit einem ebenfalls
supraleitenden Kurzschlussstrombegrenzer
> Das Projekt stellt potenziell eine Initialzündung für den Auf-
bau weiterer Produktionskapazitäten im Bereich der HTS-
Materialien, Kühlanlagen und HTS-Kabeltechnik dar
(Kostensenkungspotenziale)
> Nach Validierung der Eignung supraleitender Kabel steht eine zukunfts-
weisende Technologie zur Erfüllung anspruchsvoller Versorgungsaufgaben zur Verfügung
> Mit Erreichen der gesteckten Innovationsziele kann mittel- bis langfristig die gesamte Stromversorgung in großen
Ballungsräumen mit sehr hohen Energiedichten durch den Wegfall der 110/10-kV-Umspannanlagen vereinfacht
werden
RWE Deutschland SEITE 9
Akzeptanz in der Bevölkerung und in der Politik
erfordert Diskussion in der Öffentlichkeit
> Kritische Öffentlichkeit gegenüber moderner Technik
• Auch Projekte für die Energiewende müssen offen
erläutert werden
• Fokus auf lokaler Information in Essen, aber auch
intensive überregionale Information
(national und international)
• Sehr positive Resonanz von allen Seiten durch
frühzeitige und offene Information
> Pressegespräche zu besonderen Anlässen sind ein
wichtiger Baustein
• Abschluss der Typprüfung bei Nexans
• Erster Spatenstich in Essen
• Besuch „wichtiger“ Personen oder Gruppen
• Inbetriebnahme
• …
RWE Deutschland SEITE 10Die Pilotstrecke AmpaCity in Essen
Technische Spezifikation
1 km Entfernung zwischen den Anlagen
10 kV Betriebsspannung
2.310 A Bemessungs-Dauerstrom
40 MVA Dauerleistung Umspannanlage
Herkules
Verbindungsmuffe
Umspannanlage
Dellbrügge
Luftbild: "Darstellung aus HK Luftbilder / Karten Lizenz RWE
Nr. 197 Deutschland SEITE
/ 2012 mit Genehmigung vom Amt für11
Geoinformation, Vermessung und Kataster der Stadt Essen vom 13.02.2012"Die Komponenten des HTS-Systems
> Kabelsystem
• Kabelader
- Stromtransport und Spannungsfestigkeit
- Transport von flüssigem Stickstoff
• Kabelkryostat
- Thermische Isolierung der Kabelader
- Transport von flüssigem Stickstoff
• Endverschlüsse
- Verbindung des Kabels mit Netz / Strombegrenzer,
- Anschluss Kühlanlage
- Übergang zwischen Betriebs- und Umgebungstemperatur
• Muffe
- Verbindung von einzelnen Kabellängen
> Strombegrenzer
- Schutz des HTS-Kabels bei Kurzschlüssen im Netz
> Kühlanlage
- Bereitstellung Kühlleistung für Kabelsystem und Strombegrenzer
RWE Deutschland SEITE 12AmpaCity integriert innovative Betriebsmittel in
vorhandene Infrastruktur (1/2)
1
(1) HTS-Kabel Trafobox in der UA Herkules
(2) Endver-
2 schluss (1) HTS-
Zur Schaltanlage
Kabel
(3) Kurzschluss
3 Strom- (2) U-Bogen
2
begrenzer (3) Endversc
5 hluss
4
(4) Kühlanlage
4
(4) Kurzschlu
1
5
(5) U-Bogen ss-
L1 L2 L3 strombegr
3 enzer
(5) Kühlanlag
e
RWE Deutschland SEITE 13AmpaCity integriert innovative Betriebsmittel in
vorhandene Infrastruktur (2/2)
Anlieferung und Einzug des Kabels Aufstellung des LN2-Tanks
Trafo-Box
Einbau des U-Bogens Einbau des Kurzschlussstrombegrenzers
RWE Deutschland SEITE 14Die Vorbereitungen zur Inbetriebnahme
> Befüllung des Stickstofftanks
• Füllung mit flüssigem Stickstoff
> Kabelprüfung in Anlehnung an Vorschriften in DIN VDE und IEC
• Spannungsprüfung
• Verlustfaktormessung
• Teilentladungsmessung
> Alle Teilprüfungen erfolgreich bestanden absolviert
• Einbindung des HTS-Kabels in das 10-kV-Netz
RWE Deutschland SEITE 15Seit Inbetriebnahme problemlose Funktion des Systems,
Optimierungen erfolgten im laufenden Betrieb
> Symmetrierung der Erdkapazitäten
• Unsymmetrische Erdkapazitäten des AmpaCity-Kabels durch nachträglichen
