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Effizienz: wurde 2020 eingehalten muss in zukunft noch weiter sinken, immer schwieriger

AKW erhaltung keine neuen wird durchgesetzt

Erneuerbare wurde 2020 erreicht muss aber exponentiell bis 2035 ansteigen

Die mit dem Stromnetz ausgetauschte Leistung eines Erzeugers oder Verbrauchers kann als Zeitverlauf (Belastungskurve) oder als Leistungsdauerlinie dargestellt werden. Die Leistungsdauerlinie wird aus der Belastungskurve abgeleitet. Der umgekehrte Weg funktioniert nicht. Die Fläche unter beiden Kurven ist identisch und entspricht der umgesetzten Energie. Anhand der Leistungsdauerlinie kann schnell bestimmt werden, in wievielen Stunden pro Jahr ein gewisser Wert über- oder unterschritten wird. Anhand der Dauerlinie gewinnt man rasch einen Eindruck zur Jahresbenutzungsdauer TBa einer Anlage.

 Volllast, d.h. Pmax, entspricht.

Beispiel 1.2 Eine Photovoltaikanlage hat eine installierte Leistung von 8.5 kW und produziert in einem Jahr 8330 kWh. Die Jahresnutzungsdauer beträgt 980 Volllaststunden. Das bedeutet, dass das Kraftwerk soviel Energie geliefert hat, als wäre es 980 Stunden bei voller Leistung gelaufen.

Die Leistungsdauerlinie sortiert die Belastungskurve von gross nach klein. Belastungskurve über Dauer der Stunden.

Energiepreis: Dieser Anteil entspricht dem Preis für die gelieferte elektrische Energie. Das Versorgungsunternehmen produziert die Energie entweder selbst in einem Kraftwerk oder kauft diese bei anderen Produzenten oder Händlern ein (Vorlieferanten)

Netznutzungsentgelte: Diese Komponenten beinhaltet die Kosten für den Stromtransport von den Kraftwerken bis zum Endkunden. Mit den Einnahmen werden u.a. Instandhaltung und Ausbau des Stromnetzes finananziert. Darin enthalten sind auch die Kosten für Frequenz- und Spannungsregelung sowie die Kosten zur Deckung der Netzverluste.

Abgaben und Leistungen an die Gemienwesen: Darunter fallen Abgaben und Gebühren an Bund, Kantone und Gemeinden. Diese beinhalten auch Konzessionsabgaben oder kommunale Energieabgaben sowie Leistungen an die Gemeinwesen (z.B. Strassenbeleuchtung).

Abgaben zur Förderung erneuerbarer Energien: Darin sind Bundesabgaben zur Förderung der erneuerbaren Energien sowie für den Schutz der Gewässer und Fische enthalten. Oft ist in diesem Zusammenhang von KEV die Rede (Kostendeckende Einspeisevergütung).

Pelton wenn schnelle drehung hohe Fallhöhe geringe Volumenstrom

Kaplan wenn langsame drehung teife fallhöhe jedoch Hoher Volumenstrom

Francis Turbine dazwischen kann auch als Pumpe genutzt werden.

Laufkrafwerke

Kavitation (geringer Druck schneller Sieden, abkühlen und damit Implodierung)

hyraulischer Druckstoss (keine schnelle schliessung. Wasserschloss und Ablenkungen helfen dabei)

Die Spannung zwischen zwei Leiter also die Verkettete Spannung. Effektivspannung ist eine unverkettete also eine 

Transformator: Energie und Kosteneffiziente Transformierung auf höhere Spannungen zur verlustarmen Übertragen

Tranformator: Sehr robust, wäre mit gleichspannungsstrom nicht möglich.

Grosse Kurzschlussströme müssen innerhalb von kleinen zeit abgeschaltet werden, das ist möglich wegen nulldurchgang. Gleichstromschalter wäre riesig also wäre nicht möglich.

Die Übertragungsverluste einer Leitung sind hauptsächlich vom Leiterstrom

I und dem ohmschen Widerstand R der Leitung abhängig: Pv = I2R. Um

eine bestimmte Leistung P möglichst verlustarm übertragen zu können, soll

gemäss I2Rder Strom I klein sein, was nach einer hohen Spannung U= P/I

verlangt. Verlustarme Übertragung geschieht deshalb mit hohen Spannungen

und niedrigen Strömen. Darum ist die Netzspannung für die Übertragung

und Verteilung deutlich höher als die Spannung am Endgerät.

Wechselstrom kann vergleichsweise einfach und kostengünstig transfor-

miert werden. Die klassischen Transformatoren mit Kupferwicklung und Ei-

senkern sind einfach, robust, zuverlässig und gegenüber modernen Technolo-

gien verlustarm. Zwar lässt sich mittlerweile auch Gleichstrom mit Hilfe der

Leistungselektronik gut transformieren, jedoch deutlich weniger zuverlässig,

mit höheren Verlusten und kostspieliger.

