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01 Regelbarer Ortsnetz-Transformator Gridcon der Maschinenfabrik Reinhausen

Energieversorgung der Zukunft im Fokus

02 Strukturen optimierter leistungselektronischer Bauelemente

03 Prinzip der doppeltgespeisten Synchronmaschinen

Die wirtschaftlichen und technischen Herausforderungen des gegenwärtig bedeutendsten Infrastrukturprojekts – der Energiewende – und die damit verbundene, umfassende Nutzung regenerativer Quellen bestimmen Diskussionen in Politik und Fachwelt. Der ETG-Kongress am 5. und 6. November 2013 in Berlin war ein weiterer Schritt, politisches Handeln mit der Planung und der Umsetzung des komplexen Vorhabens in Einklang zu bringen.

Der Kongress der ETG am 5. und 6. November 2013 in Berlin richtete sich mit fünf Fachtagungen an ca. 600 Teilnehmer aus Industrie sowie Forschung und Lehre. Dabei ging es darum, wie sich die Energiewende, trotz Erfolgen wie den gesteigerten Stromexport in 2012 um ca. 300 % und ein Anteil der Erneuerbaren Energien von 25 % bei der Stromerzeugung, beschleunigen lässt und wie man erkennbare Defizite wirksam abbauen kann. So ist es Aufgabe, den Widerspruch zwischen sinkendem Börsenpreis des Stroms aufgrund des großen Anteils an erneuerbaren Energien (EE) sowie planwirtschaftlich steigenden Energiekosten für den Verbraucher kurzfristig wirtschaftlich tragfähig aufzulösen. Der summarische Kostenvorteil der Öko-Stromanlagen gegenüber den konventionellen Kraftwerken wird für 2050 auf 522 Mrd. € geschätzt. Dieser ist für die Gesamtgesellschaft nutzbar zu machen. Außerdem muss die Vermeidung der Entstehung von CO 2 mit den Erfolgen bei den EE Schritt halten. Zwar erreichte Deutschland bis jetzt das Kyoto- Ziel (Platz sechs im internationalen Ranking). Trotzdem bestehen beim Senken der Treibhausgaserzeugung erhebliche Reserven, zumal hierzulande zuletzt ein Anstieg um 2 % zu registrieren war, dessen Ursache im zu niedrigen CO 2 -Zertifikate- Preis zu finden ist. Eine treibhausgasneutrale Republik bedingt, dass die Schadstoffemission am Betrachtungshorizont 2050 gegenüber 1990 um 95 % gesunken sein müsste. Gegenwärtig vermindert sich in Europa der Ausstoß allerdings nur wenig. Weltweit erreichte er sogar ein Rekordhoch, welches die Klimaziele deutlich verfehlt. Die zu treffenden Entscheidungen beeinflussen das Leben der Folgegenerationen. Zum Kongressprogramm gehörte daher das „Junge Forum Energietechnik 2013“, welches gemeinsam von den Nachwuchsorganisationen der Cigre, der Section IEEE-Germany, der ETG und des Young Energynet veranstaltet wurde.

Politische Bedeutung und Security
Von dem künftigen Regierungsprogramm wird erwartet, dass die Rahmenbedingungen des Umbaus novelliert, Entscheidungswege verkürzt, mehr Innovationsanreize geschaffen sowie die Vergütung angepasst werden. Die Endverbraucher sind zwingend einzubinden. Ohne sie kommt die politisch gewollte und technisch mögliche Energiewende nach Überzeugung des VDE nicht voran. Um Synergien effizienter zu nutzen, den Umbau im gesetzten Rahmen zu schaffen, muss nach P. Micic über die technischen und wirtschaftlichen Aspekte hinaus eine „Revolution im menschlichen Denken“ Platz greifen. Dass diskutierte Themen auch praktische Umsetzung erfahren, belegt beispielhaft die erste der vier geplanten Nord-Süd-Verbindungen „Sued Link“. Zufolge der Netzbetreiber Tennet und Transnet BW wird die 800 km lange HGÜ-Trasse im Jahr der endgültigen Verabschiedung der Kernkraft 2022 Windenergie von Schleswig-Holstein nach Bayern und Baden-Württemberg transportieren. Das Schwerpunktthema „Security“ wurde in Kooperation mit dem International Institute of Critical Infrastructures (CRIS) betrachtet. So wurden wichtige Fragen von einer fiktiven Nuclear-Explosion, über das Beherrschen von Notfällen in kritischen Netzinfrastrukturen bis zum Zusammenspiel von Prozess- und IT-Sicherheit diskutiert. Die jüngsten, bisher unvorstellbaren Spähereignisse unterstreichen den Stellenwert dieser Thematik besonders im Interesse des Endverbrauchers.

