Netzanbindung von Offshore-Windparks

Transcription

Netzanbindung von
Offshore-Windparks
Machbarkeitsstudie zur Anwendung
von Power Transmission Pipelines (PTP®)
Grid Connection of
Offshore Wind Farms
A Feasibility Study on the Application of
Power Transmission Pipelines (PTP®)
Machbarkeitsstudie zur Anwendung
von Power Transmission Pipelines (PTP®)
Die „Durchführbarkeitsstudie über einen auf der GIL-Technik basierenden Nordseeverbund
europäischer Offshore-Windkraftanlagen für den Stromhandel“ auf dem Gebiet der TransEuropäischen Netze (TEN) befasst sich mit den folgenden Themen:
• Offshore-Windenergieentwicklung in Nordeuropa (Windstrompotentialanalysen, benötigte
Übertragungskapazitäten)
• Übertragung von Offshore-Windenergie mit PTP® (Anpassung der GIL für die Offshore Nutzung, Verlegetechniken)
• Integration hoher Windleistungen (Anschlussmöglichkeiten, Modellierung von Engpässen
und Überlastungen im Netz)
• Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen und Umweltaspekte
2
Siemens press picture - Copyright Siemens AG, Munich/Berlin
Projektlaufzeit von 10/2006 bis 09/2009
Grid Connection of Offshore Wind Farms
A Feasibility Study on the Application of
Power Transmission Pipelines (PTP®)
The “Feasibility Study of a GIL Technology Based North Sea Network of European Offshore
Wind Farms for Electricity Trading“ in the sector of the Trans-European Networks (TEN) deals
with the following topics:
• Offshore wind energy developments in Northern Europe (analyses of wind power potential,
necessary transmission capacities)
• Transmission of offshore wind energy via PTP® (adaption of GIL for offshore usage, laying
techniques)
• Integration of large amounts of wind power (connection possibilities, modelling of
bottlenecks and grid overloads)
• Economic viability and environmental aspects
Project duration from 10/2006 until 09/2009
3
Inhaltsverzeichnis
Table of Contents
Seite 2
Page 2
Netzanbindung von Offshore-Windparks – Machbarkeitsstudie zur Anwendung von Power Transmission Pipelines
Grid Connection of Offshore Wind Farms – A Feasibility Study on the Application of Power Transmission Pipelines
5
5
Netzanbindung von Offshore-Windparks – Möglichkeiten der Power Transmission Pipeline
Grid Connection of Offshore Wind Farms – Possibilities of Power Transmission Pipelines
6
6
1. Offshore-Windenergieentwicklung in Europa
1. Offshore Wind Energy Development in Europe
8
8
2. Übertragung der Offshore-Windenergie mit PTP®
2. Transmission of Offshore Wind Energy with PTP®
10
10
3. Power Transmission Pipeline (PTP®) Offshore
3.1. Was ist eine GIL?
3.1. What is a GIL?
12
12
3.2. Elektrotechnische Eigenschaften der GIL
3.2. Electro-technical Properties of GIL
14
14
4. Die PTP®-Verlegetechnik
4. PTP® Laying Technique
4.1. Tunnelbau mittels Tunnelvortriebsmaschine
4.1. Tunnel Construction with a Tunnel Boring Machine
16
16
4.2. Absenktunnel
4.2. Immersed Tunnel Method
4.3. GIL-Verlegetechnik
4.3. GIL Installation
18
18
5. Offshore- und Onshore-Bauten der PTP®
5. Offshore and Onshore PTP® Constructions
5.1. Offshore-Sammelplattform
5.1. Offshore Collecting Platform
5.2. Zwischenschacht
5.2. Intermediate Shaft
5.3. Anlandungsschacht
5.3. Landing Shaft
5.4. Haupt-Umspannwerk
5.4. Main Transformer Substation
20
20
5.5. Realisierungsdauer
5.5. Time-frame to Completion
22
22
6. Zukunftstechnologie – Offshore Direktverlegung im Schutzrohr
6. Next Generation Technology – Direct Offshore Laying in a Steel Pipe
7. Umwelt
7. The Environment
4
Möglichkeiten der Power Transmission Pipeline (PTP®)
Die Entwicklung der europäischen Offshore-
aber auch der Forschungsbedarf im Hinblick
der PTP® ein Gesamtsystem für die Strom-
Windenergie stellt für den Ausbau der
auf die Anforderungen offshore, gaben
übertragung zu verstehen. Dieses beinhaltet
Stromübertragungsnetze eine große Heraus-
den Ausschlag für die Initiierung einer EU-
die Sammelplattformen für die Stromeinspei-
forderung dar. Mehrere Gigawatt elektrische
Machbarkeitsstudie zur Netzanbindung von
sung aus den verschiedenen Offshore-Wind-
Leistung müssen von den Windparks auf
Offshore-Windparks auf Basis der GIL-Tech-
parks sowie die Offshore-Verlegetechnik des
hoher See zum Übertragungsnetz an Land
nologie und deren Weiterentwicklung für die
Übertragungssystems in Tunnelbauweise.
transportiert werden. Da die geplanten
Offshore-Nutzung, der Power Transmission
Die GIL ist der Bestandteil der PTP®, der für
Parks mehr als 100 km vor der Küste liegen
Pipeline (PTP®). Die PTP® ist eine zukunfts-
die Stromübertragung benutzt wird.
können, sind neue Lösungsansätze für die
orientierte neue Technologie, die sich an
Netzanbindung notwendig. Die positiven
Lösungsansätzen der Öl- und Gaspipeline-
Erfahrungen mit gasisolierten Übertragungs-
Technologie orientiert und die GIL als
leitungen (GIL) aus der Onshore-Nutzung,
Übertragungsmedium nutzt. Dabei ist unter
Grid Connection of Offshore Wind Farms
Possibilities for the Power Transmission Pipeline
The development of European offshore wind
different offshore wind farms as well as
energy poses a great challenge to the expan-
the laying technology for the transmission
sion of power grids. Several GW of electric
system via tunnel construction. GIL is the
power must be transported from wind farms
component of PTP® used for the transport of
on the high seas to the grid on land. As
electricity. PTP® is the offshore enhancement
some planned wind farms lie more than
of GIL.
