Forschen unter Hochspannung

Beiträge zur sicheren „Stromautobahn“: „Athene Young Investigator“ Yvonne Späck-Leigsnering

2022/04/29 von

Wie kann die Energiewende auch technisch gelingen? Athene Young Investigator Dr. Yvonne Späck-Leigsnering erforscht den dafür notwendigen Wandel der energietechnischen Infrastruktur und mögliche Schwachstellen. Die Wissenschaftlerin will Produkte und Systeme mit Hilfe mathematischer Modellierung und Feldsimulationen zuverlässiger und robuster machen. Ein Beispiel sind kabelbasierte Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungssysteme (HGÜ), die etwa Strom aus Windenergie störungsfrei über weite Strecken transportieren sollen.

Athene Young Investigator Dr. Yvonne Späck-Leigsnering leitet die Forschungsgruppe „QuinCE“ am Institut für Teilchenbeschleunigung und elektromagnetische Felder (TEMF).

Oftmals sind es die kleinen Dinge, die entscheidend sind. Kabelmuffen beispielsweise, die zwei Kabelabschnitte elektrisch miteinander verbinden. Für den SüdOstLink, die geplante „Stromautobahn“, mit der Energie von Sachsen-Anhalt nach Bayern fließen soll, spielen diese Bauteile eine gewichtige Rolle. Auf einer Strecke von mehr als tausend Kabelkilometern sind deutlich mehr als 500 dieser Verbindungselemente nötig.

„Kabelmuffen sind aber die kritischste Komponente“, sagt Elektrotechnik-Ingenieurin, Dr.-Ing. Yvonne Späck-Leigsnering. Sie sind das anfälligste Bauteil des gleichstrombasierten Kabelsystems. „Überhitzungen, Teilentladungen oder Durchschläge können in diesen spannungsführenden Bauteilen zum Problem werden.“ Der Ausfall einer einzigen Muffe kann jedoch zu einer erheblichen Ausfallzeit der gesamten Verbindung führen, erläutert die Forscherin, die als „Athene Young Investigator“ von der TU Darmstadt gefördert wird. Das Programm soll herausragende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf ihrem Karriereweg unterstützten.

Langlebige robuste Kabel

Der Klimawandel zwingt zu einem radikalen Umbau der elektrischen Energieerzeugung, ihrer Übertragung und Umwandlung, betont Späck-Leigsnering. HGÜ-Kabelsysteme sind ein bedeutender Teil dieser notwendigen Transformation. Sie müssen eine lange Lebensdauer haben, zuverlässig und widerstandsfähig sein, so die 33-Jährige, die die Forschungsgruppe „QuinCE – Quasistatics in Computational Engineering“ am Institut für Teilchenbeschleunigung und elektromagnetische Felder (TEMF) der TU Darmstadt leitet. In Zeiten, in denen Ausrüstung und Systeme immer öfter bis an die Belastungsgrenze betrieben werden, „werden grundsätzlich neue, simulationsbasierte Entwurfsansätze in der Entwicklung benötigt“, sagt sie.

Die Forscherin sucht nach Lösungen. So spürt sie mit Hilfe mathematischer Modellierung und Feldsimulationen beispielsweise den Einflüssen und Ursachen nach, die zu den Ausfällen führen. Simulationsanalysen werden mit experimentellen Untersuchungen im Hochspannungslabor kombiniert. Feldsimulationen ermöglichen dabei einen Einblick in das Innere des Gerätes, wie etwa der Kabelmuffe. So können elektrische und thermische Belastungen räumlich und zeitlich aufgelöst analysiert werden. Sensitivitätsanalysen ermöglichen es dann, Schwachstellen und wichtige Designparameter zu erkennen. „Dafür müsste man sonst erst einmal hundert Muffen-Designs im Hochspannungslabor untersuchen“, erklärt sie.

Ein Ziel ihrer Forschung ist es, Ingenieurinnen und Ingenieuren Feldsimulationswerkzeuge zur Optimierung von Kabelmuffen und anderen elektrotechnischen Geräten, wie elektrischen Maschinen, an die Hand zu geben. Ein Thema, an dem sie seit 2020 auch in einer Forschungskooperation mit der TU München, zusammen mit Professorin Myriam Koch, arbeitet. Zu Theorie und Praxis innovativer HGÜ-Technologie haben Yvonne Späck-Leigsnering und ihr Kollege, TU-Vizepräsident Professor Herbert De Gersem, sowie Professorin Koch erfolgreich im Januar 2022 ein virtuelles Symposium abgehalten – mit über hundert Teilnehmenden aus zehn Ländern.

Mehrfach ausgezeichnet

Dr. Yvonne Späck-Leigsnering

Für die Arbeit an der Schnittstelle zwischen Hochspannungstechnik und theoretischer Elektrotechnik hat sich die Wissenschaftlerin bereits früh im Studium interessiert. „Einer der schönsten Momente in der Forschung ist, wenn Simulation und Experiment sehr gut übereinstimmen“, sagt sie. Sowohl ihren Bachelor- als auch Masterabschluss absolvierte sie in Elektrotechnik und Informationstechnik an der TU Darmstadt. Ihre Bachelorarbeit schrieb sie an der Technischen Hochschule Chalmers in Schweden und fokussierte sich bei Versuchen im Hochspannungslabor auf Isolierstoffe.

Für ihre Masterarbeit wurde sie an der TU mit dem Heinrich und Margarete Liebig-Preis ausgezeichnet, im Mai dieses Jahres wird Yvonne Späck-Leigsnering außerdem das Ernst-Ludwigs-Stipendium der Vereinigung der Freunde der TU Darmstadt antreten, mit dem internationale Mobilität gefördert wird. Sie wird ein halbes Jahr an der TU Graz forschen, worauf sie sich – zusammen mit ihrem Mann und ihren zwei Kindern – schon sehr freut.

In Graz stehen elektrische Maschinen – Beispiel Elektroauto – in ihrem Fokus. In Darmstadt will sie sich weiterhin auf Isolierstoffe etwa in der HGÜ-Technologie konzentrieren. Sie will einen Austausch mit der schwedischen Hochschule Chalmers organisieren, „die mit führend auf diesem Gebiet ist“, berichtet sie. Voneinander lernen ist ihr Credo. Das Athene Young Investigator Programm unterstützt sie dabei.

Wie sehr Yvonne Späck-Leigsnering die Arbeitsbedingungen an der TU Darmstadt schätzt, zeigte sich, als im Sommer 2021 die Christian-Albrechts-Universität zu Kiel ihr eine Professur für Theoretische Elektrotechnik anbot, sie sich jedoch für den Verbleib an ihrem Institut entschied. „Die TU ist für mich momentan das ideale Forschungsumfeld – mit vielen spannenden Großprojekten“, betont sie. So ist sie jetzt auch Mitglied des Verbundvorhabens „Computational Electric Maschine Laboratory“, das die TU Darmstadt zusammen mit der TU Graz und der Johannes Kepler Universität Linz betreibt.