Freileitungen und Erdkabel
Der Energietransport auf der Höchstspannungsebene (380 kV und 220 kV) funktioniert heute weitestgehend über oberirdische Freileitungen. Sie machen 99 Prozent des Schweizer Übertragungsnetzes aus. Der Einsatz von Erdkabeln im Höchstspannungsnetz ist vergleichsweise neu und folglich verhältnismässig wenig erprobt. Bei der Projektierung, dem Bau sowie dem Betrieb und der Instandhaltung haben beide Technologien Vor- und Nachteile. Deshalb prüft Swissgrid bei jedem Netzprojekt sowohl Freileitungs- als auch Verkabelungsvarianten.
Freileitung
Swissgrid unterhält im Höchstspannungsnetz schweizweit 12000 Masten. Viele davon stehen in anspruchsvollem Gelände: in gebirgigen, steilen und häufig nur schwer zugänglichen Lagen, auf felsigem, manchmal instabilem Grund. In solchem Terrain neue Leitungen zu bauen, ist technisch herausfordernd. Swissgrid kann dabei auf einen grossen Erfahrungsschatz und viel technisches Know-how zurückgreifen.
Erdverkabelung
Im Vergleich zu Freileitungen findet die Erdverkabelung auf höchster Spannungsebene in der Schweiz bis anhin kaum Anwendung. Denn eine Umsetzung ist nur unter bestimmten Voraussetzungen möglich. Ausschlaggebend sind hierbei viele Faktoren wie Bodenverhältnisse, Übertragungsleistung, Trasseelänge, Kosten oder Leitungsauslastung. Im Jahr 2019 verlegt Swissgrid erstmals Höchstspannungskabel einer 380-Kilovolt-Leitung in den Boden und sammelt damit wichtige Erkenntnisse sowie Daten für die Zukunft.
Bauweisen bei Leitungsprojekten
Freileitungsbau: auf stabilem Fundament
Trasseebau: So kommt das Kabel in den Boden
Wie verlegt man eine Übertragungsleitung in den Untergrund? Welche Verfahren eignen sich für welches Gelände – und wie wirken sie sich auf Bauzeit, Kosten oder Belastbarkeit aus? Swissgrid sucht in der Leitungsplanung stets optimale Lösungen im Spannungsfeld der vier Pfeiler Wirtschaftlichkeit, Technik, Raumentwicklung und Umwelt. Der «Baukasten Leitungsbau» ist ein wichtiges Hilfsmittel im Rahmen dieser Lösungsfindung. Er beschreibt die Vor- und Nachteile der verschiedenen Lösungsvarianten präzise und trägt damit dem Bedürfnis nach einer fundierten Abwägung aller baulichen Möglichkeiten Rechnung.
Tunnelbau
Dieses Verfahren wird in felsigem, gebirgigem Gelände oder zum Unterqueren von Hindernissen wie zum Beispiel Siedlungen oder Eisenbahngleisen gewählt. Die begehbaren Tunnel werden im Stollenbau oder Pressvortrieb gebaut, die Kabel an speziellen Kabelträgern geführt. Das relativ grosse Tunnelprofil verursacht einen erheblichen Anfall von Ausbruchmaterial, das zu deponieren ist.
Sichtbare Elemente der Erdverkabelung
Der Schutz des Landschaftsbilds ist ein grosser Pluspunkt der Erdverkabelung. Ein Grossteil der Leitungsinfrastruktur steckt, unsichtbar, im Boden. Doch auch Erdkabel hinterlassen Spuren in der Landschaft, zum Beispiel in Form von Schneisen im Wald, Zufahrtsstrassen und Übergangsbauwerken, welche die Freileitung mit dem Erdkabel verbinden. Spezielle Schachtbauten dienen der Kontrolle und der Reparatur der Kabelverbindungen. Mit Kompensationsanlagen wird die Spannung stabilisiert. Auch Zufahrtsstrassen und Waldschneisen sind sichtbare Zeichen einer Erdverkabelung.
Übergangsbauwerke
Um die Erdkabel mit den Freileitungen zu verbinden, braucht es Übergangsbauwerke. Deren markantestes Merkmal sind die Abspanngerüste, die rund 25 Meter in den Himmel ragen. Sie nehmen die Leitungen vom letzten Mast auf und verbinden sie mit den Erdkabeln. Übergangsbauwerke benötigen ungefähr die Fläche eines Eishockeyfelds. Swissgrid achtet bei der Planung einer Teilverkabelung darauf, sie bestmöglich in die Landschaft einzubetten.
