Pfingsten floss soviel Sonnenstrom durchs Netz wie noch nie. Windparks fahren ihre Leistung runter, weil sie den Strom nicht loswerden. Auf der anderen Seite drohte im Februar ein Blackout, weil kaum Sonne schien, der Wind nicht wehte und konventionelle Kraftwerke auf Sparflamme liefen. Schlagzeilen aus dem vergangenen halben Jahr, die vor allem eins zeigen: das Stromnetz ist sehr schwankenden Belastungen ausgesetzt und es ist an seiner Grenze. Neue Leitungen müssen her – und die vorhandenen effektiver ausgenutzt werden. Das sollen künftig Sensoren übernehmen.
Netzbetreiber wüssten gern, was wirklich mit den Leitungen los ist. Hängen sie stark durch, weil die Sonne auf sie prasselt und viel Strom durch sie fließt? Oder kühlt der Wind sie ab, so dass die Erhitzung durch den Stromfluss kaum eine Rolle spielt?
"Aus Mangel an Information muss ich immer vorsichtig mit den Trassen umgehen. Damit ich keinen Blackout generiere. Und das bedeutet, dass ich die Trassen immer unter ihrem erlaubten Energieniveau fahren muss",
sagt Olfa Kanoun, Professorin für Mess- und Sensortechnik an der TU Chemnitz. Modellrechnungen sagen: Bis zu 20 Prozent mehr Strom könnte eigentlich durch die Leitungen fließen. Um diese Reserven anzuzapfen, hoffen die Netzbetreiber auf Sensoren, die die Leitungen permanent überwachen. Bislang existiert nur ein System, dass die Längenänderungen der Kabel misst, was Rückschlüsse auf die Temperatur ermöglicht.
Messung und Datenübertragung erfordern aber umfangreiche Installationen an den Masten - und das ist teuer. So kurios es klingt: Die Überwachung der Hochspannungskabel scheitert am fehlenden Strom für die Sensoren. Spannungen von 110.000 oder 380.000 Volt verträgt kein Sensor und kein Funkmodul. Mit Batterien betriebene Systeme müssten regelmäßig ausgetauscht werden.
Die angestrebte Lösung heißt deshalb Energy-Harvesting, Energieernte aus dem Stromkabel. Die Freiburger Firma Micropelt benutzt dazu thermoelektrische Wandler, die die Temperaturdifferenz zwischen Kabel und Luft ausnutzen, um Strom zu erzeugen. Dafür müssen aber mindestens Unterschiede von 10 Grad herrschen und die Wandler brauchen mehrere Stunden, um ausreichend Energie für die Datenübertragung per SMS zu sammeln. Die Chemnitzer Wissenschaftler gehen einen anderen Weg und ernten die Energie aus dem elektrischen Feld der Kabel, erklärt Diplomingenieur Thomas Keutel.
"Vielleicht hat der eine oder andere das Bild vor Augen, dass eine Neonröhre unterhalb von einer Hochspannungsleitung zu leuchten beginnt, einfach durch den Spannungsunterschied, der durch das elektrische Feld der Hochspannungsleitung hervorgerufen wird."
Dieses elektrische Feld ist am Kabel sehr stark, gen Boden nimmt es ab. Diese Differenz nutzen die Chemnitzer, um die Energie des elektrischen Feldes mit einer Art Kondensator zu einzufangen. Dieser besteht aus zwei handlangen kunststoffummantelten Teilen, die um das Stromkabel geschraubt werden. Das Kabel selbst ist die eine Elektrode, die andere befindet an der Innenseite des Plastikgehäuses.
Innerhalb weniger Minuten sammelt der Kondensator ausreichend Energie, um die Sensoren mit Strom zu versorgen. Diese messen den Stromfluss, die Seiltemperatur, den Durchhang und die durch Wind ausgelösten Schwankungen der Kabel. Außerdem versorgt der Energieernter noch eine Funkstation, die die Werte im Viertelstundenrhythmus weiterleitet.
"Und unsere Arbeit ist eigentlich aus dieser schwankenden Quelle, eine stabile Spannungsquelle aufzubereiten."
Das erfordert ein intelligentes Energiemanagement im Sensor. Während er für das eigentliche Messen nur wenig Energie braucht, entlädt sich der Kondensator beim Weiterfunken der Daten schnell. Die Chemnitzer Forscher setzen auf energiesparende Datenübertragung im 2,4-Gigahertzbereich, den auch kabellose Tastaturen oder Fernsteuerungen nutzen. Jeder Sensorknoten bekommt dabei die Daten das Nachbarknotens und funkt diese zum nächsten weiter, bis die Informationen die Schaltwarte erreichen. Ein defekter Sensorknoten wird einfach übersprungen.
