Das Netz besser nutzen

Die Schweizer Stromleitungen könnten besser ausgelastet werden. Die Betreiberin Swissgrid will den Betrieb optimieren – und von neuen Forschungsergebnissen profitieren.

An kalten Tagen könnte mehr Strom durch die Hochspannungsleitungen fliessen, als das heute der Fall ist: Masten im Prättigau. Foto: Armin Mathis (Mauritius)

An kalten Tagen könnte mehr Strom durch die Hochspannungsleitungen fliessen, als das heute der Fall ist: Masten im Prättigau. Foto: Armin Mathis (Mauritius)

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Das schweizerische Übertragungsnetz ist künftigen Stromflüssen nicht mehr gewachsen. Der grösste Teil des Hochspannungsnetzes stammt aus den 1960er- und 1970er-Jahren. Seither hat die Strombelastung massiv zugenommen. Mit der Strommarktliberalisierung und der aufkommenden dezentralen Stromversorgung durch Solar- und Windstromanbieter wird der Betrieb immer anspruchsvoller. Hinzu kommt ein ständiger Kostendruck.

Die Betreiberin des Schweizer Hochspannungsnetzes ist die Swissgrid. Sie hat sich deshalb zum Ziel gesetzt, das System besser auszunutzen. «Physikalisch gesehen, könnten wir an kalten Tagen deutlich mehr Strom über das Netz fliessen lassen», sagt Sandro Dinser, Chefingenieur für Kabelanlagen bei Swissgrid. In den 1970er-Jahren hatten Studien gezeigt, dass sich die Leiterseile nicht stärker als auf 80 Grad erwärmen sollten, damit der Alterungsprozess nicht beschleunigt wird. Dieser Wert wird heute nicht erreicht.

Die Seile verformen sich

Fliesst Strom durch die Leitungen, erwärmen sich diese je nach elektrischem Widerstand des Materials. So stellt sich die Frage, wie lange die alternden Stromleitungen unter hoher elektrischer Last stehen dürfen, ohne massiv an Zugkraft zu verlieren und dementsprechend gefährlich durchzuhängen. Alternde Seile beginnen sich allmählich zu verformen, wenn sie einer Zugspannung ausgesetzt sind. Hängen sie einmal durch, lässt sich das nicht mehr rückgängig machen. Sobald der Bodenabstand – gemäss Verordnung 11,3 Meter – zu gering ist, zieht der Reparaturdienst von Swissgrid darum entweder die Seile nach, oder er ersetzt die Isolatorketten, an denen die Stromseile montiert sind. Weisen die Kabel zudem Schäden durch Blitzeinschläge auf oder andere defekte Stellen, müssen sie ausgewechselt werden. Die bisherige Grenztemperatur für Hochspannungsleitungen – eben 80 Grad – basiert allerdings auf alten Untersuchungen und enthält folglich einen grosszügigen Sicherheitszuschlag.

Bis anhin gab es nur wenig Literatur darüber, wie stark sich die im Schweizer Stromnetz eingesetzten Seile bei hohen Temperaturen verlängern. Neue Daten liefern nun Ingenieure des Eidgenössischen Instituts für Materialwissenschaften (Empa) in Dübendorf. Sie beschäf­tigen sich seit vier Jahren mit den ­materialtechnischen Eigenschaften der Schweizer Freileitungen. Das Team um Edoardo Mazza, ETH-Professor für Mechanik, und Stuart Holdsworth, Ingenieur für Metallurgie, hat herausgefunden, dass der bisherige Grenzwert durchaus eine brauchbare und sinnvolle Grösse ist, um den Unterhalt der Netzanlagen zu regeln.

Vorteile in den Alpen

Die Empa-Forscher haben eine sieben Meter lange Anlage gebaut und eine Methode entwickelt, um die Eigenschaften kompletter Leiterkabel, aber auch der einzelnen eingedrillten Leitdrähte zu prüfen. Damit können sie Durchhängeverhalten und Zugkraftbedingungen während mehr als 15'000 Stunden bei Temperaturen zwischen 22 bis 100 Grad untersuchen. Und hier nun zeigt sich, dass es für die Lebensdauer einer Leitung ­offensichtlich kein Nachteil ist, wenn die Temperatur im Seil während einiger Stunden über 80 Grad steigt.

