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Bedeutung von Spannungshaltung in Elektrizitätsversorgungsnetzen
Wo und warum spielt Spannungshaltung heute so eine große eine Rolle?
Die Spannungshaltung ist ein wesentlicher Bestandteil der Energieversorgung, da sie sicherstellt, dass die elektrische Spannung, die verschiedenen Verbrauchern zur Verfügung steht, innerhalb genau definierter Grenzen konstant bleibt. Dies ist sowohl für die Übertragungsnetze auf der Höchstspannungsebene als auch für die Verteilungsnetze auf der Mittelspannungs- und Niederspannungsebene von großer Bedeutung. Ein Versagen der Spannungshaltung kann fatale Auswirkungen haben, da Überspannungen zur Zerstörung von Verbrauchern führen und Unterspannungen deren Funktion stört. Daher ist eine hohe Zuverlässigkeit der Spannungshaltung ein wesentlicher Aspekt der Qualität der Stromversorgung.
Herausforderungen der Spannungshaltung heute und in der Zukunft – Fokus auf das Niederspannungsnetz
Mit der zunehmenden Einspeisung erneuerbarer Energien auf allen Spannungsebenen im Rahmen der Energiewende wird die Spannungshaltung auf allen Netzebenen zunehmend komplexer. Gerade die Spannungshaltung in Niederspannungsnetzen aufgrund der fluktuierenden Natur von Einspeisung und Verbrauch von Photovoltaikanlagen, Elektromobilität/E-Ladesäulen und immer mehr Wärmepumpen im Netz, stellt für Energieversorger und Netzbetreiber eine der großen Herausforderungen der heutigen Zeit dar. In Zeiten schwacher Last können starke Einspeisungen die Netzspannung ansteigen lassen, zu Zeiten eines Lastanstiegs kann die Netzspannung gefährlich nah an die in EN 50160 definierten Toleranzbänder fallen. Dies erfordert Lösungsansätze, um die Spannung im Niederspannungsnetz innerhalb der definierten Grenzen stabil zu halten.
Welche Richtlinien für die Spannungshaltung im Niederspannungsnetz gibt es?
In Deutschland müssen Netzbetreiber Maßnahmen ergreifen, um sicherzustellen, dass mit der Netzspannung bestimmte Toleranzgrenzen eingehalten werden. Um Schäden an Geräten zu vermeiden und eine zuverlässige Stromversorgung sicherzustellen, muss die Netzspannung im Niederspannungsnetz für Kleinverbraucher laut EN 50160 zu 95% der Wochen zwischen +/- 10% – also zwischen 207 V und 253 V – und zu 100% der Zeit zwischen 85% und 110% – d.h. zwischen 195,5 V und 253 V – der Netznennspannung von 230 V liegen. Alle Geräte müssen so ausgelegt sein, dass sie in diesem Spannungsband ordnungsgemäß arbeiten. Engere Toleranzen wären für einige Verbraucher noch vorteilhafter, würden jedoch den Aufwand für die Spannungshaltung so massiv erhöhen, dass das Kosten/Nutzen-Verhältnis nicht mehr ideal wäre.
Diese Richtlinien zur Spannungshaltung betreffen dabei die längerfristigen Abweichungen der Effektivwerte der Spannung von den Nennwerten (230 V, bzw. 400 V in Industrieanwendungen mit Starkstrom). Kurzfristige Phänomene wie transiente Spannungsschwankungen oder Abweichungen von einem sinusförmigen Spannungsverlauf (Harmonische), welche durch die Messung mit mobilen/tragbaren oder fest installierten Netzanalysatoren im Netz gemessen/detektiert werden, fallen nicht unter Spannungshaltung. Die Frequenzregelung ist ebenfalls eine separate Aufgabe, die nicht unter die Spannungshaltung fällt.
Methoden zur Spannungshaltung im Niederspannungsnetz
Methoden zur Spannungshaltung
Die Einhaltung der genannten Richtlinien ist bereits heute oft nur durch und den Einsatz geeigneter Gegenmaßnahmen und Technologien möglich. Der Bedarf nach Transparenz und Regelbarkeit des Niederspannungsnetzes wird durch den rasanten Zubau erneuerbarer Energieträger & Elektromobilität in Zukunft noch weiter zunehmen. Nur so können Netzbetreiber die Herausforderungen der Energiewende, und der Spannungshaltung im Speziellen erfolgreich bewältigen und eine stabile und zuverlässige Energieversorgung sicherstellen. Mögliche Maßnahmen zur Spannungshaltung werden im Folgenden in einem Kurz-Überblick vorgestellt.
- Netzverstärkung/Leitungsausbau: Der Leitungsausbau stellt einen klassischen/konservativen Lösungsansatz bei Spannungshaltungsproblemen dar. Hierbei werden zusätzliche Leiterseile oder stärkere Kabel installiert, um die Kapazität und Stabilität des Netzes zu erhöhen und so Spannungsabfälle zu reduzieren. Hierzu sind erhebliche finanzielle Investitionen nötig, sowohl in Material als auch Arbeitszeit. Die Umsetzung ist zeitaufwendig (oft viele Monate, manchmal Jahre) und einmal ausgebaute Leitungen bieten wenig Flexibilität für spätere Änderungen oder Anpassungen im Netz.
