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Upgrade für Hochspannungsleitungen: Ein neuer Hochtemperaturleiter auf Aluminium­basis ertüchtigt bestehende Netze. Bild: 3M
Energieverteilung & -speicherung

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Netzschrittmacher aus Aluminium

Text: Thomas Junck, 3M
3600 Kilometer an zusätzlichen Hochspannungsleitungen sind für die Energiewende nötig. So groß wie diese Zahl sind die Hindernisse, die den Netzausbau erschweren. Warum also nicht vorhandene Freileitungen mit Hoch­temperaturleitern upgraden?

Bis zum Jahr 2020 soll in der Euro­päischen Union der Anteil der erneuer­baren Energien bei mindestens 20 Prozent liegen. Deutschland strebt sogar einen Mindestanteil von 35 Prozent an. Die Ziele sind klar abgesteckt – nun allerdings müssen die Energienetze folgen. Allen Fachleuten ist klar, dass die sich verändernde Struktur der dezentralen Energieerzeugung weitab der Verbrauchsschwerpunkte zwangsläufig mit leistungsfähigen Energienetzen einhergehen muss.

Alternativen zum Neubau von Stromtrassen

Die Deutsche Energie Agentur prognostizierte bereits 2010 für Deutschland einen zusätzlichen Bedarf an Hochspannungsleitungen von 3600 Kilometern. Wo dieser Ausbau aus ökonomischen, öko­logischen, rechtlichen oder anderweitigen Gründen nicht bis 2020 zu realisieren ist, sind Alternativen gefragt.

Die Energieerzeugung aus erneuer­baren Quellen steht nicht immer im Einklang mit dem Strombedarf der Verbraucher. Die entstehenden Energiespitzen können bei herkömmlichen Leitern zu überhöhten Temperaturen führen. Somit besteht die Gefahr, dass sich das Material zu stark ausdehnt und die Leitungen die erlaubten Bodenabstände unterschreiten. Herkömmliche Materialien können bis 80 °C betrieben werden. Solche Temperaturen sind an warmen Tagen mit wenig Wind schnell erreicht.

Ein Neubau von leistungsfähigeren Leitungen wiederum kann nicht überall realisiert werden, beispielsweise wenn die Trasse über einen nicht bebaubaren Grund führt. Innovative Hochtemperaturleiter ermöglichen es, die Übertragungskapazitäten vorhandener Freileitungen schnell und effizient zu steigern und somit zumindest teilweise auf aufwendige Neuprojektierungen weiterer Trassen zu verzichten.

HTLS: zeitsparend und wirtschaftlich

Sogenannte Hochtemperaturleiter mit geringem Durchhang (High Temperature Low Sag, ­HTLS) können unter bestimmten Rahmenbedingungen eine Alternative zum Neubau von Leitungen sein. Um diese einzusetzen müssen keine neuen Trassen gebaut werden. Stattdessen werden die Leiter an den bestehenden Masten ausgetauscht. Positiver Neben­effekt dabei ist, dass sich auf diese Weise die Planungs- und Genehmigungswege deutlich verkürzen lassen. Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass sich im Vergleich zum Neubau einer Trasse bis zu 40 Prozent an Zeit sparen lässt.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Leitern können Hochtemperaturleiter weit über 80 °C standhalten. Moderne HTLS hängen bei diesen Temperaturen weniger durch und sind so ausgelegt, dass sie selbst bei einem Hochtemperaturbetrieb die geforderten Mindestabstände nicht unterschreiten.

Dauerhaft bis 210 °C

Die Hochtemperaturleiterlösung des Multitechnologieunternehmens 3M beispielsweise kann bis zu 210 °C dauerhaft betrieben werden. Die Basis dafür schaffen die verwendeten Materialien: Herkömmliche Freileitungsseile bestehen meist aus einem Stahlkern umwickelt mit Aluminiumdrähten. Der moderne Hochtemperaturleiter von 3M dagegen setzt sich aus einem Kern aus Aluminium­oxidfasern und einem Mantel aus einer Aluminiumlegierung zusammen. In der Fachsprache wird dies als Aluminium Conductor Composite Re­inforced (­ACCR) bezeichnet.

Dieser Kern sorgt für eine hohe Beständigkeit gegen Korrosion und mechanische Belastungen etwa bei Eisbildung im Winter. Die zu erwartende Lebensdauer liegt deshalb bei mehr als 40 Jahren. Der entscheidende Vorteil: Der mit einem speziellen Aluminium-Keramik-Werkstoff verstärkte Leiter kann auf derselben Strecke bis zu 100 Prozent mehr Energie transportieren.