Auch die Stärke der Seile, so zeigt die Prüfung durch die Empa, ist robust. «Zahlreiche Tests zeigen, dass die Zugfestigkeit nur geringfügig über die Zeit abnimmt, solange die Seiltemperatur unter 100 Grad Celsius bleibt», sagt Stuart Holdsworth. Die Schweiz betreibt Stromleitungen, die praktisch vollständig aus Aluminium bestehen und nur eine kleine Menge an Magnesium und Silizium enthalten. Die Materialwissenschaftler sprechen von der Aldrey-Legierung. Das macht sie gegenüber reinen Aluminiumkabeln zugfester und korrosionsresistenter. Und im Vergleich zu den Leitungen in den Nachbarländern, die Aluminiumkabel mit einem Stahlkern verwenden, sind sie leichter. Das bringt im Winter vor allem in den Alpen einen Vorteil, wenn die Kabel schwer vereist sind.

Wie stark sich die Temperaturen im Seil verändern können, zeigen Daten der Zürcher Firma Meteodat, einem Spin-off der ETH: Sie sammelte an einzelnen Stellen der wichtigen Nord-Süd-Transitleitung durch die Schweiz meteorologische Daten und mass die Seiltemperatur. So flossen zum Beispiel über den Jahreswechsel 2012/13 nur ungefähr 500 Ampere Strom. Das Seil war dabei 10 Grad warm. In den darauffolgenden Tagen nahm der Stromfluss auf 1400 Ampere zu. Dabei stieg die Temperatur auf 25 Grad.

Swissgrid könnte also auf solider physikalischer Basis im Übertragungsnetz einen höheren Stromfluss zulassen. Heute ist der maximale Betriebsstrom für das Hochspannungsnetz pauschal für die gesamte Schweiz festgelegt. Er berechnet sich aufgrund der wichtigsten Wetterdaten. Im Sommer wird eine Lufttemperatur von 40 Grad angenommen, im Winter 10 Grad. Entsprechend fliessen maximal etwa 2000 beziehungsweise 2500 Ampere durch eine typische ­Leitung des Schweizer Übertragungs­netzes.

Die Zukunft messen

Noch gibt es keinen Spielraum, die Stromflüsse beliebig zu erhöhen, weil die Stromwerte bei der Baubewilligung der Hochspannungsleitungen gemäss der Verordnung über den Schutz vor nicht ionisierender Strahlung festgelegt wurden. «Allerdings sind dies Spitzenwerte, die, wenn überhaupt, nur kurzfristig erreicht werden», sagt Sandro Dinser von Swissgrid.

Für die Zukunft wäre es laut Dinser von Vorteil für Swissgrid, die Infrastruktur möglichst optimal nutzen zu können. Sinnvoll wäre zum Beispiel, die Zeit bis zum nächsten Nachspannen im Voraus zu wissen. Dabei kann dem Netzwerkbetreiber möglicherweise ein Messinstrument der Empa-Forscher helfen: Denn aus deren neuen Messdaten zu den Materialeigenschaften der Aldrey-Leitungen konnten die Forscher ein zuverlässiges «Multi-Stress-Modell» entwickeln, das erlaubt, den Materialzustand von Hochspannungsleitungen zu prüfen und daraus die künftige Alterung zu errechnen. Nun suchen die Empa-Wissenschaftler Industriepartner, um das Konzept zur Marktreife zu bringen.

Erstellt: 08.01.2017, 17:13 Uhr

Stromleitung

Das kostet sie

60–80 Jahre

So lange ist die übliche Lebensdauer der Komponenten einer Leitung des Übertragungsnetzes. Dazu gehören Mast, Isolatorketten, Seile, Erdseil und Fundament. Die Lebensdauer ist abhängig vom Standort und vom Aufwand für die Wartung.

1,2–2 Mio. Fr.

So teuer kommt der Bau einer Leitung pro Kilometer zu stehen. Dieser Aufwand ist abhängig vom Gelände und von den Leitungen auf den Masten.

5–6 Jahre

So lange dauert es üblicherweise, um eine 30 bis 50 Kilometer lange Leitung zu sanieren. Leitungen werden häufig saniert und teilweise ersetzt. Es kommt aber selten zu einer kompletten Erneuerung.

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