Blind­leistung für die Energiewende

Die durch die Energiewende intensivierte Elektrifizierung und der steigende Transitverkehr haben zu einer höheren Belastung der Über­tragungs­leitungen geführt. Wenn die Strategie für neue Projekte von Freileitungen auf Erdkabel umgestellt wird, steigt der Bedarf an Blind­leistungs­kompen­sation. Die Über­tragungs­netz­betreiber (ÜNB) sind deshalb zunehmend motiviert, die Verteilnetzbetreiber (VNB) durch ein Bonus-Malus-System zur Steuerung der Blind­leistung zu motivieren.

Spannungsmanagement als Kernaufgabe

Eine der Kernaufgaben der ÜNB ist die Überwachung und Gewährleistung der Spannungs­stabilität. Dies geschieht durch die Steuerung der Blind­leistungs­lasten. Um das Spannungs­niveau aufrecht­zuerhalten, muss Blind­leistung bei geringer Last, meist im Sommer, aufgenommen und bei hoher Last, meist im Winter, abgegeben werden.

Der Bedarf an Blind­leistung steigt aufgrund des Netzausbaus und der Umstellung auf Kabel. Die wichtigste Aufgabe besteht darin, die vorhandenen Ressourcen bestmöglich zu nutzen, ohne die Kraftwerke auszuschöpfen und gleichzeitig Spielraum für den internationalen Transit zu lassen.

Um die Spannungs­stabilität zu gewährleisten, müssen sowohl regionale als auch nationale Massnahmen ergriffen werden. Mögliche Wege hierfür könnten sein: Installation von Kompensations­systemen auf der Spannungsebene, auf der Blind­leistung benötigt wird, oder Nutzung bestehender Anlagen wie Synchron­generatoren, Transformatoren und Phasenschieber. Um die Anforderungen zukünftiger Netze vollständig zu erfüllen, sind jedoch Modernisierungen unvermeidlich. Ohne Kompensations­systeme besteht die Gefahr, dass diese Investitionen überdimensioniert und unnötig teuer werden.

Ein nachhaltiges Spannungs­management erfordert externe und interne Ressourcen und ist auf die Unterstützung und das Engagement der relevanten Partner angewiesen. Dazu mussten zunächst die notwendigen Rahmen­bedingungen geschaffen werden, damit alle Akteure in die richtige Richtung gehen.

Ausgangslage: Regulierungskonzept mit Swissgrid

Mit Wirkung zum 1. Januar 2020 wurde ein neues Spannungs­regelungs­konzept für das Schweizer Übertragungsnetz eingeführt. Dieses Konzept wurde in Absprache mit den Interessen­gruppen und Branchenexperten entwickelt. Es ersetzt die bisherigen Vorschriften aus dem Jahr 2011. Alle direkt an das Übertragungsnetz angeschlossenen Kunden, einschliesslich der VNB, müssen nun durch die Regelung ihrer Blind­leistungs­abgabe und -aufnahme zur Spannungs­stabilität beitragen.

Je nach den Voraussetzungen können die Teilnehmer entweder eine halbaktive (Bild 1a) oder eine aktive Rolle (Bild 1b) übernehmen. Die halbaktive Rolle ersetzt die bisherige passive Rolle, und alle bisherigen passiven Teilnehmer werden automatisch umgestellt. Damit soll ein Anreiz für einen Blind­leistungs­austausch mit dem Übertragungsnetz geschaffen werden, bei dem regelkonforme Blind­leistung vergütet und nicht regelkonforme Blind­leistung belastet wird (Tabelle 1).

Aktive Teilnehmer müssen die verfügbare Blind­leistung zur Spannungsregelung nutzen, sofern dies keinen Einfluss auf die Wirkleistungserzeugung hat. Der Blind­leistungs­austausch gilt als konform, wenn er zur Erreichung der vorgegebenen Zielspannung beiträgt. Ausserdem muss der aktive Teilnehmer mindestens 80% der Zeit konform sein, um für den konformen Blind­leistungs­austausch vergütet zu werden. Diese Anforderung gilt nicht für halbaktive Teilnehmer. Sie werden jedoch weiterhin je nach konformem oder nicht konformem Blind­leistungs­austausch vergütet oder belastet.

Sowohl in der aktiven als auch in der halbaktiven Rolle wird ein freier Teil nicht belastet oder vergütet. Dieser Rahmen sendet ein klares Signal an alle Teilnehmer und fördert die Vergütung auf allen Ebenen.

Groupe E: Referenz variable Shunt Reactors (Blind­leistungs­kompensations­drosseln)

Seit 2015 betreibt Groupe E zwei Netz­verbindungs­punkte im 220-kV-Netz im aktiven Modus. Die Einhaltung der von Swissgrid übermittelten Spannungspläne wurde durch eine automatische und optimierte Anpassung der Stufenschalter der 220-kV-Trans­formatoren sowie durch den Einsatz der Wasser­kraft­generatoren im untererregten Modus zur Aufnahme von Blind­leistung sichergestellt.

