Strom aus Stoff

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.08.2019

LKW-Planen als Stromerzeuger? Neuartige textile Solarzellen von Fraunhofer-Forscherinnen und -Forschern aus Dresden machen es möglich: Über sie könnten die Anhänger den benötigten Strom – etwa für Kühlaggregate – autark erzeugen. Kurzum: Textile Solarzellen erweitern die Möglichkeiten enorm, Strom aus der Sonnenstrahlung zu gewinnen. Sie stellen somit eine sinnvolle Ergänzung zu herkömmlichen Siliziumzellen dar.

Solarzellen auf den Dächern sind längst Usus, ebenso wie große Solarparks. Künftig sollen jedoch auch solche Flächen zur Energieerzeugung genutzt werden, die bislang nicht dazu taugten. LKW-Planen etwa könnten die Anhänger autark mit dem Strom versorgen, den der Fahrer während der Fahrt und auf Rastplätzen verbraucht oder der auf Logistikplätzen für die LKW-Ortung benötigt wird. Zudem könnten ganze Gebäudefronten zur Stromerzeugung beitragen, indem sie nicht wie bisher verputzt, sondern mit stromerzeugenden Abspanntextilien verkleidet werden. Bei Glasfassaden könnten Abschattungstextilien wie Rollos Hunderte von Quadratmetern in Stromerzeugungsflächen umwandeln.

Glasfasergewebe als Solarzellenbasis

Möglich machen es textile, biegsame Solarzellen, die Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS entwickelt haben – gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS, dem Sächsischen Textilforschungsinstitut e.V. und den Firmen erfal GmbH & Co. KG, PONGS Technical Textiles GmbH, Paul Rauschert GmbH & Co. KG und GILLES PLANEN GmbH. »Über verschiedene Beschichtungsverfahren können wir Solarzellen direkt auf technischen Textilien herstellen«, erläutert Dr. Lars Rebenklau, Gruppenleiter für Systemintegration und AVT am Fraunhofer IKTS. Sprich: Die Forscher verwenden kein Glas oder Silizium wie bei herkömmlichen Solarmodulen, sondern Textilien als Substrat. »Das jedoch ist alles andere als leicht – schließlich sind die Anlagen in den textilverarbeitenden Unternehmen mit fünf bis sechs Metern Stoffbreite und Stofflängen von tausend Metern riesig groß. Dazu kommt: Die Textilien müssen während der Beschichtung Temperaturen von etwa 200 Grad Celsius überstehen«, ergänzt Dr. Jonas Sundqvist, Gruppenleiter für Dünnschichttechnologien am Fraunhofer IKTS. Auch andere Anforderungen wie Brandschutz-Vorschriften, große Stabilität und ein günstiger Preis sind für die Herstellung von Solarzellen elementar. »Wir haben uns im Konsortium daher für ein Glasfasergewebe entschieden, das all diese Anforderungen erfüllt«, sagt Rebenklau.

Bewusst auf Standardverfahren gesetzt

Eine Herausforderung stellte auch das Aufbringen der verschiedenen Schichten einer Solarzelle auf das Gewebe dar – also die Grundelektrode, die photovoltaisch wirksame Schicht und die Deckelektrode. Denn verglichen mit diesen nur ein bis zehn Mikrometer dünnen Schichten gleicht die Oberfläche eines Textils einem riesigen Gebirge. Die Forscher greifen daher zu einem Trick: Sie bringen zunächst eine Einebnungsschicht auf das Textil auf, die Berge und Täler ausgleicht. Dazu nutzen sie den Transferdruck – ein Standardverfahren der Textilbranche, das auch zum Gummieren verwendet wird. Auch alle weiteren Produktionsprozesse haben die Forschenden von Anfang an so gestaltet, dass sie sich problemlos in die Fertigungslinien der Textilindustrien einfügen lassen: So bringen sie die Elektroden aus elektrisch leitfähigem Polymer ebenso wie die photovoltaisch wirksame Schicht über das gängige Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf. Um die Solarzelle möglichst robust werden zu lassen, laminieren die Forscherinnen und Forscher zusätzlich eine Schutzschicht auf.

