Ökonomische Bewertung von Hochspannungs-Erdkabel und -Freileitung unter Berücksichtigung von Verlusten am Beispiel einer Stichleitung

Abstract

Im Zuge der Dekarbonisierung des Energiesystems ist der Ausbau der Übertragungskapazitäten im Stromnetz unerlässlich. Dies betrifft insbesondere den Ausbau von Netz-Leitungen auf allen Netzebenen sowie von Zuleitungen zur Anbindung von Erzeugungs- und Verbraucheranlagen. Für die Substitution fossiler Energieträger in industriellen Prozessen sind leistungsfähige Zuleitungen auf hohen Netzebenen erforderlich. Während die technischen und wirtschaftlichen Rahmenbedingungen für den Einsatz von Freileitungen und Erdkabel-Anlagen auf allen Netzebenen oft für größere Netzbereiche betrachtet werden, werden im Zuge der vorliegenden Diplomarbeit Varianten für die direkte Zuleitung zu einer einzelnen Groß-Industrieanlage untersucht und in einem Wirtschaftlichkeitsvergleich gegenübergestellt. Es kommen Freileitungsanlagen, Erdkabel- oder Hybrid-Anlagen mit unterschiedlichen technischen Spezifikationen in Frage. Die Verluste der jeweiligen Anlage haben Einfluss auf die Belastbarkeit und Wirtschaftlichkeit der Varianten. Es wird die energietechnische Machbarkeit unter den allgemeinen streckenspezifischen Gegebenheiten untersucht und nach Vorauswahl der entsprechenden Leitungstypen die Dimensionierung der Leitungsanlage vorgenommen. Nach der Untersuchung der im Betrieb zu erwartenden Verluste, werden die Gesamtkosten ermittelt und nach der Barwertmethode verglichen. Die Ergebnisse liefern die Größenordnungen für die Einordnung der Gesamtkosten der Freileitungs-, Erdkabel- oder Hybrid-Anlagen. Für die untersuchte Anlage ist aufgrund der hohen Anschlussleistung eine Anbindung an das Hoch- (220 kV) oder Höchstspannungsnetz (380 kV) vorgesehen. Die wirtschaftlichste Lösung ist eine Freileitung mit Anschluss an die 380 kV Ebene. Ist diese Realisierung nicht durchgängig möglich, sind Hybrid-Anlagen als Kombination einer Freileitung und eines Erdkabels denkbar. Die höchsten Gesamtkosten sind mit Erdkabelanlagen verbunden, wobei Aluminium-Leiter-Kabel mit Anschluss an das 380 kV Netz und Cross-Bonding-Schirmerdung die wirtschaftlichste Erdkabel-Lösung darstellen. Kupferkabel haben höhere Kosten, der Anschluss an das 220 kV Netz oder andere Schirmerdungsvarianten scheiden aus technischen, wirtschaftlichen oder aus Gründen der thermischen Belastbarkeit aus.

As part of the decarbonization of the energy system, the expansion of transmission capacities in the power grid is essential. This applies in particular to the expansion of grid lines at all grid levels as well as lines connecting generation and consumer facilities. Powerful supply lines at high grid levels are required to replace fossil fuels in industrial processes. While the technical and economic conditions for the use of overhead lines and underground cable systems at all grid levels are often considered for larger grid areas, this thesis examines variants for direct supply lines to a single large industrial plant and compares them in terms of economic efficiency. Overhead lines, underground cables, or hybrid systems with different technical specifications are considered. The losses of the respective system influence the load capacity and economic efficiency of the variants. The energy-related feasibility is examined under the general route-specific conditions and, after a preselection of the corresponding line types, the line system is dimensioned. After examining the losses to be expected during operation, the total costs are determined and compared using the Net Present Value method. The results provide the orders of magnitude for classifying the total costs of the overhead line systems, underground cable systems, or hybrid systems. Due to the high load, a connection to the high-voltage (220 kV) or extra-high-voltage grid (380 kV) is planned for the system under investigation.The most economical solution is an overhead line with a connection to the 380 kV level. If a continuous overhead line is not possible due to external constraints, a hybrid system combining an overhead line and an underground cable is a viable alternative. The highest total costs are associated with underground cable systems, with aluminum conductor cables connected to the 380 kV grid and cross-bonding sheath grounding system representing the most economical cable solution. Copper cables have higher costs, and connection to the 220 kV grid or other sheath bonding systems are ruled out for technical, economic, or thermal load capacity reasons.