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Mehr Netzanschlusskapazität durch regelbare Ortsnetztransformatoren

Bild 1. Regelbarer Ortsnetztransformator (Ront)

Bild 2. Vorstädtisches Netz a) ohne Ront und b) mit Ront

Bild 3. Dörfliches Netz a) ohne Ront und b) mit Ront

Bild 4. Dörfliches Netz mit langem Ausläufer a) ohne Ront und b) mit Ront

Die Energiewende stellt die Netzinfrastruktur vor große Herausforderungen. So werden Netzbetreiber bei Nichtein­haltung der Spannungsqualitätskriterien (Spannungsband­verletzungen) durch die dezentrale Einspeisung von Strom aus erneuerbaren Energien zum kapitalintensiven Ausbau im Verteilungsnetz gezwungen. Regelbare Ortsnetztrans­formatoren können dazu eine wirtschaftliche Alternative darstellen. Sie erhöhen die Aufnahmekapazität der Vertei­lungsnetze für erneuerbare Energien bis zum Faktor vier, ohne dass zusätzliche Kabel oder Leitungen verlegt oder weitere Ortsnetzstationen gebaut werden müssen.

Das Gelingen der Energiewende erfordert die massive Integration erneuerbarer Energien. Damit geht auch ein Paradigmenwechsel in der Netzinfrastruktur einher, da regenerative Energiequellen ein stark volatiles Einspeiseprofil aufweisen und häufig in die Mittel- und Niederspannungsnetze einspeisen. Für letztere ist gemäß der DIN EN 60038 (VDE 0175-1) ein Spannungsband von ±10 % um die Nennspannung einzuhalten, das aufgrund fehlender Regeleinrichtungen in den Ortsnetzstationen zwischen dem Mittel- und dem Niederspannungsnetz aufgeteilt werden muss. Von den genannten ±10 % stehen laut aktueller FNN-Richtlinie 3 % im Niederspannungs- und 2 % im Mittelspannungsnetz für die Einspeisung zur Verfügung. Die verbleiben­den 15 % sind für den Spannungsabfall sowie für Toleranzen vorgesehen.
Eine Anhebung der Spannung um die maximal zulässigen 2 % bzw. 3 % wird schon bei relativ geringen Einspeiseleistungen erreicht und würde de facto den Ausbau von erneuerbaren Energien massiv einschränken. Da die Verteilnetzbetreiber jedoch gesetzlich verpflichtet sind, einerseits dezentrale Erzeugungsanlagen unverzüglich an ihr Netz anzuschließen und andererseits nach wie vor eine zuverlässige Versorgungsspannung sicherzustellen, sind sie heute fortwährend zu kapitalintensiven Netzausbaumaßnahmen ­gezwungen.

Wirtschaftliche Alternative zum Netzausbau
Eine Alternative zu derartigen Netzausbaumaßnahmen sind regelbare Orts­netztransformatoren (Ront), mit denen sich vorhandene Ortsnetzstationen auf wirtschaftliche Art und Weise mit bewährter Technik aufrüsten lassen (Bild 1). In ihnen wird die Ausgangsspannung des Transformators durch den Einbau eines Laststufenschalters dynamisch regelbar gemacht. Weitere Schlüsselkomponenten sind ein Spannungsregler und Sensoren. Der Regler steuert den Laststufenschalter und die Sensoren erfassen die dabei für die Algorithmen notwendigen Informationen.
Durch den Einsatz eines Ront ist es möglich die Spannung im Mittelspannungsnetz von der im Niederspannungsnetz so zu entkoppeln, dass das komplette Spannungsband von ±10 % im Niederspannungsnetz zur Verfügung steht. Damit stehen dann – bei einer angenommenen Regelbandbreite von 2 % und einem maximalen Spannungsabfall von 5 % – im Niederspannungsnetz theoretisch 11 % statt 3 % für die Spannungsanhebung durch erneuerbare Energien zur Verfügung. Diese kommen insbesondere der Einspeisung aus Photovoltaik­anlagen zugute, lassen sich aber auch für Spannungsabfälle durch Verbrauchslasten, wie Elektromobilität und Wärmepumpen, nutzen.

Sobald ein kompletter Mittelspannungsring durchgängig mit Ront ausgestattet ist, könnte auch die Beschränkung auf eine Spannungsanhebung um 2 % der Einspeisung in die Mittelspannung entfallen. Dadurch würde sich vor allem das Aufnahmepotenzial für Windenergieanlagen massiv erhöhen.
Regelbare Ortsnetztransformatoren bieten darüber hinaus weitere Vorteile für die Netzbetreiber. Sie sind bereits seit geraumer Zeit verfügbar. So befinden sich die Systemlösungen der Maschinenfabrik Reinhausen seit Anfang 2011 bei verschiedenen Netzbetreibern in realen Netzen in Anwendung und tragen entscheidend dazu bei, die Energiewende wirtschaftlich zu gestalten.

