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Fachartikel: Auf dem Weg zum Stromnetz der Zukunft


September 2013

Erneuerbare Energien, Effizienz und Ausbau des Stromnetzes sind zentrale Pfeiler der Schweizer Energiepolitik. Mit Lösungen für alle drei Ebenen leistet 3M einen Beitrag zur Energiewende. Allen voran für die Erweiterung der Stromnetze: mit innovativen Leiterseilen, Retrofit-Lösungen mit Sensorik für Trafostationen oder mit Entwicklungsprojekten im Bereich Speicher.

Die Schweiz hat die Energiewende beschlossen: Der schrittweise Ausstieg aus der Kernenergie soll überwiegend durch erneuerbare Energien und Effizienzmassnahmen kompensiert werden. Der geplante Umbau der Stromversorgung hin zur vermehrten dezentralen Energieerzeugung hat auch Folgen für die Netze und die Dringlichkeit ist hoch. Deshalb hat der Bundesrat im Juni 2013 die „Strategie Stromnetze“ präsentiert, welche die Basis für einen beschleunigten Ausbau der Netze bildet und Vorgaben über die Ausgestaltung der Übertragungs- und Verteilnetze gibt.

Handlungsbedarf im Bereich Netze
Die Stromübertragungsnetze in der Schweiz sind in die Jahre gekommen. Zwei Drittel des insgesamt 6700 km langen Netzes sind älter als 40 Jahre. Wurden in den letzten 10 Jahren nur gerade 150 km Leitungen gebaut, rechnet Swissgrid in den nächsten 20 Jahren mit notwendigen Ausbauten und Erneuerungen von 1300 km Leitungen im Höchstspannungsnetz. Schon heute gibt es im Schweizer Netz Engpässe und mit der Energiestrategie 2050 kommen neue Herausforderungen auf das Übertragungsnetz zu: Einerseits müssen die Leitungen zu den Pumpspeicherwerken ausgebaut werden, damit überschüssiger Strom aus Solar- oder Windkraftwerken gespeichert werden kann. Um die stark schwankende Einspeisung aus erneuerbaren Quellen grossräumig zu kompensieren, sind zudem auch Stromimporte und -exporte ein wichtiges Mittel. Die enge Anbindung an das europäische Stromnetz ist deshalb ein dringendes Anliegen.

Die Schweiz steht mit dieser Herausforderung nicht alleine da. Auch andere europäische Länder stehen vor der Aufgabe, ihre Stromnetze für die Zukunft fit zu machen. Diesen Megatrend hat 3M aufgenommen und entwickelt innovative Lösungen für leistungsfähige, intelligente Stromnetze.

Doppelt so viel Strom auf alten Trassen
So hat das Multi-Technologieunternehmen ein Leiterseil aus einer speziellen Aluminium-Keramik-Verbindung entwickelt, das sogenannte ACCR-Seil (Aluminium Conductor Composite Reinforced). Diese Hochtemperatur-Leiterseile können doppelt so viel Strom transportieren wie herkömmliche Aluminium-Stahl-Leiter und weisen auch bei Betriebstemperaturen bis 210 °C einen signifikant geringeren Durchhang auf.
So kann die Übertragungsleistung einer Hochspannungsleitung bei Verwendung der bestehenden Mastinfrastruktur allein durch den Austausch der Leiterseile verdoppelt werden. Wie eine Studie der Rheinisch-Westfälischen Hochschule Aachen (RHTW) im Auftrag von 3M ergeben hat, kann die Netzverstärkung mit ACCR-Seilen wirtschaftlicher sein als ein Netzausbau mit herkömmlichen Seilen. Beim Szenario einer 200 km langen Leitung käme die Verstärkung der Leitung mit ACCR-Seilen von 3M 19 Prozent günstiger als ein Ersatz der Strecke mit neuen Masten und herkömmlichen Seilen.
Die ACCR-Technologie ist in den USA, in Südamerika oder in Indien bereits im Einsatz. In Deutschland laufen Pilot-Projekte mit diesen und anderen Hochtemperaturleiterseilen auf allen Spannungsebenen.

