ROSIS - Raumladungs-optimierte Entwicklung eines innovativen Siliconelastomer-Isolierstoffsystems für HGÜ-Kabel-Garnituren

Abstract

Der tiefgreifende Umbau der elektrischen Energieversorgung in Deutschland stellt hohe technische und organisatorische Anforderungen an das Übertragungsnetz. Mit dem politischen Ziel, bis 2030 mindestens 65 % des Stroms aus erneuerbaren Energiequellen bereitzustellen, verschiebt sich die Erzeugungslandschaft zunehmend in Richtung dezentraler und witterungsabhängiger Einspeiser, insbesondere großer Offshore-Windparks. Diese Erzeugungszentren liegen jedoch weit entfernt von den Verbrauchsschwerpunkten im Süden und Westen Deutschlands. Um die dabei erforderlichen Transportkapazitäten effizient bereitzustellen, wurde die Hochspannungs-Gleichstromübertragung (HGÜ) als zentrale Technologie identifiziert. Sie ermöglicht im Vergleich zur konventionellen Wechselstromübertragung eine verlustärmere Übertragung großer Leistungen über sehr lange Distanzen und wurde daher im Bundesbedarfsplan als bevorzugte Option festgelegt – einschließlich des politisch vorgegebenen Vorrangs für Erdkabellösungen. Mit den geplanten HGÜ-Kabelvorhaben auf der ±525 kV-Ebene (u. a. DC1, DC3–5) entsteht in Deutschland ein System, das weltweit in dieser Spannungsebene bislang keine Betriebserfahrung aufweist. Die vorgesehenen Gesamtstrecken von rund 2000 km und die Leistungen im Bereich von 8 GW sind nicht nur technologisch anspruchsvoll, sondern stellen Pilotprojekte von erheblichem energiewirtschaftlichem Gewicht dar. Parallel da- zu fordern europäische Initiativen und länderübergreifende DC-Verbindungen zusätzliche Systemstabilität und neue Kapazitäten, was den Innovationsdruck weiter erhöht. Diese besondere Ausgangssituation ist mit erheblichen Risiken verbunden. Historische Erfahrungen aus existierenden 300/320 kV-HGÜ-Kabelprojekten – etwa South-West-Link, NordBalt oder DolWin2 – belegen, dass trotz bestandener Präqualifikations- und Inbetriebnahmeprüfungen systematische Fehler im Langzeitbetrieb auftreten können. Fehlfunktionen, insbesondere in Verbindungsmuffen, führten teilweise zu Dutzenden Ausfällen, monatelangen Reparaturphasen und vollständigen Austauschaktionen von hunderten Garnituren. Für die national geplanten 525 kV-Systeme existieren zudem weder Praxiserfahrungen noch etablierte internationale Normen. Die verfügbaren Prüfempfehlungen (Cigré TB496; IEC 62895) berücksichtigen nicht vollständig die betrieblichen Belastungsprofile, die im Langzeitbetrieb unter realen Netzbedingungen auftreten. Gleichzeitig hat die Verfügbarkeit der HGÜ-Systeme zentrale Bedeutung für die Versorgungssicherheit. Modellrechnungen auf Basis bekannter AC-Fehlerstatistiken zeigen, dass bei Einbeziehung aller Systemkom-ponenten eine Verfügbarkeit von nur rund 88 % möglich wäre – das entspricht etwa 43 Tagen Nicht-Verfügbarkeit pro Jahr über alle geplanten Trassen hinweg. Solche Ausfallzeiten verursachen erhebliche volkswirtschaftliche Kosten: Redispatch-Maßnahmen beliefen sich 2018 auf 472 Mio. €, die Gesamtkosten für Netz- und Systemsicherheitsmaßnahmen auf 1,4 Mrd. €. Ungeplante Ausfälle großer HGÜ-Systeme gefährden zudem in einem unvermaschten Netz direkt die Systemstabilität und erzwingen das Abschalten von Windparks sowie die Aktivierung konventioneller Kraftwerke. Vor diesem Hintergrund besteht ein unmittelbarer Bedarf, das technologische Risiko der neuen 525 kV-HGÜ-Systeme systematisch zu reduzieren, die Langzeitzuverlässigkeit zu erhöhen und alternative, robustere technologische Optionen zu entwickeln. Genau an dieser Stelle setzt das Forschungsvorhaben an. Ziel des Projekts ist es, grundlegende wissenschaftliche und technologische Voraussetzungen zu schaffen, um die Verfügbarkeit zukünftiger HGÜ-Kabelsysteme signifikant zu erhöhen und das Risiko systematischer Fehler zu minimieren. Hierzu umfasst das Vorhaben drei zentrale Aufgabenkomplexe:

Aufbau technologischer Redundanz durch Werkstoffinnovation: Entwicklung der Grundlagen für alternative Isoliersysteme auf Basis von Polydimethylsiloxanen (PDMS) als vielversprechende Ergänzung bzw. Alternative zu den bislang eingesetzten Polyolefinen. Dies soll langfristig neue Designoptionen für HGÜ-Kabelgarnituren eröffnen und das Risiko materialspezifischer Schwachstellen reduzieren. Erarbeitung von Bewertungs- und Prüfverfahren für innovative HGÜ-Isoliermaterialien: Entwicklung wissenschaftlich fundierter Methoden, um neuartige Isolierwerkstoffe unter realitätsnahen elektrischen, thermischen und mechanischen Belastungsbedingungen beurteilen zu können. Dies bildet die Grundlage für zuverlässigere Systemkomponenten in der 525 kV-Spannungsebene. Weiterentwicklung und Revision bestehender Prüfnormen: Analyse bestehender PQ-Prüfempfehlungen sowie Identifikation bislang nicht abgedeckter Belastungsszenarien. Ziel ist die Weiterentwicklung hin zu international harmonisierten Prüfstandards, die die Sicherheit neuer HGÜ-Systeme im Langzeitbetrieb nachhaltig erhöhen. Damit verfolgt das Projekt die zentrale Intention, die technologische Resilienz des zukünftigen HGÜ-Netzausbaus zu stärken, Risiken zu minimieren und eine tragfähige Grundlage für die erfolgreiche Integration erneuerbarer Energien im deutschen und europäischen Verbundnetz zu schaffen.