Im Labor haben die Sensoren ihre Bewährungsproben bestanden. Derzeit wird eine Hochspannungsleitung im Erzgebirge mit den Chemnitzer Sensoren ausgerüstet. In einigen Monaten werden die Forscher wissen, ob ihre Modellannahmen stimmen und man vielleicht deutlich weniger neue Stromtrassen braucht als angenommen.
Netzbetreiber wüssten gern, was wirklich mit den Leitungen los ist. Hängen sie stark durch, weil die Sonne auf sie prasselt und viel Strom durch sie fließt? Oder kühlt der Wind sie ab, so dass die Erhitzung durch den Stromfluss kaum eine Rolle spielt?
"Aus Mangel an Information muss ich immer vorsichtig mit den Trassen umgehen. Damit ich keinen Blackout generiere. Und das bedeutet, dass ich die Trassen immer unter ihrem erlaubten Energieniveau fahren muss",
sagt Olfa Kanoun, Professorin für Mess- und Sensortechnik an der TU Chemnitz. Modellrechnungen sagen: Bis zu 20 Prozent mehr Strom könnte eigentlich durch die Leitungen fließen. Um diese Reserven anzuzapfen, hoffen die Netzbetreiber auf Sensoren, die die Leitungen permanent überwachen. Bislang existiert nur ein System, dass die Längenänderungen der Kabel misst, was Rückschlüsse auf die Temperatur ermöglicht.
Messung und Datenübertragung erfordern aber umfangreiche Installationen an den Masten - und das ist teuer. So kurios es klingt: Die Überwachung der Hochspannungskabel scheitert am fehlenden Strom für die Sensoren. Spannungen von 110.000 oder 380.000 Volt verträgt kein Sensor und kein Funkmodul. Mit Batterien betriebene Systeme müssten regelmäßig ausgetauscht werden.
Die angestrebte Lösung heißt deshalb Energy-Harvesting, Energieernte aus dem Stromkabel. Die Freiburger Firma Micropelt benutzt dazu thermoelektrische Wandler, die die Temperaturdifferenz zwischen Kabel und Luft ausnutzen, um Strom zu erzeugen. Dafür müssen aber mindestens Unterschiede von 10 Grad herrschen und die Wandler brauchen mehrere Stunden, um ausreichend Energie für die Datenübertragung per SMS zu sammeln. Die Chemnitzer Wissenschaftler gehen einen anderen Weg und ernten die Energie aus dem elektrischen Feld der Kabel, erklärt Diplomingenieur Thomas Keutel.
"Vielleicht hat der eine oder andere das Bild vor Augen, dass eine Neonröhre unterhalb von einer Hochspannungsleitung zu leuchten beginnt, einfach durch den Spannungsunterschied, der durch das elektrische Feld der Hochspannungsleitung hervorgerufen wird."
Dieses elektrische Feld ist am Kabel sehr stark, gen Boden nimmt es ab. Diese Differenz nutzen die Chemnitzer, um die Energie des elektrischen Feldes mit einer Art Kondensator zu einzufangen. Dieser besteht aus zwei handlangen kunststoffummantelten Teilen, die um das Stromkabel geschraubt werden. Das Kabel selbst ist die eine Elektrode, die andere befindet an der Innenseite des Plastikgehäuses.
Innerhalb weniger Minuten sammelt der Kondensator ausreichend Energie, um die Sensoren mit Strom zu versorgen. Diese messen den Stromfluss, die Seiltemperatur, den Durchhang und die durch Wind ausgelösten Schwankungen der Kabel. Außerdem versorgt der Energieernter noch eine Funkstation, die die Werte im Viertelstundenrhythmus weiterleitet.
"Und unsere Arbeit ist eigentlich aus dieser schwankenden Quelle, eine stabile Spannungsquelle aufzubereiten."
Das erfordert ein intelligentes Energiemanagement im Sensor. Während er für das eigentliche Messen nur wenig Energie braucht, entlädt sich der Kondensator beim Weiterfunken der Daten schnell. Die Chemnitzer Forscher setzen auf energiesparende Datenübertragung im 2,4-Gigahertzbereich, den auch kabellose Tastaturen oder Fernsteuerungen nutzen. Jeder Sensorknoten bekommt dabei die Daten das Nachbarknotens und funkt diese zum nächsten weiter, bis die Informationen die Schaltwarte erreichen. Ein defekter Sensorknoten wird einfach übersprungen.
Im Labor haben die Sensoren ihre Bewährungsproben bestanden. Derzeit wird eine Hochspannungsleitung im Erzgebirge mit den Chemnitzer Sensoren ausgerüstet. In einigen Monaten werden die Forscher wissen, ob ihre Modellannahmen stimmen und man vielleicht deutlich weniger neue Stromtrassen braucht als angenommen.