Potenzialbewertung regelbarer Ortsnetztransformator
Netzberechnungen an drei beispielhaften Niederspannungsnetzen sollen die Bewertung des tatsächlichen Potenzials von Ront ermöglichen. Dabei wurde untersucht, wie viel zusätzliche dezentrale Einspeisung sich durch die Installation eines Ront mit Regelung der Niederspannungssammelschienenspannung bei Vermeidung von klassischem Netzausbau integrieren lässt. Die Simulationen basieren analog zur heutigen Netzplanungspraxis auf Worst-Case-Szenarien für den Einspeise- und Lastfall. Im Lastfall werden bei minimaler Sammelschienenspannung – also auch im überlagerten Mittelspannungsnetz – ausschließlich Lasten und im Einspeisefall bei maximaler Sammelschienenspannung nur Einspeisungen ­betrachtet.
Die Parameter der Beispielnetze entstammen öffentlichen statistischen Daten. Die Leistungswerte für H0-Kunden werden mithilfe des Gleichzeitigkeitsfaktors nach DIN 18015-1 zugewiesen. Für gewerbliche Lasten werden die beiden Leistungsklassen 25 kW und 15 kW definiert. Kleine landwirtschaftliche Lasten werden mit 14,5 kW ­angenommen.

Kapazitätsverdopplung im vorstädtischen Netz
Bild 2 stellt ein beispielhaftes vorstädtisches Niederspannungsnetz mit einem 400-kVA-Transformator dar. Es verfügt über fünf 400 m lange NAYY-Kabelstränge mit 4 x 150 mm 2. Vier davon sind symmetrisch mit jeweils 13 Haushalten ausgelegt, die alle Photovoltaikstrom ins Netz einspeisen. Die Anlagenleistung ist für alle Haushalte identisch. Der fünfte Kabelstrang ist ein reiner Laststrang mit Gewerbeverbrauchslasten, die sich nahe an der Ortsnetzstation befinden. Durch die Spannungsspreizung zwischen den beiden Strangtypen herrscht eine suboptimale Situation für den Ront vor.
Ohne Ront lässt sich in dem beschriebenen Netz eine maximale Photovoltaikleistung von 388 kW peak installieren (Bild 2 a). Der ­begrenzende Faktor ist dabei das Erreichen der maximal zulässigen Spannungsanhebung von 3 %. Zu diesem Zeitpunkt sind die Kabel allerdings erst zu knapp 50 % ausgelastet.
Durch den Einsatz eines Ront mit 800 kVA oder 1 000 kVA sowie einer Stufenspannung von 2 % und einer Sollspannung von 97 % an der Niederspannungssammelschiene erhöht sich die maximal integrierbare Photovoltaikleistung um den Faktor 2 auf 776 kW peak (Bild 2 b). Begrenzender Faktor ist nun nicht mehr die Spannung – diese liegt am Strangende der Einspeisestränge lediglich bei 105 % –, sondern die thermische Kapazität der Kabel, die bei194 kW peak pro Strang erschöpft ist. Somit werden durch den Ront die vorhandenen Betriebsmittel optimal ausgenutzt.
In einem vorstädtischen Netz mit hoher Bebauungs- und Photovoltaikdichte kann ein Ront also die Kapazität für die dezentrale Einspeisung, ohne die Notwendigkeit klassischen Netzausbau betreiben zu müssen, trotz einer ausgeprägten Spannungsspreizung um den Faktor 2 steigern.

