Stromnetz

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Prinzipiell ist ein Stromnetz ein weit gefasster Begriff und bezeichnet in der Physik ein Netzwerk elektrischer Stromleitungen. Die physikalischen Gesetze in diesen Netzen werden durch die Kirchhoffschen Regeln beschrieben.

Grobes Prinzip der Stromversorgung und -verteilung.

Inhaltsverzeichnis

Begriff[Bearbeiten]

Es gibt verschiedene und gebräuchliche Bezeichnungen für das Stromnetz: Energieverbundnetz, Lichtnetz, Stromverbundnetz, Elektroenergienetz, Energieversorgungsnetz, Stromversorgungsnetz, Elektrizitätsnetz und Kraftnetz. In Fahr- und Flugzeugen spricht man vom Bordnetz.

In Deutschland steht der Begriff Stromnetz meist für das Verbundnetz zur Versorgung der Verbraucher durch die Energieversorgungsunternehmen mit elektrischer Energie.

Aufgaben[Bearbeiten]

Um die Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen, benötigt man Leitungen von den Stromerzeugern (Kraftwerken) zu den Verbrauchern. Dazu verwendet man Stromnetze mit verschiedenen, festgelegten Spannungen; bei Wechselstrom sind auch Frequenzen festgelegt.

In Europa wird die elektrische Energie mittels Dreiphasenwechselstrom mit einer Netzfrequenz von 50 Hz und einer Netzspannung von im Regelfall bis zu 400 kV im Verbundnetz übertragen. In einigen europäischen Ländern werden aus historischen Gründen auf einzelnen Leitungen höhere Spannungen eingesetzt, wie beispielsweise in Polen bei der 750-kV-Leitung Rzeszów–Chmelnyzkyj. Erst in der Nähe des Verbrauchers wird sie auf eine Niederspannung mit einem Effektivwert von 230 V (Einphasenwechselstrom) bzw. 400 V (Dreiphasenwechselstrom) transformiert.

Andere Länder verwenden auch andere Spannungen oder Frequenzen. Im Hochspannungsbereich werden Spannungen bis knapp über 1 MV angewendet, wie beispielsweise in Asien auf der Drehstromleitung Ekibastus–Kökschetau mit 1,15 MV. In anderen Kontinenten, insbesondere in Nordamerika, ist im Niederspannungsbereich das Einphasen-Dreileiternetz mit 120 V und 240 V Netzspannung und einer Netzfrequenz von 60 Hz üblich.

Um große Leistung zu übertragen, werden hohe Spannungen benötigt. Dadurch werden die elektrischen Verluste verringert. Es treten geringere Stromwärmeverluste auf. Hohe Spannungen sind außerdem leichter zu schalten als hohe Ströme und es können dünnere Kabeladern bzw. Leiterseile verlegt werden.

Freileitungsnetze zur Verteilung von Elektroenergie werden auch zur Nachrichtenübertragung eingesetzt:[1]

Die Nachrichtenübertragung wird von den Energieversorgern selbst verwendet oder auch anderen Nutzern angeboten.

Technik[Bearbeiten]

Strommast mit 110-kV-Freileitung

Spannungsebenen[Bearbeiten]

Stromnetze teilt man nach der Spannung ein, bei der sie elektrische Energie übertragen:

  • Höchstspannung: In Westeuropa in der Regel 220 kV oder 380 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 Polen, Ungarn, Rumänien und Bulgarien führen. Eine 1150-kV-Leitung führt vom Kraftwerk Ekibastus (Kasachstan) zur Stadt Elektrostal (Russland). Sie wird heute jedoch mit 400 kV betrieben.
  • Hochspannung: 60 kV bis 150 kV. In Deutschland und Österreich wird fast durchgängig 110 kV verwendet. Daneben existieren noch in Schleswig-Holstein, bei Winsen (Aller), in der Nähe von Landesbergen, im Saarland und bei Phillipsthal Leitungen mit 60 kV-Betriebsspannung.[2]

In der Schweiz existiert kein einheitlicher Wert im Hochspannungsnetz.

  • Mittelspannung: 1 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 Erdkabel in Papier-Blei-Ausführung mit Aluminium als Strom-Leiter dienen, deren Austausch teuer ist, wird eine niedrigere Mittelspannung mit 10 kV eingesetzt [3].
  • Niederspannungsnetze: 230 V oder 400 V. In der Industrie sind auch andere Niederspannungen üblich, zum Beispiel 500 V oder 690 V.

Die Höchst-, Hoch- und Niederspannungen sind für Westeuropa weitgehend standardisiert. Bei der Mittelspannung ist das zu aufwändig, da man sehr viele alte Erdkabel uneinheitlicher Maximalbetriebsspannung austauschen müsste.

