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Technik

Weniger Reibungsverluste durch neues Kernmaterial

Auf der Suche nach besseren Trafos

Wer Elektroautos fahren will, braucht neue Kraftwerke. Moderne Transformatoren mit innovativem Kernmaterial können den europäischen Energiehunger effizienter stillen.

20. Dezember 2016

Geht es nach dem Willen der Grünen, dann sollen in Deutschland ab dem Jahr 2030 keine Autos mehr mit Benzin- oder Dieselmotoren neu zugelassen werden. Dann gilt das Motto: Freie Fahrt für die Elektrischen! Aber wie viel Ladeleistung muss dann an den europäischen Steckdosen bereitgestellt werden, wenn die meisten Automobilisten auf dem geräuscharmen E-Trip wandeln? Experten haben eine Prognose gewagt.

Stromfresser auf Achse

Eine aktuelle Studie von Öko-Institut und Transport & Mobility Leuven im Auftrag der Europäischen Umweltagentur EEA hat einen zusätzlichen Bedarf an Erzeugungskapazitäten von 150 Gigawatt (GW) berechnet, wenn 80 Prozent der PKW in Europa mit Elektronensprit betrieben werden. Das ist fast viermal soviel Leistung wie heute in Deutschland per Solarenergie erzeugt wird. „Damit diese enorme Stromnachfrage, die durch die Elektromobilität entsteht, gedeckt werden kann, sind wesentliche zusätzliche Kapazitäten zur Stromerzeugung erforderlich“, konstatieren die Forscher. Lokale Stromnetze werden durch die Nachfrage der Elektrofahrzeugnutzer stark beansprucht werden. Deshalb wird das intelligente Lademanagement eine entscheidende Rolle bei der Elektronenverteilung spielen.

Trafoverluste auf dem Kieker

Die EU Studie „SEEDT – Strategies for development and diffusion of Energy Efficient Distribution“ hat in den aktuell 28 Mitgliedstaaten zirka 4,5 Millionen installierte Verteiltransformatoren im Stromnetz gezählt. In Umspannwerken erhöhen sie die Spannung, sodass der Strom sich per Hochspannungsleitung und dadurch mit geringerem Verlust über weite Strecken transportieren lässt. Am anderen Ende der Hochspannungsleitungen setzen Trafos die Spannung wieder herab, sodass der Strom schließlich mit 230 Volt aus der heimischen Steckdose kommt.

Während dieser Prozesse verursachen alle Transformatoren zusammen pro Jahr einen Energieverlust in Europa von rund 38 Terawattstunden – mehr als der gesamte jährliche Elektrizitätsverbrauch von Dänemark. Leerlaufverluste entstehen durch wechselnde Magnetisierung des Kerns (Hysterese-Verluste) und durch Wirbelströme im Kern: Sie treten auf, sobald der Transformator unter Spannung steht. Lastverluste entstehen in den Leitern durch Ohmsche Verluste und Wirbelströme: sie nehmen quadratisch mit der Last des Betriebes zu.

Trafos unter Strom

Die Politik hat das Problem erkannt. Die Europäische Union hat bereits 2014 eine Verordnung erlassen, die Anforderungen an die Energieeffizienz von Verteil- und Leistungstransformatoren spezifiziert. Diese Anforderungen sind für alle neu in Betrieb gesetzten Transformatoren in EU- und EWR-Ländern seit letztem Sommer gesetzlich bindend.

„Wir haben die Transformatoren im Umspannwerk Donaueschingen komplett erneuert“, berichtet der Leiter Abteilung Hochspannungsanlagen und Sekundärtechnik des Netzbetreibers ED Netze GmbH, Markus Linder. Durch diese Umrüstung konnte das Südbadener Unternehmen die Energieverluste insgesamt um ein Drittel reduzieren – insbesondere bei den Leerlaufverlusten.

Effiziente Trafos brummen leiser

Deren neuer Trafokern besteht nun aus zigtausenden kaltgewalzten, so genannten kornorientierten Elektroblechen. Die einzelnen Bleche sind hauchdünn, haben in der Regel eine Dicke zwischen 230 und 350 Mikrometern. Dadurch werden Wirbelstromverluste im Material reduziert. Das hat zugleich einen günstigen Einfluss auf die Geräuschentwicklung im Betrieb: Das charakteristische Trafobrummen wird leiser.

In ihrem „Urzustand“ weisen diese Eisen-Silizium-Legierungen des Trafokerns eine kornorientierte Gefügestruktur auf, welche die magnetischen Eigenschaften bestimmt. Die Einzelkristalle im Material – auch Körner genannt – sind in einer regelmäßigen periodischen Abfolge angeordnet. „Durch eine gezielte Wärmebehandlung mittels Hochleistungslasern lassen sich Bereiche gleicher magnetischer Orientierung verkleinern. Dadurch ändert sich die magnetische Struktur des Blechs“, erläutert der Geschäftsfeldleiter Laserabtragen und -trennen am Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS in Dresden, Andreas Wetzig. Nach dieser Laserbehandlung entwickeln die Bleche später im Trafoeinsatz weniger Wärme und damit auch weniger Ummagnetisierungsverluste.

Mit Neutronen auf das Trafoblech

Das Schweizer Paul Scherrer Institut (PSI) hat die Dresdener Bleche jetzt genauer unter die Lupe genommen, um zu klären, was sich im einzelnen Trafoblech genau ereignet. „Denn bislang funktioniert die Weiterentwicklung von Trafos eher nach der Devise Versuch und Irrtum“, konstatiert der Neutronen-Forscher, Christian Grünzweig. Warum ein neuer Trafo besser funktioniert als ein alter, ist im Detail bislang gar nicht klar. Mit Hilfe der Neutronen-Gitterinterferometrie können die Wissenschaftler nun die winzigen magnetischen Strukturen im Inneren der Bleche während des Trafobetriebes abbilden.

Eine wesentliche Rolle für den effizienten Trafo spielen hierbei die im Blech verborgenen winzigen magnetischen Domänen. Innerhalb dieser ist die magnetische Ausrichtung einheitlich. Die Grenzen dazwischen nennen Wissenschaftler „Domänenwände“. Der entscheidende Faktor für effiziente Trafos ist nun deren Mobilität. Wie sich die Domänenwände genau verhalten, ließ sich mit den bisher etablierten Methoden nur indirekt beobachten. „Wir bieten der Wissenschaft und Industrie jetzt eine neue Methode an, die zukünftig für bessere Transformatoren sorgen kann“, erklärt Grünzweig. Und ein Kraftwerk lässt sich damit bestimmt irgendwo im Europa des Jahres 2050 einsparen.

Autor

Rüdiger Voßberg,

Bernd Seidel &Friends