Mit Gleichspannung in die Stromzukunft

Als man gegen Ende des 19. Jahrhunderts begann, Strom und elektrisches Licht zu nutzen, favorisierte der amerikanische Industriepatron George Westinghouse die Wechselspannung als Standard f¨¹r das aufzubauende Stromnetz. Er lieferte sich mit seinem Rivalen Thomas Alva Edison, der sich f¨¹r den Gleichstrom einsetzte, einen ebenso erbitterten wie skurrilen Streit, der als ?Stromkrieg? in die Geschichtsb¨¹cher einging (siehe Kasten). Wechselstrom setzte sich durch, und mit ihm Westinghouse, der seither als Vorreiter jener Technik gilt, die heute weltweit die Basis f¨¹r die Elektrizit?tsversorgung bildet. 100 Jahre nach seinem Tod stellt sich die Frage erneut, welches die technische Stromart der Zukunft ist.

Gleichstrom im Aufwind

Wechselstrom ?ndert seine Richtung periodisch. Er hat gegen¨¹ber dem immer in dieselbe Richtung fliessenden Gleichstrom den Nachteil, dass er bei der ?bertragung deutlich h?here Verluste produziert, die mit der Distanz zunehmen. Herk?mmliche Stromnetze sind deshalb daf¨¹r ausgelegt, die elektrische Energie nur 100 bis 200 Kilometer von wenigen zentralen Kraftwerken zu den Verbrauchern im Umkreis zu transportieren.

Im Zuge der Energiewende will Europa nun nachhaltigen Strom von Offshore-Windparks in der Nord- und Ostsee oder von Solarkraftwerken im S¨¹den ¨¹ber weite Distanzen in die Verbraucherzentren liefern. ?Bestehende Wechselstromnetze sind daf¨¹r ungeeignet?, sagt Christian Franck, Professor f¨¹r Hochspannungstechnik an der ETH Z¨¹rich. Zusammen mit seinem Team entwickelt er Technologien f¨¹r ein leistungsf?higes Stromnetz der Zukunft. ?Dieses wird auf Gleichstrom basieren?, ist sich Franck sicher. Im Fokus steht die sogenannte Hochspannungs-Gleichstrom-?bertragung (HG?), die Energie mit einem Verlust von lediglich rund drei Prozent pro Tausend Kilometer transportieren kann. HG? bildet die Grundlage des europ?ischen ?Supergrid?, das parallel zum bestehenden Wechselstromnetz gebaut werden soll.

HG? ist an sich keine neue Technik. Sie wird zum Beispiel bereits verwendet, um das skandinavische Netz mit dem europ?ischen Festland durch die Nord- und Ostsee hindurch zu verbinden. Doch HG?-Leitungen bestehen bislang nur als Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, an deren Anfang und Ende aufw?ndige Umrichterstationen stehen, die den Wechselstrom verlustreich zu Gleichstrom umwandeln und wieder zur¨¹ck. Um die Vorteile der Gleichstromtechnik aussch?pfen zu k?nnen, braucht es ein stabiles Netzwerk. Dazu m¨¹ssen sich nicht nur die Hersteller von Gleichstromtechnik auf einen Standard einigen, sondern es m¨¹ssen auch noch wesentliche technische L¨¹cken geschlossen werden.

Sicherungen f¨¹r das Supergrid

Ein Problem ist, dass es noch keine Schutzger?te f¨¹r HG? gibt. F?llt etwa ein Baum auf eine Leitung und verursacht einen Kurzschluss, braucht es leistungsf?hige Schalter, welche die fehlerhafte Leitung schnell unterbrechen. ?hnlich wie bei den Sicherungen im Haus ist dabei die Geschwindigkeit zentral. Bei Hochspannungs-Gleichstromnetzen m¨¹ssten Fehlerstr?me von mehreren zehntausend Ampere innerhalb von Tausendstelsekunden unterbrochen werden k?nnen. ?Bislang gibt es leider nur wenige Prototypen f¨¹r solche Leistungsschalter?, sagt Franck. Diese k?nnen zwar den Strom schnell ausschalten, weisen aber hohe Verluste auf und sind sehr teuer. In einer Industriekooperation mit ABB arbeitet Francks Gruppe an einem Schalterkonzept, das gew?hnliche metallische Kontakte verwendet, um diese Nachteile wett zu machen. Da diese mechanisch ge?ffnet werden m¨¹ssen, um den Strom zu unterbrechen, sind die Abschaltzeiten aber noch etwas l?nger.

Bestehende Freileitungen nutzen

Im Hochspannungslabor der ETH machen sich die Forscher um Franck auch Gedanken dar¨¹ber, wie man ein HG?-Netz konkret aufbauen k?nnte. Das Supergrid-Konzept geht von neuen Starkstromleitungen aus, wie sie Deutschland derzeit f¨¹r die Nord-S¨¹d-Achse plant. Die Erfahrung lehrt jedoch, dass sich die Bev?lkerung massiv gegen solche Stromautobahnen wehrt. ?Noch ist es technisch und wirtschaftlich nicht m?glich, ein komplett unterirdisches Netz mit Kabeln zu realisieren, da deren ?bertragungskapazit?t noch zu gering ist?, sagt Franck. Eine L?sung sieht er darin, die bestehenden Hochspannungsmasten so umzur¨¹sten, dass einzelne Leiter auch Gleichstrom transportieren. Damit liesse sich die nutzbare ?bertragungskapazit?t im Idealfall fast verdreifachen. Im Rahmen eines Projekts mit Swissgrid untersuchen die Wissenschaftler, wie man Schweizer Strommasten daf¨¹r umbauen m¨¹sste.

Klimafreundliche Isoliergase

Francks Team forscht zudem an Gasen, mit denen hohe Spannungen auf engem Raum isoliert werden k?nnen, beispielsweise in Schalteranlagen von Elektrizit?tswerken oder auf Plattformen im Meer. Bislang wurde hierf¨¹r am h?ufigsten das Isoliergas Schwefelhexafluorid (SF6) verwendet. SF6 ist aber eines der st?rksten Treibhausgase ¨¹berhaupt: 1 Kilogramm davon erw?rmt das Klima ebenso stark wie 22800 Kilogramm CO2. Die Gruppe sucht daher nach klimaneutralen Gasmischungen, um SF6 zu ersetzen. Gel?nge dies, so k?nnte man vermehrt Gleichstromkabel mit diesem Ersatzgas isolieren, statt wie bisher meist mit festem Polyethylen. Denn gasisolierte Leitungen haben eine deutlich h?here ?bertragungskapazit?t. ?Nachhaltige und effizientere Kabel k?nnten dereinst eine Alternative f¨¹r neue Freileitungen werden?, hofft Franck. Sind die ETH-Forschenden mit all ihren Projekten erfolgreich, k?nnte Thomas Alva Edison auf lange Sicht den Stromkrieg doch noch gewinnen.