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Energiesystem kostengünstig modernisieren: Neue Technologie hilft, Stromleitungen besser auszulasten
Die Energiewende hat in Deutschland zu Engpässen im Stromnetz geführt. Um den Netzbetrieb zu optimieren, hat ein Forschungsteam mithilfe von Sensoren eine Überwachungsmethode entwickelt, die nun industriell angewendet wird.
Seit 2009 arbeitet ein interdisziplinäres Forschungsteam der Projektpartner Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in Berlin und LTB Leitungsbau in Radebeul bei Dresden unter Federführung der DResearch im Rahmen der Verbundprojekte ISOSTROSE, ASTROSE-VISION, ASTROSE-MAGIC und MoNet an der neuen Technologie.
Der Hintergrund ist: Die Bundesnetzagentur folgt bei der Netzentwicklung dem sogenannten NOVA-Prinzip (Netz-Optimierung vor Netz-Verstärkung vor Netz-Ausbau). Bestehende Stromnetze höher auszulasten und zu optimieren hat dabei Vorrang vor dem aufwändigen Neubau von Leitungen.
Basis und Versuchsträger ist das ASTROSE genannte Sensorsystem, welches die Projektpartner gemeinsam mit der Technischen Universität Berlin, weiteren Netzbetreibern und Technologieanbietern systematisch entwickelt und optimiert haben. Mittlerweile haben die beteiligten Fachleute das System in vielen Pilotvorhaben erprobt. Der Praxispartner Mitnetz begleitete die Forschung seit der ersten Idee mit seiner Erfahrung und unterstützte die beteiligten Fachleute über viele Jahre.
So funktioniert die Astrose-Technologie
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Das Sensorsystem ist technisch für den Einsatz in Hoch- und Höchstspannungsnetzen ausgelegt und kann perspektivisch auch auf Hochtemperaturleiterseilen (HTLS) eingesetzt werden. Es wird direkt auf dem Leiterseil montiert. Die Sensorik arbeitet energieautark und selbststartfähig. Durch ein innovatives Energieversorgungsprinzip kann das System auch dann sicher starten und laufen, wenn die Leitungen kaum ausgelastet sind. Bei dem Prinzip wird die Betriebsenergie für das Sensorsystem aus dem elektrischen Feld der Leitung gewonnen, welches eine Leitung unter Spannung unabhängig vom Stromfluss umgibt. Die drahtlose Datenübertragung erfolgt über gängige funkbasierte Kommunikationstechnologien, beispielsweise LoRaWAN.
Die Sensoren messen Temperatur, Neigung, Torsion (Verdrehung) sowie den Stromfluss der Stromleitung. Von bisherigen punktuellen Messverfahren unterscheidet sich die neue Technologie, weil die Sensoren erstmals über ein Spannfeld messen. Das bedeutet, dass über die komplette Strecke zwischen zwei Masten hinweg gemessen wird. Auf diese Weise lassen sich lokale Einflüsse nun besser bewerten. Je feinteiliger überwacht wird, desto schneller können zudem Fehler gefunden und behoben werden.
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Das System nutzt neben den selbst gemessenen Daten zusätzlich externe Wetterdaten, um die je nach Witterungsbedingung aktuell zulässige Strombelastbarkeit einer Freileitung zu bestimmen. Ist eine höhere Belastbarkeit gegeben, kann mehr Strom transportiert werden. Hierin liegt ein großer Vorteil: Statt Stromnetze für viel Geld neu bauen zu müssen, können sie mithilfe der Sensortechnologie nun kostengünstig und vor allem kurzfristig verstärkt werden. So wird das Energiesystem auf bezahlbare Weise modernisiert.
„Dank der strategischen Förderung durch das Bundeswirtschaftsministerium konnten wir in dem Vorhaben die Grundlage für ein datenbasiertes Freileitungsmonitoring schaffen“, sagt der stellvertretende Gesamtprojektleiter Carsten Brockmann vom Fraunhofer IZM. „Damit können Netzbetreiber vorhandene Leitungskapazitäten sicherer nutzen, Risiken frühzeitiger erkennen und ihre Instandhaltung gezielter weiterentwickeln.“
Beständiges Forschen führt zum Erfolg
Im Rahmen des Projektclusters haben die Forschenden die Sensortechnologie über viele Jahre in verschiedenen Anwendungsfeldern eingesetzt und getestet. Inzwischen erfüllt die Technologie zahlreiche wichtige Funktionen für den sicheren und effizienten Betrieb von Hochspannungsfreileitungen.
Im Verbundprojekt ISOSTROSE entwickelten die Fachleute zum Beispiel eine Messmethodik, um Erdschlussfehler in Echtzeit genau zu erkennen. Ein Erdschlussfehler ist eine potenziell gefährliche Störung, bei der eine stromführende Leitung unbeabsichtigt die Erde oder geerdete Objekte berührt – etwa einen Baum. Ein Erdschlussfehler kann auch darauf hindeuten, dass ein Leiterseil beschädigt ist, beispielsweise gerissen. Nach jedem Vorfall müssen Fachleute das betroffene Leiterseil kontrollieren. „Mithilfe unserer Methodik können wir potenzielle Fehlerstellen schneller finden. Das erleichtert es deutlich, Hochspannungstrassen, die über weite Strecken verlaufen, zu warten und zu sichern“, sagt Projektleiter Sven Voigt vom Fraunhofer ENAS.