Auf Basis einer Aluminium-Matrix-Verbundtechnik kann der ACCR-Hochtemperaturleiter an die Stelle bisheriger Aluminium/Stahl-Seile treten, ohne dass Änderungen an vorhandenen Masten und Fundamenten erforderlich sind – damit baut der Leiter auf das seit Jahrzehnten bewährten Prinzip Al/St auf. Die Umwelt wird geschont, vorhandene Wegerechte können gegebenenfalls weiter genutzt werden.

Zudem bietet der Leiter beständige Leistungsmerkmale bei höheren Temperaturen: 210 °C im Dauerbetrieb und 240 °C im Notfallbetrieb bis zu 1000 Stunden kumulativ. Dabei lassen sich die ACCR-Hochspannungsleiter auf ähnlich einfache Weise wie Aluminium-Stahl-Leiter installieren. Denn bei der Entwicklung wurde darauf geachtet, dass praktisch die gleichen Verlegegeräte und Technologien wie für Standard-Aluminium/Stahl-Seile eingesetzt werden können.

Netzertüchtigung als effiziente Alternative

Wie eine Studie der RWTH Aachen belegt, kann die Netz­ertüchtigung wirtschaftlicher als ein Netzaus- oder -neubau mit herkömmlichen Stromseilen sein, da beim Tausch der Leiterseile die vorhandenen Strommasten weiter verwendet werden. Bei einem Szenario der Studie mit 50 Kilometern kann, je nach Einsatzvariante, die Ertüchtigung mit ACCR 12 oder 28 Prozent günstiger sein als ein Ersatz mit herkömmlichen Seilen und neuen Masten.

In der Studie unberücksichtigt blieb die Tatsache, dass eine Ertüchtigung mit ACCR im Gegensatz zu den anderen Varianten üblicherweise kein Planfeststellungsverfahren benötigt, was zu kürzeren Realisierungszeiten führt und einen enormen gesellschaftlich-volkswirtschaftlichen Vorteil birgt.

Unter dem Strich können ACCR-Lösungen je nach den Rahmenbedingungen wirtschaftlich eine Alternative zum Neubau von Leitungen sein. Die Beurteilung liegt letztendlich im Rahmen einer Vollkostenbetrachtung beim Energieversorger. Auch der Faktor Zeit kann durchaus eine Rolle bei der Entscheidung für ACCR-Leitungen spielen. Jedes einzelne Projekt erfordert eine individuelle Betrachtung. So werden die Leistungsdaten unter Berücksichtigung aller Einflussfaktoren (etwa Wechselwirkungen bei bestimmten Wetterlagen) durchgerechnet. Auf dieser Basis kann 3M den Netzbetreibern aufzeigen, ob ein Projekt technisch und wirtschaftlich sinnvoll ist.

Aluminium Conductor Composite Reinforced (ACCR) in der Praxis

ACCR-Leiter bieten bei der Ertüchtigung vorhandener Netze und beim Ausbau der Übertragungskapazität handfeste Vorteile. Zu den wesentlichen Voraussetzungen gehören vorab eine gründliche Bedarfsanalyse und Projektierung, in deren Zuge maßgeschneiderte Lösungen für das jeweilige Projekt gefunden werden.

Dies vorausgesetzt, bietet die Technologie zahlreiche Vorteile:

  • Geringerer temperaturbedingter Durchhang

  • Besseres Verhältnis von Zugfestigkeit zu Gewicht, so dass auch bei großen Spannweiten die aktuellen Spezifikationen für mechanische Belastungen, Eislast und so weiter eingehalten werden können

  • Eine hohe Korrosionsbeständigkeit, da sowohl Mantel als auch Kern aus Aluminium bestehen

  • Eine vergleichbare Beständigkeit, die selbst bei Hochtemperaturbetrieb eine zu erwartende Lebensdauer von 40 Jahren und mehr aufweist

  • Höhere Übertragungsfähigkeit bei gleichem Leiterquerschnitt

    Verdopplung bisheriger Leistung

  • Schnellere Realisierung durch Weiterverwendung bisheriger Masten und Fundamente

Seit der Markteinführung im Jahr 2001 hat sich die „Aluminium Conductor Composite Reinforced“-Technologie in über 140 Projekten weltweit störungsfrei bewährt.

In Deutschland hat 3M seit dem Jahr 2009 verschiedene ACCR-Pilotprojekte mit sämtlichen Übertragungsnetzbetreibern und zwei weitere Projekte mit Verteilnetzbetreibern erfolgreich umgesetzt.

Zurzeit sind rund 350 Kilometer ACCR-Leiterseil in Westeuropa installiert.

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