Sensible Energiekabel unter der Erde

09.08.2017

Sensible Energiekabel unter der Erde

Interdisziplinäres TU-Forscherteam untersucht Wärmeleitfähigkeit von Erdkabelbettungen

Der störungsfreie Betrieb der Energieverteilungsnetze ist im Zeitalter erneuerbarer Energien eine Herausforderung. Forscher der Fachbereiche Elektrotechnik und Informationstechnik und Material und Geowissenschaften der TU Darmstadt zeigen, wie Netzbetreiber Erdkabel effizienter betreiben und ausbauen können.

Professor Volker Hinrichsen (li.) und Doktorand Constantin Balzer auf dem Versuchsfeld in Griesheim. Bild: Katrin Binner
Professor Volker Hinrichsen (li.) und Doktorand Constantin Balzer auf dem Versuchsfeld in Griesheim. Bild: Katrin Binner

Wenn Kabel bei der Übertragung elektrischer Leistung Verlustwärme abgeben, trocknet das umliegende Bettungsmaterial und seine Wärmeleitfähigkeit nimmt ab. Diese Wechselwirkungen sind nicht marginal. Denn zu hohe thermische Belastungen führen dazu, dass das Material der Kabel seine Eigenschaften zur elektrischen Isolation verliert. Im Extremfall kann es zu Ausfällen und Engpässen in der Energieversorgung kommen.

Kabel für die Übertragung von elektrischer Energie im Mittel- und Niederspannungsbereich sind hierzulande überwiegend erdverlegt. Seit den Anfängen einer großflächigen Versorgung mit elektrischer Energie zu Beginn des 20. Jahrhunderts sei dieser Bestand historisch gewachsen, berichtet Professor Volker Hinrichsen, Leiter des Fachgebiets Hochspannungstechnik. Zuverlässige Diagnosemöglichkeiten, die Aufschluss über den aktuellen Zustand dieser Kabelsysteme geben, existieren praktisch nicht. Vor allem aber sind die Normen mit Blick auf die Versorgungssicherheit so konservativ ausgelegt, dass sie sich faktisch immer an einem „Worst-Case-Szenario“ orientieren. Die Experten gehen deswegen davon aus, dass die meisten Kabelsysteme aktuell weit entfernt von ihrer thermischen Grenzbelastbarkeit von 70 bis 90 Grad Celsius am Kabelleiter betrieben werden. „Und nach diesen Reserven greifen wir heute“, so Hinrichsen.

Das Erdkabeltestfeld im südhessischen Griesheim ist eine technisch anspruchsvolle Versuchsanlage. 90 Temperatursensoren, 16 Wasserdrucksensoren und 20 Feuchtigkeitssensoren messen, wie Energiekabel je nach Belastung und unter wechselnden Umgebungsbedingungen mit den Böden interagieren, in denen sie jeweils „gebettet“ sind – also Ton, Lehm, Sand und ein künstlicher Flüssigboden. Die Daten werden automatisch erfasst, ausgelesen und zur Analyse an die Wissenschaftler geleitet. Das interdisziplinäre Team aus den Fachgebieten Hochspannungstechnik am Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik und Angewandte Geothermie am Fachbereich Material und Geowissenschaften interessiert sich vor allem für die effektive Wärmeleitfähigkeit der Kabelbettungen. Denn dies ist der entscheidende Parameter, um zu ermitteln, wie weit ein Kabelsystem ausgelastet werden kann.

In Kenntnis der thermischen Eigenschaften des Bodens bestehende Kabeltrassen im Rahmen eines „Smart Grids“ intelligent zu nutzen, halten die Experten für eine schnelle und vergleichsweise wenig aufwändige Alternative zum langwierigen und kostenintensiven Netzausbau. Zehn bis zwanzig Prozent an höherer Auslastung sind bei einem intelligenteren Betriebsmanagement nach ihrer Einschätzung möglich.

Grundlagen zur effizienten Kabelauslastung schaffen

Die Wissenschaftler wollen insbesondere auch wissen, in wie weit kurzfristige Lastspitzen, die durch volatile Energieträger wie Wind oder Sonne entstehen, die Kabelbelastbarkeit beeinträchtigen können. Gelingt es, zuverlässige Aussagen über die Wärmeleitfähigkeit zu treffen und auf dieser Basis entsprechende Analyse- und Prognoseverfahren zu entwickeln, könnten Verteilnetzbetreiber ihre bestehenden Kabelsysteme besser nutzen und den im Zuge der Energiewende anstehenden kostenintensiven Netzausbau ökonomischer gestalten. Hier setzt der Forschungsverbund an: „Wir wollen Grundlagen schaffen, dass Kabel effizienter ausgelastet werden können, als es die geltende Regellage zulässt“, sagt Professor Ingo Sass, Leiter des Fachgebietes Angewandte Geothermie.

Durch numerische Modellierungen sollen die Ergebnisse der Grundlagenforschung der Darmstädter Wissenschaftler auf jegliche Erdkabeltrassen und deren Betriebszustand übertragen werden. Die Berechnungen bilden die Basis für onlinefähige Tools, die in eine intelligente Betriebsführung in den Verteilnetzen der Mittel und Niederspannung integriert werden sollen. So könnten Netzbetreiber auf eine aufwändige Dauerüberwachung der Kabel über Temperatursensoren, wie sie bei Hoch- und Höchstspannungskabeln im Einsatz sind, verzichten. Stattdessen könnten sie frühzeitig thermisch hoch belastete Teile ihres Kabelsystems identifizieren und vorübergehend entlasten oder langfristig diese „Hot Spots“, durch den Einsatz verbesserter Bettungsmaterialien entlasten.

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