Forschung unter Hochspannung

In Nikola Teslas Vision der Zukunft steht Energie allen Menschen unbegrenzt und kostenlos zur Verfügung. In seinem Traum von einem Welt-Energie-System sah er Stromnetze nur als Zwischenschritt auf dem Weg zu einem kabellosen System, das Energie durch Luft und Erde über die ganze Welt übertragen soll.

Zwar sind der drahtlosen Stromübertragung über weite Distanzen auch heute – über 120 Jahre nach Teslas Versuch, elektromagnetische Impulse über weite Distanzen durch Luft und Erde zu übertragen – physikalische Grenzen gesetzt. Doch Forschende tüfteln bereits an Schlüsseltechnologien auf dem Weg zum globalen Supergrid – einer „Stromautobahn“, die durch leistungsfähige Stromleitungen weit voneinander entfernte Gebiete miteinander verbindet. Bis 2035 soll Europas Supergrid aufgebaut sein, das den Weg zum globalen Supergrid ebnen soll.

Eine „Stromautobahn“ stützt die Energiewende

Getrieben wird die Entwicklung von Technologien für das Supergrid von den politisch festgelegten Klimazielen und der daraus verbundenen Energiewende: „Der vermehrte Ausbau der erneuerbaren Stromerzeugung auf Basis von Wind, Photovoltaik und Solarenergie weltweit erfordert den grundlegenden Umbau der Stromnetze und die optimierte Integration von erneuerbarer Stromerzeugung“, erklärt Uwe Schichler, der das Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement der TU Graz leitet. Denn nur so könne gewährleistet werden, dass die umweltverträgliche Energie rund um die Uhr an die richtigen Orte gebracht werde: Je größer die Distanz zwischen Windparks oder Solarstromanlagen ist, desto geringer ist tatsächlich die Wahrscheinlichkeit, dass überall zur selben Zeit Windstille herrscht oder der Himmel wolkenverhangen ist. Die Versorgung wird deshalb sicherer – vorausgesetzt, der Strom erreicht sein Ziel auch aus großen Distanzen. Das herkömmliche 380-kV-Übertragungsnetz ist dafür ungeeignet, die Verluste wären immens.

Die Alternative zu den herkömmlichen Leitungen für den fast verlustfreien Stromtransport sind Hochspannung-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ)-Netze. Diese Technik ist bereits im Einsatz, beispielsweise verbindet eine HGÜ-Leitung die Insel Gotland in der Ostsee mit dem schwedischen Festland. Der nächste Schritt ist nun, die einzelnen HGÜ-Übertragungsnetze miteinander zu einem Supergrid zu verbinden.

„Den Weg zum Supergrid der Zukunft zu ebnen, heißt, dass wir die in Europa bestehenden Hochspannungs-Drehstrom-Übertragungsnetze (HDÜ) mit jenen der HGÜ-Netze kombinieren müssen“, so Uwe Schichler. Um die unterschiedlichen Gleichstrom-Spannungen von HGÜ-Leitungen miteinander zu koppeln, wird an der TU Graz zu sogenannten „modularen HVDC/DC-Multilevel-Konvertern“ geforscht. Zudem gilt es, elektrische Isoliersysteme für die Übertragungsnetzwerke zu optimieren. Das Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement ist einerseits am K-Projekt „PolyComp“ beteiligt, um Isolationsmaterialien für den Einsatz in Hochspannungsgeneratoren und Transformatoren weiterzuentwickeln. Andererseits ist auch Lebensdauer von Hochspannungskabeln im Fokus von Tests. „Die Kabel, die unter der Erde verlegt werden, eignen sich sowohl für die HDÜ- und HGÜ-Netzwerke, und sind besonders in Hinblick auf die Erhaltung des Landschaftsbildes eine Alternative zu Freileitungen“, so Rudolf Woschitz vom Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement. Er unterzieht die Kabel im Nikola Tesla Labor Spannungsprüfungen, thermischen Belastungstests und Höchstspannungsprüfungen. Die rigiden Prüfprogramme erstrecken sich teilweise über ein ganzes Jahr, um die Sicherheit und Funktionsfähigkeit der Kabel unter verschiedensten Bedingungen zu gewährleisten.

Im Nikola Tesla Labor, der Hochspannungshalle an der TU Graz, werden Untersuchungen und Prüfungen auf dem gesamten Gebiet der Hochspannungstechnik durchgeführt. Dazu zählen neben den zahlreichen Forschungsarbeiten unter anderem Qualitätsüberprüfungen an Hochspannungskabeln nach einem am Institut entwickelten Verfahren sowie Lebensdauertests und Typprüfungen nach den einschlägigen Normen für Hochspannungskabel.

Teslas Kopfarbeit im 21. Jahrhundert

Der „Magier der Elektrizität“ Nikola Tesla setzte seine Erfindungen erst im Kopf zusammen, und „testete“ seine imaginären Modelle so lange, bis er den Bauplan seiner Geräte fertig erdacht hatte. Auch heute unterstützen virtuelle Modelle die Forschung und Prüfung am Institut für Hochspannungstechnik und Systemmanagement, allerdings werden die Forschenden dabei durch leistungsstarke Rechner unterstützt. Die Modellbildung von Hochspannungsnetzen ist ein Forschungsschwerpunkt von Stephan Pack, der erklärt: „Die Hochspannungsnetze sind neben den Betriebsbelastungen weiteren Belastungen durch Schalthandlungen, durch ungewollte Fehler und durch Blitzeinschläge in die Leiterseile ausgesetzt. Blitze speisen zusätzlich kurzzeitig große Strommengen in die Systeme ein, wodurch dieses Netz Überspannungen ausgesetzt ist“. Er führt mit numerische Computermodellen Berechnungen durch, mit denen er die Spannungsbeanspruchungen, denen die Hochspannungsnetze im stationären Zustand – bei normalem Betriebsstrom – und im transienten Zustand, wie etwa bei Blitzeinschlägen, ausgesetzt sind, nachbilden kann. Die numerischen Berechnungen bilden die Grundlage, um etwa Schutzeinrichtungen, wie etwa Überspannungsableiter, abzustimmen und zu koordinieren.

Dieses Forschungsgebiet ist an der TU Graz im Field of Expertise "Sustainable Systems" verankert, einem von fünf strategischen Schwerpunktfeldern.