100 km off the coast, new approaches are
necessary for connecting them to the grid.
The positive experience gained from onshore
usage of gas-insulated transmission lines
(GIL), but also the need for research with
respect to offshore demands, became the
motivating factor behind the initiation of an
EU feasibility study. PTP® is a future-oriented
new product, which is based on approaches
from oil and gas pipeline technology using
GIL as a medium of transport. PTP® is understood as a total system for transporting
electricity. The system includes collecting
platforms for the feed-in of electricity from
5
Kapitel 1:
Offshore-Windenergieentwicklung in Europa
Section 1:
Offshore Wind Energy
Development in Europe
1. Offshore-Windenergieentwicklung
in Europa
Die Europäische Union will die CO2-Emis-
Der Umfang des geplanten Ausbaus zeigt:
sionen bis 2020 um 40% reduzieren. Dabei
Parallel zur Entwicklung und Genehmigung
setzt sie insbesondere auf den Ausbau
der Offshore-Projekte müssen Lösungen zur
der Offshore-Windenergie. Zurzeit ist die
Netzanbindung erarbeitet werden. Notwen-
Entwicklung von Offshore-Projekten in Dä-
dig ist ein Übertragungssystem, das hohe
nemark, Großbritannien, den Niederlanden
Leistungen möglichst effizient über lange
und Schweden am weitesten fortgeschritten.
Strecken transportiert.
Vor allem in der Nordsee soll die OffshoreWindenergie ausgebaut werden. Langfristig
In einigen Regionen der Nordsee, beispiels-
sind insbesondere vor der niederländischen,
weise im deutschen Küsten- und Watten-
britischen und deutschen Küste sehr hohe
meer, sind die Möglichkeiten der Trassenfüh-
Leistungsdichten zu erwarten (Tab. 1).
rung räumlich begrenzt. Naturschutzgebiete,
Schifffahrt und andere Nutzungsinteressen
Europaweit wurden bereits Offshore-Wind-
wie Fischerei und Tourismus müssen beim
parkprojekte mit einer Leistung von über
Energietransport berücksichtigt werden.
7.000 MW genehmigt. Weitere Projekte mit
Neben einer verlustarmen und leistungs-
etwa 45.450 MW Leistung befinden sich im
starken Stromübertragung ist also auch ein
Genehmigungsprozess. Zusammen entspricht
möglichst geringer Flächenverbrauch durch
das mehr als der Hälfte der Bruttostromer-
eine räumliche Konzentration und eine
zeugungskapazitäten von 98.000 MW aus
umweltverträgliche Verlegemethode gefragt,
fossilen Energieträgern im Jahr 2006 (Quelle:
um Nutzungskonflikte zu minimieren.
6
BMWI).
1. Offshore Wind Energy
Development in Europe
The European Union wants to reduce CO2
The dimensions of the planned expansions
emissions by 40% by the year 2020. In doing
show: new grid connection solutions must
so, the EU is placing particular emphasis
be acquired alongside the development and
on the expansion of offshore wind energy.
approval of offshore projects. This calls for a
Currently, the development of offshore pro-
transmission system that is able to transport
jects has advanced to the furthest stages in
high amounts of power efficiently over
Denmark, Great Britain, the Netherlands and
long distances.
Sweden. Above all, offshore wind energy is
to be expanded in the North Sea. In the long
In some regions of the North Sea, for examp-
term, very high power densities are to be
le along the German coast and in the “Wad-
expected off the coasts of the Netherlands,
den Sea”, the possibilities of laying trans-
Great Britain and Germany (Tab. 1).
mission lines are spatially limited. Nature
reserves, shipping and other important areas
Offshore wind park projects with a total
of usage such as fishing and tourism must
power of over 7,000 MW have already been
be taken into account. In addition to the
approved across Europe. Further projects
low-loss and efficient transmission of power,
comprising roughly 45,450 MW of power are
there is also a demand to use the smallest
in the process of approval. Taken together,
possible area through spatial concentration.
this corresponds to more than half of the
This includes environmentally sound laying
generated gross production capacity of
methods minimising conflicts of usage.
98,000 MW from fossil fuels in the year 2006
(Source: BMWI).
Länder
Gesamt
In Betrieb
Genehmigt
Beantragt
In Bau
Abgelehnt
Keine
Angaben
Country
Total
In Operation
Approved
Applied for
Under
Construction
Rejected
Unspecified
Belgien
Belgium
Leistung in MW
Power in MW
1.246,0
0,0
330,0
0,0
300,0
200,0
416,0
Dänemark
Denmark
Leistung in MW
Power in MW
360,0
160,0
0,0
0,0
200,0
0,0
0,0
Deutschland
Germany
Leistung in MW
Power in MW
62.762,0
9,0
5.407,0
20.637,0
60,0
0,0
36.649,0
Frankreich
France
Leistung in MW
Power in MW
195,0
0,0
105,0
0,0
0,0
0,0
90,0
Niederlande
Leistung in MW
The Netherlands Power in MW
25.285,0
228,0
0,0
24.476,0
0,0
581,0
0,0
Großbritannien
Great Britain
Leistung in MW
Power in MW
6.115,0
340,0
1.500,0
340,0
472,0
108,0
3.355,0
Summe
Total
Leistung in MW
Power in MW
95.963,0
737,0
7.342,0
45.453,0
1.032,0
889,0
40.510,0
Tab. 1: Nominale Leistung der Offshore-Windparks in der Nordsee (Stand: 10/2008)
Tab. 1: Nominal Capacities of Offshore Wind Farms in the North Sea (Status: 10/2008)
7
Kapitel 2:
Übertragung der
Offshore-Windenergie
mit PTP®
2. Übertragung der
Offshore-Windenergie mit PTP
Section 2:
Transmission of Offshore
Wind Energy with PTP®
Wie lässt sich auf hoher See erzeugter Windstrom mittels PTP® an Land übertragen?
