Forschung

Für die Übertragung elektrischer Energie über weite Strecken bietet die Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) gegenüber der konventionellen Drehstromübertragung (HDÜ) zahlreiche Vorteile. Vor allem in Ländern wie China oder Indien besteht ein immenser Bedarf an HGÜ Systemen, um die Anbindung dezentraler Kraftwerke an über einige Tausend Kilometer entfernte Ballungszentren zu realisieren. Die für diesen Zweck benötigten hohen Betriebsgleichspannungen von bis zu 800 kV führen zu schwer beherrschbaren Beanspruchungen von elektrischen Betriebsmitteln wie z.B. Hochspannungsschaltgeräten (siehe Bild links: Leistungsschalter im Prüffeld, Quelle: Siemens AG). Um einen sicheren und über die gesamte Lebensdauer zuverlässigen Betrieb zu erreichen, müssen kritische Beanspruchungen, die aufgrund von unerwünschten physikalischen Effekten auftreten können, beherrscht oder durch konstruktive Maßnahmen vermieden werden.
Im Rahmen des Forschungsprojekts werden die Entstehung und mögliche Auswirkungen von auftretenden physikalischen Effekten (z.B. Raumladungsakkumulation auf Isolierstoffoberflächen, veränderliche Werkstoffeigenschaften) experimentell und mithilfe numerischer Feldberechung untersucht. Ein wesentliches Ziel ist hierbei die Quantifizierung der Zusammenhänge zwischen der elektrischen Leitfähigkeit polymerer Isolierstoffe und verschiedenen äußeren Einflussfaktoren (z.B. Umgebungstemperatur und Umgebungsfeuchte). Die ermittelten ennwerte dienen als Grundlage für die Berechnung des kritischen elektrischen Feldverlaufs in verschiedenen praxisrelevanten Isoliersystemen.

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl.-Ing. B. Lutz.

Entwicklung eines Hochspannungs-Bordnetzes für Hybridfahrzeuge

Für Anwendungen in Hybridfahrzeugen muss ein vom konventionellen Niederspannungsbordnetz unabhängiges Hochvolt-Bordnetz entwickelt werden. Aufgrund der hohen Spannungsbeanspruchung und problematischen Umgebungsbedingungen im KFZ müssen neuartige Isolierwerkstoffe untersucht werden. Auch die Ansprüche an die mechanischen und thermischen Eigenschaften der Leitungen steigen ständig. Im Rahmen des Kooperationsprojektes LEIKOŠ arbeiten mehrere Lehrstühle der TU München mit der Automobilindustrie zusammen, um ein Hochvolt-Bordnetz für künftige Generationen von Hybridfahrzeugen zu entwickeln. Dabei stehen sowohl konventionelle, leitungsgebundene Ausführungen im Fokus der Betrachtungen, als auch alternative, funktionsintegrierte Bordnetzarchitekturen.

Es werden folgende Forschungsgebiete bearbeitet:

Analyse des Verhaltens von Hochtemperatur-Isolierwerkstoffen unter den speziellen Gegebenheiten im Kraftfahrzeug. Dazu zählen beispielsweise Hydrolyse-Untersuchungen unter HV-DC, Alterung von Isolierwerkstoffen durch Salzwasser und Salznebel sowie durch diverse Medien wie Motoröl und Benzin.

Verhalten elektrischer Kontakte in korrosiver Atmosphäre.
Die Bandbreite reicht dabei von grundlegenden Untersuchungen der Verbindungswiderstände an Beschichtungen bis hin zur speziellen Kontaktalterung in Korrosionskammern.

Simulationen zur elektromagnetischen Verträglichkeit von Komponenten des Hochvolt-Bordnetzes.
Die erstmalig im Kraftfahrzeug umgesetzte große elektrische Leistung mit hochfrequenten Anteilen in Spannung und Strom durch den Leistungsumrichter stellen hier vollständig neue Anforderungen an Kabelschirmungen.

