mini|HGÜ-Leitungen in Europa (nicht verlaufsgetreu; Stand April 2025)
Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) ist ein Verfahren der elektrischen Energieübertragung mit hoher Gleichspannung.
Technischer Hintergrund mini|Vergleich der Kosten (schematisch) in Abhängigkeit von der Leitungslänge
Elektrische Energie wird in Kraftwerken fast immer durch Synchron-Generatoren als Dreiphasenwechselstrom der Frequenz 50 Hz oder 60 Hz erzeugt. Die Übertragung großer Leistung (ab etwa 1 GW) über größere Entfernungen (ab 100 km) unter Nutzung ökonomischer und technisch handhabbarer Leitungsdurchmesser erzwingt hohe elektrische Spannungen von über 400 kV. Die Hochspannung wird hierzu mit sehr gutem Wirkungsgrad durch Leistungstransformatoren erzeugt, im Rahmen von Hochspannungs-Drehstrom-Übertragungen (HDÜ) transportiert und am Ende der Freileitungen in Umspannwerken auf niedrigere Spannungen (z. B. 110 kV bis 20 kV) heruntertransformiert.
Bei Leitungslängen ab 1000 km muss die Wellenlänge des Wechselstroms berücksichtigt werden (6000 km bei 50 Hz). Bei Schaltvorgängen oder Blitzeinschlägen können Wellenphänomene wie Spannungsüberhöhungen (Ferranti-Effekt) auftreten und zu Schäden führen. Zudem ist die übertragbare Leistung auf die Natürliche Leistung beschränkt, die sich aus der Leitungsimpedanz ergibt.
Eine der Grundvoraussetzungen für diese Übertragung mit Wechselströmen ist jedoch, dass die Kapazität sowohl zwischen den Leitungen als auch zum Erdpotential ausreichend klein bleibt, um die Blindleistung gering zu halten. Bei Freileitungen wird dies durch entsprechende Abstände erreicht, bei Erd- oder Seekabeln erlaubt deren kapazitiver Belag jedoch keinen wirtschaftlichen Betrieb mit Wechselspannung bei Längen von mehr als einigen zehn Kilometern. In diesem Fall bringt die Übertragung mit Gleichstrom Vorteile, weil sich dort der Leitungsverlust alleine auf den ohmschen Widerstand des Wirkstroms beschränkt.
Die Probleme bei der Übertragung mit Gleichstrom sind die Erzeugung der hohen Gleichspannung und die Konvertierung zwischen Wechsel- und Gleichstrom. Die Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom und umgekehrt kann elektromechanisch mit speziellen elektrischen Maschinen (Umformer) erfolgen oder elektronisch durch Stromrichter. Diese Konverterstationen sind die Ursache der hohen Gestehungskosten der HGÜ im Vergleich zur Wechselspannungsübertragung, die sich erst bei größeren Systemlängen amortisieren. Kostenparität zwischen der Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung und der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung liegt bei Kabelsystemen, zu denen auch Seekabel zählen, bei Leitungslängen von 40 km bis 70 km. Bei Freileitungen liegt die Entfernung, ab der die HGÜ wirtschaftlicher ist, bei über 600 km bis 800 km.
Zu den größten Herstellern von HGÜ-Anlagen zählen die Firmen Hitachi Energy (ehemals Asea Brown Boveri (ABB) Power Grids), GE Grid Solutions (Jointventure von General Electric und Alstom) und Siemens Energy.
Anwendungen mini|Stromrichtertransformator für eine Phase. Oben Ausgleichsgefäß für Kühlmittel. Links die langen Isolatoren der Anschlüsse auf der Gleichspannungsseite, nur diese reichen montiert durch die Wand in die Konverterhalle zu den Thyristortürmen. Der Transformatorkorpus samt Kühler befindet sich im Außenbereich. Rechts oben der Anschluss für die Freileitung.
Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung wird zur elektrischen Energieübertragung in verschiedenen und im Folgenden dargestellten Anwendungsbereichen eingesetzt. In der Liste der HGÜ-Anlagen findet sich eine tabellarische Auflistung verschiedener realisierter und geplanter Anlagen. Einen aktuellen Status aus dem Jahr 2019 bietet ein Bericht der ENTSOE.https://eepublicdownloads.entsoe.eu/clean-documents/SOC%20documents/20191203_HVDC%20links%20in%20system%20operations.pdf
Gleichstromkurzkupplungen Beträgt die Übertragungslänge des Gleichstroms nur wenige Meter und sind beide Stromrichter im selben Gebäude bzw. in unmittelbar benachbarten Gebäuden untergebracht, spricht man von einer HGÜ-Kurzkupplung (Gleichstromkurzkupplung, GKK, ). Diese Form, technisch ein Zwischenkreis, dient dem direkten elektrischen Energieaustausch zwischen Dreiphasenwechselstromnetzen, die zueinander nicht mit synchroner Netzfrequenz betrieben werden und unterschiedlichen Regelbereichen zugeordnet sind. Beispiele dafür sind die von 1993 bis 1995 in Deutschland betriebene GKK Etzenricht, in Kanada die Châteauguay-Gleichstromkurzkupplung der Hydro-Québec, Hydro-Québec, technische Beschreibung (englisch) sowie die HGÜ-Kurzkupplung Wyborg in Russland für Einspeisung in das finnische Netz, die im Mai 2022 eingestellt wurde. Durch die Besonderheit von zwei unterschiedlichen Netzfrequenzen kann in Japan zwischen den beiden Frequenzsystemen Leistung nur mittels HGÜ-Kurzkupplungen übertragen werden. Ein Beispiel dafür ist die Anlage in Shizuoka.
Da HGÜ-Kurzkupplungen nicht verlustfrei arbeiten und oft auch die maximal mögliche Übertragungsleistung bestimmen, werden derartige Anlagen innerhalb synchronisierter Netze im Regelfall nicht eingesetzt. Vorhandene Anlagen werden deshalb auch in der Regel stillgelegt, wenn zwei zuvor nicht synchron betriebene Netze miteinander synchronisiert wurden, was dann einen direkten Energieaustausch ermöglicht.
Energieübertragung über weite Entfernungen Die HGÜ-Technik dient der Energieübertragung durch Gleichstrom über weite Entfernungen – dies sind Entfernungen von rund 750 km aufwärts –, da die HGÜ ab bestimmten Entfernungen trotz der zusätzlichen Konverterverluste in Summe geringere Übertragungsverluste als die Übertragung mit Dreiphasenwechselstrom aufweist. Beispiele sind die unvollendete HGÜ Ekibastus–Zentrum in Sibirien, die 1700 km lange HGÜ Inga-Shaba im Kongo und die über 1000 km lange HGÜ Québec–Neuengland zwischen Kanada und den USA. In Europa bestehen aufgrund der vergleichsweise geringen Entfernungen zwischen Elektrizitätswerken und Verbrauchern bislang keine HGÜ-Anlagen in diesem Längenbereich.
Die bei großen Entfernungen wesentlichen Leitungsverluste ohne Konverterverluste betragen bei realisierten Anlagen wie der NorNed (allerdings eine Seekabelverbindung und keine Freileitung zwischen Norwegen und den Niederlanden) bei einer übertragenen Leistung von 600 MW (85 % der Nennleistung) und einer Leitungslänge von 580 km rund 3,7 %, was etwa 6,4 % relativen Verlusten auf 1000 km Leitungslänge entspricht.Jan-Erik Skog, Kees Koreman, Bo Pääjärvi, Thomas Worzyk, Thomas Andersröd: The NorNed HVDC Cable Link. A Power Transmission Highway Between Norway And The Netherlands (PDF; 504 kB) Bei erwogenen und bisher nicht realisierten Projekten wie Desertec oder dem Europäischen Supergrid wird bei einer 5000 km langen HGÜ-Leitung mit 800 kV von Leitungsverlusten um 14 % ausgegangen.Volker Quaschning: Regenerative Energiesysteme. Technologie – Berechnung – Simulation. München 2011, S. 162. Dies entspricht rund 2,8 % relativen Leitungsverlusten auf 1000 km.
Energieübertragung mittels HGÜ-Seekabeln mini|Schnitt durch ein HGÜ-Seekabel für 350 kV, installiert bei der HGÜ Inter-Island
Die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung dient auch der Energieübertragung über vergleichbar kurze Distanzen von einigen zehn bis zu einigen hundert Kilometern, wenn das Übertragungskabel konstruktionsbedingt einen sehr hohen kapazitiven Belag aufweist. Ein Betrieb mit Drehstrom ist dann nicht wirtschaftlich, da dabei eine hohe Blindleistung zum ständigen Umladen der Kabelkapazität aufgebracht werden müsste. Bei der Verbindung von Stromnetzen und der Anbindung von Windparks über das Meer kommt fast immer nur ein Seekabel in Frage, weshalb sich in diesem Anwendungsbereich fast ausnahmslos HGÜ-Kabelsysteme finden. Europäische Beispiele sind das Seekabel NorNed zwischen Norwegen und den Niederlanden, das Seekabel Baltic Cable zwischen Schweden und Deutschland oder BritNed zwischen Großbritannien und den Niederlanden.