Dies lässt sich am Beispiel einer Modelltrasse zeigen: Die angenommene Trasse verfügt über
eine Übertragungsleistung von 8.000 MVA und verbindet mehrere Offshore-Windparks mit
der Nordseeküste. Abb. 1 zeigt schematisch den Verlauf dieser PTP®-Trasse mit den Sammelplattformen C1, C2 und C3 und den Anschluss an einen fiktiven Landungspunkt. Der Strom
aus den Offshore-Windparks wird über Seekabel in die PTP®-Sammelplattformen eingespeist.
Über PTP-Leitungssysteme wird dieser an Land gebracht.
Ein landseitiges Umspannwerk verbindet die PTP® mit dem Übertragungsnetz. Von hier
aus kann die Energie als Wechsel- oder Gleichstrom in die Lastzentren weitertransportiert
Illustration: Copyright Kathrin Natterer, www.kn-box.de
werden.
Abb. 1:
Beispiel-PTP® mit Sammelstellen bei
frei gewählten Windparkclustern und
möglicher Entflechtung der Energie an
Land (Daten: BSH 2008)
Fig. 1:
Example PTP® with Collection Points
Close to Chosen Wind Farm Clusters
and Possible Unbundling Onshore
(Data: BSH 2008)
Im Detail sieht das Modell folgendermaßen aus:
• Einzelne Anlagen werden vernetzt. Windparks mit einer Leistung von 400 bis 500 MW
werden über Seekabel an eine PTP-Sammelplattform angeschlossen.
• Über PTP® wird der Strom von der Sammelplattform zur Onshore-Anschlussstation (O) an
die Küste übertragen und von dort zu den Verbrauchsschwerpunkten weitergeleitet.
Kern dieses Anschlusskonzepts ist ein Tunnel, der die Offshore-Sammelplattform C1 mit dem
Netz an Land verbindet. In diesem Tunnel wird die GIL verlegt. In ökologisch- oder nutzungssensiblen Bereichen, wie zum Beispiel dem Wattenmeer, wird dafür ein Tunnel unterhalb des
Meeresbodens gebohrt. Außerhalb sensibler Gebiete kann der Tunnel mit der Absenkmethode verlegt werden (vgl. Kap. 4). Die Abb. 2 zeigt die Strecke zwischen einem landseitigen
Umspannwerk und der Plattform C1.
8
2. Transmission of Offshore Wind Energy with PTP®
How can wind power generated on high seas
connects PTP® with the transmission grid.
The core feature of the concept is a tunnel
be transported to land via PTP ?
From there, the energy can be transported
with GIL inside linking the offshore collec-
This can be explained using a model trans-
by means of alternate or direct current to
ting platform C1 with the grid on land. In
mission route: the exemplary transmission
load centres.
ecologically and use-sensitive areas, e.g.
®
route has 8,000 MVA of transmission power
the protected areas of the Wadden Sea, a
connecting several offshore wind farms with
In detail, the model entails the following:
double tunnel is bored underneath the sea
the North Sea coast. Fig. 1 shows a schema-
• Single wind power plants are connected floor. Outside sensitive areas the tunnel can
tic PTP transmission route with substation
within the wind farms. Wind farms with a be laid using the immersed tunnel method
platforms C1, C2 and C3 and a connection
total of 400 to 500 MW are connected by (see Ch. 4). Fig. 2 gives an overview of the
to a fictional landing point. The electricity
sea cables to a PTP(R) collecting platform.
concept showing the route between the sub-
generated from offshore wind farms is fed
• Via PTP the electric power is transmitted
station on land and the offshore collecting
into the PTP collecting platforms using sea
from the collecting platform to the
platform C1.
cables. PTP conduit systems deliver the
connecting substations on the coast (O).
electricity ashore. An on-land substation (O)
From there it is passed on to load centres.
®
®
®
®
Abb. 2: Überblick des Anschlusskonzepts von Offshore-Windparks mit PTP®
Fig. 2: Overview of the Offshore Wind Farm Connection Scheme with PTP®
9
Kapitel 3:
Power Transmission
Pipeline (PTP®) Offshore
Section 3:
Power Transmission
3. Power Transmission Pipeline
(PTP®) Offshore
Die PTP® Offshore besteht aus:
• der GIL als Primärtechnik zur Energieübertragung,
• der Sekundärtechnik der GIL, wie z.B. Überwachungseinrichtungen und
• den dafür notwendigen Bauwerken wie Tunnel und Plattformen einschließlich
deren Ausstattungen.
3.1. Was ist eine GIL?
Traditionell wird die GIL-Technologie in
die aus „elektrischem“, das heißt zu 99,9%
Gasmenge zu begrenzen. Notwendige Rich-
Umspannwerken oder in Kraftwerken einge-
reinem, Aluminium bestehen. Die Man-
tungsänderungen bis zu 90° werden
setzt, hauptsächlich für Höchstspannungen
tel- und Leiterrohre werden miteinander
mit Winkelelementen vorgenommen.
von 400 bis 800 kV. Pro Drei-Phasen-System
verschweißt und bilden somit ein gasdichtes
lassen sich somit elektrische Leistungen von
Gehäuse, wodurch ein Nachfüllen von Iso-
Gasisolierte Rohrleitungen werden in der
2.000 bis 4.000 MVA übertragen. Als Iso-
liergas über die gesamte Lebensdauer nicht
Regel in einem Tunnel oder über der Erde
liermedium dient ein unter Druck stehendes
erforderlich ist. Die Übertragungsstrecke
verlegt, in einigen Fällen auch direkt im
Isoliergas. GIL sind einphasige, koaxial auf-
wird in Abschnitte von ca. einem Kilometer
Boden. Für den Offshore-Einsatz ist die PTP®
gebaute Rohrleiter aus Aluminium, die für
unterteilt, um bei einer Beschädigung der
mit zwei möglichen Tunnelverlegetechniken
die Hochspannungs-Drehstrom-Übertragung
Hülle die austretende
entwickelt worden.
eingesetzt werden. Insgesamt besteht eine
GIL aus zwei Rohren: Das auf Hochspannungspotential liegende innere Leiterrohr
wird innerhalb des geerdeten Mantelrohres
durch nur wenige Isolatoren aus Epoxidharz
zentriert. Der dazwischen liegende Raum ist
mit einem Isoliergasgemisch aus Stickstoff
(N2) und Schwefelhexafluorid (SF6) gefüllt.
