Welche Spannungen verwendet Österreich bei Hochspannungsleitungen?

• Mit dem Umbau des Stromsystems in Richtung 100 % Erzeugung aus erneuerbaren Energiequellen wachsen die Anforderungen an das Management des Systems. In den kommenden Jahren wird erneuerbarer Strom fossile Energieträger – insbesondere in den Sektoren Wärme und Verkehr – ersetzen. Gleichzeitig müssen wir erneuerbare Erzeugungsanlagen in Form von Windparks und großflächigen PV-Anlagen ebenso in das System integrieren wie eine große Zahl kleiner und dezentraler Produzenten. Zudem bringt die Digitalisierung die Möglichkeit, gezielt Anreize für netzdienliches Verhalten zu setzen oder steuernd ins Netz einzugreifen.
   
• Neben dem Management eines immer komplexeren Systems im laufenden Betrieb müssen wir uns künftig auch auf besonders herausfordernde Wetterlagen mit hoher Last und geringer Erzeugung aus erneuerbaren Quellen über mehrere Tage einstellen. Solche Situationen treten zwar nur in mehrjährigen Abständen auf – es ist jedoch gewiss, dass uns auch zukünftig solche Perioden bevorstehen werden.
   
• All das erfordert leistungsfähige und „intelligente“ Stromnetze auf allen Netzebenen. Unser derzeitiges Stromnetzsystem ist für diese Anforderungen nur bedingt geeignet, weil es unter anderen Voraussetzungen gebaut wurde.
   
• Netze bilden das Rückgrat der Energiewende. Um die bevorstehenden Herausforderungen zu meistern, ist es notwendig das Stromsystem ganzheitlich zu entwickeln und die verfügbaren Netzkapazitäten in Österreich und Europa auszubauen. Das gilt für die Verteilernetze ebenso wie für das Übertragungsnetz.

Der Lebensdauer ebenfalls wenig zuträglich ist das Eindringen von Feuchtigkeit in das Isoliermaterial, etwa weil der Kabelmantel infolge einer mechanischen Beschädigung nicht wasserdampfdicht ist. Gefürchtet ist in diesem Zusammenhang die Bildung sogenannter „Wasserbäumchen“, die über kurz oder lang die Isolation zerstören. Laut der Studie empfiehlt sich daher außerhalb von trockenen Bauwerken die Verwendung von Kabeln mit metallisch geschweißtem Mantel.

Der Aspekt der Lebensdauer und notwendigen Zugänglichkeit beeinflusst auch wesentlich die Trassenführung eines Erdkabels. Die Freileitung ermöglicht eine relativ kurze Verbindung zwischen Ausgangs- sowie Endpunkt und kann auch in unwegsamen Gelände mit vertretbarem technischen Aufwand errichtet werden. Erforderlich sind Maßnahmen zur Trassenpflege, um bei der Überspannung der Trassenführung durch Waldflächen eine Gefährdung der Leitung und eine Beeinträchtigung des zuverlässigen Betriebs durch Baumfall zu verhindern. Erdkabeltrassen werden hingegen gänzlich anders geplant und führen bevorzugt entlang oder in der Nähe von Straßen und Wegen, um eine bestmögliche Zugänglichkeit für Wartung und Reparatur sicherzustellen. Andernfalls muss z. B. zur Querung eines Waldes eine völlig freizuhaltende Schneise hergestellt werden. Die Verlegung im steilen Gelände erfordert oft, ähnlich wie im Wegebau, Serpentinen inklusive ggf. geomechanisch aufwändiger Verankerungen. Die Überspannung eines Grabens im Gelände bis zu mehreren 100 Metern mit einer Freileitung ist vergleichsweise einfach. Entlang der Trasse muss rund alle 1.000 Meter eine ständig zugängliche „Muffengrube“ errichtet werden. In diesen werden die Teilstücke des Erdkabels verbunden.