Kompensationsanlagen
Erdkabel erhöhen die Spannung im Netz stärker als Freileitungen. Swissgrid muss dafür sorgen, dass die Spannung im gesamten Übertragungsnetz nicht zu hoch wird. Dazu kann sie Kraftwerke anweisen, die Spannung zu senken, oder sogenannte Kompensationsanlagen bauen, welche die Spannung reduzieren. Diese werden, wenn möglich, beim Übergangsbauwerk oder bei einem Unterwerk, unter Umständen aber auch im freien Gelände platziert. Kompensationsanlagen sind – je nach Leistung – ungefähr so gross wie ein Lastwagen.
Muffen- und Bridenschächte
In den Boden verlegte Höchstspannungskabel bestehen aus zahlreichen Schichten. Das fällt ins Gewicht. Die Kabel lassen sich deshalb nur in ungefähr 1 Kilometer langen Stücken in die Kabelrohrblöcke einziehen. Die Kabelabschnitte werden mit speziellen Verbindungsstücken, sogenannten Muffen, zusammengefügt. Das ist technisch anspruchsvoll, weshalb Muffen relativ störungsanfällig sind – und ständig zugänglich sein müssen. Für Reparatur- und Montagearbeiten werden deshalb spezielle Muffenschächte gebaut. Ebenfalls spezielle Schächte braucht es für die Briden – Klemmen, die verhindern, dass die Erdkabel in Hanglage verrutschen können.
Ausholzungen und Schneisen bei Erdkabeln
Durchqueren Erdkabel Waldgebiete, sind Ausholzungen nötig, um Platz für den Bau des Kabelgrabens zu schaffen. Ein Teil dieser Flächen kann nach Abschluss der Bauarbeiten wieder aufgeforstet werden. Da Wurzeln Schäden verursachen könnten, muss über den Kabelrohrblöcken aber dauerhaft eine Schneise frei gelassen werden (sogenannte Freihaltezone). Werden Übergangsbauwerke im Wald gebaut, sind dazu ebenfalls dauerhafte Ausholzungen nötig.
Ausholzungen und Schneisen bei Freileitungen
Der Bau von Freileitungen in Waldgebieten erfordert Ausholzungen, zum Beispiel für Zufahrtsstrassen, Depots oder den Bau der Mastfundamente. Ein Teil dieser Flächen kann nach Abschluss der Bauarbeiten wieder aufgeforstet werden. Direkt unter den Freileitungen dürfen nur niedrigstämmige Bäume gepflanzt werden.
Detaillierte Infos zum Verhalten in Leitungsnähe
Instandhaltung und Betrieb
Freileitungen und Erdkabel haben Vor- und Nachteile beim Betrieb des Netzes und dessen Instandhaltung. Die technischen Herausforderungen wie zum Beispiel die Spannungshaltung nehmen zu, je mehr Leitungsabschnitte des Übertragungsnetzes in den Boden verlegt werden. Denn beide Technologien besitzen unterschiedliche elektrische Eigenschaften, die Auswirkungen auf die Stabilität und Verfügbarkeit des Übertragungsnetzes haben.
Unterhalt und Lebensdauer
Freileitungen
Damit das Übertragungsnetz jederzeit verfügbar ist, werden die Freileitungen und Masten regelmässig inspiziert und instandgehalten. Die Lebensdauer einer Freileitung beträgt rund 80 Jahre.
Unter einer Freileitung kann der Boden landwirtschaftlich ohne grössere Einschränkungen – unter Beachtung von Sicherheitsregeln – bewirtschaftet werden.
Detailliertere Informationen zum Unterhalt
Erdkabel
Zu einem Erdkabeltrassee gehören Übergangsbauwerke, die Kabel selbst und Muffenschächte. Nach heutigen Einschätzungen beträgt die Lebensdauer für Erdkabel etwa 40 Jahre.
Der Boden über dem Kabelrohrblock kann wieder landwirtschaftlich genutzt und begrünt werden. Da Wurzeln das Erdkabel gefährden, muss das Trassee allerdings von hochstämmigen oder tiefwurzelnden Bäumen freigehalten werden.
