Image: Auf der Suche nach besseren TrafosFERCHAUFERCHAUFooTToo
TechnikWeniger Reibungsverluste durch neues Kernmaterial

Auf der Suche nach besseren Trafos

Lesezeit ca.: 4 Minuten
Rüdiger Vossberg

Rüdiger Voßberg

freier Journalist

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.