Der Energietransport mit Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung

Der in Kraftwerken produzierte Strom muss teils über lange Strecken transportiert werden, bevor er in die lokalen Netze eingespeist wird. Besonders im Falle von alternativen Energien, wie Wind- und Solarkraft, tritt dieses Problem auf. Um ein Problem handelt es sich deshalb, weil über lange Strecken im Leiter hohe Verluste auftreten und weit entfernte Kraftwerke sich dann nicht mehr rentieren.

Beim DESERTEC-Konzept muss der Strom aus den Wüsten dieser Erde über die Kontinente verteilt werden, wobei Strecken von mehreren tausend Kilometern überwunden werden müssen. Die HGÜ-Technik löst dieses Problem. Ein Kraftwerk bezeichnet man dann als rentabel, wenn bei der Stromübertragung die Verluste weniger als 10% betragen. Zurzeit fallen bei den HGÜ-Kabeln auf einer Strecke von 1000km Verluste von ungefähr 3% an, was bei einer maximalen Entfernung der Wüste vom Zielort von 3000km Ergebnisse im gewünschten Rahmen liefert.

Was aber bedeutet HGÜ?

HGÜ steht für „Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung” (im Engl. HVDC: „High Voltage Direct Current”). Im Allgemeinen bezeichnet Hochspannung eine Spannung von über 1000V (1kV), bei der HGÜ wird eine Spannung von bisweilen weit über 100kV verwendet. In der Natur kommt Hochspannung in Form von Blitzen und Elmsfeuern vor. Künstlich hergestellt werden kann sie durch Bandgeneratoren und Transformatoren. Die Verwendung von Transformatoren ist jedoch nur bei Wechselstrom möglich. Gleichstrom (Direct Current: „DC”) ist das Gegenstück zu Wechselstrom (Alternate Current: „AC”), welcher in den normalen Stromnetzen verwendet wird.

Gleich- und Wechselstrom

Bei Gleichstrom fließen die Ladungsträger stets in eine Richtung bei Wechselstrom dahingegen bewegen sich die Ladungsträger um ihre Ruhelage hin und her. Dieses Verhalten ergibt sich aus der am Leiter anliegenden Spannung. Die Spannung veranlasst die Ladungsträger sich zu bewegen, ähnlich einer Pumpe in einem Wasserkreislauf. Bei Gleichspannung werden die Ladungsträger immer in dieselbe Richtung gedrückt und es ergibt sich ein Gleichstrom. Dies ist z.B. bei einer Baterie der Fall. Bei Wechselspannung wechselt das Vorzeichen der Spannung ständig, d.h. die Spannung nimmt abwechselnd positive und negative Werte an. Das hat zur Folge, dass die Ladungsträger ständig ihre Bewegungsrichtung wechseln müssen und ein Wechselstrom resultiert. Wechselstrom wird zum Beispiel in einem Generator erzeugt. Dort wird er mittels Induktion über eine in einem Magnetfeld rotierende Spule hergestellt. Dabei wechselt die Spannung in Abhängigkeit von der Position der Spule. In diesem Fall ergibt sich in der Regel eine Spannung, die durch eine Sinuskurve dargestellt werden kann, das Vorzeichen wechselt dabei kontinuierlich zwischen „+” und „-”.

Der Wechselstrom setzte sich im so genannten „Stromkrieg” gegen den damals weniger effizienten Gleichstrom durch. Durch neue technische Errungenschaften gewinnt der Gleichstrom über die HGÜ-Leitungen wieder an größerer Bedeutung.

Der Stromkrieg

Der Stromkrieg war ein Streit zwischen den um 1890 führenden Elektrofirmen „Edison General Electric”, deren Gründer Thomas Alva Edison die von ihm erfundene Gleichstromtechnik favorisierte, und „Westinghouse Electric”, einem von George Westinghouse gegründeten konkurrierenden Unternehmen, welches, mit Nikola Teslas Hilfe, später die Wechselspannung zur Stromversorgung Amerikas durchsetzen konnte.

Der Vorteil des Wechselstroms lag zunächst darin, dass die Spannung im Kraftwerk mittels Generatoren leicht erzeugt werden konnte und dann in Form einer Wechselspannung vorlag. Diese wiederum ließ sich mit Transformatoren einfach erhöhen, wodurch die gewonnene elektrische Energie auch für den Transport über längere Strecken geeignet war.

Warum aber nun HGÜ?

Die elektrische Energie wird zunächst im Kraftwerk mittels Generatoren gewonnen. Es entsteht also „normaler” Wechselstrom bzw. „normale” Wechselsapnnung. Die Wechselspannung wird nun hochtransformiert. Dabei wird gleichzeitig die Stromstärke verringert, also heruntertransformiert. Die Stromstärke muss man sich dabei als ein Maß für die Anzahl an Ladungsträgern vorstellen, die in einer bestimmten Zeit einen bestimmten Leiterabschnitt durchqueren. Bildlich gedacht ist der Leiter also ein „Tunnel”, der von Teilchen durchquert wird. Ist die Stromstärke zu hoch, entstehen im zu engen „Tunnel” Reibungen und dadurch Wärmeverluste. Nun kann man entweder die Leitungen vergrößern, woraus sich ein Materialproblem ergeben würde, oder aber man erhöht die Spannung.

