Ländliche Elektrifizierung – von Tansania bis zur eigenen Nachbarschaft (Teil 2)

Am 9. März 2020 veröffentlicht von Jekaterina Stael von Holstein

Da wir die Leistung und die geometrische Lage der einzelnen Verbraucher dank der Vorgehensweise aus Teil 1 kennen und dementsprechend die Größen der Energieerzeuger abschätzen können, müssen wir uns geometrisch, also auf der Landkarte, überlegen, wie das elektrische Netz sinnvoll auszusehen hat und wo der Generator zu platzieren ist. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie ein Netz aussehen kann. Es kann sich um ein Strahlennetz handeln, d.h. es gibt nur einen zentralen Generator und von diesem Generatorhaus aus werden die Kabel oder Leitungen zu den Endnutzern gezogen (siehe Abb. 2a). Ein Ringnetz ist eine spezielle Netzform des Strahlennetzes, bei dem vom Generator die Leitungen in zwei Richtungen gelegt werden, sich vereinen und so einen Ring bilden (siehe Abb. 2c). Ein doppeltgespeistes Netz ist dagegen ein Netz mit zwei Generatoren, die eine Leitung von beiden Seiten mit Leistung versorgen (siehe Abb. 2b). Als vierte Option noch eine auf den ersten Blick etwas chaotisch wirkende Netzart: das Maschennetz. Dort gibt es sowohl mehrere Erzeuger als auch Verbraucher (siehe Abb. 2d).

Netzarten

Figure 2: Die verschiedenen Netztopologien – a) Strahlennetz mit vielen Netzknoten, an denen Verbraucher angeschlossen sind, b) Doppeltgespeistes Netz, also Netz mit zwei Erzeugern, c) Ringnetz, d) Maschennetz mit vielen Verbrauchern und Erzeugern. Der weißen Punkte stellen Quellen (Generatoren) während die schwarzen Punkte Knoten (Abnehmerpunkte) darstellen.

Alle Netzarten haben ihre Vor- und Nachteile, aber da das Generatorhaus nicht überall auf der Ukara Insel platziert werden kann und es geographisch sinnvoll erscheint, fällt in diesem Fall die Entscheidung einfach: Es wird ein Strahlennetz mit zwei Hauptleitungen (rot) um die ganze Insel aufgebaut, so dass alle Verbraucher (die sich entlang der blauen Linien befinden) angeschlossen werden können. Die Leitungen werden meist entlang der Straßen verlegt, da dort die Masten für die Freileitungen einfach aufgestellt werden können oder die Kabel schnell und einfach unter die Erde verlegt werden können.

Insel Bwisya

Figure 3: Das Dorf Bwisya in Tansania mit mehreren Hauptnetzen (rot) und ihren Verbrauchern (blau)

Da sich das Netz von einem Generatorhaus auf die ganze Insel verteilt und es mehrere Lastschwerpunkte gibt, muss es für eine effiziente Energieübertragung, also welche mit möglichst wenig Energieverlust, mehrere Spannungsebenen geben. Die Niedrigspannung geht bis 400 V und ist die unterste Spannungsebene. Die Spannung, die bei uns an der Haushaltssteckdose angelegt ist, beträgt bspw. 230 V. Die nächste Spannungsebene ist die Mittelspannung, diese geht bis zu 30.000 V (30 kV). Auf der Ukara Insel wird diese als Verteilungsspannungsebene benutzt. An diese angeschlossen werden die Niedrigspannungsnetze der einzelnen Dörfer, wo die einzelnen Verbraucher angeschlossen sind. In größeren Verbundnetzen, wie z.B. dem in Europa (ENTSO-E), gibt es weitere Ebenen (Übertragungsnetz), wie die Hoch- (bis zu 110 kV) und Höchstspannung (bis zu 480 kV), über welche die Energie an die untergelegenen Ebenen verteilt wird (Verteilnetz).

Als letzten Schritt der technischen Auslegung muss entschieden werden, ob Kabel (Leitung unter der Erde) oder Freileitungen (Leitung an Masten) verlegt werden. Meistens ist es vorgeschrieben oder sogar vorentschieden, welcher Typ einzusetzen ist. Ein wesentlicher Vorteil der Freileitungen bei einem wenig elektrifizierten Gebiet ist: Es können entlang des Leitungsweges an den Masten, neben der Leitung selbst, Lampen für die Straßenbeleuchtung angebracht werden, die abends den Weg ausleuchten.

Nachdem alle Rechnungen zu Größen der Verbraucher, der Generatoren, der Spannungsebenen und der Leitungen vorgenommen wurden, müssen die Regeln des so genannten Grid Codes eingehalten werden. Dieser enthält Regeln, Details sowie Normen, wie die Netze auszusehen haben und was zu beachten ist. Anhand dessen werden die bereits vorgenommenen Rechnungen angepasst und schon können Kataloge aufgeklappt werden und die gewünschten Artikel ausgewählt werden, die später per Container an die jeweilige Stelle versendet und dort unter den Augen einer Fachkraft aufgebaut werden.

Was hat Tansania mit der Elektrifizierung in Deutschland zu tun?
Das Elektrifizierungsprojekt in Tansania zeigt anschaulich, was in der Planung zur Elektrifizierung von Straßen und neuer Ortschaften sowie bei der Verbesserung des Stromnetzes beachtet werden: Es muss immer ein Lastprofil ermittelt werden, denn eine Straße mit vielen kleinen Häusern sieht anders aus, als eine Einkaufsstraße, eine Mall oder sogar eine Straße mit Häusern und vielen Photovoltaikanlagen. Die Knotenpunkte, also Lastschwerpunkte, können sich an unterschiedlichen Stellen befinden und können auch unterschiedlich groß aussehen. Es muss ermittelt werden, ob sich in der Nähe ein nächsthöheres Übertragungsnetz befindet, ob und wie viele weitere Energiequellen es in der Nähe gibt und welche Leistung und Energie diese zur Verfügung stellen. Daraus folgend wird die Art des Netzes ausgewählt. So kann es durchaus vorkommen, dass ein Ringnetz bei Niederspannungsnetzen zum Einsatz kommt, denn eine bewohnte Straße kann schon geographisch so aufgebaut sein, dass dieser Netztyp die beste Variante darstellt.