In einem elektrischen Netz muss sichergestellt werden, dass die gröss-

ten auftretenden Ströme (Kurzschlussströme) jederzeit abgeschaltet werden

können. Dafür werden Leistungsschalter eingesetzt, die Ströme von eini-

gen 10'000 A unterbrechen können. Solche Schalter sind heute aber nur

für Wechselstrom verfügbar. Hohe Gleichströme abzuschalten ist nach wie

vor eine grosse Herausforderung, und es gibt keine kommerziell verfügbaren

Schalter dafür. Deshalb gibt es auch bis heute keine vermaschten Hochspan-

nungsgleichstromnetze, sondern lediglich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mit

Schaltern auf der Wechselstromseite der Umrichter.

-Enstanden von 150 Jahren mit ersten Wasserkraftwerken. Optimun 2 Stellingen Herzbereich. also etwa 50 Hz ist eine gute Zahl. USA hat 60Hz = kleinere Generatoren

-Skineffekt: Geht an den Rand des Leiters ineffiziente Leitungen wenn Frequenz zu gering.

Anfang des 20. Jahrhunderts wurden die ersten grösseren Kraftwerksanla-

gen gebaut. Wesentliche Kostenfaktoren waren dabei die Generatoren und

Transformatoren im Kraftwerk. Je höher die Frequenz, desto kleiner können

diese Betriebsmittel gebaut werden.

Vor dem ersten Weltkrieg waren in Europa sowohl 25 Hz als auch 50 Hz

üblich. Schliesslich hat sich 50 Hz durchgesetzt. In den USA wurde mehr

Augenmerk auf die Grösse von Generatoren und Transformatoren gelegt,

deshalb hat sich dort 60 Hz durchgesetzt.

Was spricht für eine tiefere Frequenz?

Der Skin- oder Stromverdrängungseekt tritt weniger stark auf (knapp

zwei Drittel des Stromes iessen am äusseren Rand des Leiters inner-

halb der Eindringtiefe dE ∝1/√ω).

Die Leitungen haben kleinere Längsreaktanzen XL = ωL, somit gibt

es weniger Blindleistungsverluste und weniger Spannungsabfall entlang

von Leitungen.

Die Leitungen haben grössere Querreaktanzen XC = 1/(ωC), dadurch

treten geringere kapazitive Ladeströme auf und der Ferranti-Eekt ist

weniger stark ausgeprägt.

Was spricht für eine höhere Frequenz?

Transformatoren und Motoren können kleiner gebaut werden.

-Mit 3 oder Mehr Phasen kann man konstante Amplitude generieren mit Motoren. Ansonsten Rüttelmoment

-Alle verketteten Spannungen haben den gleichen Effektivwert dabei einheitliche Isolierung.

-Doppelte Leistung bei gleichem Materialaufwand Verhältnis bei Leistung pro Leiter. Bestes Verhältnis bereits mit mehr Phasen nicht viel besser.

Leitungsaufwand

Wie viel Leistung kann man pro mm2 Leiterquerschnitt übertragen? Die

Antwort auf diese Frage fällt für dreiphasige Systeme besser aus als für ein-

phasige. Das lässt sich einfach zeigen. Wir vergleichen dazu zwei Fälle (siehe

Abbildung 4.15): 

.

Fall A Zweileitersystem: Wir schliessen eine einphasige, ohmsche Last

R über zwei Leiter an eine einphasige Wechselstromquelle an und be-

rechnen die Leistung pro Leiter für diesen Fall.

PA

LA

I2R

=

2 (4.40)

Hier ist LA = 2 die Anzahl der Leiter welche den Strom I führen. PA

ist die übertragene Leistung.

Fall B Dreileitersystem: Wir schliessen eine dreiphasige, ohmsche

Last über drei Leiter an eine dreiphasige Wechselstromquelle an und

berechnen die Leistung pro Leiter für diesen Fall:

PB

3I2R

=

= I2R (4.41)

LB

3

mit LB = 3. Die drei Phasenströme sind betragsmässig gleich gross

(Eektivwerte |I1|= |I2|= |I3|= I) und um 120◦phasenverschoben.

In beiden Fällen führen alle Leiter den gleichen Strom I und können somit

querschnittsgleich ausgelegt werden. Damit wird klar, dass im Fall B doppelt

soviel Leistung pro Leiter (und damit pro mm2 Leiterquerschnitt) übertragen

werden kann als im Fall A. Mehr als drei Phasen bringen diesbezüglich nichts,

das Verhältnis P

L verbessert sich mit zunehmender Leiterzahl nicht.