Warum aber wird durch Erhöhen der Spannung die Stromstärke reduziert?
Die Spannung ist ein Maß für die „Energie”, die eine einzelnes Teilchen tarnsportieren kann. Bei einer höheren Spannung gibt man also jedem Ladungsträger mehr Energie mit und benötigt dafür weniger Ladungsträger, die Reibung im „Tunnel” ist dadurch geringer.

Rechenbeispiel:

Im solarthermischen Kraftwerk in der Wüste wird eine bestimmte Leistung P bereitgestellt, dabei ist die Leistung die elektrische Energie, die pro Zeiteinheit gewonnen wird. Diese Leistung muss nach Wiesbaden transportiert werden.
Die Formel für diese lautet:
P = U · I (U: Spannung; I: Stromstärke)
Die vorhandene Leistung kann nun entweder bei hoher Stromstärke und niedriger Spannung oder bei niedriger Stromstärke und hoher Spannung transportiert werden.
Bsp.: 100W = 1V · 100A = 100V · 1A

Das erklärt, warum sich die Wechselspannung im Stromkrieg durchsetzte.
Warum aber nun die Umwandlung in Gleichstrom?
Bei der Übertragung der Energie in Form eines Wechselstroms ergeben sich Energieverluste, die dann dazu führen, dass in Wiesbaden nur noch ein geringer Teil der in der Wüste gewonnen Energie ankommt.

Fließt in einem Leiter ein elektrischer Strom, so bildet sich ein Magnetfeld um diesen. Im Falle eines Wechselstroms verändert dieses mit dem Wechsel der Stromrichtung seine Orientierung. Durch ein solches zeitlich veränderliches Magnetfeld werden Spannungen induziert (Dieses Prinzip macht sich gerade der Generator zu nutzen.) Teilchen in der Nähe des Leiters reagieren nun auf das sich ändernde Magnetfeld bzw. auf die induzierte Spannung und müssen sich entsprechend Ausrichten. Bei einem Gleichstrom findet diese Ausrichtung nur einmalig statt. Bei einem Wechselstrom dahingegen müssen sich die Teilchen ständig umorientieren. Diese Bewegung kostet Energie und die kann dann nicht mehr in Wiesbaden ankommen. Diese Verluste sind gerade bei Seekabeln, wie sie beim DESERTEC-Konzept benötigt werden, enorm und werden zudem umso relevanter je länger das Kabel ist.

Wie funktioniert HGÜ?

Im ersten Schritt wird die Wechselspannung aus dem Kraftwerk mit Transformatoren hochtransformiert. Anschließend findet die Umwandlung in Gleichspannung statt, so dass die elektrische Energie dann in Form eines Gleichstroms transportiert werden kann. Bei diesem Vorgang spricht man von Gleichrichtung, die mit sogennanten Konverterstationen realisiert wird.

Gleichrichtung

Ein Gleichrichter ist ein Schaltkreis, der Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Sein wichtigstes Bauteil ist die so genannte Diode. Man kann sie sich als Einbahnstraße für Strom vorstellen. In den HGÜ-Anlagen werden „Thyristoren” verwendet. Dabei handelt es sich um schaltbare Dioden, mit denen man die Umwandlung steuern kann.

An der Wechselstromquelle werden Plus- und Minuspol ständig vertauscht. Elektronen - die Teilchen, welche die Ladungen transportieren - sind negativ geladen und fließen immer in Richtung des Pluspols. Durch eine geschickte Anordnung der "Einbahnstraßen" kann man die Elektronen so lenken, dass sie immer am selben Ende des Gleichrichters landen und sein Ende zu einer Gleichstromquelle verwandeln. Da der Wechselstrom nicht schlagartig umpolt schwingt auch der Gleichstrom zwischen einem Maximum und der Nulllinie. Um dem entgegen zu wirken, wird ein Kondensator zwischen Kathode und Anode der Gleichstromquelle geschaltet.

Nun kann der Transport bei Hochspannung und Gleichstrom stattfinden. Nur so ist eine verlustarme Übertragung möglich. Analog findet nun der umgekehrte Umwandlungsprozess statt. Zunächst also eine Wechselrichtung und dann ein heruntertransformieren der Spannung. Schließlich kann der Wüstenstrom in das lokale Stromnetz eingespeist werden.

Welche Vor- und Nachteile hat die HGÜ?

Das größte Problem bei HGÜ-Anlagen sind die Konverterstationen. Diese haben die Größe mehrerer Fußballfelder, verursachen enormen Lärm und verbrauchen absolut recht viel Energie. Deswegen müssen die o.g. Thyristoren gekühlt werden, was einen erheblichen technischen Aufwand darstellt. Die Leitungen der HGÜ müssen auf Grund der sich beim Gleichstrom bildenden Oberflächenladung im Gegensatz zur Drehstromübertragung stärker isoliert werden. Dafür sind die Masten sehr viel kleiner - es müssen nur zwei statt sechs Leitungen verlegt werden - und Seekabel sowie unterirdische Leitungen sind möglich.

Unter Berücksichtigung der Kosten für die Gesamtanlage (Leitungen, Masten, Konverterstationen etc.) und der Verluste lohnt sich eine HGÜ-Anlage schon ab mehreren hundert Kilometern, bei Seekabeln schon ab ca. achtzig Kilometern.

Quellen:

Präsentationen zur Verfügung gestellt von ABB
Präsentationen zur Verfügung gestellt von Schott Solar
http://www.energy.siemens.com/hq/pool/hq/power-transmission/HVDC/HVDC_Proven_Technology.pdf (15.12.2010)
http://de.wikipedia.org/wiki/Gleichrichter (15.12.2010)