Stärkere Kapazitätserhöhung im dörflichen Netz
Das in Bild 3 dargestellte beispielhafte dörfliche Netz unterscheidet sich vom vorstädtischen Netz durch eine geringere Bebauungsdichte. Bei ebenfalls 400 m langen Strängen existieren nun nur sieben Anschlüsse je Strang. Wieder gibt es einen reinen Laststrang, unter anderem mit Gewerbeverbrauchslasten. Weiterhin ist ein Strang nicht als Kabel, sondern als 70-AL1/11-ST1A-Freileitung ausgeführt. Schließlich unterscheiden sich auch die Photovoltaikinstallationen zwischen den Strängen.
Ohne Ront kann in das dörfliche Netz eine PV-Leistung von 278 kW peak integriert werden, wobei sich das Potenzial je nach Konfiguration des Strangs unterscheidet (Bild 3 a). Begrenzend wirkt dabei jeweils die maximal zulässige Spannungsanhebung von 3 %. Sie verhindert eine wirtschaftliche Ausnutzung der Betriebsmittel, deren Auslastung je nach Strang zwischen 12 % und 50 % liegt.
Durch den Einsatz eines Ront erhöht sich die maximal integrierbare PV-Leistung in den Strängen mit Photovoltaikinstallationen auf jedem zweiten Haus bzw. ausschließlich in der Mitte des Strangs um den Faktor 1,9 bzw. 2,0 (Bild 3 b). Begrenzend wirkt hier wieder die thermische Belastbarkeit der Kabel. In dem Kabelstrang mit der Photovoltaikinstallation am Ende des Strangs kann 3,6-mal mehr Photovoltaik angeschlossen werden, während der Faktor bei der identisch konfigurierten Freileitung 3,7 beträgt. Begrenzend wirkt in diesem Fall eine Spannungsanhebung auf 110 % der Normspannung. Liegt der ­maximale Spannungsabfall unter 5 %, wäre es durch Vorgabe einer niedrigeren Sollspannung im Regler möglich das Integrationspotential dieser beiden Stränge weiter zu steigern. Dabei ist allerdings sicherzustellen, dass der Netzknoten an dem der ­größte Spannungsabfall im Lastfall auftritt, durchwegs im zulässigen Spannungsband liegt.
Somit kann ein Ront auch in dem ländlichen Netz – trotz der ausgeprägten Spannungsspreizung – das Potenzial für die Integration von erneuerbaren Energien mindestens um den Faktor 2 erhöhen. Sind die Erzeugungsanlagen eher am Strangende angeschlossen erhöht sich das Potenzial sogar auf nahezu den Faktor 4.

Dörfliches Netz mit langem Ausläufer
Abschließend wird der reine Laststrang des eben vorgestellten dörflichen Netzes um einen zusätzlichen 1 200 m langen Ausläufer erweitert, an dessen Ende ein kleiner landwirtschaftlicher Betrieb mit einer Last von 14,5 kW angeschlossen ist (Bild 4). Mit dem Spannungsabfall von 7 % nimmt die bereits vorhandene Spannungsspreizung weiter zu, sodass in diesem Netz statt der üblichen 3 % nur noch 1 % für die dezentrale Einspeisung zur Verfügung stehen.
In dieser Konfiguration lassen sich ohne Ront lediglich 98 kW peak Photovoltaik integrieren (Bild 4 a). Die Auslastung der Kabel und Freileitungen liegt dann zwischen 5 % und 17 %. In dieser Situation erhöht ein Ront das Integrationspotenzial je nach Strang um einen Faktor zwischen 5,7 und 8 (Bild 4 b).

Zusammenfassung
Der durch die Energiewende getriebene Ausbau von erneuerbaren Energien bringt das heutige Verteilnetz aufgrund der Problematik von Spannungsbandverletzungen zunehmend an die Grenzen einer normengerechten Betriebsführung. Verletzungen des Spannungsbands treten dabei in der Regel deutlich früher auf als Kapazitätsbegrenzungen in den Betriebsmitteln. Ohne Ront sind die Verteilungsnetzbetreiber bei Spannungsbandverletzungen direkt zu kapitalintensiven Netzausbaumaßnahmen gezwungen. Der Einsatz von Ront ermöglicht es den Ausbau der Netze entweder gänzlich zu vermeiden oder in abgemilderter Form auf einen späteren Zeitpunkt zu verschieben. Darüber hinaus stellen sie sicher, dass die verfügbaren Leitungs- und Kabelkapazitäten auch ausgenutzt werden können. Sie können somit die Aufnahmefähigkeit der bestehenden Netze für erneuerbare Energien auf wirtschaftliche Art und Weise signifikant erhöhen.
Der konkrete Effekt eines Ront hängt dabei von der Größe und der örtlichen Lage der Einspeiser sowie vom maximalen Spannungsabfall im Netz ab. In einem Netz mit vielen Einspeisern und hoher Einspeiseleistung nahe der Sammelschiene kann ein regelbarer Ortsnetztransformator die Integrationskapazität etwas um den Faktor zwei erhöhen. Liegen die Einspeisepunkte weiter von der Sammelschiene entfernt ist eine Erhöhung des Einspeisepotenzials um bis zum Faktor 4 möglich. In Netzen mit Spannungsfällen größer als 5 %, zum Beispiel bei Anbindung von weit entfernten Einsiedlerhöfen, lässt sich das Potenzial sogar um den Faktor 8 erhöhen.

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Autor: B. Eng. Matthias Haslbeck ist Wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Hochschule Regensburg.

Autor: Dr. Manuel Sojer ist Business Development Manager Power Distribution bei der Maschinenfabrik Reinhausen GmbH in Regensburg.

Autor: Dr.-Ing. Thomas Smolka ist Leiter Technik Power Distribution bei der Maschinenfabrik Reinhausen GmbH in Regensburg.

Autor: Prof. Dr.-Ing. Oliver Brückl, Fakultät für Elektro- und Informationstechnik, Lehrgebiet Regenerative Energien, Forschungsgebiet Netzintegration Erneuerbarer Energien an der Hochschule Regensburg.