Marktreife Solartextilien in etwa fünf Jahren

Den ersten Prototyp hat das Forscherteam bereits hergestellt. »Wir konnten zeigen, dass unsere textile Solarzelle an sich funktioniert«, sagt Rebenklau. »Ihre Effizienz liegt momentan bei 0,1 bis 0,3 Prozent.« In einem Nachfolgeprojekt arbeiten der Ingenieur und seine Kollegen nun daran, die Effizienz auf über fünf Prozent zu steigern – denn ab diesem Wert rechnet sich die textile Solarzelle. Zwar erreichen Siliziumzellen mit zehn bis 20 Prozent deutlich höhere Effizienzwerte. Allerdings soll die neuartige Zelle ja nicht mit den herkömmlichen konkurrieren, sondern sie sinnvoll ergänzen. Auch die Lebensdauer der textilen Solarzelle wollen die Forscherinnen und Forscher in den kommenden Monaten untersuchen und optimieren. Wenn alles funktioniert wie erhofft, könnte die textile Solarzelle in etwa fünf Jahren auf den Markt kommen. Dann wäre das ursprüngliche Ziel des Projekts PhotoTex erreicht: Neue Anregungen für den Textilstandort Deutschland zu finden und die Wettbewerbsfähigkeit dieser Industriebranche zu steigern.

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Keine Fettabdrücke dank Nanolack

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.07.2019

Fettige Fingerabdrücke auf glänzenden Edelstahloberflächen sehen nicht nur unschön aus, sondern greifen auch die Oberfläche an. Ein neuer Nanolack von Fraunhofer-Forscherinnen und Forschern soll künftig verhindern, dass beim Anfassen von Edelstahlfronten lästige Fingerabdrücke zurückbleiben. Möglich machen es spezielle Nanopartikel, die dem Lack zugesetzt werden.

Der neue Kühlschrank glänzt in moderner Edelstahloptik. Doch schon nach kurzer Zeit ist die Front übersät mit dunkel wirkenden Fingerabdrücken, die sich mit Lappen und Putzmittel nur mühsam entfernen lassen – es ist vielmehr aufwändiges Polieren gefragt. Solche Fingerabdrücke sind nicht nur ein optisches Ärgernis, denn der Fettfilm greift zudem die Oberfläche an.

Fettabdrücke adé

Forscherinnen und Forscher vom Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle bereiten solchen Fettabdrücken nun ein Ende, gemeinsam mit ihren Kollegen der FEW Chemicals GmbH Wolfen. Der Clou liegt in einer Beschichtung mit einem Lack, der spezielle Zusätze enthält und wasser- und ölabweisend ist. Dazu kommen zwei weitere Effekte: Lagern sich die im Lack befindlichen integrierten Partikel an der Oberfläche des Edelstahls an, wird die Oberfläche rauer und vergrößert sich. Fasst nun ein Finger etwa an die Kühlschranktür, berührt dieser die Oberfläche nur an den erhöhten Stellen, während das Fingerfett die tiefer liegenden »Täler« nicht erreicht. Die Fläche, mit dem das Fingerfett in Berührung kommt, ist also recht klein. Zudem ist der Brechungsindex des Lacks so eingestellt, dass er dem des Fettgehalts des Fingers entspricht. Das heißt: Das Licht, das auf die beschichtete Edelstahl-Oberfläche fällt, wird in etwa so reflektiert wie an einer Oberfläche, die mit einem »Fingerpatscher« versehen ist. Ergo: Der Fingerabdruck fällt kaum auf.

Analyse der Schichtsysteme

Während die FEW Chemicals GmbH die Entwicklung der Lacksysteme übernimmt, widmet sich das Fraunhofer-Team der Analyse dieser Schichten. »Wir untersuchen die hergestellten Schichten zum einen über Lichtmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie. Wie groß sind die einzelnen Partikel im Lacksystem? Sind die Partikel homogen verteilt? Wie wirken sich die eingesetzten Additive aus?«, erläutert Dr. Jessica Klehm, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Geschäftsfeld »Biologische und makromolekulare Materialien« am Fraunhofer IMWS. Solcherlei Fragen sind extrem wichtig, um die Qualität des Lacks beurteilen zu können. Lagern sich die Nanopartikel beispielsweise zu größeren Partikeln zusammen, büßt der Lack eventuell seine Transparenz ein. Sind die Teilchen dagegen zu klein, bleibt die Oberfläche zu glatt – der Fettfilm könnte dann trotz des Lacks großflächig an ihr haften.

