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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen
16/03/2016
Frank Vanwynsberghe – BASF Antwerpen
1
ZIEHL 2016
BASF AROUND THE WORLD
Regional centresSelected production sitesMost important research sitesVerbund sites
Freeport Geismar
Antwerp
Nanjing
Kuantan
Ludwigshafen
BASF AROUND THE WORLD
Regional centresSelected production sitesMost important research sitesVerbund sites
Freeport Geismar
Antwerp
Nanjing
Kuantan
Ludwigshafen
Deutsche Nanoschicht
16/03/2016 4
BASF Antwerpen
16/03/2016 5
BASF Antwerpen
6 km² Verbundstandort > 50 Chemie-Anlagen 3,2 mio MWh 410 MW Spitzenleistung
1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?
2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren
3. Business Opportunities
4. Technologien zur Netzkupplung
5. Stand der Dinge
6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen
16/03/2016 6
Grosse Verbundstandorte
Integration Chemie-Ströme
Integration Energie-Ströme (Wärme-Kälte)
Elektrische Energie ist selbst Energieträger aber auch Enabler
– Struktur (>850 MW, >400 MW)
– Sehr hoher Anteil an (Asynchron-)Motorleistung mit Wiederhochlaufproblematik
– Physikalische Eigenschaften
– Sicherheit
– Schnell : Schutzzeiten < 0,1 s: Nach-Denken ist teuer, Vor-Denken ist die Botschaft
– Grosse direkte Folgen wenn nicht verfügbar : Anlagenschaden
– Domino-Effekte wegen Verbund
Angemessene Verfügbarkeit ist notwendig
Bilanz zwischen Kosten-Nutzen
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?
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Was wir suchen ist ein Netz mit hoger :
Sicherheit : Personenschutz
Mechanische Festigkeit
Lichtbogenschutz
Verfügbarkeit : teuere Versorgungsunterbrechungen vermeiden
Strahlennetz → Gekuppeltes Netz → Maschennetz
Steigende Verfügbarkeit → (stark) steigende Komplexität
Und das zu einen
Korrekten Kostenlevel : Preiswerte Lösung
Kosten ↔ Nutzen
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?
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Ultrafast, reaction : 1 msPure physical behavior, no switchingSelf restoring
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?(Kurzschluss-)Strom
16/03/2016
Angedachte Anwendungen
Begrenzung der Kurzschlussleistung bei der Einbindung von:
– Grossen Generatoren
– Grossen Motoren
Begrenzung der Kurzschlussleistung beim Kuppeln von Netzen
Transport von Elektrizität über HTS-Kabel
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?
1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?
2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren
3. Business Opportunities
4. Technologien zur Netzkupplung
5. Stand der Dinge
6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen
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Sicherheit
Begrenzung der Kurzschluss-Leistung ↔ Bedarf an hoher Kurzschluss-Leistung
Sanierung bestehender Anlagen die « overduty » werden
Verfügbarkeit
Die Folgen von Netzstörungen reduzieren/vermeiden
Die Reduzierung von Ausfallkosten bei den Chemieanlagen
Preiswerte Lösung
Reduzierung TCI / TCO (Total Cost of Investment/Ownership)
Verlustarmer Leistungsaustausch zwischen Netzen
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von GeneratorenEinige Anforderungen
Bei Netzkupplung (≥ 2 Netze kuppeln) soll das Gerät :
Unsichtbar sein und/oder auf normale Lastflüsse für P&Q steuern
Die Folgen eines Kurzschlusses auf das gekuppelte Netz einschränken
– Kurzschlussleistung
– ∆U und Zeit
– Common mode Problematik beim Schutz
– Folgen von Schalterversagern limitieren
Bei der Einbindung von Generator(en) soll das Gerät :
Die Stoss-Kurzschlussleistung stark beschränken
Unsichtbar sein für normale Lastflüsse für P&Q
Generatordimensionierung/-Erregung
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von GeneratorenEinige Anforderungen
Randbedingungen : zu Beachten sind unter anderem :
Netzstruktur
Verhalten Verbraucher
Netzberechnungen (u.a. dynamische Simulation)
Konsequenzen von Fehler im Netz
Schutz
Technologie
Prüfung
…
→ Systemintegrator erforderlich
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von GeneratorenEinige Randbedingungen
1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?