Strahlennetz: In einem Strahlennetz wird jeder Netzanschluss über einen einzigen Pfad verbunden. Dies bedeutet, dass es keine Redundanz gibt. Fällt eine Verbindung aus, sind alle dahinter liegenden Anschlüsse vom Netz getrennt. Strahlennetze sind kostengünstig und einfach gegen Fehler zu schützen. Mit einfachen Querverbindungen (meist manuell vor Ort zu bedienen) kann im Bedarfsfall eine Redundanz hergestelltwerden.

Ringnetz: In einem Ringnetz wird jeder Anschluss von zwei Seiten versorgt. Bei Ausfall einer Verbindung bleiben alle Anschlüsse mit dem Netz verbunden. In einem Ringnetz muss im Fehlerfall (z.B. Kurzschluss) die Leitung an beiden Enden abgeschaltet werden, d.h. man benötigt gegenüber dem Strahlennetz mehr Schalter. Auch die Fehlererkennung wird aufwändiger. (In der Regel 15KV Ringnetz)

Maschennetz: In einem Maschennetz ist jeder Knoten mit mehreren Knoten verbunden. Die Ströme verteilen sich im vermaschten Netz gemäss den Impedanzen der Verbindungen auf die verschiedenen Pfade. Bei Ausfall einer Verbindung verteilt sich der Strom auf andere Wege. Mit der Vermaschung erreicht man eine sehr hohe Verfügbarkeit des Netzes. Diese will jedoch bezahlt werden. Leit- und Schutztechnik sind für vermaschte Netze sehr anspruchsvoll. (Sicherste und teuerste Netz)

Kleinspannung: Nicht gefährlich

Niederspannung: 

Hochspannung: 

Da mit Drehstrom die Kabellängen begrenzt werden.

Das Übertragungsnetz umfasst die Spannungsebenen 220 und 380 kV so-

wie die Transformatoren zwischen 220 und 380 kV. Diese Spannungsebenen

werden als Netzebene 1 bezeichnet. Grosse Krafwerke und Verbraucher, ty-

pischerweise mit Leistungen ab 300 MVA werden auf dieser Netzebene ange-

schlossen. In der Schweiz sind das die Kernkraftwerke und grosse Speicher-

kraftwerke. Auch Industriebetriebe wie z.B. Stahlwerke können auf dieser

Netzebene angeschlossen werden. Das Schweizer Übertragungsnetz besteht

aus etwa 240 Leitungen und 140 Knotenpunkten. Die gesamte Leitungslän-

ge des schweizerischen Übertragungsnetzes beträgt 6'700 km. Abbildung 5.4

zeigt den Aufbau dieses Netzes. In der Schweiz ist die Swissgrid AG Eigen-

tümerin und Betreiberin der gesamten Übertragungsnetzes. Das Schweizer

Übertragungsnetzes ist Teil des kontinentaleuropäischen Verbundnetzes.

Das Übertragungsnetz ist ein stark vermaschtes Netz. Das bedeutet, dass

das Verhältnis aus Verbindungen und Knoten vergleichsweise hoch ist. Für

das Übertragungsnetz mit 240 Leitungen und 140 Knoten erhalten wir v =

3.42. Im Schnitt ist jeder Knoten mit 3.42 Leitungen verbunden.

Die Netzebene 3 wird als überregionales Verteilnetz bezeichnet und umfasst

die mittleren Spannungsebenen, typischerweise 110 kV und 50 kV. In der

Schweiz handelt es sich dabei um kantonale oder interkantonale Netze, wie

z.B. das Netz der Axpo. Typische Anschlussnehmer auf dieser Netzebene sind

Lauf- und kleinere Pumpspeicherkraftwerke sowie energieintensive Industrie-

und Gewerbebetriebe. Die Anschlussleistungen liegen in der Grössenordnung

von 100 MVA (auf 110 kV) bis 30 MVA (auf 36 kV). Abbildung 5.5 zeigt

die Ausdehnung des grössten überregionalen Verteilnetzes der Schweiz des

Axpo-Netzes mit den Spannungsebenen 110 und 50 kV.

Regionale Verteilnetze haben typische Nennspannungen über 1 kV bis 36 kV.

Sie erstrecken sich im Vergleich zum überregionalen Verteilnetz über kleinere

Distanzen und sind für kleinere Anschlussleistungen von typischerweise 1 bis

30 MVA ausgelegt.

Am lokalen Verteilnetz sind die meisten Endkunden wie z.B. die privaten

Haushalte angeschlossen. Auch kleinere Erzeugungsanlagen wie z.B. Pho-

tovoltaikanlagen oder Biogaskraftwerke speisen ins lokale Verteilnetz. Die

Nennspannung beträgt 400 V (verkettet, zwischen den Phasen) bzw. 230 V

(einphasig). Die Anschlussleistung liegt in der Regel unter 1 MVA.