Wie wirken sich Erdkabel auf die Bodenumwelt aus? – Der Boden ist ein kostbares Gut
Störungen
Freileitungen
Freileitungen sind Natureinflüssen wie beispielsweise Blitzeinschlag, Eisbehang, umstürzende Bäume stärker ausgesetzt als Erdkabel. Sie sind deshalb häufiger von Störungen und Unterbrüchen betroffen als die im Boden gut geschützten Erdkabel. Diese können aber bei Freileitungen in aller Regel innerhalb von wenigen Minuten oder Stunden behoben werden.
Erdkabel
Störungen kommen bei Erdkabeln nur selten vor. Dafür dauert ihre Behebung viel länger als bei einer Freileitung, weil Erdkabel bei einer Störung meist Schaden nehmen und ausgetauscht werden müssen. Dies kann mehrere Wochen bis Monate in Anspruch nehmen, denn Kabel werden für jedes Projekt auf Mass dimensioniert und produziert. Auch das Entfernen des beschädigten und das Einziehen des neuen Kabels sind wegen des hohen Gewichts von Erdkabeln sehr aufwendig.
Lange Erdkabel, grosse Herausforderungen
Swissgrid ist technologieoffen und erarbeitet bei jedem Projekt Freileitungs- und Verkabelungsvarianten. Bei der Beurteilung ihrer Vor- und Nachteile ist aber nicht nur der jeweilige Leitungsabschnitt, sondern das Netz als Gesamtsystem im Auge zu behalten. Physikalische Phänomene und betriebliche Herausforderungen setzen dem Einsatz von Erdkabeln im Übertragungsnetz Grenzen. Swissgrid unterstützt technologische Innovationen und Pilotprojekte für das Netz der Zukunft.
Spannungshaltung
Die Netzleitstelle von Swissgrid muss rund um die Uhr darauf achten, dass sich die Spannung im Übertragungsnetz innerhalb eines bestimmten Bandes bewegt. Sonst drohen Schäden an den elektrischen Anlagen. Erdkabel erhöhen die Spannung aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften stärker als Freileitungen. Steigt die Anzahl Erdkabelkilometer im Übertragungsnetz, reichen die üblichen Massnahmen zur Spannungshaltung – die Anweisung an Kraftwerke, ihre Produktion zu erhöhen oder zu drosseln – nicht mehr. Es braucht zum Beispiel sogenannte Kompensationsanlagen. Diese benötigen allerdings viel Platz, sind kostenintensiv und verursachen Lärm. Zudem erhöhen zusätzliche technische Komponenten die Komplexität und damit auch die Fehleranfälligkeit des Übertragungsnetzes.
Blindleistung
Blindleistung ist wie der Schaum, der das Glas füllt und weniger Bier Platz lässt. Physikalisch unterscheidet man die kapazitive und die induktive Blindleistung. Sie kompensieren sich und heben sich idealerweise ganz auf. Swissgrid versucht, ihre Leitungen möglichst nahe an diesem Punkt der sogenannten «natürlichen Leistung» zu betreiben. Bei Erdkabeln ist dies nicht möglich, da sie sich zu stark erhitzen würden. Lange Erdkabel reduzieren deshalb entweder die effektive Leistung einer Leitung (Wirkleistung) oder sie machen Anlagen zur Kompensation der Blindleistung nötig. Diese Herausforderung verstärkt sich proportional zur Länge einer Erdkabelleitung.
Elektrische Verluste
Beim Stromtransport geht immer elektrische Energie verloren. Die Wirkleistungsverluste hängen von der Übertragungsleistung ab. Bei Freileitungen sind sie höher als bei Erdkabeln. Rechnet man bei den Erdkabelleitungen die Verluste durch die Kompensation der Blindleistung dazu, sind die Verluste bei beiden Übertragungstechnologien ungefähr gleich gross.
Kosten
Die Baukosten einer Höchstspannungsleitung können sich von Fall zu Fall stark unterscheiden – je nach Topografie, Baugrund, potenziellen Naturgefahren und der Technologie. Faustregelt: Ein Kilometer Erdkabel ist rund 2 bis 10 Mal teurer als ein Kilometer Freileitung. Bei der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit berücksichtigt Swissgrid nicht nur die Bau-, sondern auch die Lebenszykluskosten der verschiedenen Leitungsvarianten.
Bei der Berechnung geht Swissgrid von einer Lebensdauer der Leitung von 80 Jahren aus. Verschiedene Komponenten müssen jedoch früher ersetzt werden. Bei in den Boden verlegten Leitungen sind vor allem die Erdkabel selbst ein wichtiger Kostenfaktor: Erdkabel können aufgrund ihrer technischen Lebenserwartung nur halb so lange betrieben werden wie Freileitungen und müssen bereits nach ungefähr 40 Jahre komplett ersetzt werden.