Übertragung und Verteilung
Im Netzbereich sind die künftige Gestaltung und Leistungsfähigkeit der Übertragungs- und Verteilnetze, die Übertragungstechnologien wie HGÜ, die Standorte sowie (leistungselektronischen) Eigenschaften von Erzeugern, der Netzbetrieb und der Speichereinsatz von Bedeutung. Herausgestellt wurden auf dem ETG-Kongress auch konventionelle Lösungen wie regelbare Ortsnetz-Transformatoren (Bild 1). Aber auch konvergierende Hybrid-Netze (Strom-, Gas-, Wärmeverteilung) fanden Beachtung. Zur Spannungshaltung kann zudem gezieltes Zu- und Abschalten einer Wärmepumpe beitragen. Die optimale Nutzung von Smart Grid, Energiemanagement, Speichertechnologien sowie kontaktloser Energieübertragung erschließt sich nur mit auf die Applikation zugeschnittenen leistungselektronischen Bauelementen und Stromrichterschaltungen. Neue Technologien, wie die DC-Übertragung/- Verteilung (Schwerpunkt HGÜ, ebenso DC-Netze in großen Gebäuden), verlangen von den eingesetzten Betriebsmitteln einen hohen Wirkungsgrad, geringen Kühlaufwand, lange Lebensdauer, hohe Strom- und Spannungstragfähigkeit sowie niedrige Betriebskosten. Diese Bedingungen erfüllen IGCT, (Dual-)GCT, neue Strukturen, wie IETO (Bild 2) im Kontext mit verbesserten Stellgliedtopologien (zum Beispiel weichschaltende Mehr-Level-Stromrichter). Die kontaktlose Übertragung von Energie und Daten beschränkt sich nicht nur auf die Ladeinfrastruktur von Fahrzeugen, sondern erlangt auch in anderen Bereichen zunehmend an Bedeutung.

Leistungselektronik und Antriebstechnik
Die Senkung des Energieverbrauchs bleibt Kernbestandteil der Energiewende. Stand in der Vergangenheit die Funktion zum Senken der Verluste bei Antrieben im Vordergrund, rückt nun auch die stoffliche Seite in den Vordergrund, da verschiedentlich Verlustsenkungen kontraproduktiv mit materiellem Mehraufwand einhergingen. Ressourceneffizienz verbindet Energieeffizienz mit nachhaltiger Materialnutzung bei gleichzeitiger Verringerung der Schadstoffemission (Umweltbelastung). Diese veränderte Sichtweise bremst den Kostenanstieg und betrifft alle Komponenten des Antriebs und ihre Materialien (Cu, Si, Pulvermagnete, Faserverbundwerkstoffe, Isolierstoffe usw.). Neue und verbesserte Motorenkonzepte, wie Hochtemperatur- Supraleitung, Transversalflussmaschinen, doppeltgespeiste Synchronmaschinen (Bild 3), Reluktanzmaschinen und Hochtourigkeit, stützen die Erreichbarkeit des Ziels. Optimierte, verlustarme, schonende, mittelspannungsfähige Stromrichtertopologien, robustere Verbindungstechniken, intelligente, funktionelle Lösungen zur Diagnose und Überwachung selbst übergeordneter externer Betriebszustände sowie zyklusorientierte Prozessführung flankieren den Systemwechsel. Die Energieelektronik findet sich außerdem in jeder Komponente des Antriebsstrangs von Hybrid- bis Elektrofahrzeugen. Verbesserte Traktionsmotorkonzepte (permanenterregte und fremderregte Synchronmaschinen, Reluktanzmaschinen, statorerregte Synchronmaschinen sowie geschaltete Reluktanzmaschinen), effizientere Regelstrategien und Gesamtkonzepte, Ablösen der konduktiven Ladung durch die Kontaktlosigkeit bei Beherrschung der Positionierungenauigkeit (Einsatz von SiC-Bauelementen), optimierte Mosfet-Stromrichterschaltungen für das DC-Bordnetz, mechatronische Integration von Komponenten unterstreichen die erreichte Leistungsfähigkeit, Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz. Detailliertere Informationen zu den verschiedenen Themen liefern die Fachberichte in dem Band zum 139. internationalen ETG Kongress 2013.

Ausblick
Die für die Energiewende notwendige Verfügbarkeit technischer Fähigkeiten ist weiter gestiegen. Sie ersetzen nicht den im Sinne der VDE-Empfehlungen noch ausstehenden umwelt-, ressourcen- und bevölkerungskompatiblen Gesamtplan als Bedingung dafür, die günstige Ausgangsposition zielführend zu nutzen. (no)

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Autor:
Dr. Joachim Krause ist freier Journalist in Berlin und besuchte den ETG-Kongress im Auftrag der etz-Redaktion. joba.krause@freenet.de