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04. Feb. 15

Gleichstrom statt Wechselstrom

Die großen Windparks in der Deutschen Bucht sind die weltweit ersten, deren Strom in Gleichstrom umgewandelt wird, damit er den weiten Weg zur Küste ohne nennenswerten Leistungsverlust zurücklegen kann.

Die Stromerzeugung weit draußen auf dem Meer ist etwas völlig Neues. Offshore-Windkraftanlagen unterscheiden sich deutlich von den Anlagen, die an Land stehen. Ihre Errichtung im Meer auf speziellen Fundamenten und auch der Stromtransport an Land stellt die Ingenieure vor neue Herausforderungen.

Windkraftanlagen sind kleine Kraftwerke, die ebenso wie die großen Kohle- oder Atomkraftwerke durch Generatoren Wechselstrom erzeugen. Deshalb ist es relativ einfach, die auf dem Festland stehenden Windparks ans Netz anzuschließen. Das gilt grundsätzlich auch für die Offshore-Windparks, die in der Nähe der Küste stehen. Doch je weiter die Windparks vom Einspeisepunkt an der Küste entfernt sind, desto stärker treten die Nachteile des Wechselstromtransports hervor.

Unser Stromnetz bildet elektrisch gesehen ein System, das mit 50 Hertz (Hz) schwingt. Fünfzig Mal pro Sekunde durchläuft die Spannung einen Wellenberg und ein Wellental und wechselt in dieser 20 Millisekunden dauernden Periode zweimal die Polarität.

Der Strom kann dem Auf und Ab der Spannung aber nicht unmittelbar folgen, denn der elektrische Leiter hat eine bestimmte Kapazität, er muss sich also zunächst mit Ladungsträgern füllen. Deshalb eilt der Strom der Spannung voraus. Der ansteigende Strom erzeugt außerdem ein Magnetfeld um den Leiter herum, das bei abschwellendem Strom wieder zusammenbricht und dadurch einen zusätzlichen Strom erzeugt. Dadurch wird der Stromanstieg gegenüber dem Spannungsanstieg verzögert.

Daraus entsteht eine Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung und beide können nicht mehr gleichzeitig „maximal“ werden. Das heißt die maximal mögliche Leistung wird nicht erreicht, denn Leistung ist das Produkt aus Strom und Spannung

Dieser Effekt tritt grundsätzlich in allen großen und kleinen Wechselstromkreisen auf, also auch im Haushalt. Er fällt aber erst ins Gewicht, wenn die Entfernung zwischen Erzeuger und Verbraucher sehr lang ist. Dann wird die Kapazität des Kabels und das mit jeder Schwingung aufzubauende Magnetfeld so groß, dass die daraus entstehende Phasenverschiebung die nutzbare Leistung stark vermindert.

15 cm dicke starke Kabel sorgen für den Stromtransport von den Turbinen zur parkeigenen Umspannstation.

Blindstrom leistet keine Arbeit

Die Ladungsträger gehen aber nicht verloren, sondern sie teilen sich auf in Wirkstrom, der Arbeit leistet, und Blindstrom, der nur im Leiter hin- und her fließt, ohne Arbeit zu leisten. „Das Kabel wirkt wie ein großer Kondensator, der so viel Blindstrom braucht, dass am Ende der Übertragung praktisch nichts mehr ankommt“, erklärt Dietmar Retzmann, Director Technical Marketing & Innovations HVDC bei Siemens. Den gleichen Effekt bewirkt die Induktivität des Leiters.

Für die ersten Offshore-Windparks spielte das noch keine Rolle, weil sie nur wenige Kilometer vor der Küste errichtet wurden. Aber weil der deutschen Nordseeküste das geschützte Wattenmeer vorgelagert ist, wurden dort zahlreiche große Windparks „auf hoher See“ geplant. Ihr Abstand zur Küste ist so groß, dass eine Wechselstromübertragung nicht mehr praktikabel ist.