Kosten Freileitungen
Kosten Erdverkabelung
Entscheidungsgrundlagen
Grosse Infrastrukturen brauchen viel Zeit. Langjährige Bewilligungsverfahren, häufige Einsprachen und Gerichtsurteile – Vom Projektstart bis zur Inbetriebnahme können durchschnittlich über 15 Jahre vergehen.
Der Entscheid für ein Erdkabel oder eine Freileitung wird im Sachplanverfahren durch den Bundesrat gefällt. Eine wichtige Rolle spielt dabei eine vom Bundesamt für Energie für jedes Projekt zusammengestellte Begleitgruppe. Diese funktioniert wie folgt:
In der Begleitgruppe haben Vertreter/-innen mehrerer Bundesämter (zum Beispiel Raumentwicklung, Umwelt, Verkehr) Einsitz, dazu das Eidgenössische Starkstrominspektorat (ESTI), die Eidgenössische Elektrizitätskommission (ElCom), Vertreter/-innen der betroffenen Kantone, eine Umweltschutzorganisation sowie Swissgrid. Jede Partei hat eine Stimme. Die Gruppe gibt dem Bundesrat bei der Definition von Planungsgebiet und Planungskorridor sowie beim Technologieentscheid (Freileitung oder Erdkabel) Empfehlungen ab. Um die bestmögliche Lösung zu finden, haben verschiedene Bundesämter vor einigen Jahren mit dem «Bewertungsschema für Übertragungsleitungen» eine spezielle Methodik eingeführt. Sie erlaubt es, die Stärken und Schwächen der Varianten objektiv, umfassend und systematisch abzuwägen. Kern des Schemas bilden die vier Pfeiler Raumentwicklung, technische Aspekte, Umweltschonung und Wirtschaftlichkeit.
Raumentwicklung
Die gewählte Variante soll den Raum möglichst haushälterisch nutzen und nach Möglichkeit immer mit anderen Infrastrukturen gebündelt werden. Siedlungsräume und Naherholungsgebiete sollen geschont werden und übergeordnete Planungen, Projekte und Konzepte müssen im Auge behalten werden.
Technische Aspekte
Die Varianten müssen technische Mindestanforderungen erfüllen – zum Beispiel in Bezug auf ihre Belastbarkeit, Störanfälligkeit oder Reparaturdauer. Zudem wird die Gefährdung durch Naturgefahren oder Witterrungseinflüsse bewertet. So werden Energieverluste und die Ökobilanz über den gesamten Lebenszyklus der Varianten berechnet.
Umwelt
Beim Schutz vor einer Belastung durch elektromagnetische Strahlung und Lärm gibt es Grenzwerte, die eingehalten werden müssen. Beim Landschaftsschutz wiederum gilt die Vorgabe «grösstmögliche Schonung». Naturschutzgebiete von nationaler Bedeutung dürfen nur tangiert werden, wenn es keine Alternativen gibt. Zudem sind Biotope, Zugvogelreservate und Gewässerräume zu berücksichtigen.
Wirtschaftlichkeit
Bei diesem Pfeiler werden die Kosten abgeschätzt. Dazu gehören einerseits die Investitionen und Ersatzinvestitionen über die gesamte Nutzungsdauer sowie Investitionen für Begleitmassnahmen. Jedes Netzprojekt muss durch den Regulator aus wirtschaftlicher Perspektive beurteilt werden, da die Kosten auf die Stromrechnung der Konsumenten überwälzt werden.
Bündelung von Infrastrukturen: Airolo – Mettlen (Gotthardleitung)
Swissgrid hat in den vergangenen Jahren im Übertragungsnetz Erdkabelleitungen mit einer Gesamtlänge von über 40 Kilometern realisiert. Wo möglich und zielführend bündelt Swissgrid die Erdkabel mit anderen Infrastrukturvorhaben.
Der Bau der zweiten Röhre des Gotthardstrassentunnels bis 2029 bietet Swissgrid ein Bündel von Chancen. Die Kombination einer Höchstspannungsleitung mit einem Nationalstrassentunnel hat europaweit Pioniercharakter. Mit dem technisch anspruchsvollen Projekt kann Swissgrid wertvolle Erfahrungen sammeln. Ein weiteres Plus ist die Entlastung der Landschaft am Gotthard durch den Rückbau von 23 Kilometern Freileitung und 70 Masten.