Intelligent nachrüsten
Im Bereich der Verteilnetze steht die Entwicklung Richtung Smart Grid im Vordergrund. Um eine Vielzahl an dezentralen Einspeisungen kosteneffizient und ohne negative Auswirkungen auf die Versorgungssicherheit integrieren zu können, muss das Netz mit Stromproduzenten sowie Konsumenten kommunizieren. So kann bei zu hoher Einspeisung eine Anlage abgeschaltet bzw. vom Netz getrennt werden. Bei zu tiefer Stromproduktion werden ausgewählte Geräte bei Bezügern zeitweilig abgeschaltet.

Kühllager zum Beispiel kommen für eine bestimmte Zeit ohne Strom aus, ohne dass die Temperatur über einen kritischen Wert steigt. Voraussetzung ist, dass Netz, Produzenten- und Verbraucherseite miteinander kommunizieren können und dass das Stromnetz genau überwacht wird. Mit den neuen Kabelgarnituren von 3M mit integrierter Messsensorik lässt sich der Zustand der Verteilnetze in Echtzeit erheben. Wahlweise in Stecker- oder Endverschluss-Ausführung verfügbar, lassen sich damit Ortsnetzstationen einfach und schnell nachrüsten. Die Sensoren liefern eine Vielzahl von Messgrössen wie Phasenspannungen und -ströme, Wirk-, Blind- und Scheinleistung, Energie oder Oberschwingungsspannungen und -ströme.

Zukunftsthema Speicher
Ein dritter Bestandteil für das Netz der Zukunft sind effiziente Stromspeicher für die kurz-, mittel- und langfristige Energiespeicherung. Mit den Pumpspeicherwerken, die ins Hochspannungsnetz integriert sind, verfügt die Schweiz bereits über sehr gute Voraussetzungen, um überschüssigen Strom mittelfristig zu speichern. Sie sollen weiter ausgebaut werden. Dezentral sollen künftig Batterien in den unteren Spannungsebenen zur kurzfristigen Speicherung von Einspeisespitzen dienen. Zur Diskussion steht auch, die Batterien von Elektromobilen als kurzfristige Puffer für das Stromnetz zu nutzen. Auch hier ist 3M als Lieferant von Produkten und Lösungen auf allen Stufen der Batterieherstellung in der Forschung aktiv. Ziel ist, die Energiedichte von Lithium-Ionen- Batterien um 40 bis 50 Prozent zu erhöhen.

Für die langfristige, saisonale Speicherung von Energie steht die Umwandlung von Strom in Wasserstoff mittels Elektrolyse im Vordergrund. Der Wasserstoff kann später zu einem beliebigen Zeitpunkt über eine Brennstoffzelle in Strom umgewandelt werden – entweder in der mobilen Anwendung in Fahrzeugen oder stationär in Haushalten. Hier wird mit der Stromerzeugung gleichzeitig die Wärme für Heizzwecke genutzt, was den Gesamtwirkungsgrad deutlich erhöht. 3M stellt Membran-Elektroden-Einheiten für Brennstoffzellen her und ist in diverse Forschungsprogramme des US-Department of Energy involviert. Ziel ist, Effizienz und Lebensdauer von Brennstoffzellen zu steigern und sie somit günstiger zu machen.

Höhere Effizienz auf Nutzerseite
Schliesslich müssen auch die Stromkonsumenten mit Effizienzmassnahmen einen Beitrag zur Energiewende leisten. Nebst der Industrie, die mit optimierten Produktionsprozessen, effizienteren Motoren oder Druckluftsystemen arbeiten kann, ist insbesondere auch im Bereich der Gebäude ein grosses Sparpotenzial vorhanden. Beispielsweise bei der Kühlung.

