Notwendige Nachrüstung der Niederspannungsnetze

Mitwirkung der enerson-Gruppe bei der notwendigen Nachrüstung der Niederspannungsnetze aufgrund der Einspeisungen durch das EEG zur Gewährleistung des gesicherten Netzbetriebs auf dieser Netzebene

Elektrische Versorgungsnetze werden im Allgemeinen in die vier Ebenen Transport-, Übertragungs-, Verteilungs- und Niederspannungsnetz aufgeteilt, die jeweils unterschiedliche Strukturen und Betriebsweisen aufweisen und zudem durch unterschiedliche Spannungen gekennzeichnet werden. Sie haben die Aufgabe, die produzierte elektrische Energie, unter Berücksichtigung von Wirtschaftlichkeit und Sicherheit, sowohl in Bezug auf Versorgungssicherheit als auch in Bezug auf Sicherheit im Sinne der Gefahren des elektrischen Stroms für Menschen und Aggregate, zu den Verbrauchern zu leiten. Die an den Endverbraucher gelieferte elektrische Energie muss außerdem zusätzliche Qualitätsanforderungen hinsichtlich Frequenz, Spannung und Dreiphasensymmetrie erfüllen.

Zur Lösung dieser komplexen Aufgaben bestehen die Netze aus einer Vielzahl von Einrichtungen, die überwacht, gesteuert und geregelt werden müssen. Diese Bestandteile von Netzen sind Betriebsmittel wie z.B. Transformatoren und Leitungen. Weitere Betriebsmittel im Netz sind Stromerzeugungsanlagen sowie Anlagen zur Aufrechterhaltung der Qualität des Stroms wie z.B. Generatoren als Phasenschieber, Kompensationsspulen bzw. Kompensationskondensatoren, Erdungsspulen und Kurzschlussbegrenzungsdrosseln.

Das Grundziel der Netzführung ist es, eine „…zumindest ausreichend tragfähige aktuelle Netztopologie für die anstehende Energietransport- und -verteilungsaufgabe zur Verfügung zu stellen“. Die Einflussgrößen hierbei sind die Höhe und die geographische Verteilung der Last und der Erzeugung; Randbedingungen sind die verfügbare potenzielle Topologie und betriebliche Zwänge wie z.B. Spannungshaltung, Kurzschlussleistung, Rundsteuerung, Stabilitätsprobleme. Die Netzführung ist nicht nur als Reaktion auf sich momentan einstellende Situationen zu verstehen, vielmehr muss durch Planung die Menge der ad hoc zu treffenden Entscheidungen auf ein Mindestmaß reduziert werden. Grundlagen dieser Planung sind die Lastprognose und die durch Wartungsarbeiten und Störungen eingeschränkte potenzielle Netztopologie.

DyLiacco hat erstmals ein Konzept vorgelegt, das für die Betriebsführung wichtige globale Zustände des Versorgungsnetzes definiert. Demnach befindet sich ein Versorgungsnetz immer in einem der vier Betriebszustände „Normal – Alert – Emergency – Restorative“:

• Im Zustand Normal sind alle Abnehmer versorgt, und es kann darüber hinaus eine (n-1)-Zuverlässigkeit im gesamten Netz gewährleistet werden. In diesem Zustand wird weiterhin vorausgesetzt, dass alle hilfs- bzw. informationstechnischen Einrichtungen ordnungsgemäß arbeiten. Das Ziel der Betriebsführung ist neben dem Erhalt dieses Betriebszustandes die wirtschaftlich optimale Gestaltung der Energieversorgung.
• Im Zustand Restorative ist infolge einer großen Netzstörung die Versorgung der meisten Abnehmer ausgefallen, wobei nur wenige Betriebsmittel zerstört bzw. defekt sind; vielmehr ist ihr Zusammenwirken vollständig desorganisiert.
• Die Zustände Alert und Emergency sind Zwischenzustände, die durch Ausfälle eigener Betriebsmittel bzw. Hilfs- und Informationseinrichtungen oder durch eine bedeutende positive Abweichung des tatsächlichen Bedarfs vom prognostizierten hervorgerufen werden. Hauptziel der Netzbetriebsführung ist – nach diesem Konzept – entweder das Aufrechterhalten des Betriebszustands Normal oder, ausgehend von einem der „schlechteren“ Betriebszustände, durch Schaltmaßnahmen, Personaleinsatz, bzw. andere Aktivitäten das Netz in den Zustand Normal zurückzuführen.