Als Mantelrohre kommen bei der GIL spiralgeschweißte Rohre aus Aluminiumlegierungen zum Einsatz (siehe Abb. 3). Als Leiterrohre werden stranggepresste Rohre verwendet,
e
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n: C
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op
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Abb. 3: Querschnitt einer GIL
Fig. 3: Cross-section of a GIL
10
PTP® Offshore consists of:
• a GIL as the primary technology for energy transmission,
• secondary GIL technology such as monitoring facilities and
• constructions like the tunnel and platforms including equipment.
3.1. What is a GIL?
Traditionally, GIL technology is implemented
together on site, thus forming a gas-tight
in substations or in power plants, mainly in
casing for which a refilling of gas is unne-
highest voltages ranging from 400 to 800
cessary throughout the entire lifespan. The
kV. This allows the transmission of 2,000 to
transmission route is divided into segments
4,000 MVA of electric power per three-phase
of approximately one kilometre in length in
system. A pressurized insulating gas mixture
order to limit the release of gas in the event
serves as a reliable insulation. GIL are single
of damage. Necessary changes in direction are
phase, co-axially constructed pipes made
accomplished with angle elements up to 90°.
of aluminium implemented for high-voltage
alternating currents. In all, GIL consists of two
Gas-insulated pipes are typically laid in a
pipes: an inner conductor pipe is centred wi-
tunnel, above ground or directly buried in the
thin a grounded enclosure pipe. The conductor
ground when coated with a corrosion pro-
pipe is held by a few insulators made of epoxy
tection layer. Inside substations, GIL are also
resin. The space in-between is filled with an
installed on steel structures above ground.
insulating gas mixture consisting of nitrogen
For offshore applications, the PTP® has been
(N2) and sulfur hexafluoride (SF6). The enclosu-
developed with two possible tunnel laying
re pipes employed are spirally-welded pipes
techniques.
made of aluminium alloy (see Fig. 3). Extruded
pipes are used as conductor pipes. They consist of 99,9% “electrically” pure aluminium.
The conductor and enclosed pipes are welded
11
Kapitel 3:
Power Transmission
Section 3:
Power Transmission
3.2. Elektrotechnische Eigenschaften der GIL
Die GIL verfügt über besondere elektrische
Eigenschaften (siehe Infobox). Die Übertragungsverluste sind durch den großen
Leiterquerschnitt auch bei langen Übertragungsstrecken sehr niedrig (Abb. 4). Durch
die starre Erdung des Mantelrohres werden
nur schwache magnetische Felder erzeugt.
Externe elektrische Felder existieren nicht.
Technische Daten GIL
• Spannung: 400 bis 800 kV
• Übertragungsleistung: 2.000 bis 4.000 MVA
• Material: Aluminium
• Durchmesser: 500 bis 650 mm
• Isoliermedium: Gasgemisch mit 7 bis 8 bar
• Gewicht: 20 bis 30 kg/m
Die Betriebs- und Personensicherheit ist
durch die metallische Kapselung hoch. Als
passives Übertragungssystem benötigt die
GIL wenig Wartung bei einer sehr hohen
Lebensdauer und Betriebssicherheit.
12
Elektrotechnische Eigenschaften GIL
• hohe Übertragungsleistungen über lange Strecken
• niedrige Übertragungsverluste durch großen Leiterquerschnitt
(Abb. 4)
• schwache magnetische Felder durch starre
Erdung des Mantels
• hohe Betriebs- und Personensicherheit durch
metallische Kapselung
3.2. Electro-technical Properties of GIL
A GIL has several special electrical properties
at its disposal (see info box). Transmission
losses are very low due to the large crosssection of the conductor, which is important
for long distance transmission (see Fig. 4).
The solidly grounded enclosure pipe results
in low magnetic fields outside the GIL.
External electric fields do not exist. Operational and personnel safety is high due to the
solid metal enclosure. As a passive system
of transmission GIL needs little maintenance
GIL Technical Data
• Voltage: 400 to 800 kV
• Transmission power: 2,000 to 4,000 MVA
• Material: Aluminium pipes
• Enclosure diameter: 500 to 650 mm
• Insulating medium: gas mixture at 7 to 8 bar
• Weight: 20 to 30 kg/m
over its very long lifespan and at a high
Electro-technical Properties of a GIL
• High transmission power over long distances
• Low transmission losses due to large diameter (Fig. 4)
• Low magnetic fields
• Solidly grounded enclosure pipes
• High degree of operational and personnel safety
by metallic encapsulation
degree of operational safety.
P V in W/m
380 kV
550 kV
S in MVA
Abb. 4: Vergleich des Verlustes bei 380 und 550 kV
Fig. 4: Comparison of Losses at 380 and 550 kV
13
Kapitel 4:
Die PTP®-Verlegetechnik
4. Die PTP®-Verlegetechnik
Section 4:
PTP® Laying Technique
Für die Verlegung im Tunnel wird zuerst das
Es stehen zwei Tunnelbauverfahren zur
Tunnelbauwerk errichtet und anschließend
Verfügung:
mit der GIL ausgerüstet. Energieversorgung,
1. die bergmännische geschlossene Bauweise
Belüftung, Überwachungs- und Kommunika-
mittels einer Tunnelvortriebsmaschine
tionssysteme sowie ein Transportsystem für
(TVM), wie sie für die Errichtung von
große Tunnellängen während des Baus und
Verkehrstunneln weltweit angewandt
später zu Servicezwecken gehören ebenfalls
wird, und
zur notwendigen Ausstattung des Tunnels.
