Klimaresiliente Stromübertragungs-, -verteilungsnetze und -dienste

Das Zusammenklappen von Stromkabeln führt zu einem vorübergehenden Stromverlust für die Benutzer und verursacht zusätzliche Reparaturkosten für die Stromanbieter. Stürme können Stromleitungen beschädigen und daher Stromausfälle und Stromausfälle durch direkte oder indirekte Auswirkungen (z. B. fallende Bäume) verursachen. Darüber hinaus können Stürme die Blitzgeschwindigkeit erhöhen, eine weitere Ursache für Stromausfälle durch Schäden an Stromleitungen. Baumfall, verursacht durch mehrere Faktoren wie starke Winde, Wasseransammlung im Boden (was zu einer leichteren Entwurzelung führt), Schneeansammlung oder Beleuchtung, kann das gleiche Ergebnis haben. Das Ausmaß, in dem Niederschläge und Windstürme Baumstürze verursachen, hängt jedoch vom Alter und Umfang der betreffenden Bäume ab. Die Ansammlung und anschließende Anhäufung von Schnee auf Übertragungs- und Verteilungsleitungen, insbesondere bei hoher Luftfeuchtigkeit und Temperaturen um 0 °C (der sogenannte „Nassschnee“), kann zum Bruch von Stromleitungen und zum Einsturz von Hochspannungs-Übertragungstürmen führen.

Die unterirdische Verkabelung ermöglicht die Anpassung der Stromübertragungs- und -verteilungssysteme an den Klimawandel, da sie einen wichtigen Teil der Infrastruktur vor den oben genannten Auswirkungen des Klimawandels schützt. Die Installation der unterirdischen Verkabelung umfasst drei vorherrschende Techniken: Verkabelung in betonverstärkten Trögen, Verlegen der Kabel in unterirdische Tunnel oder direktes Vergraben der Kabel.

Durch die unterirdische Verkabelung können die meisten widrigen Wetterbedingungen, denen herkömmliche Übertragungsinfrastrukturen oberirdisch ausgesetzt sind, vermieden werden. Dies bezieht sich hauptsächlich auf Niederschläge und Stürme. Unterirdische Verkabelungen können die Notwendigkeit weiterer und häufigerer Investitionen in die Instandhaltung und Reparatur von Übertragungsinfrastrukturen verringern. Zu den erwarteten Vorteilen gehören eine sicherere Energieversorgung mit weniger wetterbedingten Stromausfällen und langfristig Kosteneinsparungen durch reduzierte Wartungs- und Reparaturarbeiten.

Stürme sind nicht die einzige klimabedingte Gefahr für Stromnetze. Sehr hohe Umgebungstemperaturen, wie sie während Hitzewellen auftreten, bedrohen die Übertragung und Verteilung, da sie dazu führen können, dass Linien durchhängen; ihre reduzierte Landräumung kann für die breite Öffentlichkeit gefährlich sein. Sagging kann auch in Kontakt mit Bäumen und anderen Strukturen führen, die zu Stromschlag oder Bränden führen können. Die meisten europäischen Länder haben Vorschriften, um einen Mindestabstand zwischen Stromleitungen und dem Boden oder den Strukturen einzuhalten, um sicherzustellen, dass mögliche Stromschläge oder Brände vermieden werden. Höhere Umgebungstemperaturen erfordern, dass der elektrische Strom, der durch Freileitungen fließt, reduziert werden muss, um eine Überhitzung der Geräte zu verhindern. Wärmere Stromleitungen können auch zu einem verringerten Wirkungsgrad (De-Rating) führen. Diese Auswirkungen erhöhen das Risiko von Unfällen, Stromausfällen und kaskadenartigen Netzausfällen, was sich negativ auf die Rentabilität der beteiligten Versorgungsunternehmen und das Wohlergehen der betroffenen Bevölkerung auswirkt. Verstärkt werden diese Auswirkungen durch den steigenden Strombedarf, der auch auf den verstärkten Einsatz von Klimaanlagen zurückzuführen ist. Zu den Anpassungsoptionen zur Bewältigung dieser Auswirkungen gehören:

• Installation höherer Stromleitungen Pole,
• Installation von Leitern mit wärmeren Betriebsgrenzen oder Einführung der Verwendung von Leitern mit niedrigem Durchsatz.
• Die Erhöhung der Mindestbemessungstemperatur neuer Freileitungsstrecken ist eine besonders kostengünstige Option, deren Erreichung die Bemessungshöhe von Holzmasten typischerweise um 0,5 Meter erhöhen würde.
• Entwicklung eines Software-Tools zur Optimierung der Freileitungsbewertungen.

