Wozu braucht man Umspannwerke?
Um zu beschreiben, was in einem Umspannwerk, mitunter auch Umspannanlage genannt, geschieht, müssen wir etwas ausholen und erst einmal den grundsätzlichen Aufbau der Stromnetze erklären. Diese bestehen aus Stromkreisen mit unterschiedlichen Spannungen, die von verschiedenen Unternehmen betrieben werden:
In den Höchstspannungsleitungen der Übertragungsnetze wird elektrischer Strom mit einer Spannung von 380 und 220 Kilovolt (kV) über große Strecken transportiert. Durch die hohen Spannungen ist dies besonders verlustarm und somit der effizienteste Weg. Auf dieser Spannungsebene speisen große konventionelle Kraftwerke und große Windparks ihren Strom ein. Besonders stromintensive Industriebetriebe beziehen Strom über das Höchstspannungsnetz.
In das Hochspannungs-Verteilnetz speisen Erzeuger, wie etwa große Photovoltaik-Anlagen, Onshore-Windparks, oder Wasserkraftwerke ihren Strom mit 110kV ein. Große Städte und Industrieunternehmen entnehmen diesen auf derselben Spannungsebene.
Eine weitere Verteilung findet in den Mittelspannungsnetzen mit 10 bis 35 kV statt. Auf der Erzeugerseite stehen hier kleinere Erzeuger aus konventionellen und erneuerbaren Energieträgern, Abnehmer sind kleinere Kommunen, Industriebetriebe und Schnellladeparks.
Über das Niederspannungsnetz mit 400 Volt schließlich kommt der Strom zu den Privatkunden. Viele von diesen sind mittlerweile selbst Stromerzeuger und speisen den Strom etwa aus der eigenen Solaranlage auch auf dieser Spannungsebene ein oder laden ihr Elektroauto.
Wie funktioniert ein Umspannwerk? Wie ist es aufgebaut?
Umspannwerke sind in diesem System die Schnittstellen; sie verbinden jeweils zwei Spannungsebenen über Transformatoren – früher auch Umspanner genannt. Wir haben hier beispielhaft für alle Umspannwerke eine Verbindung zwischen dem Hochspannungs- und dem Mittelspannungsnetz dargestellt, doch das Funktionsprinzip ist zwischen allen Spannungsebenen identisch:
Eine Hochspannungsleitung führt zum Umspannwerk.
Die Transformatoren sind das Kernstück des Umspannwerks. In ihnen findet die Wandlung der Netzspannung statt. Ein Transformator besteht aus zwei elektrisch voneinander isolierten Spulen aus Kupfer oder Aluminiumdraht, diese sind um einen Eisenkern gewickelt. Sobald der Strom ankommt und durch die erste Spule fließt, entsteht im Trafo ein Magnetfeld. Dieses Magnetfeld erzeugt in der zweiten Spule einen Stromfluss mit geringerer Spannung.
Über die Schaltanlage können verschiedene Stromkreise zusammengeschaltet werden.
Eine Vielzahl von Betriebsmitteln gewährleistet den sicheren und zuverlässigen Betrieb und ermöglicht die Steuerung der Anlage.
Vom Umspannwerk führen Mittelspannungsleitungen ins Land.
Doch warum sind Umspannwerke so groß, warum stehen verhältnismäßig wenige Anlagen und Elemente (Techniker nennen sie Betriebsmittel) auf so großen Flächen? Der Grund ist einfache Physik: Die Umgebungsluft dient zur Isolation der hohen Spannungen. Und weil Luft ein relativ schlechter Isolator ist, ist eben relativ viel Abstand erforderlich, um Überschläge und Kurzschlüsse zu vermeiden. Wo nicht ausreichend Platz zur Verfügung steht, setzt man seit etwa 50 Jahren auf gasisolierte Schaltanlagen (GIS). In diesen sind die Betriebsmittel eingekapselt und von einem sehr gut isolierenden Gas umgeben. Der Haken an der Sache? Das beste und meistverwendete Isoliergas ist Schwefelhexafluorid (SF6). Das hat leider ein sehr hohes Treibhauspotenzial. Doch auch hier schreitet die Technik voran: Die EnBW-Tochter Netze BW betritt gerade gemeinsam mit Siemens Energy technisches Neuland baut gerade eines der ersten Umspannwerke, das auf der Hochspannungsebene völlig ohne SF₆ auskommt.
Schon seit 2020 dienen viele Umspannwerke der Netze BW zudem der Ökologie und der Artenvielfalt: Durch die Aussaat von jeweils regional typischen Wiesenpflanzen auf vorher einfachen Rasenflächen in den weitläufigen Anlagen bieten die „Summspannwerke“ nunmehr Lebensraum für zahlreiche nützliche Insektenarten.