Zudem werden Anschlüsse von Offshore-Windparks, die in größerer Entfernung vor der Küste liegen, zumeist mittels HGÜ ans Netz angeschlossen. Bei diesen Anlagen geht man davon aus, dass HGÜ-Systeme ab ca. 55 bis 70 km Kabellänge wirtschaftlicher sind als eine herkömmliche Anbindung in Hochspannungsdrehstromtechnik.Mikel De Prada Gil et al., Feasibility analysis of offshore wind power plants with DC collection grid. In: Renewable Energy 78, (2015), 467-477, S. 467, doi:10.1016/j.renene.2015.01.042.
Bei monopolaren Einleiter-HGÜ-Seekabeln gibt es eine Besonderheit: Die Polaritätsumschaltung kommt bei Richtungsänderung des Leistungsflusses vor, wo die Gestaltung der Erderanlagen und die netzgeführten Stromrichter auf eine fixe Stromrichtung ausgelegt ist. Bei Betrieb mit hoher Gleichspannung kommt es nach einiger Zeit zu einer Ansammlung von Raumladungen im Dielektrikum zwischen Innen- und Außenleiter im Kabel. Dies ist Folge unterschiedlich hoher elektrischer Leitfähigkeit, die wiederum durch das radiale Temperaturgefälle vom Innenleiter zum kühleren Außenbereich bedingt ist. Bei einem schlagartigen Polaritätswechsel zur Richtungsumkehr des Leistungsflusses würde es durch die sich nur langsam abbauenden Raumladungen im Dielektrikum zu starken Feldüberhöhungen kommen, die materialzerstörende Teilentladungen im Isolierstoff auslösen. Aus diesem Grund muss bei netzgeführten monopolaren HGÜ-Seekabelanlagen wie z. B. bei der HGÜ Italien–Griechenland bei einer Richtungsumkehr des Leistungsflusses eine bestimmte Zeitspanne von einigen 10 Minuten abgewartet werden, bis man die Leitung wieder verwendet.
Energieübertragung mittels HGÜ-Kabeln über Land Von See an Land ankommende Kabel werden als Erdkabel verlängert, welches entweder an einem Übergangspunkt zu einer HGÜ-Freileitung oder der Stromrichterstation endet. Bei einigen Off-Shore-HGÜ-Anbindungen ist die Landkabelstrecke auch länger als die zugehörige Seekabelstrecke.
Die erste HGÜ-Landkabelverbindung war die von 1941 bis 1945 zwischen Dessau und Berlin-Marienfelde errichtete Leitung des Elbe-Projekts, welche allerdings wegen des 2. Weltkrieges nicht mehr in Betrieb ging. Ihre Komponenten wurden von der sowjetischen Besatzungsmacht für den Aufbau einer experimentellen HGÜ zwischen Kaschira und Moskau verwendet.
Von 1975 bis 1987 existierte zwischen Kingsnorth und London eine Anlage zur Hochspannungsgleichstromübertragung, welche als Landkabel ausgeführt war.
Weitere reine HGÜ-Landkabelverbindungen, wie der Sydvästlänken zwischen Norwegen und Südschweden, wurden erst nach der Jahrtausendwende realisiert. Der Abschnitt Barkeryd–Hurva der Sydvästlänken ist überwiegend entlang der Autobahn E4 als VPE-Kunststoffkabel mit einer Nennspannung von ±300 kV verlegt. Das System besteht aus zwei parallelen HGÜ-Erdkabelsystemen, die eine Übertragungsleistung von jeweils rund 600 MW aufweisen.
Sonderanwendungen Daneben wird die Technik der HGÜ in kleinerem Umfang auch für spezielle Lösungen angewandt, wie im Rahmen von Flexible-AC-Transmission-System (FACTS), um mit der Technik Unified-Power-Flow-Controller (UPFC) auf einzelnen Leitungen in Dreiphasenwechselstromnetzen gezielte Lastflusssteuerungen mittels Quer- und Längsregelung vorzunehmen.
Geologische Messungen Bestehende HGÜ-Anlagen mit geerdetem Rückleiter oder geerdetem Mittelpunkt wurden auch zu geophysikalischen Messungen herangezogen, indem man an verschiedenen Orten den Rückstrom durch die Erde misst.Interaction of electromagnetic fields of ELF controlled sources with the ionosphere and Earth’s crust. Proceedings of the All-Russian (with the International Participation) Research and Practice Workshop. Russ. Acad. Sci., Depart. of Earth Sci., Geological Institute Kola Science Centre; Ed.-in-Chief Acad. RAS E.P. Velikhov, Deputy Ed.-in-Chief Dr.Sci. Yu.L. Voytekhovsky. - Apatity, 2014, abgerufen am 11. Januar 2018.
Ausführung Stromrichteranlagen
mini|hochkant|Innenraum der Hydro One/Hydro-Québec-HGÜ-Kurzkupplung