Um diese Untersuchungen zu ermöglichen, galt es einige Hindernisse zu überwinden. So müssen die Proben beispielsweise in ihren Abmessungen verkleinert werden: Für eine optimale Untersuchung mit dem Lichtmikroskop sowie für die Weiterverarbeitung mit anderen Untersuchungsmethoden sollten die Proben nicht dicker sein als 60 bis 80 Mikrometer – also etwa so dick wie ein menschliches Haar –, für eine Untersuchung im Transmissionselektronenmikroskop sogar noch tausendmal dünner. »Mit einer Säge können wir die Proben nicht zurechtschneiden, sie würde die Beschichtung zerstören. Wir betten die Proben daher in Harz ein und schleifen sie dann auf die gewünschte Dicke herunter«, erklärt Frau Dr. Klehm.

Automatische Prüfmaschine quantifiziert Antifingerprintwirkung

Darüber hinaus entwickeln die Forscherinnen und Forscher eine automatische Prüfmaschine für die Schichten. Diese soll nicht die Partikel im Lack untersuchen, sondern die Sichtbarkeit der Fingerabdrücke selbst. Dazu taucht ein Stempel in eine Lösung, deren Zusammensetzung dem Fettfilm auf der menschlichen Haut ähnelt. Automatisiert, mit stets identischer Kraft und jeweils gleich lange drückt dieser Stempel anschließend auf die beschichtete Oberfläche, um dort einen »Fingerabdruck« zu hinterlassen. Über eine Kombination aus spektrometrischen und optischen Verfahren soll die Prüfmaschine schließlich analysieren, wie viel Lösung auf der Oberfläche verblieben ist – und damit, wie viel Prozent Antifingerprint-Wirkung der Lack aufweist. Welche Kombination von Analysegeräten hierfür optimal ist, untersuchen die Wissenschaftler derzeit.

Einen Favoriten unter den verschiedenen untersuchten Lacksystemen haben die Forscher bereits gefunden. Nun gilt es, diesen weiter zu optimieren. Bis Ende 2020 soll die Entwicklung abgeschlossen sein, dann wird die FEW Chemicals GmbH die Herstellung des Lacksystems in einen industriellen Maßstab übertragen.

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Grünen Strom rentabel zwischenspeichern

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 03.06.2019

Regenerative Energiequellen liefern nicht immer gleich viel Strom – dieser muss daher in Batterien zwischengespeichert werden. Lithium-Ionen-Akkus haben eine kurze Lebensdauer, Redox-Flow-Batterien waren bislang zu teuer. Neuartige Redox-Flow-Systeme liegen nun im selben Preisbereich wie Lithium-Ionen-Batterien, halten jedoch mehr als doppelt so lange. Volterion, einem Spin-Off des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT, ist es gelungen, die Herstellungskosten deutlich zu reduzieren.

Erneuerbare Energien nehmen einen immer größeren Stellenwert in unserer Stromerzeugung ein. Allerdings schwankt die erzeugte Strommenge stark – die elektrische Energie muss daher zwischengespeichert werden, bis sie benötigt wird. Auch für moderne Technologien wie die Elektromobilität sind leistungsfähige Batteriesysteme nötig: So ist das Stromnetz beispielsweise nicht für Schnellladestationen mit 350 Kilowatt ausgelegt. Zudem ist nicht überall dort, wo Schnellladestationen sinnvoll wären, ein Stromnetz vorhanden. Lithium-Ionen-Akkus eignen sich für solcherlei Anwendungen nur bedingt: Ihre Zyklenfestigkeit reicht nicht aus – würde man sie zwei- bis dreimal täglich be- und entladen, wären sie nach zwei bis drei Jahren kaputt. Anders dagegen Redox-Flow-Batterien: Sie bieten eine große Zyklenfestigkeit und sind zudem nicht brennbar, recycelfähig und ihre Kapazität und Leistung lässt sich gut anpassen. Sie eignen sich daher insbesondere für Anwendungen, bei denen die Batterie stark gefordert wird. Bisher waren sie jedoch schlichtweg zu teuer.