Seit 2019 ist die Einhaltung des Spannungsplans zunehmend komplexer geworden. Die Häufigkeit der Aktivierung der Produktionseinheiten nahm zu und verursachte immer höhere Kosten, insbesondere aufgrund der Verschlechterung der Aktivierungszeit und des Wasserverbrauchs.

Eine Analyse wurde durchgeführt, um technische Lösungen zur Verbesserung der Situation zu finden. Dabei wurden verschiedene Arten von Geräten identifiziert, darunter Phasen­schieber­trans­formatoren, variable Shunt Reactors und Statcoms. Aufgrund technischer und wirtschaftlicher Überlegungen erwies sich der variable Shunt Reactor (Bild 2) als die beste Lösung für das Blind­leistungs­mana­gement. Er ermöglicht eine kontinuierliche Anpassung der Blind­leistung bei relativ einfacher Installation und Integration. Zudem ist der variable Shunt Reactor das einzige Gerät (neben Statcoms), das Blind­leistung absorbieren und nicht nur umleiten kann, wie dies z.B. bei Phasen­schieber­trans­formatoren der Fall ist.

Ende 2020 wurde eine Machbarkeits­studie zur Installation eines oder mehrerer Shunt Reactors durchgeführt. Die Studie berücksichtigte folgende Punkte:

• eine Computer­simu­lation zur Festlegung der Anzahl der Neben­widerstände, ihrer Leistung und ihres Standorts
• eine technische Studie zur Abschätzung der Kosten für die Integration in die bestehenden Umspannwerke
• eine wirtschaftliche Simulation zur Abschätzung der Reduzierung der Strafen und der Steigerung der Einnahmen
• ein Budgetangebot für die Anschaffung der Nebenwiderstände

Die Wirtschaft­lichkeits­analyse ergab eine positive Kapital­rendite. In dieser Analyse war der Hauptfaktor, der die wirtschaftliche Attraktivität des Projekts erhöhte, die Vergütungs-/Kosten­bedingungen für konforme und nicht konforme Blind­leistung. Eine Änderung des Preismodells von Swissgrid würde sich erheblich auf die Kapitalrendite von Shunt Reactors auswirken. Gleichzeitig zeigten die technischen Simulationen, dass das Netz zunehmend kapazitiv wird. Die Entwicklung der PV-Erzeugung sowie die vor allem unterirdische Netzver­stärkung würden das Management der Blind­leistung immer komplexer machen. Diese technischen Überlegungen glichen das Risiko einer drastischen Änderung des Preismodells durch Swissgrid aus.

Anfang 2021 wurde beschlossen, zwei variable 50-MVar-Shunt Reactors zu installieren. Eine neue Strategie zum Blind­leistungs­mana­gement wurde umgesetzt, um die Implemen­tierungs­kosten zu optimieren.

Seit 2022 werden die variablen Nebenwiderstände durchschnittlich 7450­Stunden pro Jahr eingesetzt. Sie haben es ermöglicht, die Konformitätsrate mit Swissgrid auf nahezu 100% zu erhöhen. Im Rahmen des regulierten Monopols, in dem die Verteil­netz­betreiber tätig sind, kommt ein optimales Management des Blind­strom­transits den Kunden durch eine Senkung der Netztarifkosten zugute. Eine Win-win-Situation.

Kompensationstechnologien im Vergleich

Technologische Fortschritte haben bei der Kompensation von Blind­leistung eine entscheidende Rolle gespielt. Zu den Schlüssel­technologien zählen Synchron­generatoren, Regel­trans­formatoren, Phasen­schieber­trans­formatoren (PST), Shunt Kondensatoren, Serien­konden­satoren (SC) und Statcom (statische Synchron­spannungs­ausgleichs­geräte).

Synchron­generatoren erzeugen nicht nur Wirkleistung. Sie können auch zur Abgabe und zur Aufnahme von Blind­leistung eingesetzt werden. Im Über­erregungs­modus geben sie Blind­leistung ins System ab und im Unter­erregungs­modus nehmen sie Blind­leistung auf. Somit kann ein Synchron­generator als Gerät zur Spannungs­regelung betrachtet werden.

Regel­trans­formatoren: Durch den Einsatz des Stufenschalters des Transformators wird das Spannungs­verhältnis des Transformators verändert. Durch die Änderung des Spannungs­verhält­nisses ändert sich auch die Aufnahme von Blind­leistung.