2. die Tunnelabsenkmethode, die zu den
Aus Gründen der Betriebs- und Personensi-
gängigen Offshore-Techniken gehört.
cherheit werden die Tunnel mit mindestens
zwei Röhren gebaut.
4.1. Tunnelbau mittels Tunnelvortriebsmaschine
Beim Tunnelbau mit Tunnelvortriebsmaschine
ausgekleidet (Abb. 5). Das zum Bau benötig-
(TVM) ist die genaue Vorgehensweise von
te Material, Geräte und Maschinen werden
den geologischen und hydrogeologischen
über das Tunnelportal eingebracht.
Verhältnissen abhängig. Grundsätzlich wird
Der Abraum wird auf demselben Weg
bei allen Verfahren im Schutze eines Schildes
abtransportiert. Außer den Querschlägen
sukzessive der Boden abgebaut und die
zwischen beiden Tunnelröhren sind Zwi-
Tunnelröhre mit vorgefertigten wasserdruck-
schenbauwerke, wie z.B. Schächte nicht
dichten Betonschalenelementen (Tübbinge)
notwendig.
Abb. 5: Querschnitt durch zwei gebohrte Tunnelröhren mit PTP®
Fig. 5: Profile of Two Bored Tunnel Tubes with PTP®
14
4. PTP® Laying Technique
The construction of the tunnel must be
Two tunnel construction methods are
finished first. It is subsequently equipped
available:
with GIL. The tunnel features include energy
1. a closed construction in miner’s fashion
supply, ventilation, monitoring and com-
using a tunnel boring machine (TBM) such
munications systems as well as a transport
as those used worldwide for the
system. The transport system is necessary
construction of traffic tunnels and
to overcome the long tunnel distances
2. the immersed tunnel method, which is
during the construction period and later for
a part of current offshore building tech-
servicing purposes. Tunnels are constructed
niques.
with at least two pipes for reasons of operational and personnel safety.
4.1. Tunnel Constructed with a Tunnel Boring Machine
The exact approach to tunnel construction
with a tunnel boring machine (TBM) depends
on the geological and hydro-geological
circumstances. A fundamental aspect all
procedures share is that ground is dismantled gradually under the protection of a
shield. The tunnel tubes are lined with waterproof concrete shell elements (tubbings,
Fig. 5). Material, devices and machines are
brought into the tunnel through the tunnel
portal using the transport system. Excavated
material is taken out using the same route.
Intermediate constructions such as shafts
are not necessary using this construction
technique.
15
Kapitel 4:
Die PTP®-Verlegetechnik
Section 4:
PTP® Laying Technique
4.2. Absenktunnel
Bei der Einschwemm- und Absenkmethode
Das Absenken erfolgt unter Zugabe von
werden die einzelnen Tunnelsegmente aus
Ballast, um dem Auftrieb entgegenzuwir-
Stahlbeton in Trocken- oder Schwimmdocks
ken. Hierzu werden Ballasttanks verwendet.
vorgefertigt. Diese Baumethode ermöglicht
Durch langsames Befüllen der Tanks mit
die Herstellung mehrerer paralleler Tunnel-
Wasser steigt das Gewicht des Elementes
röhren durch Längsteilung der Einzelseg-
und es sinkt ab. Dabei dienen Schlepperpon-
mente mit Trennwänden (Abb. 6).
tons mit Winden hauptsächlich zur Sicherung
der Segmentposition (Abb. 7). Anschließend
Die Tunnelelemente gelangen schwimmend
wird die Tunnelröhre mit Sand oder Kies
zum Verlegeort. Für den Transport werden
überschüttet. Durch das Austauschen des
die Stirnseiten mit Schotten abgedichtet.
Ballastwassers mit Ballastbeton, Über-
Am Bestimmungsort wird das Tunnelsegment
schüttung oder Steinüberdeckung wird der
kontrolliert in eine vorbereitete Rinne am
Tunnel gegen Auftrieb und äußere Einflüsse
Meeresgrund abgesenkt und wasserdicht mit
gesichert.
den bereits verlegten Elementen verbunden.
4.3. GIL-Verlegetechnik
Die GIL wird nach Fertigstellung des Tunnels
eingezogen. Die GIL wird auf mit Rollen
verlegt. Vormontierte GIL-Elemente werden
oder Gleitlagern bestückten Halterungen
an den Anlandungsschacht geliefert (siehe
gelagert, um dem Mantelrohr eine Wärme-
Kap. 5.3.) und mittels eines Krans in den
ausdehnung zu ermöglichen. Die regelmäßig
Schacht abgelassen. Im Schweißzelt wer-
verbauten Kompensatoreinheiten ermögli-
den die einzelnen Elemente endmontiert,
chen eine entsprechende Wärmeausdehnung
zusammengeschweißt und in den Tunnel
des Leiterrohres.