Im weiteren Verlauf ergänzten die Fachleute das Sensormonitoring im Rahmen des Verbundprojekts ASTROSE-VISION um eine Bildverarbeitung. Dafür installierten die Forschenden Hard- und Softwarekomponenten auf der Leitung. Diese Komponenten ermöglichen den Expertinnen und Experten etwa ein besseres ökologisches Trassenmanagement. So können sie verfolgen, wo und wie Bäume und Sträucher entlang von Freileitungstrassen wachsen. Schließlich können Stromleitungen beschädigt werden, wenn Pflanzen diese überwuchern oder anderweitig behindern. Auch Eislasten, also vereiste Leitungsabschnitte bei Minustemperaturen im Winter, erkennen die Forschenden mithilfe der Technologie nun frühzeitig. Die Bildverarbeitung nutzen die Fachleute zudem für einen weiteren Zweck: „Wir können damit dazu beitragen, Sabotage-Versuche und Anschläge aufzudecken“, erklärt Thomas Hecker, Leiter Projektoffice der DResearch Digital Media Systems. Damit leisten die Forschungsarbeiten einen Beitrag, Stromleitungen resilienter zu machen und kritische Infrastruktur besser zu schützen.
Im Schwesterprojekt ASTROSE-MAGIC entwickelten die Forschenden das oben erläuterte engmaschige Freileitungsmonitoringsystem für Hochtemperaturleiterseile, welches der Technologie seinen Namen gibt. Sind diese besonders ausgelastet, müssen Temperatur und Seildurchhang besonders überwacht werden: HTLS transportieren deutlich mehr Strom als andere Leitungen und erhitzen sich dabei stark. Die neue Technologie hat einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem bisherigen herkömmlichen Freileitungsmonitoring: Die lokale Witterung und Einflüsse wie Abschattung, Waldabschnitte oder Täler können erstmals unmittelbar und räumlich passend berücksichtigt werden. Indem die Fachleute nun das gesamte Spannfeld überblicken, sind sie nicht mehr abhängig von separat und an weit entfernt stehenden Masten montierten Wetterstationen. Darüber hinaus entwickelten die Projektpartner eine modulare, flexibel erweiterbare Funkübertragung für moderne Kommunikationstechnologien. Die erforderlichen Hard- und Softwarekomponenten und Modelle integrierten die Fachleute in ein Pilotsystem beim Netzbetreiber Pfalzwerke Netz, welches den Test erfolgreich bestanden hat.
Im Verbundprojekt MoNet erweiterten die Forschenden die Sensortechnologie um Datenmodelle und Prozesse im Rahmen eines digitalen Zwillings. „Den digitalen Zwilling kann man sich wie ein virtuelles Abbild des physischen Sensors vorstellen“, sagt Andreas Horeth von LTB Leitungsbau und erklärt: „Den Zwilling haben wir in das Anlagenmanagement integriert und ermitteln so dessen Zustand zum Abfragezeitpunkt.“ Die Sensordaten werden in Echtzeit in den Zwilling eingespeist. So simulieren die Forschenden risikofrei verschiedene Anwendungsfälle. Darüber hinaus nutzen die Fachleute erstmals eine sichere 5G-Verbindung, also den neusten Mobilfunkstandard. „Auf diese Weise haben wir das bestehende Freileitungsmonitoringsystem noch einmal um wichtige, aktuelle digitale Komponenten erweitert“, sagt Carsten Brockmann.
Forschungsergebnisse praktisch nutzen: Technologie wird vermarktet
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Das Sensorsystem wird nicht nur bereits in Deutschland, sondern auch in der Schweiz und Chile eingesetzt. Während Fachleute aus der Schweiz einen Bedarf zum Eislastmonitoring übermittelten, kam der Kontakt nach Chile über das Unternehmen SALTEC zustande, welches in dem südamerikanischen Land tätig ist. Die Astrose-Projektpartner liefern die entwickelte Technologie an SALTEC, welches das Sensorsystem vor Ort in Chile installiert und betreut. Künftig kommt es noch breiter zum Einsatz: Das familiengeführte Unternehmen WIKA, ein Hersteller für Druck- und Temperaturmesstechnik, aus Klingenberg bei Aschaffenburg hat die erfolgreich entwickelte Technologie von den Projektpartnern gekauft, wird nun das finale Produkt herstellen und anschließend global vermarkten.
„Der Einsatz von Astrose ist wirtschaftlich sehr attraktiv und hilft zugleich, die Ziele des aktuellen Netzentwicklungsplans der Bundesnetzagentur zu erreichen. Denn wenn bestehende Trassen länger genutzt werden können, lässt sich der Bedarf an neuen Freileitungen deutlich verringern“, sagt Geschäftsfeldleiter Alexander Hein und erklärt: „Deswegen erwarten wir, dass unser Produkt nicht nur in Deutschland, sondern auch weltweit sehr gefragt sein wird.“
Energiesystem in Deutschland wird dank Energieforschung modernisiert
Mit der in den Verbundvorhaben entwickelten Sensortechnologie steht Netzbetreibern jetzt also eine skalierbare Lösung zur Verfügung, um Stromleitungen intelligenter zu überwachen, Netzkapazitäten besser auszuschöpfen und die Versorgungssicherheit zu stärken. Damit leisten die geförderten Vorhaben einen bedeutsamen Beitrag, das Energiesystem kostengünstig zu modernisieren. Daraus ergeben sich viele Chancen für den Export, was die Position des Unternehmens WIKA im internationalen Wettbewerb auf dem Gebiet moderner Energietechnologien stärkt.
Die Verbundprojekte ISOSTROSE, ASTROSE-VISION, ASTROSE-MAGIC und MoNet stehen beispielhaft für zahlreiche erfolgreiche Vorhaben, bei denen die angewandte Energieforschung die Wettbewerbs- und Zukunftsfähigkeit des Wirtschaftsstandorts Deutschland maßgeblich fördert. (kkl)