„In der Regel ist bei Kabellängen von unter 80 Kilometer noch Wechselstrom möglich, doch dann ist der Break-even erreicht“, stellt Retzmann fest. Das gilt für keinen einzigen der Windparks, die vor der britischen, niederländischen, belgischen oder dänischen Küste bisher errichtet wurden.

Acht Konverterstationen in der Nordsee

Dieser Break-even wurde erstmals durch einen deutschen Windpark überschritten, als in der Deutschen Bucht, über 100 Kilometer von der Küste entfernt, der Windpark „Bard offshore 1“ gebaut wurde. Wegen der Länge des Kabels kam nur die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) in Frage.

Im Juni 2009 wurde deshalb die weltweit erste Konverterstation im Meer errichtet, um den Strom des damals noch im Bau befindlichen Windparks in Gleichstrom mit einer Spannung von 150 Kilovolt (kV) umzuwandeln. Das war damals eine Weltpremiere, doch inzwischen stehen in der Deutschen Bucht insgesamt sechs dieser riesigen Stationen und zwei weitere sind geplant, um die Netzanbindung von voraussichtlich 16 großen Windparks zu sichern.

Mit jedem Windpark, der in der Nordsee entsteht, wächst der Strom an, der durch das Seekabel an Land fließt. Die ständig wachsende installierte Leistung erfordert immer dickere Kabel und verursacht an dieser Stelle immer höhere Kosten. Deshalb hat man nun die Spannung von 150 kV auf 320 kV heraufgesetzt. Weil Leistung das Produkt aus Strom und Spannung ist, kann das Kabel nun bei gleichbleibender Stromstärke mehr als die doppelte Leistung übertragen.

Die Seekabel werden in der Nordsee aktuell stets paarweise verlegt, wobei das eine Kabel ein Potenzial von - 320 kV und das andere von + 320 kV aufweist, sodass eine Spannungsdifferenz von 640 kV genutzt werden kann. Deshalb genügt ein Strom von „nur“ 1.250 Ampere, um 800 Megawatt (MW) Leistung zu transportieren, wie das Beispiel der Konverterstation Borwin beta zeigt, die kürzlich rund 85 Kilometer nördlich von Borkum im Meer errichtet wurde.

Der Gleichstrom, den die Konverterstation ins Seekabel einspeist, schwankt zwar auch, weil die Windgeschwindigkeit sich ständig ändert, und deshalb treten ähnliche Effekte auf wie bei der Wechselstrom-Einspeisung. Aber der Gleichstrom ändert sich nur langsam und außerdem wird er nie kleiner als Null. Es entstehen also praktisch nur Verluste durch den Widerstand des Leiters. Auf dem langen Weg vom Windpark bis zur Küste gehen nur wenige Prozent der Energie verloren.

Am Einspeisepunkt an Land steht eine weitere, gleich große Konverterstation, um den Gleichstrom wieder in Wechselstrom zu verwandeln und ins Höchstspannungsnetz (220/380 kV) einzuspeisen. Das dichte Netz, das Deutschland überspannt, sorgt dafür, dass der Offshore-Windstrom an alle Verbraucher verteilt wird.

Die Übertragung von Wechselstrom über große Entfernungen ist kein Problem, weil man in regelmäßigen Abständen Generatoren mit dem Netz verknüpft, die als sogenannte Phasenschieber wirken. Denn sie können die Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung ausgleichen und dadurch den Blindstrom kompensieren. Auf diese Weise gelangt der auf See erzeugte Strom ins regionale Verteilnetz und von dort aus in alle Haushalte. Dass der Wechselstrom zwischen dem Windpark und der Steckdose eine große Strecke als Gleichstrom zurückgelegt hat, ist für den Verbraucher nicht zu bemerken. Die Stromversorgung ist so sicher wie immer.

Iris Franco Fratini
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