Einbau von Kondensatoren kompensiert
> Optimierung Kühlanlage
• Ertüchtigung der Vakuumpumpen nach Einfrierungen von feuchter Luft
> Optimierung Systemüberwachung
• Erhöhung der Ansprechzeiten nach KU für unterbrechungsfreien Betrieb
> Erfolgreiche Durchführung von Kurz- und Erdschlussversuchen im Netz
• Einwandfreie Funktion sowohl des Kurzschlussstrombegrenzers als auch der
Schutzsysteme
• Das HTS-System beherrscht nicht nur den ungestörten Dauerbetrieb, sondern
auch relevante Betriebssituationen im praktischen Netzeinsatz
> Seit der Inbetriebnahme vor rund 2 Jahren …
• wurden ca. 100.000.000 Kilowattstunden mit dem AmpaCity-Kabel übertragen
• besuchten über 100 Gruppen mit insgesamt mehr als 4.000 Teilnehmern die
Umspannanlage Herkules
RWE Deutschland SEITE 16KlimaExpo.NRW zeichnet AmpaCity aus
> AmpaCity offiziell qualifiziertes Projekt der KlimaExpo.NRW
• NRW-Wirtschaftsminister Garrelt Duin übergab die Urkunde an
Dr. Arnd Neuhaus, Vorstandsvorsitzender RWE Deutschland
• Wirtschaftsminister würdigt AmpaCity als Musterbeispiel für die
Zukunft der Stromversorgung in Ballungsgebieten
Dr. Joachim Schneider, Technikvorstand der RWE
Deutschland: „AmpaCity zählt zu den herausragenden
innovativen Projekten, die RWE mit großer Energie und
Leidenschaft umsetzt. Auszeichnungen wie diese zeigen Vor dem Supraleiter in der Essener Innenstadt (von
uns, dass wir auf dem richtigen Weg sind." links nach rechts): Dr. Joachim Schneider,
Technikvorstand der RWE Deutschland, Reinhard
Paß, Oberbürgermeister der Stadt Essen, Garrelt
Duin, Wirtschaftsminister des Landes Nordrhein-
Westfalen, Dr. Heinrich Dornbusch, vorsitzender
Geschäftsführer der KlimaExpo.NRW, Dr. Arndt
Neuhaus, Vorstandsvorsitzender der RWE
Deutschland, Frank Schmidt, Geschäftsführer Nexans
Superconductors und Carola Geiß-Netthöfel,
Regionaldirektorin beim Regionalverband Ruhr.
Quelle: Pressemitteilung RWE Deutschland AG, 14. April 2015
RWE Deutschland SEITE 17RWE und Nexans vereinbaren exklusive
Zusammenarbeit
> Lösungsportfolio und Zuständigkeiten
Bau / bauliche
Machbarkeit Netz
Infrastruktur
Kabel Kühlung Strombegrenzer
Verbindungstechnik
Schulung Umwelt
und Endverschluss
RWE Deutschland SEITE 18Zusammenfassung und Ausblick
> Basis für die Entscheidung zum weiteren Ausbau von Trassen mit HTS-Systemen
• Feldtest AmpaCity sehr erfolgreich durchgeführt
• Es ist beabsichtigt, das System weiter als Innovation
zu nutzen
• Mögliches Szenario für RWE Deutschland: Ausbau
eines „HTS-Cityrings“ mit einer Länge von rund 20 km
zur vollständigen Versorgung der Innenstadt, mit ent-
sprechendem Rückbau von 110-kV-Anlagen
• Bedeutende Signalwirkung für die zukünftige Gestal-
tung von Stromverteilungsnetzen in Ballungsgebieten
• Abschluss des Pilotprojekts ist auch wichtige Grund-
lage für die generelle weitere Verbreitung der HTS-
Technologie
• Breite Anwendung ist abhängig von der Verbesserung Qeuelle: Nexans Deutschland
des Preis-Leistungs-Verhältnisses der HTS-Leiterma-
terialien, der Optimierung der Kabelherstellung und der Kosten sowie der Robustheit der Kühltechnik
• HTS-Technologie ist auch schon kurzfristig wirtschaftlich einsetzbar, wenn positive Sekundäreffekte hinzu kommen
• Mittelfristig wird eine Preisdegression erwartet
RWE Deutschland SEITE 19Backup
RWE Deutschland SEITE 20Kabel
RWE Deutschland SEITE 21Endverschluss
RWE Deutschland SEITE 22Verbindungsmuffe
RWE Deutschland SEITE 23Supraleitender Kurzschlussstrombegrenzer
RWE Deutschland SEITE 24Kühlanlage
RWE Deutschland SEITE 25Sie können auch lesen