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl.-Ing. M. Thalmeier

Nichtlineare Mikrovaristormaterialien zur Feldsteuerung

Zinkoxidkeramiken mit stark nichtlinearem elektrischem Widerstand (sog. Varistoren) werden als Überspannungsableiter zum Schutz von Bauteilen in allen Spannungsebenen eingesetzt. Dieses Material kann auch als sog. Mikrovaristorpulver gefertigt werden (siehe Bild links). In Kunststoffe eingemischt erhält man gut formbare Werkstoffe mit ähnlichen Eigenschaften. Ab einer bestimmten Feldstärke wird das Material leitfähig und die maximale Feldstärke auf diesen Wert begrenzt. Diese Eigenschaften erlauben den Bau sehr einfacher und kompakter Feldsteuerelemente. Als Kabelendverschluss z. B. in Form eines Schrumpfschlauches können diese sehr einfach montiert werden oder es können hochspannungstechnische Betriebsmittel realisiert, die ihr Feld selbst steuern.
Ziel der Arbeit ist die Erforschung der Eigenschaften von Mikrovaristorpulver und daraus gefertigten Verbundwerkstoffen, deren Alterungsverhalten und der dabei wirksamen Mechanismen.

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl.-Ing. D. Müllegger

Nanofüllstoffe für die Hochspannungstechnik

Kunststoffe finden in der Hochspannungstechnik in vielen Bereichen Anwendung, z.B. als Material für Freiluftisolatoren, Kabel, etc. Sie werden oft zu erheblichen Teilen mit Füllstoffen versehen, um bestimmte Eigenschaften zu erzielen bzw. zu verbessern. Zum Beispiel müssen Materialien für Freiluftisolatoren bestimmte Anforderungen an die Kriechstrombeständigkeit, mechanische Festigkeit und Witterungsbeständigkeit erfüllen.
Herkömmliche Füllstoffpartikel haben eine Größe von mehreren µm. In den letzten Jahren ist es gelungen, Partikel herzustellen, deren Größe unter 100 nm liegen. Erste Versuche zeigten, dass erstaunlicherweise eine sehr kleine Menge (meist weniger als 10%) dieser Nanopartikel ausreichend ist, um die gewünschte Eigenschaft zu erreichen und zum Teil andere Eigenschaften hervorzurufen. Verantwortlich dafür ist die Interphase, welche sich um die Füllstoffpartikel herum ausbildet. Unter der Interphase versteht man den Bereich des Polymers, in dem die Polymerketten eine anderes Ordnungsverhalten zeigen. Sie kann sehr interessante Eigenschaften aufweisen, die weder dem Matrixmaterial noch dem Füllstoffmaterial entsprechen. Durch die Verwendung von sehr kleinen (nanoskaligen) Füllstoffen wird der Anteil der Grenzflächen zwischen Matrixmaterial und Füllstoff sehr groß und der Anteil der Interphase steigt entsprechend. Ist der Anteil der Interphase groß genug, so können die Eigenschaften des gesamten Werkstoffes beeinflusst werden.
In diesem Forschungsschwerpunkt soll herausgearbeitet werden, welche für die Hochspannungsisoliertechnik vielversprechenden Eigenschaften die Interphase aufweisen kann und wie diese sinnvoll für neue Isolierwerkstoffe genutzt werden können.

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl.-Ing. J. Seiler

Werkstoffeigenschaften von Isolierstoffen

In diesem Forschungsgebiet werden die Werkstoffeigenschaften von Isolierstoffen der Elektrotechnik, speziell von Silikonelastomeren untersucht. Diese Silikonelastomere finden aufgrund ihrer überlegenen Eigenschaften gegenüber Glas und Porzellanisolatoren zunehmend Anwendung in der Freiluftisoliertechnik. Sie werden als Isolierstoff bei Kabelgarnituren, Überspannungsableitern und Isolatoren eingesetzt. Besonders bei Verbundisolatoren, zum Beispiel aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffkern mit Silikonelastomerumhüllung, führt die Kombination von Gewichtsersparnis, hervorragenden mechanischen Eigenschaften und im Allgemeinen hervorragenden elektrischen Eigenschaften zu deutlichen Vorteilen gegenüber Isolatoren aus Glas und Porzellan. Die wasserabweisende Wirkung (Hydrophobie) von Silikonelastomeren, ermöglicht ein hervorragendes Fremdschichtverhalten solcher Isolatoren. Es werden Verfahren untersucht, mit denen die Eigenschaften dieser Isolierstoffe bewertet werden können. Einer der Schwerpunkte hierzu ist die Messung von Tropfenrandwinkeln. Mit Hilfe der Tropfenrandwinkel können Aussagen über den Grad, die Beständigkeit gegen diverse Belastungen (Nässe, Verschmutzung, Teilentladungen etc.), die Wiederkehr nach Verlust und die Transferfähigkeit der Hydrophobie durch künstlich aufgebrachte Fremdschichten gemacht werden.
Mit dem Dynamichen Tropfenprüfverfahren werden die Stabilität der Hydrophobie gegen fremdschichtinitiierte Teilentladungen sowie die Wiederkehr der Hydrophobie untersucht.
Bei allen Messverfahren gilt ein besonderes Augenmerk der Rauheit der Oberflächen, da diese einen signifikanten Einfluss auf die Hydrophobie hat. Die Rauheit wird mit taktilen sowie optischen Messverfahren untersucht.
Es ist generell das Ziel dieser Forschung, standardisierte Messverfahren zu entwickeln, mit deren Hilfe sowohl Hersteller wie auch Anwender von Isolierstoffen die Eigenschaften derselbigen beschreiben und bestimmen können.