Neuartige Redox-Flow-Batterien werden erstmalig rentabel

Forscher des Fraunhofer UMSICHT in Oberhausen konnten die Kosten der Batterien nun deutlich senken. Hergestellt und vermarktet werden die neuartigen Redox-Flow-Batterien vom Fraunhofer-Spin-Off Volterion. Um zu verstehen, wie die Forscherinnen und Forscher Redox-Flow-Batterien optimiert haben, gilt es zunächst einmal einen Blick auf den Aufbau dieser Batterien zu werfen. Sie bestehen aus Stacks – Zellstapel, die den zu speichernden Strom in chemische Energie umwandeln, und Elektrolytflüssigkeit, die diese chemische Energie speichert. Für die hohen Kosten der Batterien sind vor allem die Stacks verantwortlich. »Wir konnten das Gewicht der Stacks auf zehn Prozent reduzieren und somit auch deren Kosten erheblich senken«, erläutert Dr. Thorsten Seipp, ehemals Wissenschaftler am Fraunhofer UMSICHT und nun Geschäftsführer bei Volterion. »Während herkömmliche Stacks oftmals pro einzelne Zelle acht bis zehn Millimeter dick sein müssen, kommen wir mit einer Stackdicke von zwei bis drei Millimetern aus.« Die neuartigen Redox-Flow-Batterien liegen durch diese Materialersparnis in der gleichen Preisklasse wie Lithium-Ionen-Akkus, halten aber mehr als doppelt so lange. Das heißt: Sie werden erstmalig für zahlreiche Anwendungen rentabel.

Der Clou liegt in der Materialentwicklung

Der Clou lag vor allem in der Materialentwicklung. Üblicherweise bestehen die Stacks aus einer Graphit-Kunststoff-Mischung. Durch die Verarbeitung büßen die Materialien ihre polymeren Eigenschaften allerdings ein. Sprich: Die langen Polymerketten werden zerstört, das Material verliert seine Flexibilität und auch einen Teil seiner Stabilität. Zudem lässt es sich nicht verschweißen, sondern muss mit Dichtringen versehen und verschraubt werden. »Wir haben das Material und den Herstellungsprozess am Fraunhofer UMSICHT so angepasst, dass die polymeren Eigenschaften erhalten bleiben. Das heißt: Das Material bleibt stabil und flexibel, kann somit erheblich dünner ausgelegt werden und die Stacks lassen sich miteinander verschweißen. Schnell verschleißende Dichtungsringe sind unnötig«, so Seipp. Das lässt die Stacks nicht nur kostengünstiger, sondern auch deutlich robuster werden.

Vom Klärwerk bis zu MRT-Untersuchungen

Eingesetzt werden die neuartigen Redox-Flow-Batterien unter anderem in einer Kläranlage. Dort wird Strom aus Methan produziert, künftig sollen auch Photovoltaikanlagen zur Energieerzeugung beitragen. Hier soll eine 100-Kilowatt-Batterie gleich zweierlei Schwankungen ausgleichen: Die der Stromerzeugung und die des Stromverbrauchs. Somit kann die Kläranlage künftig ihren gesamten Energiebedarf selbst decken.

Auch bei MRT-Scannern in Kliniken ist eine Redox-Flow-Batterie vielfach lohnenswert. »Jedes MRT-Gerät hat eine Leistung von 200 Kilowatt – sollen drei oder vier Geräte gleichzeitig laufen, ist die Leitung schnell überlastet. Eine neue Stromleitung zu legen ist jedoch mit 80.000 Euro pro Kilometer extrem teuer. Hier ist eine Redox-Flow-Batterie eine gute Alternative«, sagt Seipp. Denn die MRT-Geräte laufen jeweils einige Minuten, verbrauchen in dieser Zeit sehr viel Strom und werden dann bis zur nächsten Untersuchung wieder ausgeschaltet. Die Batterie durchläuft also zahlreiche Be- und Entladezyklen täglich. »Unsere optimierten Batterien sind wie geschaffen dafür – ebenso wie für andere Anwendungen, in denen kurzfristig viel Energie nötig ist, die das Netz nicht zuverlässig liefern kann«, fasst Seipp zusammen.