- Abregelung der Einspeisung: Eine vorübergehende Verminderung der Einspeisung bei zu hoher Spannung ist einfach und schnell umsetzbar, jedoch geht dabei wertvolle „erneuerbare“ Energie verloren. Eine Abregelung ist auch nur bei Spannungsanstiegen als potenzielle Abhilfe zu verstehen und bietet somit nur eine Scheinlösung gegen Spannungshaltungsprobleme im Niederspannungsnetz.
- Batteriespeicher/Energiespeicher: Speicher wie Akkumulatoren könnten Erzeugungsspitzen speichern und später abgeben, sind aber teuer und verursachen zusätzliche Energieverluste durch Wirkungsgrade. Außerdem sind Energiespeicher heute noch sehr teuer und können, auch aufgrund der benötigten Rohstoffe, heute noch nicht flächendecken eingesetzt werden.
- Blindleistungseinspeisung: Blindleistungskompensationsanlagen (BKA), wie Drosselspulen und Kondensatoren, werden eingesetzt, um Blindleistung zu erzeugen oder zu absorbieren und somit die Spannung im Netz zu stabilisieren. Diese Anlagen können sowohl zentral als auch dezentral installiert werden. Dies wird zunehmend auch mit Wechselrichtern für Photovoltaikanlagen praktiziert. Die Erzeugung und Einspeisung von Blindleistung kann jedoch technisch sehr komplex sein, benötigt regelmäßige Wartung und Überwachung und bedarf eines zusätzlichen Energieverbrauchs, was die Gesamtenergieeffizienz der Elektrizitätsverteilung verringert. Außerdem erzeugen Blindleistungskompensationsanlagen Netzrückwirkungen, was wieder negative Auswirkungen auf die Power Quality hat.
- LVRSys®-Niederspannungsregelsystem von A. Eberle: Das »LVRSys®-Niederspannungsregelsystem« wurde speziell zu dem Zweck entwickelt, Spannungshaltungsprobleme aufgrund der Integration von Elektromobilität, Photovoltaik und auch immer mehr Wärmepumpen in das Niederspannungsnetz zu lösen. Es stellt eine wirtschaftliche, örtlich flexibel einsetzbare und wartungsarme Alternative zu alternativen Lösungsansätzen wie Leitungsausbau, Energiespeicher und Blindleistungseinspeisung/ Blindleistungskompensationsanlagen dar. Zudem kann das System zeitlich effizient und flexibel als Strangregler oder als Regler direkt an der Ortsnetzstation verwendet werden. Weitere Informationen zum »LVRSys®-Niederspannungsregelsystem finden Sie auch hier.
LVRSys®
Das »LVRSys®-Niederspannungsregelsystem« wurde speziell entwickelt, um Spannungshaltungsprobleme aufgrund der Integration von Elektromobilität, Photovoltaik und Wärmepumpen im Niederspannungsnetz zu lösen. Es stellt eine wirtschaftliche & flexible Alternative zum kosten- und zeitintensiven Leitungsausbau dar.
Unterschied/Abgrenzung zwischen statischer Spannungshaltung und dynamischer Spannungsstützung
1. Statische Spannungshaltung:
- Normalbetrieb: Die statische Spannungshaltung sorgt dafür, dass die Spannung im normalen Betriebszustand innerhalb des zulässigen Spannungsbandes bleibt. Dies wird durch verschiedene Maßnahmen wie die Bereitstellung von Blindleistung, die Stufung von Transformatoren und den Einsatz von Spannungsreglern erreicht.
- Anwendungsfall: Diese Methode ist für den täglichen Betrieb des Stromnetzes essenziell, um einen störungsfreien Betrieb der angeschlossenen Geräte zu gewährleisten.
2. Dynamische Spannungsstützung:
- Störungsfall: Die dynamische Spannungsstützung kommt bei Störungen, wie Kurzschlüssen, zum Einsatz, um einen stabilen Weiterbetrieb des Systems zu ermöglichen. Hierbei wird eine ausreichende Kurzschlussleistung benötigt, um Spannungseinbrüche lokal zu begrenzen und die Stabilität elektrischer Maschinen zu gewährleisten.
- Anwendungsfall: Diese Methode ist besonders wichtig, um die Auswirkungen von Störfällen zu minimieren und das Netz schnell wieder in einen stabilen Zustand zu bringen.
Praktische Anwendungsbeispiele und technische Fachberichte
Zur Lösung von Spannungshaltungsproblemen im Niederspannungsnetz:
Pilotprojekt: Autobahnparkplatz mit LVRSys®
Am PWC (Parkplatz mit WC) „Auergründel“ an der Autobahn A6 kam es vermehrt zu Ausfällen der Frisch- und Abwasserpumpen. Als Grund dafür, vermutete die Autobahndirektion zu hohe Lasten auf dem Niederspannungskabel. Die Kurzschlussleistung des Netzes an der Parkstation könnte für den stabilen Pumpenbetrieb nicht ausreichend sein.
Wirtschaftlichkeits-Analyse: LVRSys® vs. Leitungsausbau
Die Energiewende und die damit verbundenen Veränderungen im Verteilnetz stellen viele Verteilnetzbetreiber vor unterschiedliche Herausforderungen. Gerade der Leitungsausbau ist eine sehr kostenintensive und zeitaufwändige Investition.
LVRSys® im Niederspannungsnetz auf Malta
Dieser Applikationsbericht befasst sich mit der Integration des »LVRSys®-Niederspannungsregelsystems« in das Niederspannungsnetz auf Malta.
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