Abb. 6: Querschnitt durch abgesenkte Tunnelsegmente mit PTP®
Fig. 6: Profile of an Immersed Tunnel Segment with PTP®
16
4.2. Immersed Tunnel Method
The “immersed tunnel method” consists of
the seabed. The front sides are sealed for
and it sinks. Tug pontoons with winches are
pre-casting individual tunnel segments made
transport with water-tight compartments.
primarily on hand to secure the segment‘s
of reinforced concrete in dry or floating
At the point of destination, the tunnel
position (Fig. 7). Thereafter, tunnel segments
docks. This construction method allows ma-
segment is controlledly lowered into a trench
are covered with sand or gravel. By replacing
nufacturing several tunnel pipes in parallel.
on the seabed. Waterproof connections are
the ballast water with ballast concrete and
Individual tubes are separated by dividing
established with elements that have already
an additional cover of rocks, the tunnel is
individual segments lengthwise with separa-
been placed. Lowering takes place by adding
protected from the effects of buoyancy and
ting walls (Fig. 6).
ballast to offset buoyancy. To this end, the
secured against other external influences.
insides of the individual elements have
ballast tanks. By slowly filling the tanks with
to the position where they are lowered to
water, the weight of the element increases
The tunnel elements are tugged by draggers
Abb. 7: Tunnel-Absenkmethode mit Schlepperpontons
Fig. 7: Tunnel Segments using Tug Pontoons
4.3. GIL Installation
GIL is laid after the completion of the tunnel.
into the tunnel. The GIL is kept on rollers
Pre-assembled GIL elements are delivered to
or mounts equipped with sliding contact
the landing shaft (see Ch. 5.3.) and lowered
bearings allowing thermal expansion of the
into the shaft using a crane. In the welding
coat tube. The compensator units, built in
tent individual elements are completely
at regular intervals, permit the respective
assembled, welded together and then pulled
thermal expansion in the conductor tubes.
17
Kapitel 5:
Offshore- and OnshoreBauten der PTP®
Section 5:
Offshore and Onshore
PTP® Constructions
5. Offshore- und Onshore-Bauten der PTP®
5.1. Offshore-Sammelplattform
Auf der Offshore-Sammelplattform der PTP®
Jede Plattform besteht aus drei Decks,
wird die offshore erzeugte Windenergie von
wobei sich auf den unteren beiden Ebenen
1.600 Windenergieanlagen gebündelt. Die
die Transformatoren und Schaltanlagen
Spannung wird hier auf 400, 500 oder sogar
befinden. Diese bündeln je 2.000 MVA für
800 kV transformiert und so die konzentrier-
die Übertragung durch ein GIL-System. Auf
te Energieübertragung über vier GIL-Systeme
dem oberen Deck sind Versorgungseinrich-
zum Festland ermöglicht. Die Offshore-Sam-
tungen, wie z.B. Unterkünfte für Personal,
melplattform (Abb. 8) besteht aus insgesamt
Kontroll- und Kommunikationseinrichtungen,
drei Plattformen: einer Tunnelanschluss-
Sicherheitssysteme, ein Helikopterdeck
plattform und zwei Umspannplattformen.
und weitere Ausrüstung für den Betrieb
Hinsichtlich der Konstruktion der Umspann-
der Plattform untergebracht. Die Tunnelan-
plattform bedient man sich typischer Bauele-
schlussplattform – das Bindeglied zwischen
mente aus der Öl- und Gasindustrie.
Tunnel und Umspannstation – wird auf einer
schwerkraftgegründeten Betonplattform
Plattform (8.000 MVA):
• Meerestiefe: 35 m
• Gewicht: 2 x 7.000 t
• Höhe der Jackets: 50 m
Maße der Plattformaufbauten
• Höhe: 25 m
• Breite: 40 m
• Länge: 60 m
Plattformen, die auf pfahlgegründeten
installiert. Durch einen senkrechten Beton-
Stahlfachwerkskonstruktionen, so genannten
schacht werden die GIL aus dem Tunnel über
Jackets, aufgesetzt werden, beherbergen die
Stahlfachwerkbrücken zu den Umspannplatt-
beiden Umspannwerke mit je 4.000 MVA.
formen geführt.
5.2. Zwischenschacht
5.4. Haupt-Umspannwerk
Der Übergang von gebohrtem Tunnel zum
Das Haupt-Umspannwerk verteilt die gebün-
abgesenkten Tunnel erfordert ein Überga-
delte Energiemenge an ferne Netzeinspeise-
bebauwerk – auch als Zwischenschacht
punkte. Aufgrund der hohen Energiemenge
bezeichnet. Dieser Zwischenschacht kann
eignet sich zur Übertragung auch hier eine
nach Errichtung unter Wasser abgeschlossen
erdverlegte GIL.
werden oder erhält einen Zugang oberhalb
5.5. Realisierungsdauer
des Wasserspiegels.
Die Planungs- und Genehmigungsphase, der
5.3. Anlandungsschacht
Aufbau der notwendigen Fertigungs-
Der Anlandungsschacht der PTP dient
kapazitäten und der Logistik, der Bau des
dem Übergang von der Tunnelverlegung
60 km langen Tunnelabschnitts mit Um-
offshore zur weiteren Verlegung an Land
spannplattformen sowie die Installation von
(Abb. 2). Als Onshore-Verlegung kommt
vier PTP-Systemen (8.000 MVA) werden auf
eine geschlossene oder eine offene Bauwei-
zehn bis zwölf Jahre veranschlagt.
®
se in Frage, zum Beispiel eine Erdverlegung
der GIL.
18
Abb. 8:
PTP®-Plattform mit Umspannwerken und Versorgungseinrichtungen
Fig. 8:
PTP®-Platform with Transformer Stations and Facilities
5. Offshore and Onshore PTP® Constructions
5.1. Offshore
Collecting Platform
modation for personnel, controlling and
communication facilities, safety systems, a
5.4. Main Transformer
Substation
On the offshore PTP collecting platform,
helicopter deck and additional equipment
The main transformer substation distributes
wind energy generated offshore by 1,600
for the operation of the platform. The tunnel
the bundled energy to grid feed-in points.
wind turbines is bundled. The voltage is
connecting platform – the connecting ele-
Due to high energy throughput, a buried GIL
stepped up to 400, 500 or even 800 kV
ment between the substation platforms held
could be a suitable transmission solution.
thereby permitting the concentrated trans-
in place by gravity. The shaft leads the GIL
mission of energy to the mainland via four
from the tunnel over two steel framework
GIL systems. The offshore collecting platform
bridges into the transformer platforms.