Momentan arbeiten die Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer UMSICHT gemeinsam mit den Kollegen von Volterion daran, die Kosten für die Batterien noch weiter zu senken. Auch wollen sie die Größen der Anwendungen skalieren: Momentan sind die Batterien auf 100 bis 300 Kilowatt ausgelegt, künftig sollen sie auch im Megawattbereich nutzbar sein.

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Ökologische Klebstoffe aus Pflanzenöl

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 02.05.2019

Die Nachfrage nach grünen Produkten steigt. Doch nachhaltig sind Waren erst dann, wenn die verwendeten Klebstoffe und Lacke ebenfalls aus biobasierten Rohstoffen hergestellt werden. Materialkonzepte aus Fraunhofer-Laboren sollen helfen.

Bioprodukte boomen. Denn statt Massentierhaltung und Chemikalien-Cocktails auf den Feldern wünschen sich viele Verbraucher sattgrüne Weiden für die Tiere, möglichst unbehandeltes Obst und Gemüse sowie Textilien aus ökologisch erzeugter Baumwolle. Allerdings ist es nicht damit getan, Kunststoffe durch Materialien wie Holz oder Kork zu ersetzen. Wirklich nachhaltig sind die Produkte nur dann, wenn auch die Klebstoffe und Lacke aus biobasierten Rohstoffen hergestellt werden.

Bisher bestehen Klebstoffe und Co. meist aus duroplastischen Epoxidharzen auf Erdölbasis. Einfacher gesagt: aus Kunstharzen, die sich – einmal erwärmt – nicht mehr verformen lassen. Als Bausteine für diese Epoxidharze dienen Monomere. Gibt man einen Härter hinzu, vernetzen sich die Einzelmoleküle zu einem festen Kunststoff, der sich nicht mehr aufschmelzen lässt. Über zugegebene Funktionsstoffe lassen sich die Eigenschaften feinjustieren und an die jeweiligen Anwendungen anpassen. So können sie die Epoxidharze färben, vor Feuer schützen oder dafür sorgen, dass sie sich besser verarbeiten lassen.

Pflanzenölepoxide mit naturbasierten Additiven

Doch lassen sich solche Epoxidharze auch auf ökologische Weise herstellen? Einen neuartigen Ansatzpunkt gibt es bereits: die Pflanzenölepoxide, also die ökologische Variante der herkömmlichen Epoxidharze. Basis bilden Pflanzenöle, die einen hohen Anteil an ungesättigten Fettsäuren haben. Diese Fettsäuren werden epoxidiert, also mit einem Drei-Ring aus zwei Kohlenstoffatomen und einem Sauerstoffatom versehen. Kombiniert man diese Pflanzenölepoxide mit entsprechenden Härtern, entstehen hochbelastbare Kunststoffe. Nachhaltige Klebstoffe, Lacke oder auch Schaumharze rücken somit in den Bereich des Möglichen. Doch die chemische Zusammensetzung von natürlichen Rohstoffen kann stark schwanken, schließlich werden sie aus der Saat von Ölpflanzen extrahiert. Dies stellt Produzenten vor große Herausforderungen.

Ökologische Klebstoffe mit optimalen Eigenschaften

Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS nehmen die Eigenschaften solcher neu entwickelter biogener Harze daher genau unter die Lupe. »Wir untersuchen die Harze von der Mikro- bis zur Makroebene«, bestätigt Andreas Krombholz, Gruppenleiter am IMWS. Wie wirken sich die variierenden Inhaltsstoffe auf die Harze aus? Ist dieser erste Schritt getan, optimiert das IMWS-Team die Harze und passt sie an die Verarbeitungsverfahren an.