Abgesehen von der Optimierung von Software beinhalten alle Optionen in dieser Klasse die Installation oder Änderung von Infrastrukturen vor Ort, in städtischen, industriellen, ländlichen und natürlichen Gebieten. Die Interaktion der Interessenträger auf lokaler Ebene (mit Landbesitzern, lokalen Behörden und der breiten Öffentlichkeit) entlang der Routen der installierten/erweiterten Netze ist daher von entscheidender Bedeutung, um die soziale Akzeptanz und den rechtzeitigen und kosteneffizienten Aufbau der Infrastrukturen zu gewährleisten. Bei Erdkabeln kann die Koordinierung mit anderen Verkabelungseinheiten die wirtschaftlichen Kosten senken und die Belästigung der lokalen Gemeinden minimieren, indem die Dauer der Grabungsaktivitäten auf das absolute Minimum beschränkt wird.

Die unterirdische Verkabelung hängt von der Verfügbarkeit der richtigen Technologie und dem richtigen Know-how in Bezug auf Installation, Überwachung und Management ab. Die Zusammenarbeit mit anderen unterirdischen Verkabelungseinheiten, wie Telekommunikationsunternehmen, trägt dazu bei, Störungen der Bevölkerung durch Grabungsaktivitäten zu minimieren, und die Kostenteilung bei Grabungsarbeiten reduziert die Kosten, die von jeder Einheit getragen werden. Obwohl die unterirdische Verkabelung neuen Klimagefahren ausgesetzt sein könnte, insbesondere durch Überschwemmungen und Bodenbewegungen im Zusammenhang mit Erdrutschen, bleiben diese Risiken bisher hypothetisch. Aushubarbeiten aufgrund anderer Bau- oder Wartungsarbeiten stellen ein Hauptrisiko für Schäden an installierten Erdkabeln dar. Dieses Risiko kann durch die Anwendung von Digitalisierung und GIS-Technologie auf Erdkabel reduziert werden, um Bagger über den Standort von Erdkabeln zu informieren.

Ein Hauptunterschied zwischen Erd- und Oberleitung ist die Art und Weise, wie elektrische Isolierung bereitgestellt wird. Obenliegende Kabel werden durch die Luft isoliert, die sie umgibt, die billigste und einfachste verfügbare Isolierungslösung. Erdkabel müssen isoliert werden, um Stromverluste und Stromschlagrisiken durch direkten Kontakt mit dem Boden zu vermeiden. Der durch die Isolierung erzeugte elektrische Widerstand erzeugt Wärme und damit Übertragungsverluste. Dies erfordert größere und/oder mehrere Kabel, um die Verluste auszugleichen, und ein Kühlsystem (Zwangslüftung, Wasser oder Gase), um Wärme abzuführen. Unterirdische Kabel müssen in Gräben vergraben werden, um vor versehentlichen Schäden geschützt zu sein und bei Wartungsarbeiten leicht zugänglich zu sein. Insgesamt führt dies zu einer größeren Landnutzung durch Erdkabel im Vergleich zu Oberleitungen während der Installation, obwohl die Landnutzung und die visuellen Auswirkungen, die sie erzeugen, nach dem Vergraben erheblich geringer sind.

Die Wartung von Erdkabeln ist viel komplexer und kostspieliger als die von Oberleitungen: „Falls ein Fehler an einem 400-kV-Erdkabel auftritt, ist es im Durchschnitt 25-mal länger als 400-kV-Freileitungen außer Betrieb. Dies ist vor allem auf die lange Zeit zurückzuführen, die für das Auffinden, Ausgraben und die Durchführung technisch notwendiger Reparaturen benötigt wird. Diese Wartungs- und Reparaturarbeiten kosten ebenfalls deutlich mehr“ (National Grid, 2015).

Schließlich gibt es technische Beschränkungen für die Landnutzung in der Nähe von Kabeln, die für unterirdische Leitungen spezifisch sind. Neben der Notwendigkeit, einige Grundstücke zu reservieren, um den Zugang zu den Leitungen für Wartungszwecke zu sichern, gibt es auch Beschränkungen für das Pflanzen von Bäumen und Hecken über die Kabel oder innerhalb von 3 m vom Kabelgraben, um ein Eindringen von Vegetation zu verhindern. Baumwurzeln können in die Kabelverfüllung eindringen, was wiederum die Kabelbewertung beeinflussen oder sogar zu physischen Schäden am Kabel führen kann. Ähnlich wie bei Freileitungen wird das Baumwachstum unter den Freileitungsleitern oder in Entfernungen, in denen Bäume auf die Linien fallen könnten, abgeschreckt und kontrolliert. Es wird auch Höhenbeschränkungen für Maschinen oder besonders hohe Fahrzeuge, wie landwirtschaftliche Geräte, in der Nähe von Oberleitungen aus Sicherheitsgründen geben. In städtischen Gebieten übersteigt die Landfläche, die für vergrabene Kabel verwendet wird, bei weitem die Fläche, die für eine gleichwertige Freileitung erforderlich ist. Kabel wurden in der Vergangenheit unter Straßen verlegt, um zu vermeiden, dass Land von alternativen Nutzungen abgezogen wird; Verkehrsstörungen während der Fehlersuche und Reparaturen können jedoch erheblich sein. Wenn Kabel in ländlichen Gebieten direkt vergraben werden, gibt es Einschränkungen für den Einsatz von landwirtschaftlichen Tiefbaugeräten, um das Risiko von Schäden zu vermeiden. Auch das Vergraben von Hochspannungskabeln ist komplizierter als das Verlegen von Gas- und Wasserleitungen. Darüber hinaus müssen alle 500-1.000 m unterirdische Fugenbuchten gebaut werden, die mit Beton ausgekleidet und breiter als die Gräben selbst sind.

