Genauer im Bild über Rest-Kapazitäten

Technik

Monitoring - Im Pilotprojekt Astrose testen Netzbetreiber und Forscher energieautarke Sensorknoten an Hochspannungsleitungen. Das Ziel: Reserven im Stromnetz aufspüren.

29. November 2011

>Wenn es stürmt in Nord- und Ostdeutschland, wird es regelmäßig eng in den Hoch- und Höchstspannungsnetzen. »Wir sind im Moment in einer Situation, dass wir hohe Einspeisungen aus den Erneuerbaren in unserem Hochspannungsnetz haben und künftig eine sehr große Zunahme erwarten. Das Netz ist aber für diese Einspeisemengen nicht ausgelegt«, so Hanjo During von der envia Verteilnetz, die rund 6.000km Hochspannungsleitungen in Ostdeutschland betreibt.

Netzbetreiber setzen bereits verschiedene Verfahren des Freileitungs-Monitoring ein, um die Netzkapazitäten kurzfristig zu erhöhen: Sie nutzen Reserven, die sich aus einer normierten Annahme der ungünstigsten Wetterbedingungen für den Leitungsbetrieb und dem tatsächlichen Zustand der Leitung ergeben. Bei günstigen Wetterlagen konnten sie so die Übertragungskapazitäten um 20% und mehr erhöhen.

Wieviel Strom eine Freileitung transportieren darf, hängt stark von der Temperatur ab. Erhitzen sich die Seile durch Stromfluss oder Sonne, dehnen sie sich aus und hängen durch. Kommen sie dabei Boden, Gebäuden, Fahrzeugen oder Menschen zu nah, besteht die Gefahr eines tödlichen Stromschlags. Um dies auszuschließen, sind verbindliche Sicherheitsabstände vorgeschrieben.

Gleichzeitig wird der zulässige Stromfluss nach der Annahme berechnet, dass die Umgebungstemperatur 35°C beträgt und die Windgeschwindigkeit 0,6m/s nicht überschreitet. Besonders viel Strom liefern Windenergieanlagen aber meist im Herbst und Winter, wenn die Freileitungen wetterbedingt gut gekühlt sind.

Bis 15 Prozent mehr Kapazität

Um diese Reserven im Netz ohne Abstriche an der Sicherheit besser zu nutzen, testen der Übertragungsnetzbetreiber Amprion und envia Verteilnetz ein neuartiges energieautarkes Sensornetzwerk zur Überwachung von 110-kV- und 380-kV-Leitungen. »Aktuelle Schätzwerte auf Basis bisher notwendig gewordener Reduzierungen der Einspeiseleistung an Netzengpässen ergeben eine zusätzliche Erhöhung der Übertragungskapazität um weitere fünf bis 15 Prozent«, führt Sebastian Lissek von envia Verteilnetz aus. »Genauen Aufschluss über das tatsächlich vorhandene Potenzial wird die wissenschaftliche Untersuchung des Pilotprojektes im kommenden Jahr liefern.«

Bei dem derzeit laufenden Pilotprojekt unter dem Namen ASTROSE wird das Sensornetzwerk gemeinsam mit den Fraunhofer-Instituten für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und Elektronische Nanosysteme ENAS und weiteren Forschungs- und Industriepartnern entwickelt.

Das Projekt soll noch bis Ende Februar 2012 laufen. Technische Herausforderungen wie Energy Harvesting, Funkübertragung und die elektromagnetische Verträglichkeit sind gemeistert, auch die Pilot-Sensorknoten sind gefertigt und im Feldtest erprobt.

»Wesentliche Projekterkenntnis war, dass das elektrische Randfeld, das den stromdurchflossenen Leiter umgibt, tatsächlich in den Spannungsebenen der 110 und 380kV ausreichend viel Energie zur Verfügung stellt«, so Lissek zum Energy Harvesting. Die Einkopplung der Energie erfolgt dabei über eine Kapazität, die sich im Sensorgehäuse-Innenraum zwischen dem Gehäuse als Außenelektrode und dem Leiterseil aufbaut. Dazu ist die Außenhülle von innen leitend beschichtet, aber vom Leiterseil isoliert, um eine Potenzialdifferenz zwischen diesen beiden Punkten aufbauen zu können.

Als nächster Schritt steht noch der Aufbau einer Funkkommunikation entlang einer Sensorkette von fünf Sensorknoten in einem abschließendem Feldtest an. Auch wollen die Projektbeteiligten das Sensornetz an die Leittechnik der EVU über einen Basisknoten in der Umspannanlage anbinden sowie die Messwerte über ein Web-Interface visualisieren. Die Entwicklung einer marktgängigen Lösung steht ebenfalls noch aus.

Pilotstreckenabschnitt geplant

»Die ASTROSE-eGrains messen unter anderem den Neigungswinkel des Seils, den Stromfluss, die Temperatur sowie Windbewegungen. Alle Messwerte werden von eGrain zu eGrain bis an das nächste Umspannwerk gefunkt und dort in das zentrale Überwachungs- und Steuerungssystem eingespeist, beziehungsweise für internetbasierte Fernwartungssysteme der Netzbetreiber zugänglich gemacht«, erläutert Volker Großer vom IZM.

Das Projekt umfasste bisher Feldtests zur Funkübertragung, Sensorik und EMV-Verträglichkeit. Aus diesem Grund war lediglich eine temporäre Ausrüstung von 1 bis 2km Leitung über einen Zeitraum von mehreren Tagen notwendig. »Die ersten Feldtests konnten mit Fokus auf die Funkübertragung im Jahr 2010 durchgeführt werden, der letzte umfangreiche Feldtest erfolgte im Juni 2011. Die Dauer betrug ein bis drei Tage«, führt Lissek aus.

»Die Übertragung entlang des Leiterseils funktionierte besser als erwartet, die benötigte Funkreichweite von 500 Meter wurde um fast das Dreifache übertroffen.« Erreicht wurde dies durch die Entwicklung einer geeigneten Schlitzantenne an den beiden Stirnseiten des Sensorknotens. »Auch die übrigen Erfahrungen mit der Sensorik, sprich die erhaltenen Messergebnisse, waren außerordentlich zufriedenstellend.«

Für die Abschätzung des Systemverhaltens unter Echtbedingungen stehe für das kommende Jahr als Anschluss an das dann beendete Projekt die Realisierung einer Pilotstrecke im Hochspannungsnetz der envia Verteilnetz an. In diesem Piloten wird ein Streckenabschnitt von 10 bis 15 km mit den eGrains ausgerüstet und über den Zeitraum von mindestens zwölf Monaten erprobt.

»Eine wissenschaftliche Begleitung durch – aller Voraussicht nach – die TU Chemnitz soll die tatsächliche Kapazitätserhöhung der Leitung bestimmen und die Genauigkeit der Messung über die Korrelation von Neigung und Temperatur des Leiterseils festigen«, so Lissek.

Erschienen in Ausgabe: 10/2011