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl.-Ing. A. Hergert .

Gasisolierte Schaltanlagen

Gasisolierte Hochspannungsleitungen (GIL) sind neben Kabeln und Freileitungen ein wichtiges System zur Energieübertragung. Vor allem wegen ihrer kompakten Bauweise, großen Leistungsdichte und elektromagnetischen Verträglichkeit werden sie in Ballungsräumen und Orten mit speziellen Anforderungen häufig eingesetzt. Ziel dieser Studie ist es, Möglichkeiten zur Verbesserung des dielektrischen Verhaltens von Systemen mit SF6-Isolation zu untersuchen. Eine höhere elektrische Festigkeit der Gasstrecke soll erreicht werden. Die bestehenden Anlagen sollen dadurch mit einer höheren Leistung betrieben werden können. Neue Anlagen können kompakter konzipiert werden, um Kosten bei Installation, Wartung und Platzbedarf zu reduzieren. Die Konkurrenzfähigkeit gegenüber anderen Übertragungssystemen wie Kabeln und Freileitungen wird somit verbessert. Im Betrieb von GIL stellen produktionsbedingte Oberflächenrauheiten von Gussoberflächen ein Problem bezügliche der Betriebssicherheit dar. An den rauen Oberflächen kommt es zu einer Überhöhung des elektrischen Feldes und einer Begünstigung des Durchschlags. Kostenbedingt können nicht überall polierte Oberflächen eingesetzt werden. Mit einer dünnen dielektrischen Schicht (ca. 100 µm) soll den Mikrofeldern entgegengewirkt werden.

Nähere Einzelheiten siehe Publikationen von Dipl.-Ing Ch. Lederle.

Studie Regelung Q(U)

Das Stabilitätsverhalten einer spannungsabhängigen Blindleistungsregelung Q(U) soll anhand der Verhältnisse in realen Niederspan-nungs-Netzen in einem Modellversuch am Fachgebiet Elektrische Energieversorgungsnetze der Technischen Universität München neutral beurteilt werden. Dabei soll geklärt werden, ob mit einem universellen Parametersatz bei allen in der Realität zu erwartenden Einbausituationen im Netz ein stabiler Betrieb ohne unzulässige Wechselwirkungen der Wechselrichter untereinander möglich ist.
Übersicht als PDF

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl.-Ing. Peter Esslinger

Gasisolierte Rohrleitungen (GIL)

Durch die Energieerzeugung aus Offshore-Windparks und der damit verbundenen verbraucherfernen Erzeugung werden zusätzliche Übertragungskapazitäten und Übertragungstechnologien notwendig um diese hohen Leistungen in die Energiesysteme integrieren zu können. Da Hochspannungsfreileitungen in den notwendigen Genehmigungsverfahren immer schwerer zu realisieren sind, werden erdverlegte Lösungen entwickelt. Der Technologie der gasisolierten Rohrleitung wird dafür als Alternative zu Hoch- und Höchstspannungskabeln großes Potential eingeräumt. Vorteile der gasisolierten Rohrleitung gegenüber dem Kabel sind neben der niedrigeren Betriebskapazität vor allem die höhere thermische Übertragungsfähigkeit. Am Fachgebiet Elektrische Energieversorgungsnetze werden die Übertragungseigenschaften von gasisolierten Rohrleitersystemen analysiert, in Netzberechnungsprogrammen implementiert und die Wechselwirkungen mit dem Übertragungsnetz erforscht.

