Das Stromnetz der Zukunft spart Energie

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 befindet 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.