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Das Stromnetz der Zukunft spart Energie
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Neue Elektronikbauteile für effiziente Energieübertragung über grosse Entfernungen
Archiv | 06.11.2010 | Auch Öko-Strom kommt aus der Steckdose. Bis er dort ankommt, hat er meist eine lange Reise hinter sich – etwa von Windkraftanlagen in der Nordsee oder regionalen Sonnen-, Wind- und Biogaskraftwerken. Auf dem Weg zum Verbraucher geht jedoch ein großer Teil Energie verloren. Neue Elektronikbauteile sollen dies ändern.
Autos und Lkws rasen über die Autobahn, biegen ab in die Stadt,
warten an der Ampel und schleichen durch Nebenstraßen. Ähnlich fließt
elektrischer Strom – vom Kraftwerk aus über Hochspannungsleitungen in
Umspannwerke. Wie an einer Verkehrsampel wird der Fluss reguliert. Dann
führen die Kabel den Strom in die Innenstadt. Viele Schaltstellen
reduzieren die Spannung, damit die Geräte dann bei niedriger Spannung
jederzeit Strom zapfen können. Dank dieser hochkomplexen Infrastruktur
kann der Stromkunde einfach einschalten und die Kaffeemaschine läuft.
»Voraussetzung für alle Geräte ist eine sichere Stromversorgung. Diese
wird sich in den nächsten Jahren stark verändern: Verkehrs- und
Stromnetz wachsen durch die Elektromobilität stärker zusammen, denn
Elektrofahrzeuge tanken nicht nur Strom, sondern stellen auch ihre
Batterie als Speicher für das Stromnetz zur Verfügung. Es wird zunehmend
regenerative Energiequellen geben, auch einzelne Haushalte speisen
ein«, sagt Professor Lothar Frey, Leiter des Fraunhofer-Instituts für
Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen. In
Großprojekten wie Desertec sollen künftig solarthermische Kraftwerke in
den sonnenreichen Regionen Nordafrikas und des Nahen Ostens Strom für
Europa produzieren. Die Energie wird dann über lange
Hochspannungsleitungen oder Seekabel zum Verbraucher fließen. Nun müssen
die bestehenden Kabel, Anlagen und Bauteile an den künftigen Energiemix
angepasst werden, damit der Strom möglichst verlustarm und sicher beim
Verbraucher ankommt. An technologischen Lösungen arbeiten die
Leistungselektronik-Experten vom IISB. Sie entwickeln Komponenten für
die Umformung und die Sicherheit der elektrischen Energie.
Für die
Energieübertragung über Entfernungen von mehr als 500 Kilometern oder
für Seekabel wird heute verstärkt auf Gleichstrom gesetzt. Dieser
besitzt eine konstante Spannung und verliert über große Distanzen nur
bis zu sieben Prozent Energie. Zum Vergleich: bei Wechselstrom sind es
bis zu 40 Prozent. Allerdings müssen zusätzliche Umrichter-Stationen die
hohe Spannung des Gleichstroms wieder in den vom Verbraucher benötigten
Wechselstrom umwandeln.
»Gemeinsam mit Siemens Energy entwickeln
wir Hochleistungsschalter. Diese sind für die Übertragung der
Gleichspannung im Stromnetz notwendig und eine entscheidende
Voraussetzung für Projekte wie Desertec. Die Schalter müssen sicherer,
besser skalierbar und flexibler einsetzbar sein als bisherige Lösungen,
um den Anforderungen zukünftiger Energieversorgungsnetze gerecht zu
werden«, sagt Dipl.-Ing. Markus Billmann vom IISB. Dazu verwenden die
Forscher kostengünstigere Halbleiterzellen, die mit bisherigen
Schaltungstechniken nicht für die Hochspannungs- Gleichstrom-Übertragung
(HGÜ) eingesetzt werden konnten. »An beiden Enden einer HGÜ-Anlage befi
ndet sich eine Stromrichterstation«, erklärt der Forscher. »Als
Stromrichter verwenden wir abschaltbare und mit höheren Schaltfrequenzen
betreibbare Bauelemente, die kleinere und besser steuerbare Anlagen
ermöglichen.« Eine große Herausforderung ist der Schutz der Zellen vor
Havarien. Von den etwa 5000 Modulen, die in einer Stromrichterstation in
Reihe geschaltet sind, dürfen nur wenige ausfallen, und das ohne
Auswirkungen auf die Nachbarmodule, da sonst durch eine Kettenreaktion
die komplette Anlage zerstört werden könnte. »Dieses Problem haben wir
nun sicher in den Griff bekommen. Mit unseren Kooperationspartnern
arbeiten wir an maßgeschneiderten Materialien und Bauelementen, damit
die Geräte und Anlagen künftig weniger Energie benötigen«, sagt
Billmann.
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