Kontaktadresse für nähere Informationen: Dipl.-Ing. F. Goll.

Quelle: Siemens AG

Integration der Elektromobilität in das Energieversorgungsnetz

Aufgrund der Ressourcenknappheit von Öl und des Klimawandels wird zurzeit stark an der Elektromobilität als Alternative zu Autos mit Verbrennungsmotoren geforscht. Die Fahrzeuge werden hierbei an der hauseigenen Steckdose aufgeladen und stellen dadurch das Energieversorgungsnetz vor neue Herausforderungen. Die für den Fahrbetrieb erforderlichen Energiespeicher können als Netzdienstleister verwendet werden und somit Lastspitzen ausgleichen und für eine bessere Deckung von Energieerzeugung und verbrauch sorgen. Die Energiespeicher der Elektrofahrzeuge erleichtern außerdem die Integration von nichtplanbaren Energieerzeugungsanlagen wie z.B. Photovoltaikanlagen. Am Fachgebiet Elektrische Energieversorgungsnetze wird an Konzepten zur Netzintegration von Elektrofahrzeugen und deren Auswirkungen auf die unterschiedlichen Ebenen der Energieversorgungsnetze geforscht.

Kontaktadresse für nähere Informationen: Dipl.-Ing. G. Stöckl.

Quelle: http://www.autoexpress.co.uk/

Entwurf, Dimensionierung und Regelung von elektrischen Verteilnetzen mit einem hohen Anteil dezentraler und fluktuierender Einspeiser

Seit Inkrafttreten des "Gesetzes für den Vorrang Erneuerbarer Energien" (EEG) ist eine stetig steigende Anzahl dezentraler Erzeuger in Deutschland zu verzeichnen. Die Ziele der Bundesregierung sehen bis zum Jahr 2020 einen Anteil der erneuerbaren Energieträger am Bruttostromverbrauch von 25 % bis 30 % vor. Besonders durch die enorme Einspeisung von Photovoltaik-Anlagen stoßen Niederspannungs-Verteilnetze zunehmend an Belastungsgrenzen.
Als Alternative zum notwendigen Ausbau der Verteilnetze kann die überschüssige elektrische Energie vor Ort zwischengespeichert werden. In Zeiten von hoher Last und geringer Einstrahlung wird die gepufferte Energie rückgespeist und hilft somit, den Lastgang zu vergleichmäßigen. Auch eine Nutzung der regenerativ erzeugten elektrischen Leistung zur Substitution anderer Primärenergiequellen (Erzeugung von Wasserstoff, Nutzung in Elektro-Fahrzeugen) kann zu einer ausgeglichenen Netzbelastung beitragen. Netze und Speicher sollen dabei optimal ausgenutzt und wirtschaftlich betrieben werden.

Kontaktadresse für nähere Informationen: Dipl.-Ing. M. Lödl.

Auswirkungen von dezentraler regenerativer Energieerzeugung auf die Verteilnetze

Erneuerbare Energien stehen im Fokus der europäischen und der deutschen Energiepolitik. So soll der Anteil der regenerativen Energien am Stromverbrauch in Deutschland bis 2010 auf 12,5% verdoppelt werde, bis 2020 ist ein Anteil größer 20% angestrebt. Hierfür wurden gezielt Fördermaßnahmen eingeführt. Im Süddeutschen Raum hat sich der Anteil insbesondere von Photovoltaikanlagen stark erhöht, die bevorzugt in die Verteilebene einspeisen und dort die Planer und Betreiber vor neue Herausforderungen stellen. Untersucht wird die Aufnahmefähigkeit bestehender Verteilnetze für dezentrale Energieerzeugung, sowie die Optimierungspotentiale verschiedener technischer Möglichkeiten zur energie- und kosteneffizienten Einspeisung.

Kontaktadresse für nähere Informationen: Dipl.-Ing. M. Lödl.