Zudem entwickeln die Fraunhofer-Wissenschaftlerinnen und -Wissenschaftler aus den Pflanzenölepoxiden neuartige Klebstoffe. So sind alle diese Klebstoffformulierungen aus den Fraunhofer-Laboren vollkommen frei von Lösungsmitteln. Weiterhin widmen sich die Forschenden der Frage: Welche Füll- und Funktionsstoffe bieten welchen Nutzen? Ein solcher wäre beispielsweise eine hohe elektrische Leitfähigkeit: Durch das Anlegen einer elektrischen Spannung lässt sich die Klebschicht von innen heraus aufheizen – und härtet somit schnell und gezielt aus. Oder aber man bringt modifiziertes Thymianöl in den Kleber ein. So erhält er eine antibakterielle Wirkung.

Epoxidierung auf Enzyme umgestellt

Der biobasierte Anteil der aus den Pflanzenölepoxiden gefertigten Klebstoffen liegt mittlerweile bei 86 Prozent, weil die Materialien viel Pflanzenöl enthalten und auch die bisher erdölbasierten Härterchemikalien gegen biobasierte Substanzen ausgetauscht wurden. Zum Vergleich: Bereits ab einem biobasierten Anteil von 35 Prozent gilt ein Material als nachhaltig. »Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik IGB haben wir die Epoxidierung erstmalig auf Enzyme umgestellt, wir können die Pflanzenöle also ohne Erdöl-basierende Chemikalien mit diesem Verfahren behandeln. Und da dies via Enzymen bei 40 Grad Celsius vonstatten geht statt bei über 100 Grad Celsius wie bisher, sparen wir zudem Energie«, erläutert Krombholz. Doch damit nicht genug: Bisher verwendete die Industrie Leinöl aus Kanada für die Pflanzenölepoxide – was schon allein im Hinblick auf die Lieferwege nicht ökologisch ist. Der Wissenschaftler und sein Team haben den Prozess daher von Leinöl auf Drachenkopföl umgestellt, das in Deutschland ökologisch hergestellt wird. Das verbessert zusätzlich die Umweltbilanz. Und den Härter, bislang ein hochgiftiges Produkt, haben die Expertinnen und Experten durch eine ökologische Variante ersetzt.

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Fehler in Stromnetzen mit Künstlicher Intelligenz automatisiert erkennen

Presseinformation (Forschung Kompakt) der Fraunhofer-Gesellschaft vom 01.04.2019

Die Stromnetze verändern sich: Gab es in der Vergangenheit vor allem große, zentrale Stromerzeuger, kommen nun zunehmend kleine, dezentrale Erzeuger dazu. Um solche komplexen Netze stabil zu halten, ist hochauflösende Sensorik gefragt. Mit Künstlicher Intelligenz lassen sich genaue Prognosen anfertigen sowie Fehler und Anomalien automatisiert in Echtzeit erkennen. Fraunhofer-Forscher haben die erforderlichen Komprimierungsverfahren, Algorithmen und neuronalen Netze entwickelt, um die Stromübertragung fit für die Zukunft zu machen.

Die Stromversorgung wandelt sich: Statt den Strom ausschließlich über große Kraftwerke zu generieren, kommen zahlreiche dezentrale Stromquellen wie Windräder, Photovoltaikzellen und Co. hinzu. Dieser Umschwung wirkt sich auch auf die Stromnetze aus – vor allem die Betreiber von Übertragungsnetzen sehen sich großen Herausforderungen gegenüber. Laufen relevante Netzparameter wie Phase oder Winkel aus dem Ruder? Gibt es Abweichungen vom regulären Netzbetrieb, also Anomalien? Oder sind Leitungen oder Kraftwerke ausgefallen? Um solche Fragen beantworten zu können, reicht die übliche Messtechnik nicht mehr in jeder Situation aus. Sie wird daher zunehmend um Phasormessungen, kurz PMU, sowie um Digitalisierungstechnologien ergänzt: Die entsprechenden Messsysteme erfassen die Amplitude von Strom und Spannung bis zu 50-mal pro Sekunde. Aus den Daten lassen sich verschiedene relevante Parameter wie Frequenz, Spannung oder Phasenwinkel ermitteln. Die Datenmenge, die dabei entsteht, ist enorm – pro Tag kommen schnell mehrere Gigabyte an Daten zusammen.