Die umfangreichste Aufgabe beim Führen von Netzen ist die Überwachung von Sollwerten (z.B. Sollwerten von Spannungen) und Zuständen (z.B. Versorgungszuständen von Verbrauchern). Sie wird in den Ebenen Transport-, Übertragungs-, Verteilungsnetz weitgehend automatisch realisiert.

Die aus der historischen Entwicklung heraus bedingte Nutzung fossiler Energieträger zur Erzeugung der elektrischen Energie wird zunehmend durch die Nutzung regenerativer Energiequellen erweitert; langfristig wird sogar angestrebt Energiesysteme einzusetzen, die vollständig auf regenerativen Energiequellen basieren. Der in Deutschland beschlossene Ausstieg aus der Nutzung von Nukleartechnik zur elektrischen Energieversorgung und das Gesetz zur Förderung erneuerbarer Energieträger haben zu einer signifikant gestiegenen Anzahl von Kraftwerken mit Nutzung regenerativer Energieträgern geführt. Die zunehmende Anzahl kleinerer dezentraler Erzeugungsanlagen hat weitreichende Auswirkungen auf den Aufbau und den Betrieb elektrischer Netze, vor allen auf der Verteilungs- und Niederspannungsebene.

Die meisten dezentralen Erzeugungsanlagen (Photovoltaik-Anlagen, kleinere Blockheizkraftwerke und Biogas-Anlagen) werden auf der Niederspannungsebene integriert. Die Anforderungen an die Niederspannungsnetze steigen dementsprechend und führen zu zwei wesentlichen Herausforderungen:

• die Leistungseinspeisung führt zu einer Anhebung der Netzspannung aufgrund der Leitungsimpedanz und
• die Auslastung der Betriebsmittel steigt mit jedem zusätzlichen Einspeiser an. Häufig erfolgt eine Rückspeisung in die überlagerten Netzebenen, obwohl diese Netzebenen nicht für eine derartige Konstellation ausgelegt wurden.

Durch zusätzliche elektrische Verbraucher mit hohem Leistungsbedarf wie beispielsweise Elektrofahrzeuge steigt die Auslastung der Niederspannungsnetze weiter an. Insgesamt ergibt sich damit eine volatilere Netznutzung, die zwischen hohem Leistungsbezug und hoher Leistungsrückspeisung schwanken kann. Für eine derartige Netznutzung sind die Niederspannungsnetze ebenfalls nicht ausgelegt.

Beim Anschluss neuer dezentraler Erzeugungsanlagen sind die Netzbetreiber mit Problemen hinsichtlich der lokalen Einhaltung von Spannungsgrenzwerten konfrontiert. Sie müssen vor Anschluss neuer Einspeiser prüfen, ob sich der durch den Einspeiser hervorgerufene Spannungsanstieg innerhalb der zulässigen Grenzwerte bewegt. In diesem Fall müssen sie geeignete Ausbaumaßnahmen durchführen, um den neuen Einspeiser anzuschließen.

Ein weiteres Problem ergibt sich dadurch, dass bedingt durch den hohen Gleichzeitigkeitsfaktor von Photovoltaik-Anlagen die kumulierte Leistung hoch ist, so dass die Auslastung von Leitungen und Transformatoren ansteigt und diese überlastet werden können.

Es ist zu erwarten, dass die dargestellten Probleme insbesondere in den Verteilungsnetzen immer häufiger auftreten. Die Netzbetreiber – vor allem auf der Niederspannungsebene - stehen somit vor einer erheblichen Herausforderung, um den oben beschriebenen sicheren und zuverlässigen Netzbetrieb (Zustand Normal) weiterhin gewährleisten zu können.

Als Lösungsmöglichkeit für die steigenden Anforderungen bieten sich daher intelligente Netze auch auf der Niederspannungsebene an. Durch die Ausstattung der Niederspannungsnetze mit zusätzlicher Mess- und Automatisierungstechnik wird eine Identifikation des aktuellen Netzzustands und damit die Überwachung auf Grenzwertverletzungen ermöglicht, die ggfs. durch gezielte Regelungseingriffe behoben werden können. Die bestehende Netzkapazität lässt sich besser ausnutzen, gleichzeitig wird ein zuverlässiger Netzbetrieb gewährleistet.

Aufgrund ihrer Erfahrungen auf dem Gebiet der Planung und Umsetzung des Ausbaus von Telekommunikations- bzw. Mobilfunknetzen ist die enerson-Gruppe gut gerüstet für die Mitwirkung als General Unternehmer (GU) bzw. Partner bei den komplexen Planungs- und Bauleistungen zur Nachrüstung, die in den Niederspannungsnetzen anstehen.

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