Hier bietet 3M mit den Sonnenschutzfolien eine innovative Lösung, die auch bei bestehenden Gebäuden einfach und kosteneffizient einsetzbar ist. Sie werden auf der Innen- oder Aussenseite von Fenstern angebracht und reflektieren die Solarwärme und die UV-Strahlung. Das neuste Produkt der Familie, der 3M Sonnenschutzfilm Prestige, kommt dank Nanotechnologie völlig ohne Metall aus. So kann das Tageslicht passieren und die Gebäudeoptik wird nicht verändert.

2011 wurde am 1991 erbauten World Trade Center in Lugano eine Fensterfläche von 640 m2 mit der Sonnenschutzfolie ausgerüstet. Das Raumklima ist gemäss Betreiber seither viel angenehmer und die Kosteneinsparung bei der Kühlung ist deutlich spürbar. Wie Erfahrungen zeigen, amortisiert sich die Investition innert drei bis fünf Jahren. Bei fachgerechter Verlegung der Folien übernimmt 3M eine Garantie von bis zu zehn Jahren.

3M: Lösungen für globale Megatrends
Innovation und Erfindergeist prägen die Geschichte des Multi-Technologieunternehmens 3M. Aktuell wurden 20 Entwicklungstrends identifiziert und in globale Megatrends konzentriert. Sechs davon stehen für 3M besonders im Fokus: Alternde Gesellschaft, verändertes Konsumverhalten, rascher Technologiewandel, globale Vernetzung sowie Energieknappheit und alternde Infrastruktur.

Zu den Megatrends Energieknappheit und alternde Infrastruktur bietet 3M nebst Lösungen für Smart Grid und Effizienz zahlreiche weitere Anwendungen. Besonders in der Wind- und Solarindustrie liefert der Geschäftsbereich Renewable Energy Kerntechnologien und Produkte ─ von der Rotorblattverklebung und Erosionsbeschichtung für Windkrafträder bis zu Rückseitenschutzfolien für Solarmodule. Auch Biomassekraftwerke nutzen 3M-Technologien. Beispielhaft dafür sind Membranen zur Bioethanolherstellung und Lichtmanagementfolien zur Erzeugung von Biomasse. Zudem trägt 3M mit der Entwicklung von Leichtbaumaterialien dazu bei, dass Fahrzeuge leichter und effizienter werden.

3M Fensterfolie Prestige
Dank der 3M Fensterfolie Prestige sind im World Trade Center in Lugano die Kosten für die Kühlung deutlich gesunken und der Arbeitsplatzkomfort ist gestiegen.

3M ACCR-Hochtemperatur-Leiterseile
Die 3M ACCR-Hochtemperatur-Leiterseile können doppelt so viel Strom transportieren wie herkömmliche Aluminium-Stahl-Leiter und weisen einen signifikant geringeren Durchhang auf.

Mit den neuen Kabelgarnituren von 3M mit integrierter Messsensorik lassen sich Ortsnetzstationen einfach nachrüsten und so die Qualität im Verteilnetz in Echtzeit überwachen.

Bildquelle für alle Bilder: 3M

Über 3M
Als führendes Unternehmen in Forschung und Entwicklung produziert 3M rund 50‘000 Produkte für die unterschiedlichsten Märkte – von reflektierenden Folien und Beschriftungen für den Strassenverkehr über innovative Kunststoffe für die Bauindustrie bis hin zu individuell anpassbaren Hörschutzsystemen. Auf der Basis von mehr als 45 Technologieplattformen entwickelt das Unternehmen eine breite Palette von kundenspezifischen Anwendungen, unter anderem einen Hochleistungsklebstoff für den A380 oder eine mikrostrukturierte Folie für das Boot des BMW Oracle-Racing-Team. Mit einem Umsatz von rund 30 Milliarden US-Dollar im Jahr 2012 beschäftigt 3M weltweit 88‘000 Mitarbeiter in mehr als 65 Ländern. Die 3M (Schweiz) AG feiert 2013 das 50-jährige Jubiläum. Erfahren Sie mehr auf der 3M Jubiläumsseite www.3M-net.ch/50y3M.
Weitere Informationen: www.3M.com/ch oder auf Twitter: @3M_Schweiz

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