®
5.5. Time-frame to
Completion
The planning and approval phase, the
(Fig. 8) consists of a total of three platforms: a tunnel connection platform and two
5.2. Intermediate Shaft
construction of the necessary manufacturing
substation platforms. Typical construction
The transition from the drilled tunnel to
capacities and logistics, the construction of
elements from the oil and gas industry are
the immersed tunnel requires a handover
a 60 km long tunnel segment with transfor-
used for the construction of the substation
construction. This is the intermediate shaft.
mer platforms as well as the installation of
platforms.
The intermediate shaft can be sealed off
the four PTP® systems (8,000 MVA) require
under water or give access above the water
an estimated time of ten to twelve years.
Platforms, which are placed on steel frame-
surface.
work constructions with pile foundations,
so-called jackets, host both substations with
5.3. Landing Shaft
4,000 MVA each. Each platform consists of
The PTP® landing shaft serves as a transi-
three decks, whereby the transformers and
tion for the offshore tunnel to the PTP® on
switchgear are found on the two bottom
land. For onshore laying, a buried or an
floors. Each of these bundles 2,000 MVA for
open construction above ground comes into
the transmission via one GIL system. The top
consideration.
deck hosts utility services such as accom-
Platform (8.000 MVA):
• Depth: 35 m
• Weight: 2 x 7,000 t
• Jacket height: 50 m
Dimensions of platform
superstructures
• Height: 25 m
• Width: 40 m
• Length: 60 m
19
Kapitel 6:
Zukunftstechnologie –
Offshore Direktverlegung im
Schutzrohr
Section 6:
Next Generation Technology –
Direct Offshore Laying in a
Steel Pipe
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Abb. 9: GIL im Stahlrohr
Fig. 9: GIL in a Steel Casing Pipe
6. Zukunftstechnologie –
Offshore Direktverlegung im Schutzrohr
sen neben den unterschiedlichen Rohr- und
einer GIL in Seewasser erfordert aufgrund
Materialeigenschaften, Verlege-, Schweiß-
der Materialeigenschaften eine Verlegung
und Verbindungsverfahren vor allem die
in Schutzrohren aus Stahl. Schutzrohr und
hohen Anforderungen der PTP® an die äu-
GIL bilden hierbei eine PTP® und werden ge-
ßeren Bedingungen während der Errichtung
meinsam verlegt (Abb. 9). Wie bei Offshore-
beachtet werden. Da die Verlegetechnik, der
Pipelines der Öl- und Gasindustrie erfolgt
Betrieb und das Reparaturkonzept dieses
die Verlegung von speziellen Verlegeschiffen
äußerst komplexen Rohr-in-Rohr-in-Rohr Sys-
aus. Dabei wird der gesamte Zusammenbau
tems in absehbarer Zeit nicht zur Verfügung
von GIL und Schutzrohr auf einem Schiff
stehen werden, wird dieses Konzept als eine
durchgeführt. Während der Verlegung müs-
zukünftige Option betrachtet.
Eine Direktverlegung der Aluminiumrohre
20
6. Next Generation Technology –
Direct Offshore Laying in a Steel Pipe
Directly laying aluminium GIL in a seawater
during construction stand in the forefront.
environment requires steel casing pipes due
In addition to procedures for laying, welding
to the properties of the material. In this case
and connecting along with the various
the protective casing piping and the GIL are
pipes, material properties must be taken
laid together as a PTP (Fig. 9). As with off-
into account during construction. As the
shore pipelines from the oil and gas industry,
laying, operational and repair technology of
the laying takes place on offshore pipe lay-
this extremely complex pipe-in-pipe-in-pipe
ing vessels. Here, the entire assembly of GIL
system will be unavailable for the foreseeab-
and casing pipes is carried out aboard the
le future, this concept is currently considered
ship. During laying, the tough requirements
a future option.
®
of the PTP regarding external conditions
®
21
Kapitel 7:
Umwelt
7. Umwelt
Section 7:
The Environment
Die Nordsee ist ein stark genutzter Raum. Sie
Umwelteingriffe und Nutzungskonflikte
gehört zu den meistbefahrenen Gütertrans-
minimiert werden. An Land wird während
portwegen, ist Gebiet intensiven Rohstoff-
der Bauphase lediglich ein Einstieg für das
abbaus (Öl- und Gasförderung, Sediment-
Einlassen der Tunnelbohrmaschine benötigt.
gewinnung) und anderer wirtschaftlicher
Dieser wird nach den Bauarbeiten kaum noch
Aktivitäten wie Fischerei, Marikultur und
sichtbar sein. Bei der in Kap. 2 vorgestellten
Tourismus. Diese Nutzung tritt automatisch
Modelltrasse ist die erste Offshore-Sammel-
in Konkurrenz zur Offshore-Windenergienut-
plattform ca. 60 km von der Küste entfernt
zung, da Flächen nur begrenzt zur Verfü-
und von den Ostfriesischen Inseln aus nicht
gung stehen. Eingriffe in die Meeresumwelt
mehr zu sehen. Das marine Landschaftsbild
führen zu weiteren Konflikten, insbesondere
wird nicht beeinträchtigt.
wenn ökologisch sensible und besonders
geschützte Bereiche wie das Wattenmeer,
Außerhalb sensibler Bereiche kann der
Nationalparkgebiete und Natura-2000-Be-
Tunnel durch das Absenken vorgefertigter
reiche betroffen sind. Hier gelten besondere
Tunnelelemente (Absenkmethode) fortge-
nationale und internationale Richtlinien
führt werden. Zur Verlegung sind große
zum Schutz der Umwelt, die auch bei der
Verlegeschiffe notwendig, die die benötigten
Netzanbindung von Offshore-Windparks zum
Materialien von den Häfen an Ort und Stelle
Tragen kommen:
transportieren. Je nach Untergrund kommt
• die Flora-Fauna-Habitat-Richtlinie
es bei der Spülung der Tunnelrinne, dem
(FFH-RL: 92/43/EWG),
Absenken und dem Einspülen des Tunnel-
• die Vogelschutz-Richtlinie
segments zur Aufwirbelung von Sedimenten,
(V-RL: 79/409/EWG),
durch die Fische und Meeressäuger zeit-
• die zukünftige Meeresstrategierichtlinie
weise aus der Region der Baumaßnahmen
der EU und
vertrieben werden können. Ebenso können
• nationale Bestimmungen.