Funktion der einzelnen Netze[Bearbeiten]

  • Das in Europa üblicherweise mit 110 kV betriebene Verteilnetz sorgt für die Grobverteilung elektrischer Energie. Leitungen führen hier in verschiedene Regionen, Ballungszentren zu deren Umspannwerken oder große Industriebetriebe. Abgedeckt wird ein Leistungsbedarf von 10 bis 100 MW.
  • Die Niederspannungsnetze sind für die Feinverteilung zuständig. Die Niederspannung wird in Europa auf die üblichen 400 V bzw. 230 V transformiert und damit werden private Haushalte, kleinere Industriebetriebe, Gewerbe und Verwaltungen versorgt. Diese Leitungen werden auch als die letzte Meile bezeichnet. Kleine – etwa private – Photovoltaikanlagen speisen Überschussleistung auf dieser Niederspannungsebene ein.

Die Verteiltransformatoren im Mittelspannungsnetz 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 Leistungstransformatoren 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 Störungen verursacht werden.

Daneben gibt es auch Leitungen mit hochgespanntem Gleichstrom für Übertragung über weite Strecken, insbesondere Seekabel in Form der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ).

Verbindung der Stromnetze untereinander[Bearbeiten]

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. Stromnetze mit unterschiedlicher Frequenz oder Phasenzahl oder Stromnetze, die nicht miteinander synchronisiert sind, müssen über HGÜ-Anlagen oder Motor-/Generator-Kombinationen miteinander gekoppelt werden.

Verbundnetz[Bearbeiten]

→ Hauptartikel: Netzregelverbund und Europäisches Verbundsystem

In einem Verbundnetz werden mehrere Kraftwerke und Abnehmerzentren zusammengefasst und der lokale Unterschied zwischen Angebot und Nachfrage von Momentanleistung kann innerhalb des Netzes besser ausgeglichen werden. Sie stellen somit den Gegenpol zu Inselnetzen dar.

Durch ein Verbundnetz ergeben sich Vorteile:

  • das Energiesystem wird stabiler, da so Überkapazitäten und Unterkapazitäten abgefangen werden bzw. sich ausgleichen können,
  • durch Leistungsaustausch können Lastschwankungen kurzfristig besser ausgeregelt werden als nur durch Regelung der Kraftwerke, und
  • die Betriebszuverlässigkeit des Netzes wird gesteigert.

Innerhalb eines Verbundsystems müssen alle Erzeuger synchron arbeiten. Dreiphasenwechselstrom führt zu höheren Übertragungsverlusten in den Kabeln, so dass er zum Beispiel bei einem Seekabel von über 30 km Länge nicht verwendet wird. In Mittel- und Westeuropa wird auf dem Gebiet der Union for the Co-ordination of Transmission of Electricity (UCTE) ein Europäisches Verbundsystem betrieben, die organisatorischen Belange wurden im Jahr 2009 durch die ENTSO-E übernommen.

Einspeisenetz[Bearbeiten]

Ein Einspeisenetz ist ein speziell für die Aufnahme und Weiterleitung von Strom aus erneuerbaren Energien ausgelegtes Stromnetz, welches mit dem Versorgungsnetz, häufig auch mit dem Übertragungsnetz verbunden ist. Einspeisenetze sind ein Grundbestandteil von Hybridkraftwerken. Im Unterschied zu öffentlichen Versorgungsnetzen sind Einspeisenetze weniger redundant und für geringere Volllaststunden ausgelegt und somit schnell und kostengünstig (als regionale Erdkabelnetze) zu errichten.[4] Einspeisenetze dienen insbesondere der Verbesserung der Systemintegration der erneuerbaren Energien im Strombereich.[5]. Ein Beispiel ist das Einspeisenetz von Enertrag in der Uckermark[6]

Verteilung[Bearbeiten]

110-kV-, 220-kV- und 380-kV-Leitungen in Himberg, Österreich

Die elektrische Energie kann in diesen Mengen nur drahtgebunden über Hochspannungsleitungen – Freileitungen und Erdkabel – übertragen werden. Beide Systeme haben Vor- und Nachteile.

Für den Einsatz von Freileitungen sprechen die geringeren Kosten sowie leichtere Lokalisierbarkeit und Behebbarkeit von Fehlern. Freileitungen sind Umwelteinflüssen (z.B. Stürmen) ausgesetzt, können das Landschaftsbild beeinträchtigen und können in seltenen Fällen Menschen, Tiere und Sachgüter gefährden.

Es gibt verschiedene Typen von Freileitungs-Masten. Zu speziellen Problemen im Leitungsbau bei der Überquerung von Hindernissen siehe Freileitungskreuzungen.

Erdkabel haben einen geringeren Platzbedarf, sind vor Umwelteinflüssen besser geschützt und bei der Bevölkerung akzeptierter. Ihr Bau ist aber deutlich teurer; der Wartungsaufwand bei Defekten ist hoch und es gibt technische Probleme, wenn unterirdische Hochspannungsleitungen gewisse Kabellängen überschreiten. Beispielsweise ist die Wärmeabfuhr bei Freileitungen durch die umgebende Luft gewährleistet, bei Erdkabeln nicht. Weitere Probleme entstehen durch die enorme Blindleistung, die wiederum durch die hohe Kapazität des Kabels bedingt ist.