Schaltanlagen und Transformatoren
Unterwerke gehören zu den wichtigsten Elementen im Höchstspannungsnetz, denn sie sind die Knotenpunkte des Stromnetzes. Unterwerke bestehen aus Transformatoren und Schaltanlagen. Das Höchstspannungsnetz von Swissgrid umfasst 125 Unterwerke, in denen 147 Schaltanlagen und 25 Transformatoren untergebracht sind. Jedes Unterwerk hat also eine Schaltanlage, aber nicht alle Unterwerke haben einen Transformator.
Wichtige Elemente im Übertragungsnetz
Die Schaltanlagen in den Unterwerken verbinden die Höchstspannungsleitungen miteinander. Durch Schalthandlungen können die Operateurinnen und Operateure in den Swissgrid Netzleitstellen in Aarau und Prilly die Leitungen trennen oder verbinden. So werden die Energieflüsse gesteuert, Überlastungen verhindert und Leitungen können für Revisionsarbeiten ausgeschaltet werden. Die Unterwerke verfügen auch über installierte Schutzsysteme. Diese schalten im Fehlerfall (z.B. Blitzeinschlag in eine Leitung) die betroffenen Netzteile gezielt ab.
1 Transformator
Der Transformator ist das Herzstück des Netzes. Transformatoren erhöhen oder reduzieren die Spannung von elektrischer Energie bzw. den Strom. Denn je höher die Spannung ist, desto geringer sind die Verluste entlang der Stromleitungen. Das Höchstspannungsnetz hat eine hohe Spannung, um Energie möglichst verlustarm über grosse Entfernungen zu transportieren. Die 25 Swissgrid Transformatoren verbinden das 380-kV- mit dem 220-kV-Netz. Bis die von den Kraftwerken produzierte Energie für die Endverbraucherinnen und Endverbraucher nutzbar ist, wird die Spannung auf 400 oder 230 Volt reduziert.
2 Sammelschiene
Eine Sammelschiene dient der Verbindung der in einem Unterwerk zusammentreffenden Höchstspannungsleitungen. Über die sogenannten Schaltfelder kann die Energie der verschiedenen Höchstspannungsleitungen über die Sammelschienen verteilt werden, wodurch der Leistungsfluss im Netz gesteuert wird.
4 Leistungsschalter
Die Leistungsschalter ermöglichen das Zu- oder Abschalten von Elementen des elektrischen Netzes. Das heisst, sie können Leitungen oder Kraftwerke vom Netz trennen und damit spannungsfrei machen oder mit dem Netz verbinden. Leistungsschalter und Trennschalter werden von den Netzleitstellen aus gesteuert.
5 Messwandler
Messwandler gehören zu den Kontrollinstrumenten der Schaltanlage. Sie messen die Spannung sowie die Stromstärke. Die Messwerte werden an die örtlich installierten Schutz- und Leittechnikeinrichtungen sowie an die Netzleitstellen von Swissgrid in Aarau und Prilly übermittelt. Die dortigen Fachleute von Swissgrid erkennen, unter anderem anhand dieser Werte, die aktuelle Netzsituation. Bei Bedarf können die notwendigen Massnahmen eingeleitet werden.
7 Überspannungsableiter
Der Überspannungsableiter schützt die wesentlichen Bauteile der Schaltanlage vor zu hohen elektrischen Spannungen, die beispielsweise bei einem Blitzschlag auftreten können. So bewahrt er Anlagenteile wie etwa die Transformatoren vor Schäden, ohne die Versorgung zu unterbrechen.
8 Erdungsschalter
Ein Erdungsschalter erdet einen abgeschalteten und damit spannungsfreien Anlagenteil. Er verhindert, dass es durch Aufladung der ausgeschalteten Teile zu Gefährdungen kommt. In Kombination mit den Leitungstrennschaltern lässt sich dadurch eine sichere Arbeitsumgebung in der Schaltanlage schaffen.
9 Betriebsgebäude / Notfallgenerator
Im Betriebsgebäude befindet sich die Schutz-, Leit- und Nachrichtentechnik. Hier laufen die Messwerte der gesamten Schaltanlage zusammen, sodass alle Elemente sehr schnell gesteuert und kontrolliert werden können. Ausserdem beherbergt das Betriebsgebäude eine eigene Stromversorgung inklusive Batterieanlagen. Sie tragen dazu bei, den störungsfreien Betrieb der Schaltanlage jederzeit zu gewährleisten.