2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren
3. Business Opportunities
4. Technologien zur Netzkupplung
5. Stand der Dinge
6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesNutzen (↔ Kosten)
NetzNutzungsEntgelte (NNE) : Kapitalkosten ↓
Erweiterung in bestehenden Anlagen
Neue Anlagen
Einbindung von Generatoren
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesNutzen (↔ Kosten)
NetzNutzungsEntgelte (NNE) : Kapitalkosten ↓
Erweiterung in bestehenden Anlagen
Neue Anlagen
Einbindung von Generatoren
Folgekosten Ausfall für Netznutzer ↓ : Verfügbarkeit ↑
Standard : Strahlennetz : Einspeisung AUS = Produktion AUS (evt. Umschaltung mit Unterbrechung)
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesNutzen (↔ Kosten)
NetzNutzungsEntgelte (NNE) : Kapitalkosten ↓
Erweiterung in bestehenden Anlagen
Neue Anlagen
Einbindung von Generatoren
Folgekosten Ausfall für Netznutzer ↓ : Verfügbarkeit ↑
Standard : Strahlennetz : Einspeisung AUS = Produktion AUS (evt. Umschaltung mit Unterbrechung)
Ziehl ist dass die Produktion weiter läuft bei : 2 Kategorien :
Erhöhte Verfügbarkeit :– Gekuppeltes Netz wo die Chemieproduktion bei Schaltfehler, Fehlauslösungen & den
meisten Kurzschlüsse ohne Ausfall weiter lauft.
High End Verfügbarkeit :
– Gleich wie ‘Erhöhte Verfügbarkeit’ aber wobei auch der Wiederhochlauf sichergestellt ist.
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35 kV – Sk = 2000 MVA
1 2
6/10 kV
16 MVA10%, Yy0
16 MVA10%, Yy0
1200 – 1600 A rms
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesStandard : 2 Einspeisungen - Radial
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35 kV – Sk = 2000 MVA
1 2
6/10 kV
16 MVA10%, Yy0
16 MVA10%, Yy0
1200 – 1600 A rms
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesNetze Kuppeln : zu Vermeiden ist …
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Preiswerte Einbindung von Generatoren in bestehenden Standardanlagen.
Ohne FCL : Sammelschienensystemüberbeansprucht → Blocktransformator
Mit In line FCL : Vermeiden des Blocktransformators
35 kV – Sk = 2000 MVA
1 2
6/10 kV
16 MVA10%, Yy0
16 MVA10%, Yy0
1200 – 1600 A rms
G
In Line FCL
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesGenerator : In Line SCFCL
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35 kV – Sk = 2000 MVA
1 2
16 MVA10%, Yy0
16 MVA10%, Yy0
Busbar coupling FCL
1200 – 1600 A rms
Preiswerte Anlage : niedrige Kurzschlussleistung
Bei Schaltfehler oder 1 p-Kurzschluss in der 35 kV -Einspeisung : Versorgung wird nicht unterbrochen
Keine ‘common mode’-Anregung des Schutzes beirichtige Dimensionierung des FCL
Beherrschbare Spannungsrückwirkungen beiKurzschlüsse
Schaltfehler
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesFCL als Netzkupplung
6/10 kV
35 kV – Sk = 2000 MVA
1 2
16 MVA10%, Yy0
16 MVA10%, Yy0
Busbar coupling FCL
1200 – 1600 A rms
Preiswerte Anlage : niedrige Kurzschlussleistung
Bei Schaltfehler oder Kurzschluss in der Einspeisung : Versorgung wird nicht unterbrochen
Kurzschluss an Stelle 3 : Wiederhochlauf der ‘grünen’ Last wird gewährleistet ?