Datenkompression: 80 Prozent der Daten einsparen

Forscher des Institutsteils Angewandte Systemtechnik AST des Fraunhofer-Instituts für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB in Ilmenau wollen die Datenauswertung nun durch Künstliche Intelligenz optimieren, die Netzsicherheit erhöhen und die Stromübertragung somit fit machen für die Zukunft. »Wir können bis zu 4,3 Millionen Datensätze pro Tag automatisiert erfassen, komprimieren und über Verfahren der Künstlichen Intelligenz auswerten«, fasst Prof. Peter Bretschneider, Leiter der Abteilung Energie am Fraunhofer IOSB-AST, zusammen. In einem ersten Schritt haben die Forscherinnen und Forscher Komprimierungsverfahren entwickelt, mit denen sich 80 Prozent der Daten einsparen lassen. Somit lassen sich die Daten nicht nur leichter speichern, sondern auch schneller und effizienter auswerten.

Datenauswertung: Automatisch und in Echtzeit

In einem zweiten Schritt lernten die Wissenschaftler mit den erhobenen Phasormessdaten neuronale Netze – also die Basis der Künstlichen Intelligenz – an. Sprich: Sie »fütterten« die neuronalen Netze mit Beispielen typischer Betriebsstörungen. Die Algorithmen lernen auf diese Weise Schritt für Schritt, normale Betriebsdaten von bestimmten Betriebsstörungen zu unterscheiden sowie exakt zu kategorisieren. Nach dieser Trainingsphase wendeten die Wissenschaftler die neuronalen Netze bei den aktuellen Daten aus den Phasormessungen an. Bisher konnten diese nur manuell und im Nachhinein ausgewertet werden. Der Algorithmus schafft hier erstmalig den Sprung in die Echtzeit: Er entscheidet automatisch innerhalb von Millisekunden, ob eine Anomalie oder ein Fehler vorliegt und gibt zusätzliche Auskunft über Ort und Art der Betriebsstörung. Ein Beispiel: Fällt etwa ein Kraftwerk aus, so steigt die Last für die anderen Kraftwerke abrupt an. Die Generatoren werden durch die große Last langsamer, die Frequenz des Wechselstroms sinkt. Nun sind schnelle Gegenmaßnahmen gefragt: Sinkt die Frequenz unter einen vorgegebenen Grenzwert, so müssen gegebenenfalls Netzabschnitte aus Gründen der Systemstabilität abgeschaltet werden. Schnell, das heißt mitunter: Unter 500 Millisekunden. Da der Algorithmus seine Entscheidung innerhalb von 20 bis 50 Millisekunden trifft, bleibt genügend Zeit, um vollautomatische Gegenmaßnahmen einzuleiten.

Der Algorithmus ist einsatzbereit, an der Steuerung und Regelung der Gegenmaßnahmen arbeiten die Forscher zurzeit. Die Entwicklung ist nicht nur für Betreiber großer, sogenannter Übertragungsnetze interessant, sondern auch für die der regionalen Verteilnetze. »Um eine Analogie zum Verkehr zu ziehen: Was nützt es, wenn die Autobahnen frei sind, doch die regionalen Straßen permanent verstopft?«, erläutert Bretschneider.

Vorhersage noch unbekannter Probleme

Die Forscher widmen sich jedoch nicht nur bereits bekannten Problemen, sondern wollen auch Anomalien berücksichtigen, die bisher noch gar nicht auftreten. »Gehen wir den Weg der erneuerbaren Energien weiter, kann dies künftig zu Phänomenen führen, die wir derzeit noch nicht kennen«, sagt Bretschneider. Auch hier setzen die Wissenschaftler auf die Künstliche Intelligenz. Genauer gesagt: Sie arbeiten daran, solche Phänomene zu kategorisieren und die erforderlichen Algorithmen zu entwickeln – und zwar anhand digitaler Netzabbildungen.

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