Vibrationen und Lärmemissionen (durch
Schiffsverkehr, Gründungen im Bereich der
Deshalb sind Konzepte der Netzanbindung,
Umspannwerke) während der Bauzeit zu Be-
die Eingriffe in das sensible Ökosystem des
einträchtigungen von Fischen und Säugern
Wattenmeeres vermeiden oder mindern, für
führen. Nach Beendigung der Verlegearbei-
eine umweltschonende und rechtssichere
ten werden die betroffenen Lebensräume
Planung besonders wichtig. In Gebieten, wo
wieder von Fischen und Meeressäugern
viel Strom erzeugt und übertragen wird, der
besiedelt.
räumlichen Ausweitung der Trassen aber
aufgrund von Umwelt- und anderen Rand-
Sedimentbewegungen aufgrund des Trans-
bedingungen Grenzen gesetzt sind, können
ports finden beim Tunnelbau auf unter-
PTP -Trassen eine sinnvolle Lösung bieten.
schiedliche Weise statt. Beim gebohrten
Mit der hohen Kapazität von 2.000 MW pro
Tunnel erfolgt der Abtransport des Abraums
GIL-System und 8.000 MW pro Trasse kann
über Schienenfahrzeuge, während bei der
die Energie gebündelt über wenige Hochleis-
Tunnelabsenkmethode die Sedimente auf
tungstrassen übertragen werden.
Schiffe verladen werden.
®
In den küstennahen und ökologisch besonders sensiblen Bereichen (z.B. Nationalpark
Wattenmeer) bietet sich die PTP®-Verlegung
mit Tunnelvortriebsmethode an. So können
22
aboutpixel.de
7. The Environment
The North Sea is a space that is intensively
For this reason, grid integration concepts
Outside of sensitive areas, the tunnel can
used and occupied. It ranks among the
avoiding or reducing the level of encroach-
be continued by lowering pre-built tunnel
most heavily travelled transport routes for
ment on the Wadden Sea are especially
elements (immersed method). Large laying
goods and it is a region of intensive natural
important for an environmentally and
ships are necessary to transport the required
resource mining (oil and gas production,
legally sound planning. In regions where
materials from the harbour to the point of
sediment extraction) as well as other eco-
large amounts of power are generated and
destination. Depending on the subsoil,
nomic activities such as fishing, mariculture
transmitted but where the spatial dimensi-
sediment can be swirled up while flushing
and tourism. This automatically leads to
ons of transmission routes are limited due to
the tunnel channel, lowering and pile jetting
competition with offshore wind energy de-
environmental and other constraints, PTP
segments, which in turn leads to fish and
velopments as there is only a limited amount
transmission routes can offer a useful solu-
marine mammals being temporarily chased
of sea area available. Encroachments
tion. With a high capacity of 2,000 MW per
away from the areas of construction. To the
upon the underwater world lead to further
GIL system and up to 8,000 MW per PTP
same degree, vibrations and noise emissions
conflicts, particularly regarding ecologically
route, energy can be bundled and transmit-
can lead to the impairment of fish and
sensitive and especially protected areas like
ted requiring few high power routes.
mammals (through shipping traffic and near
®
®
the Wadden Sea, national parks and Nature
substation foundations). After the comple-
2000 regions. Here, particular national and
In areas near the coast and in those which
tion of the laying construction, the affected
international guidelines for the protection
are especially sensitive (e.g. the Wadden
habitats will be re-populated by fish and
of the environment are in effect, which also
Sea national park), the laying of PTP using
mammals.
play a significant role for offshore wind park
the tunnel boring method presents itself
planning:
as a solution. On land, there is merely a
Sediment movements by transport take place
• the Flora-Fauna-Habitat Directive
need for access to the insertion of a tunnel
in various ways. With the tunnel boring
(FFH-RL: 92/43/EWG),
drilling machine. This will hardly be visible
method the excavated material is transpor-
• the Bird Protection Directive
after finishing the construction. In the model
ted via vehicles placed on tracks, while the
(V-RL: 79/409/EWG),
transmission route introduced in Ch. 2, the
immersed tunnel method relies on ships to
• the future Marine Strategy Framework first offshore collecting platform situated
load the sediments.
Directive of the EU and
60 km off the coast and the East Frisian is-
• national provisions.
lands is not visible from shore. The maritime
®
picture of the landscape will not be impaired.
23
Kooperationspartner im Forschungsverbund
Co-operation Partners in the Research Association
• Siemens AG, Energy Sector, Power Transmission Division, Erlangen,
hermann.koch@siemens.de
• ILF Beratende Ingenieure, München, fred.wendt@ilf.com
• ForWind, das Zentrum für Windenergieforschung der Universitäten Oldenburg und
Hannover, hofmann@iee.uni-hannover.de
Projektname: „Durchführbarkeitsstudie über einen auf der GIL-Technik basierenden
Nordseeverbund europäischer Offshore-Windkraftanlagen für den Stromhandel“
2005-E197/05-TREN/05/TEN-E S07.63573“.
Project name: “Feasibility Study of a GIL Technology Based North Sea Network of
European Offshore Wind Farms for Electricity Trading”
2005-E197/05-TREN/05/TEN-E S07.63573“.
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GIL_Siemens Press Pictures, Copyright Siemens AG, Munich/Berlin
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Illustrationen: Kathrin Natterer, www.kn-box.de

Netzanbindung von Offshore-Windparks

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