Verlegt werden die Kabel entweder ohne mechanischen Schutz im Erdboden oder in Kunststoffrohren bzw. in (Beton-)Trögen. Erdkabel werden im 110-kV-Netz heute überwiegend in Kunststoffrohren verlegt. Das ermöglicht während des Baus die Aufteilung in kürzere Abschnitte (weniger Verkehrsbehinderung) sowie leichtere Tauschmöglichkeit. Allerdings ist die Wärmeabfuhr deutlich schlechter als bei der direkten Erdverlegung, denn durch den direkten Erdkontakt kann die Wärme der Kabel gut abgeführt werden, solange das Erdreich nicht austrocknet. Die Verlegung in Trögen wiederum schützt das Kabel sehr gut vor Beschädigungen. Außerdem werden die Tröge mit Kabelsand verfüllt, der die Wärme ähnlich gut ableitet wie der Erdboden. Der Einsatz dieser Verlegemethode ist im öffentlichen Stromnetz allerdings sehr selten anzutreffen. Sie kommt überwiegend in Umspannwerken bzw. entlang von Bahntrassen zum Einsatz.

Um eine möglichst hohe Lebensdauer der Kabel zu erreichen, würden sich der Studie zufolge mehrere Maßnahmen empfehlen: 

• ein kontinuierliches Last-Monitoring, „um einen Überlastbetrieb auszuschließen“; gerade dieser verkürze die Lebensdauer der Kabel „empfindlich“, warnen die Wissenschaftler
• regelmäßig, das heißt etwa alle zwei Jahre, sollten Mantelprüfungen erfolgen. Zur Prävention plädieren Fickert und seine Kollegen für eine „regelmäßige und in kurzen Abständen durchgeführte Trasseninspektion“. Damit ist es möglich, Beschädigungen rasch festzustellen. 
   

Wie einfach lassen sich Störungen orten und beheben?

Die Behebung von Störungen ist bei Kabeltrassen erheblich aufwändiger als bei Freileitungen. Alleine für die Ortung der fehlerhaften Stelle in einer Kabeltrasse werden in der Studie rund ein bis drei Tage veranschlagt. Ist die Fehlerstelle gefunden, geht es ans Aufgraben, um sie freizulegen. „Die typische Länge einer solchen Baustelle beträgt aufgrund der mechanischen Eigenschaften der umzuverlegenden Kabel 20 Meter und mehr“, heißt es in der Studie. Die Baustelle muss gegen Witterungseinflüsse abgesichert werden. Die Zeit für das Freilegen der Fehlerstelle und die Vorbereitung der Baugrube wird in der Studie mit vier bis sechs Tagen beziffert. Um die Störung zu beheben, ist es notwendig, den schadhaften Teil des Erdkabels zu ersetzen. Zu beachten ist dabei, dass das Reservekabel vom Hersteller üblicherweise in seiner Gesamtlänge von rund 500 Metern auf einer Trommel mit vier Metern Durchmesser geliefert wird, was rund zwei bis drei Tage dauert. Für die Einbindung des neuen Kabelstücks müssen von speziell ausgebildeten Kabeltechnikern Muffen installiert werden. Dafür sind weitere rund zwei bis drei Tage erforderlich. Nach der Reparatur schließlich ist die Kabeltrasse auf ihre Funktionsfähigkeit zu testen. „Die dafür zu veranschlagende Zeit beträgt ein bis zwei Tage, sofern eine Prüfeinheit verfügbar ist“, heißt es in der Studie. Somit ergibt sich unter optimalen Bedingungen eine Gesamtdauer von zehn bis 17 Tagen für die Reparatur eines Erdkabels. Zum Vergleich: Eine Freileitung kann üblicherweise binnen 24 bis 36 Stunden nach ihrem Ausfall wieder in Betrieb genommen werden.

Da sowohl die Technologie der Freileitungen als auch jene für Kabel einschließlich der Techniken zur Errichtung als ausgereift zu betrachten sind, ist zu erwarten, dass die genannten Fakten auch in den kommenden Jahren weiterhin gelten. Die Errichtung eines 110-kV-Netzes mit Erdkabeln ist technisch aufwändiger als Freileitungen. Insbesondere aber ist die Integration von längeren Erdkabelstrecken in ein bestehendes Freileitungsnetz – vor allem wenn es sinnvollerweise gelöscht betrieben wird – noch mit einigem zusätzlichen technischen Aufwand verbunden. Dem technisch Möglichen stehen begrenzte Ressourcen gegenüber, im Bereich der Finanzierung ebenso wie bei der Verfügbarkeit der erforderlichen Techniker mit speziellen Qualifikationen. 

