Übertragungsverlust

Definition und Bedeutung

Der Übertragungsverlust P_W, auch Netzverlust P_V, ist die Differenz zwischen der im Kraftwerk erzeugten elektrischen Leistung und der am Netzanschlusspunkt der Verbraucher genutzten Leistung. Er entsteht hauptsächlich durch den ohmschen Widerstand der Übertragungsleitungen: Der fließende Strom erwärmt die Leiter, wodurch elektrische Energie als Wärme verloren geht. Dies wird als ohmscher Verlust bezeichnet.

Weitere Netzverluste entstehen durch spannungsabhängige Effekte wie Koronaentladungen, durch die Blindleistungskompensation und in Leistungstransformatoren. Blindleistung ist ein Anteil der elektrischen Leistung, der zwischen Erzeuger und Verbraucher pendelt, aber nicht unmittelbar als Nutzleistung verbraucht wird.

Die Internationale Elektrotechnische Kommission nahm 2007 für den Weg vom Kraftwerk bis zum Verbraucher einen Übertragungsverlust von 8 % bis 15 % an. Davon entfielen 3 % bis 5 % auf die Übertragung vom Kraftwerk zur Transformatorstation und mindestens ebenso hohe Verluste auf den Weg von dort zu den Verbrauchern. In mitteleuropäischen Dreiphasensystemen gehen über alle Spannungsebenen gemittelt etwa 6 % der Netzleistung verloren. In Deutschland betragen die Netzverluste rund 5,7 % der bereitgestellten Elektroenergie. Von 2000 bis 2012 sank der Übertragungsverlust dort um etwa 28 %, nämlich von 34,1 TWh auf 24,6 TWh.

Freileitungen und Versorgungssicherheit

Eine typische 380-kV-Freileitung mit einem Bündelleiter vom Typ 4×564/72 Al/St ist für höchstens 1,1 GW je Dreiphasensystem ausgelegt. Auf 100 km entstehen bei maximaler Leistung stromabhängige ohmsche Verluste von 11,6 MW. Hinzu kommen 245 kW spannungsabhängige Verluste, die hauptsächlich durch Koronaentladungen verursacht werden. Insgesamt gehen damit pro 100 km knapp über 1 % der eingespeisten Leistung verloren.

Größere Leiterquerschnitte könnten die ohmschen Verluste senken. Sie erhöhen jedoch das Gewicht der Leiter und damit die Kosten der Freileitungen und Mastkonstruktionen. Ab einem bestimmten Punkt ist dies im Verhältnis zu den eingesparten Energiekosten wirtschaftlich nicht mehr vertretbar.

Häufig werden zwei Dreiphasensysteme als Doppelsystem auf einem Mast parallel betrieben. Jedes Leitersystem wird dabei mit weniger als der Hälfte seiner Maximalleistung belastet. Dies verringert die absoluten Leitungsverluste und erfüllt zugleich die (n – 1)-Regel: Fällt ein System kurzfristig aus, etwa durch einen bei Freileitungen häufigen Erdschluss mit Leitungsunterbrechung und automatischer Wiedereinschaltung, kann das zweite System vorübergehend die gesamte Leistung übernehmen, ohne dass die Versorgung unterbrochen wird.

Vergleich von Leitungssystemen und Spannungsebenen

Bei Freileitungen bleiben die relativen Verluste von rund 1 % je 100 km auch bei geringerer Übertragungsleistung ungefähr konstant. Erdkabel besitzen meist größere Leiterquerschnitte und deshalb geringere ohmsche Verluste. Dafür treten bei ihnen wesentliche lastunabhängige Kompensationsverluste auf. Ein mit der beschriebenen Freileitung vergleichbares 380-kV-Erdkabelsystem hat aufgrund seines höheren kapazitiven Belags einen ungefähr 15-mal so hohen Blindleistungsbedarf. Bei einer typischen Jahresauslastung von 30 % führt dies gegenüber dem Freileitungssystem zu etwa 25 % höheren Verlusten.

Bezogen auf ihre Maximalleistung weisen 380-kV-Leitungen unter den in Mitteleuropa üblichen Stromleitungen die geringsten Verluste auf. Bei niedrigeren Spannungsebenen, etwa im 110-kV-Verteilsystem und besonders im Mittelspannungsnetz, sind die relativen Verluste pro 100 km größer. Diese Spannungsebenen werden daher zur regionalen Verteilung über kürzere Strecken genutzt.

Auch beim Wechsel zwischen Spannungsebenen entstehen in Leistungstransformatoren vor allem thermische Verluste. Bei den in Mitteleuropa üblichen mittleren Entfernungen zwischen Kraftwerken und Verbrauchern ergibt sich dadurch insgesamt ein Übertragungsverlust von etwa 6 %. Größere Entfernungen erhöhen die Gesamtverluste; deshalb ist es sinnvoll, Kraftwerke möglichst nahe bei den Verbrauchern zu errichten.

Möglichkeiten zur Verringerung

Die dominanten ohmschen Wirkverluste lassen sich verringern, indem bei gleicher Übertragungsleistung eine möglichst hohe Betriebsspannung gewählt wird. In Teilen des kanadischen Dreiphasennetzes von Hydro-Québec werden beispielsweise 735 kV verwendet.

Für lange Strecken kommt außerdem die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) mit Gleichspannungen bis ±800 kV zum Einsatz. Dabei muss Dreiphasenwechselstrom in einer Stromrichterstation zunächst in Gleichstrom und am Ziel wieder in Dreiphasenwechselstrom umgewandelt werden. Diese Umrichtung verursacht zusätzliche Konverterverluste. Wegen der geringeren Leitungsverluste des Gleichstroms werden sie wirtschaftlich jedoch ab bestimmten Entfernungen ausgeglichen: bei Erdkabelsystemen einschließlich Seekabeln ab 40 km bis 70 km und bei Freileitungen ab 600 km bis 800 km.

Bei Volllast betragen die Konverterverluste einer HGÜ 0,5 % bis 1 % der übertragenen Leistung. Bei netzgeführten Stromrichtern entfallen davon ungefähr 56 % auf die erforderlichen Stromrichtertransformatoren, 25 % auf die zur Gleich- und Umrichtung eingesetzten Thyristoren sowie 8 % auf Oberwellenfilter und Einrichtungen zur Bereitstellung von Blindleistung.