Für die Klimaabsicherung von Freileitungen ist eine detaillierte Kenntnis der zukünftigen lokalen Klimabedingungen in hoher Auflösung entscheidend, um die notwendigen Eingriffe planen zu können. Ein klarer Vorteil der Gewinnung der genauesten Szenarien für Overhead-Kabel hängt mit dem Verständnis zusammen, inwieweit sie weiterhin eine gültige Option sein können. Wenn extreme Ereignisse voraussichtlich die Bereiche, in denen Overhead-Kabelnetze installiert oder geplant sind, erheblich beeinflussen, kann schließlich ein Umstieg auf unterirdische Verkabelung in Betracht gezogen werden. Selbst unter weniger extremen Umständen kann die Identifizierung der Routen, die in Zukunft den oben genannten Bedrohungen für die Overhead-Verkabelung am wenigsten ausgesetzt sein werden, bei der Planung der zukünftigen Netzwerkentwicklung helfen.

Neben direkten zukünftigen Klimaauswirkungen ist es sowohl für Untertage- als auch für Oberleitungsnetze wichtig, Einblicke in die zukünftigen Marktbedingungen zu erhalten, unter denen Übertragungs- und Verteilernetzbetreiber tätig sein werden.

Im Allgemeinen kostet der Betrieb von Erdkabeln in etwa so viel wie der von Oberleitungskabeln (National Grid, 2015). Die Kapitalkosten für den Bau von unterirdischen Leitungen sind jedoch viel höher als die für Oberleitungsleitungen. Alonso und Greenwell (2013) berichten von vier- bis 14-fach höheren Baukosten für Erdkabel auf der Grundlage einer Studie der Public Service Commission of Wisconsin aus dem Jahr 2011. Die tatsächlichen Kosten hängen jedoch von den geologischen und geografischen Merkmalen der Kabelroute, der Installationsmethode (Tunnelinstallationskosten mehr als direkte Bestattung), der Übertragungskapazität der Leitung und den gewählten Optionen für die Isolierung und Kühlung von Erdkabeln ab.

Die Anhebung der Masthöhe ist relativ kostengünstig: Eine Fallstudie zu Freileitungen im Vereinigten Königreich berichtet, dass die Kosten für die Beschaffung von hölzernen Freistangen, die 0,5 Meter höher sind, von der Höhe des ursprünglichen Pfostens abhängen, aber sie können nur etwa 10 £ (11 €) pro Pfosten betragen.

Für Oberleitungskabel regeln spezifische nationale Normen in jedem EU-Land die maximale Höhe der Masten und den Mindestabstand vom Boden.

Der Bau von Freileitungen oder unterirdischen Stromleitungen unterliegt wie jede andere große Infrastruktur den nationalen Genehmigungsvorschriften. Es gibt eine Reihe spezifischer Umweltnachteile, die im Genehmigungsverfahren zu berücksichtigen sind. In ländlichen Gebieten müssen Störungen der Flora und Fauna, der Landnutzung und archäologischer Stätten bewertet werden. In dieser Hinsicht sind Freileitungen in der Regel weniger störend als Erdkabel und verursachen weniger Störungen. In bestimmten Fällen können Erdkabel jedoch erhebliche positive Auswirkungen auf einige vom Aussterben bedrohte Arten haben. So können sie beispielsweise die Sterblichkeit aufgrund von Stromleitungskollisionen in Populationen von Zugvögeln oder ansässigen Vögeln verringern (Bernardino et al., 2018). Sowohl in städtischen als auch in ländlichen Umgebungen ist die Landstörung bei der Verlegung von Erdkabeln größer als bei der Errichtung von Freileitungstürmen. Das Volumen des Bodens, der für ein Erdkabel ausgegraben wird, bei dem zwei Kabel pro Phase installiert werden, ist etwa 14-mal höher als bei einer gleichwertigen Oberleitungsstrecke. Die Vegetation muss entlang und seitlich der Gräben gerodet werden, um den Bau und den damit verbundenen Zugang für Fahrzeuge zu ermöglichen.

Die Implementierungszeit variiert je nach lokalen geographischen und geologischen Bedingungen und der verwendeten Installationsmethode. Allerdings ist es bei Erdkabeln im Vergleich zu Oberleitungskabeln deutlich länger.

Kabel, ob ob ober- oder unterirdisch, sind in der Regel so ausgelegt, dass sie 60 Jahre in Betrieb sind. Eine britische Fallstudie berichtet, dass die erwartete Lebensdauer von Holzmasten, die Freileitungen unterstützen, vergleichbar ist: 40-60 Jahre.