Das deutsche Stromnetz ist etwa 1,78 Millionen Kilometer lang:

Im Jahr 2003 waren etwa 71 % unterirdisch verlegt. Ein Vergleich zu dem Wert für 1993 – etwa 64 % – zeigt die Tendenz, zufolge des Leitungsausbaus im Bereich der Niederspannungsnetze und teilweise Mittelspannung, die unterirdische Stromverteilung auszubauen. Im Hoch- und insbesondere Höchstspannungsbereich spielen die unterirdisch verlegten Erdkabelsysteme bezüglich Längenanteil kaum eine Rolle.

Netzbetreiber[Bearbeiten]

Übertragungsnetzbetreiber (ÜNB)[Bearbeiten]

→ Hauptartikel: Übertragungsnetzbetreiber

Im Bereich der Höchstspannungsnetze sind die Netze der einzelnen Übertragungsnetzbetreiber über Hochspannungsleitungen zum nationalen Verbundnetz zusammengeschlossen.

Deutschland[Bearbeiten]

In Deutschland sind vier Netzbetreiber (TSO, Transmission System Operator) tätig; sie haben sich zum deutschen Netzregelverbund zusammengeschlossen: Amprion, TransnetBW, Tennet TSO und 50Hertz Transmission.

Schweiz[Bearbeiten]

Das Schweizer Stromnetz ist von großer Bedeutung für den westeuropäischen Stromhandel; es dient traditionell als Drehscheibe für den Ausgleich von Spitzenbedarf und Spitzenproduktion der großen kontinentaleuropäischen Länder. Das Netz im engeren Sinne wurde 2009 aus den einzelnen Energieversorgungsunternehmen (EVU) in sogenannte Grid-Gesellschaften ausgegliedert und wurde in den landesweiten Transportnetzbetreiber (TSO) Swissgrid überführt.

Österreich[Bearbeiten]

APG-Hochspannungsnetz, Stand 2011

In Österreich wird das nationale Übertragungsnetz von der Austrian Power Grid (APG) betrieben.

Europäische Zusammenarbeit[Bearbeiten]

Die europäischen Übertragungsnetzbetreiber, die für den Betrieb des Höchstspannungs-Verbundnetzes zuständig sind, haben sich 2007 in einem Verband namens ENTSO-E formiert; davor gab es sechs alte Verbände („ETSO“). Sie reagierten damit auf das dritte Energie-Binnenmarktpaket der Europäischen Kommission; dieses wurde 2009 verabschiedet. ENTSO-E vertritt auch die Netzbetreiber gegenüber der Kommission.

Verteilnetzbetreiber (VNB)[Bearbeiten]

→ Hauptartikel: Verteilnetzbetreiber

Neben den Übertragungsnetzbetreibern gibt es eine Vielzahl Verteilnetze. In Deutschland gibt es etwa 900 kleinere Verteilnetzbetreiber, die Strom zu den Endverbrauchern liefern.

Die Netzbetreiber erhalten Netznutzungsentgelte für die Dienstleistung „Durchleiten von Strom vom Stromproduzenten zum Verbraucher“. Preise für diese Dienstleistung setzt in Deutschland die Bundesnetzagentur fest.

Stromnetze der Eisenbahnen[Bearbeiten]

Ein weiteres Energieversorgungsnetz in Deutschland, der Schweiz und Österreich betreibt die Bahn. Die DB Energie betreibt das größte zusammengeschaltete 110-kV-Netz in Deutschland. Es besteht üblicherweise aus vier Leitern, während andere 110-kV-Netze meist aus drei oder sechs Leitern besteht. Das Freileitungsnetz hat eine Länge von ca. 7.600 km an Bahnstromleitungen. Anders als im nationalen Verbundnetz beträgt im Bahnstromnetz die Netzfrequenz 16,7 Hz und es wird Einphasenwechselstrom verwendet.

Daneben existieren noch kleine regionale Stromnetze wie die mit Einphasenwechselstrom und mit einer Frequenz von 25 Hz betriebene Mariazeller Bahn in Österreich. Diese Bahn verfügt über ein kleines eigenes 27-kV-Netz.

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 Hz betriebenen Bahnen werden die Phasen des Drehstromsystems im Unterwerk aufgespalten und verschiedenen Streckenabschnitten zugewiesen.

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Stromnetze – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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Karten

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. ↑ Udo Leuschner: Vom Telefondraht zum Lichtwellenleiter: Das Informationsnetz der Stromversorger
  2. ↑ Electricity distribution abgerufen am 22. Januar 2013
  3. ↑ Wienstrom Leitungsnetz mit technischen Informationen
  4. ↑ http://www.geni.ag/glossar.html
  5. ↑ http://www.bmu.de/files/pdfs/allgemein/application/pdf/systemintegration_ee.pdf
  6. ↑ https://www.enertrag.com/download/prospekt/o_e_profil_enertrag_einspeisenetz.pdf
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