Anschluss von Offshore-Windparks an das Höchstspannungsnetz

Seit der Verabschiedung des Infrastrukturplanungs-beschleunigungsgesetzes (17.12.2006) sind die deutschen Energieversorger auch für die Bereitstellung eines Übertragungsnetzes bis zu den Transformatorklemmen der geplanten Offshore- Windparks (OWP) in der Nord- und Ostsee verantwortlich. Alleine in der Nordsee sind annähernd 30 Windparks mit unterschiedlichsten Entfernungen zur Küste geplant. In Summe wurden eine Einspeiseleistung von etwa 12.000 MW bis zu Jahr 2012 bei den Unternehmen E.ON und Vattenfall beantragt. In der ersten Ausbaustufe werden pro Windpark etwa 80 Windenergieanlagen mit jeweils bis zu 5 MW anzuschließen sein
Am Fachgebiet für Elektrische Energieversorgungsnetze wird an der Auswahl geeigneter Übertragungstechnologien und der Entwicklung eines Gesamtkonzeptes für das Offshore- Übertragungsnetz gearbeitet.

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl.-Ing.(FH) Th. Ahndorf - M.Eng.

Dezentrale Überwachung und Verbesserung der Netzqualität unter Einsatz von Leistungselektronik und neuen IKT Technologien

Durch zunehmende unstetige, dezentrale Einspeisung von Strom (Photovoltaik (PV), Wind, Blockheizkraftwerk (BHKW), ) gelangen elektrische Energieversorgungsnetze immer mehr an die Grenzen ihrer Belastungsfähigkeit, insbes. im Erreichen der maximal zulässigen Spannung. Bisherige Überlegungen sehen entweder eine Begrenzung der dezentralen Einspeisung oder einen kostenintensiven Netzausbau vor, um diesen Problemen abzuhelfen. Ein weiteres Problem sind zunehmende Störaussendungen von leistungselektronischen Systemen (Oberschwingungen).
Durch ein innovatives Kommunikationskonzept und Systemkonzept zur Lösung von Echtzeit-Regelaufgaben in Energieverteilnetzen könnte kostengünstig, örtlich differenziert und zeitnah der Zustand der Netze (Netzqualität) erfasst und durch Ansteuerung der dezentralen Wechselrichter ein wesentlicher Beitrag zur Erhöhung der übertragbaren Leistung und Verbesserung der Netzqualität, d.h. Stabilisierung der Spannung, Blindleistungskompensation, Filterung/Kompensation von Oberschwingungen etc. geleistet werden. Im Projekt NETZQ wird eine entsprechende Gerätetechnik entwickelt und dieser Lösungsvorschlag in einem Modellversuch exemplarisch in zwei Teilnetzen (Stadt, ländlicher Raum) erprobt.

Weitere Informationen (Poster, Flyer)

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl.-Ing. Peter Esslinger

Analyse der Auswirkungen von hoher PV-Einspeisung und Untersuchung zur besseren Integration derselben in Mittel- und Niederspannungsnetzen

Die stetig steigende Zahl von dezentralen Einspeisern stellt die Netzversorgungsunternehmen vor neue Herausforderungen. War der Leistungsfluss seit der Entstehung der Netze bis vor einigen Jahren stets von Großkraftwerken zu Endkunden gerichtet, so treten inzwischen auch Zeiten mit Rückspeisung aus dem Nieder- bzw. Mittelspannungsnetz auf.
In Kooperation mit der Hochschule München und e.on Bayern wird im Forschungsprojekt Netz der Zukunft der aktuelle Netzzustand von einem Mittelspannungsnetz und einigen unterlagerten Niederspannungsnetzen mit hoher PV-Durchdringung analysiert. Durch den Einsatz von intelligenten Stromzählern bei Anlagenbetreibern und Messpunkten an Transformatorstationen und Umspannwerken sollen die Auswirkungen der Einspeisung von regenerativer Energie in beide Netzebenen aufgezeigt werden. Mit den Ergebnissen sollen Konzepte und Maßnahmen erarbeitet werden, nach denen das Netz möglichst effizient erweitert, geführt und somit die gewohnte Versorgungssicherheit auch bei hoher PV-Durchdringung gewährleistet werden kann.

Ansprechpartner für weitere Informationen: Dipl.-Ing. Robert Pardatscher

www.eon-bayern.com/netz-der-zukunft

Thalmeier

05.08.2010