3
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesFCL als Netzkupplung : Wiederhochlauf möglich ?
6/10 kV
Kosten
Kapitalkosten
Instandhaltungs- und Betriebskosten
– z.B. Ausbildung
– z.B. Verluste
Zusätzliches Gerät verursacht Ausfallkosten
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen3. Business OpportunitiesKosten (↔ Nutzen)
1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?
2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren
3. Business Opportunities
4. Technologien zur Netzkupplung
5. Stand der Dinge
6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen
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Technologievergleich
Klassische Netzkupplung
Drossel (+ C)
Is-Limiter
sFCL → Superconducting Fault Current Limiter, reiner Widerstand
SCFCL → Superconducting Fault Current Limiter, Widerstand + ShuntReactor
SSFCL → Solid State FCL
Back to Back → HVDC
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen4. Technologien zur NetzkupplungKosten↔ Nutzen : Alternative
E-Fluss Îp Common mode beiKS
ILast nachFS**/KS
∆U nachFS**
Über-lastbar
Wirkung
Klassisch P&Q 0 Schutz&∆U=100% 100%/100% 0-5% Ja Physik
Drossel(+C)
P&Q √ Nein bei XD>>Schutz&∆U bei XD<<
100%/100% 0->>15%<15 %
Ja Physik+C Schalten
Is-Limiter P&Q √ Nein&∆U=0% 100%/0 % 0 % Ja/0 % KomplexSpreng-patrone
sFCL P&Q √ Nein&∆U=Dimens. 100%/200ms 0 % Nein Physik
SCFCL P&Q √ Nein&∆U=Dimens. 100%/100% 0 % Ja Physik+C schalten
SSFCL P&Q √ Nein&∆U=Dimens. 100%/100% 0 % Nein Physik+Leistungs-elektr
HVDC P&Q steuerbarStat. Gen.
√ Nein&∆U=0% 100%/100% 0 % Nein Leistungs-elektr
** : FS = Fehlschaltung KS= Kurschluss
* : kein Wiederhochlauf16/03/2016 27
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen4. Technologien zur NetzkupplungKosten↔ Nutzen : Alternative für erhöhte Verfügbarkeit*
1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?
2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren
3. Business Opportunities
4. Technologien zur Netzkupplung
5. Stand der Dinge
6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen
16/03/2016 28
Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren : BASF Antwerpen
Studie läuft : Netzberechnungen, Randbedingungen
Business-case : Gesamtkosten (Kapital, Instandhaltung, Schalthandlungen, Baukosten, ...)
Qualifizierungsanforderungen an Gerät und Lieferanten
Transport von Elektrizität : BASF Ludwigshafen
Pre-studie ongoing
SCFCL als Schutz des HTS-Kabels
16/03/2016 29
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen5. Stand der Dinge
1. Was suchen wir als Netzbetreiber ?
2. Kuppeln von Netzen/Einbindung von Generatoren
3. Business Opportunities
4. Technologien zur Netzkupplung
5. Stand der Dinge
6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit
Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen
16/03/2016 30
Weltweit : Einbindung von Generatoren : Blocktransformatoren/Kurzschlussleistung
Europa/Asien : Anwendungsmöglichkeiten in Anlagen mit hohen Schadenfolgen
Transportnetz (110/20/35 kV) : Radial, gekuppelt, vermascht
Verteilnetz (6/10 kV) : Radial
USA :
Alle Hochspannungsanlagen : Gekuppelt : Erweiterungen können zu « overduty » Anlagen führen
BASF Ludwigshafen : Platzmangel für Kabeltrassen
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Anwendungen von Supraleitern in Industrienetzen6. Einsatzpotential in der BASF Weltweit