Phasen­schieber­trans­formatoren (PST) werden insbesondere zur Steuerung des Leistungs­flusses eingesetzt. PSTs können den Fluss von Wirk- und Blind­leistung in einem Netz durch Einführen einer Phasen­verschiebung in der Spannung steuern. Diese Phasen­verschiebung kann so eingestellt werden, dass der Leistungsfluss entlang gewünschter Pfade geleitet wird, was zur Lastverteilung im Netz beitragen kann.

Shunt-Kondensatoren sind Kondensatoren, die Blind­leistung abgeben. Durch den Parallel­anschluss an eine Stromleitung liefern sie Blind­leistung, wenn die Gefahr eines Spannungsabfalls besteht. Sie können je nach Leitungs­spannung direkt oder über einen Transformator an die Leitung angeschlossen werden. Die Verbindung zur Leitung erfolgt in der Regel über einen Schalter, beispielsweise einen Leistungsschalter.

Serienkondensatoren, SC: Kondensatoren, die in Reihe mit Stromleitungen geschaltet sind, tragen zur Erhöhung der Über­tragungs­kapazität und Zuver­lässigkeit des Über­tragungs­systems bei. Durch die Kompensation von 50% der Leitungs­reaktanz wird die Über­tragungs­kapazität einer Stromleitung im Idealfall verdoppelt.

Statcom – Statische Synchron­schaltgeräte: In vielen Anwendungen ist eine sehr schnelle Änderung der aufgenommenen oder abgegebenen Blind­leistung nötig. Wenn beispielsweise ein Kurzschluss in einer Leitung auftritt, ist eine schnelle Kompensation der Blind­leistung erforderlich, um die Stabilität des Stromnetzes aufrechtzuerhalten. Um dies zu ermöglichen, werden Statcoms eingesetzt. Ein leistungs­elek­tronischer Umrichter sorgt für eine schnelle Spannungs­regelung. Dadurch kann die Blind­leistung kontinuierlich und dynamisch geregelt werden.

Shunt Reactors: Der Shunt Reactor nimmt Blind­leistung auf. Wie die Kondensatoren ist er parallel zur Stromleitung geschaltet. Der Shunt Reactor kann direkt an die Stromleitung oder über eine Tertiärwicklung eines Dreiphasen-Transformators angeschlossen werden. Der Vorteil der direkten Verbindung des Reactor mit der Leitung besteht darin, dass die Blind­leistungs­kompen­sation unabhängig vom Transformator erfolgt. Ausserdem entstehen keine Trans­formations­verluste. Der Shunt Reactor kann fest angeschlossen oder über einen Leistungsschalter geschaltet werden. Er kann auch variabel sein, um die Anpassung der aufgenommenen Blind­leistung zu verbessern. Bei langsamen Last­schwan­kungen (in der Regel saisonal und täglich) kann ein variabler Shunt Reactor (VSR) für viele Kunden­anwen­dungen eine wirtschaftliche Lösung sein. Shunt Reactors gelten vor allem aufgrund ihrer Präzision und Wirtschaftlichkeit als die effektivste Technologie zur Blind­leistungs­kompensation.

Was gilt es bei Investitionen zu beachten?

Seit der neuen Richtlinie 2020 gibt es wirtschaftliche Anreize für alle direkt an das Über­tragungs­netz angeschlos­senen Kunden, Massnahmen zur Steuerung ihres Blind­leistungs­austauschs zu ergreifen. Meist muss ein zunehmend kapazitives Netz bei mittleren bis langen Reaktions­zeiten kompensiert werden. Dieser Bedarf könnte sich noch zu einer noch schnelleren Regelung und höheren Anforderungen an die Stromqualität entwickeln.

Bei der Auswahl der Technologie muss zunächst das Problem identifiziert werden. Die Lösung eines Problems mit Kurz­schluss­strom­verfüg­barkeit in Verbindung mit sehr kurzen Reaktionszeiten erfordert eine andere Lösung als die Blind­leistungs­kompen­sation in einem verteilten Kabelnetz oder für ein Verbindungs­kabel zu einer neuen Generation mit vorherseh­baren Lastmustern und längeren Reaktionszeiten.

Aus Sicht der Nach­haltigkeit reduziert die Blind­leistungs­kompen­sation den Bedarf an zusätzlichen Über­tragungs­leitungen und Materialien und unterstützt damit eine nachhaltige und bezahlbare Energiewende. Angesichts der steigenden Nachfrage und der begrenzten Ausbau­kapazitäten der Versorger ist es unerlässlich, rechtzeitig in Technologien zur Blind­leistungs­kompen­sation zu investieren. Die Zusammen­arbeit zwischen Kunden und Lieferanten sowie Nach­haltig­keits­mass­nahmen werden für die Erreichung dieser Ziele von entscheidender Bedeutung sein.