In Europa ist häufiger ein Maschennetz anzutreffen, denn auf jeder Ebene kann es mehrere unterschiedlich große Verbraucher als auch Energieerzeuger geben. Windkraftwerke sind meistens auf der Mittelspannungsebene aufzufinden, während ein Atomkraftwerk so viel Leistung hat, dass dieses an die Hoch- oder Höchstspannungsebene angeschlossen ist. Als Verbraucher kann sowohl zum Beispiel ein Zementwerk (mehrere Megawatt) angeschlossen sein, weswegen dieses meist an der Mittel- oder Hochspannungsebene zu finden ist, als auch ein kleiner Haushalt von 1kW, welcher entsprechend am Niederspannungsnetz angeschlossen wird. Anstatt der Mittelspannungsebene, wie bei der Ukara Insel, wird als Übertragungsebene Hoch- oder Höchstspannungsebenen genutzt.

Spannungsebenen

Figure 4: Mehrere Netzebenen mit ihren Erzeugern und Verbrauchern, Quelle: Wikipedia (Link: https://de.wikipedia.org/wiki/Stromnetz)

Auch hier muss zwischen Kabel- und Freileitungen entschieden werden, und auch hier bestimmt der Energiemix den Strompreis, denn es gibt günstige und teure Energiequellen. Deutschland stellt seinen Energiemix mehr und mehr auf Erneuerbare Energien um, weswegen auch bei uns mehr Wechselrichter im Einsatz sind.

Alle Länder haben einen Grid Code, so auch Deutschland, welcher strenge Normen enthält, damit das Netz stabil bleibt. Wird in Tansania ein großer Verbraucher, hier z.B. mehrere Mühlen, plötzlich vom Netz genommen, so wird das Gleichgewicht aus Energieerzeugung und -verbrauch für kurze Zeit verletzt, weswegen es zu einem Blackout, also einem Ausfall der gesamten Stromversorgung, kommen kann.

Das Gleiche kann in Europa ebenfalls passieren, wenn z.B. mehrere Teile Europas plötzlich vom Netz genommen werden, wenn z.B. Reparaturen und gleichzeitig ein großer Unfall am anderen Ende des Netzes passieren. Das ganze Netz kann wegen der Nichteinhaltung des n-1-Kriteriums ausfallen. Das n-1-Kriterium ist eine Absicherung, damit das Netz bei einem unvorhergesehenen Vorkommnis trotzdem stabil bleibt. So kam es im November des Jahres 2006 zu einem großen Stromausfall in Europa, welcher fast zu einem Blackout geführt hätte, denn das n-1-Kriterium wurde verletzt.

Während ein großes Kreuzfahrtschiff auf der Ems unterwegs war, wurden sicherheitshalber zwei wichtige Hochspannungsleitungen abgeschaltet. Gleichzeitig wurde sehr viel Windenergiestrom erzeugt und über Leitungen transportiert und so kam es zu einem Ungleichgewicht im Netz, wobei der Strom in vielen Ländern Europas ausfiel. Während in Tansania das Anfahren des Generators nach einem kompletten Blackout nicht so gravierende Folgen hätte und schnell durchzuführen wäre, würde dies im Fall eines Blackouts eines gesamten Europäischen Netzes Wochen dauern, bis dieses wieder betriebsbereit operiert werden kann. Das hätte katastrophale Folgen für alle Menschen und natürlich auch für die Wirtschaft in Europa. Oder kannst du dir vorstellen wochenlang ohne warmes Essen, Autos, Supermärkte, Internet oder eine Krankenhausversorgung zu leben?

Kurzes Fazit
Egal ob abgelegen auf einer Insel im Viktoriasee oder in deiner Nachbarschaft mitten in Europa – die Schritte, um ländliche Elektrifizierung zu ermöglichen, sind überall gleich und auch der Betrieb ist ähnlich. Eine Insel ist vergleichbar mit einer kleineren Stadt, es gibt Nieder- und Mittelspannungsnetz, nur hat ein großes Verbundnetz weitere Spannungsebenen oberhalb, an denen auch Verbraucher angeschlossen sein können. Egal wo: das Gleichgewicht zwischen Erzeugung und Verbrauch muss immer bewahrt werden, ähnlich einer Wippe auf dem Spielplatz.

In Deutschland stellt die aktuelle Politik Weichen, z.B. mit dem Erneuerbaren-Energien-Gesetz, damit die Energiewende, also der Umschwung zu immer mehr nachhaltigem Strom im Energiemix, umsetzbar ist. Gleichzeitig muss beachtet werden, dass das Netz im Gleichgewicht bleibt, die Netzschwankungen müssen also möglichst schnell ausgeglichen und das n-1-Kriterium beachtet werden. Aus diesem Grund müssen neue Stromtrassen (Hoch- und Höchstspannungsnetze in Deutschland) gebaut werden und die bereits vorhandenen in Stand gehalten werden.

Es gibt außerdem viele Konzepte und Projekte, um die Elektrifizierung zu verwirklichen und zu modernisieren. Einige davon wurden im Jahr 2019 auf der IdeenExpo vorgestellt und ich bin mir sicher, dass 2021 die IdeenExpo noch interessantere Ideen zum Thema Elektrifizierung zeigen wird!

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