In der Steckdose zu Hause kommt der Strom mit einer Spannung von 230 Volt (230 V) an. Für den Transport dorthin werden jedoch weit höhere Spannungen verwendet. Bis zu 380.000 Volt (380 kV) tragen die Überlandleitungen für den Stromtransport von den Kraftwerken zu den Städten und Ballungsgebieten.

Hohe Spannungen sind für die Übertragung elektrischer Energie günstiger als niedrige, weil bei hohen Spannungen weniger Energie durch Leiterwiderstände verloren geht. Allerdings lässt sich die Höhe der Spannung nicht unbegrenzt steigern. Die Spannung auf einer Leitung wird daher jeweils nach der Länge der Übertragungsstrecke und der bei den Stromempfängern benötigten Leistung ausgewählt.

Gleich- und Wechselstrom

Als der Aufbau der Stromnetze Anfang des 20. Jahrhunderts begann, ließen sich Hochspannungsnetze technisch nur mit Wechselstrom betreiben. Im Unterschied zu Gleichstrom ändert Wechselstrom regelmäßig die Fließrichtung, in Westeuropa 100 Mal pro Sekunde. Dies ergibt eine Frequenz von 50 Hertz (50 Hz).

Heute ist es möglich, Hochspannungsnetze auch mit Gleichstrom zu betreiben. Dabei wird der Energieverlust vermieden, der bei Wechselstrom durch den Wechsel der Fließrichtung entsteht. Besonders für lange Transportstrecken ist die Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ) daher eine Alternative zur Wechselstromtechnik. Sie wird in Westeuropa bislang hauptsächlich zur Stromübertragung per Seekabel eingesetzt.

Freileitung und Erdkabel

Für die elektrische Energieübertragung über Land werden Freileitungen und Erdkabel verwendet.

Bei Freileitungen werden so genannte Seile als elektrische Leiter verwendet. Da Seile – anders als Kabel – nicht von einer isolierenden Schicht umgeben sind, hängen sie außerhalb der Reichweite von Personen einzeln an hohen Masten. Hoch- und Höchstspannungsleitungen sind in Deutschland überwiegend als Freileitungen ausgeführt. Besonders außerhalb größerer Städte gibt es aber auch Niederspannungs-Hausanschlüsse mit Freileitungen und Dachständern.

Erdkabel können einen oder mehrere Leiter enthalten, die jeweils einzeln durch eine Isolierung vor gegenseitiger Berührung geschützt sind. Dadurch können die Leiter in einem viel geringeren gegenseitigen Abstand liegen als bei Freileitungen. Erdkabel werden hauptsächlich im Niederspannungsbereich, also bei Haus- und Gewerbeanschlüssen, eingesetzt. Auch Höchstspannungsleitungen können als Erdkabel verlegt werden.

In der Diskussion stehen auch Gasisolierte Übertragungsleitungen (GIL), die in Deutschland bisher nur auf einer sehr kurzen Strecke eingesetzt werden. Sie sind mit einem Hochspannungskabel vergleichbar. Gasisolierte Übertragungsleitungen bestehen aus einem Aluminiumleiter, der in einem Aluminiumrohr geführt wird. Zur Isolierung wird das Rohr mit einem Gas befüllt.

Typische Freileitungen

Für welche Spannung eine Freileitung verwendet wird, kann man ihr nicht verlässlich ansehen. Die verwendeten Masten geben jedoch Anhaltspunkte:

• Hoch- und Höchstspannungsleitungen werden üblicherweise an hohen Stahlgittermasten geführt,
• für Nieder- und Mittelspannungsleitungen werden eher kleinere Holz-, Beton- oder Stahlrohrmasten verwendet.

Ein genauer Blick auf die Leiterseile kann die Spannungsebene weiter eingrenzen:

• Höchstspannungsleitungen:
  Bei 220 kV-Leitungen besteht ein Leiterseil oft aus zwei, bei 380 kV-Leitungen aus drei oder vier eng parallel zueinander geführten Einzelseilen (Bündelleitung). In regelmäßigen Abständen von einigen Metern sind dann kurze, wenige Zentimeter lange Abstandhalter zwischen den Einzelseilen angebracht wie zum Beispiel in dem Bild der 380 kV Freileitungs-Trasse zu erkennen ist
• Hochspannungsleitungen:
  Für eine Spannung von 110 kV werden Bündelleitungen deutlich seltener verwendet.

Stand: 10.06.2022