Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMSIm Zeichen des Klimaschutzes steigt die Bedeutung von Energieeffizienz ebenso wie der Anteil von Strom aus erneuerbaren Energien. Tausende Windparks, Solarmodule und Biogasanlagen erzeugen schon heute große Mengen Ökostrom. Besonders der Ausbau von Windkraftanlagen führte zu Leistungssprüngen in den letzten Jahren. Auf gut 32 Prozent ist der Anteil der erneuerbaren Energien an der EU-weiten Stromerzeugung im Jahr 2018 angestiegen. Das zeigt der Jahresbericht 2018 zum Stromsystem der Europäischen Union. Die größeren Mengen an Ökostrom müssen jedoch eingespeist, transportiert und verteilt werden. Dies erfordert moderne und leistungsfähige Netze.
Infrastrukturüberwachung am Beispiel von Freileitungen
Überwachung von Freileitungen
Sensorsystem mit autarken Sensormodulen mittels Energy Harvesting zur Überwachung der Betriebsparameter (Condition Monitoring) von Hochspannungsfreileitungen.
© Fraunhofer IMS
Überwachung von Freileitungen
Montage des energieautaken Sensors unter Hochspannung
Ein montiertes Sensormodul zum Freileitungsmonitoring
Die Funktionsweise des Freileitungsmonitorings
Neben einer optimalen Auslastung der Freileitungen im Stromnetz ist auch das schnellstmögliche Erkennen und Lokalisieren von Gefahrsituationen, wie Kurzschlüsse oder Eisbehang ein wichtiger Performance-Indikator für die Netzbetreiber. Dazu ist eine sensorische Erfassung des Betriebszustands mit elektronischen Sensormodulen erforderlich, dem sogenannten Condition Monitoring. Die Sensormodule werden dabei in äquidistanten Abständen direkt an den Leiterseilen einer Freileitung installiert. Die derzeit auf dem Markt verfügbaren Systeme können hinsichtlich des zuverlässigen Überwachens von Betriebsparametern, nicht vollends überzeugen. Die unausgereifte oder teils fehlende Infrastruktur bezüglich einer flächendeckenden Netzabdeckung erschwert das Condition Monitoring von Hochspannungsfreileitungen zusätzlich. Ein wichtiges Merkmal ist der autarke Betrieb der Sensoren an der Freileitung, die ihre Energie mittels Energy Harvesting aus dem Strom des Leiterseils beziehen.
An diesem Punkt hat die aus Norwegen stammende Firma Heimdall Power angesetzt und das Fraunhofer IMS beauftragt ein Sensorsystem zu entwickeln, welches auch in schwierigen Bedingungen eine Vielzahl von Parametern zum Condition Monitoring während des Betriebs überwacht und durch Energy Harvesting autark funktioniert. Neben dem Überwachen der Betriebsparameter wie
- Leiterseil-/Gehäusetemperatur
- Leiterseilstrom
- Leiterseilneigung
erkennt das System auch Kurzschlüsse. Die gesammelten Daten werden über das lizenzfreie ISM-Frequenzband bei 868 MHz an eine Basisstation weitergeleitet, welche die Daten über das Mobilfunknetz oder ein bestehendes Ethernet Netzwerk zur weiteren Verarbeitung an ein Cloudsystem sendet.
Die an die Freileitung montierten Sensormodule versorgen sich über induktives Energy Harvesting aus der Freileitung, d. h. die benötigte Energie von einigen Milliwatt zum Betrieb des Sensormoduls wird aus dem Magnetfeld, das das Leiterseil umgibt, per Induktion in einer Spule in eine elektrische Spannung gewandelt. Somit ist das Sensorsystem nicht auf Batterien und das Auswechseln dieser angewiesen. Der realisierte Dynamikbereich des Energy Harvesters deckt den üblich genutzten Strombereich in Verteil- und Transportnetzen ab. Ebenso überlebt der Energy Harvester Kurzschlüsse, die einige 10 kA erreichen können. Die Montage der Sensormodule erfolgt mit sogenannten Hotsticks direkt an strom- und spannungführende Freileitung, somit ist ein unterbrechungsfreier Betrieb der Leitung möglich.
Die Nutzung eines Low-Power-Wide-Area-Network-Funkstandards ermöglicht hohe Übertragungsreichweiten auch ohne das Vorhandensein eines flächendeckenden Mobilfunknetzes.
Seit dem zweiten Quartal 2019 werden im Rahmen des Entwicklungsprojekts die Prototypen in der Anwendungsumgebung bei Pilotkunden durch Heimdall Power AS getestet. In Zukunft sind weitere Modelle mit unterschiedlichen Betriebsparametern und Funktionen denkbar, um das Condition Monitoring an Hochspannungsfreileitungen noch effektiver und informativer zu gestalten. Die während des Betriebs gesammelten Daten können nicht nur zum direkten Condition Monitoring genutzt werden, sondern dienen auch als Informationsquelle bei der Planung neuer und beim Ausbau bestehender Netze.
Unser Kunde Heimdall Power AS hat im Mai 2018 den Preis als eine der Top drei »Gamechanging Cleantech Nordic Startups by Cleantech Nordic« und im Januar 2019 den Preis als eine der Top 100 »Global Cleantech Company by the Cleantech Group« erhalten.