TU Ilmenau erforscht neue Schutzschalter für die Energiewende

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In einem großen Verbundprojekt entwickelt die Technische Universität
Ilmenau mechanische Schutzschalter für elektrische Geräte und Anlagen, die
auf der Basis von Gleichstrom arbeiten. Bisher basiert das Stromnetz in
Deutschland weitestgehend auf Wechselstrom, im Zuge der Energiewende
verwenden aber immer mehr Geräte Gleichstrom:

Photovoltaikanlagen auf Hausdächern, Elektroautos oder auch Ladestationen
für Handys. Zu ihrer Absicherung werden nun neuartige Schutzschalter
benötigt, denn die bisher gebräuchlichen Schalter nutzten die
Eigenschaften von Wechselspannung. Das Forschungsprojekt „FASS – Fast and
selective Switching“ – zu Deutsch: schnelles und selektives Schalten –
wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie an der TU
Ilmenau mit 1,3 Millionen Euro für drei Jahre gefördert.

Man steckt den Stecker in die Steckdose und will den Staubsauger anmachen,
aber – klack! – plötzlich ist das Licht in der ganzen Wohnung aus: Die
Sicherung oder der Schutzschalter sind rausgesprungen. Jeden Tag sichern
deutschlandweit Schutzschalter elektrische Geräte ab – und retten damit
Menschenleben. Aber die Energiewende bringt neue Herausforderungen an die
Energietechnik. Gesetztes Ziel der Bundesregierung ist es, den Anteil von
Strom auf Basis erneuerbarer Energien deutlich zu steigern und
gleichzeitig Energieverluste bei Transport und Verbrauch zu verringern.
Sowohl die Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien, etwa
Photovoltaikanlagen, als auch viele Verbrauchergeräte wie PC, Fernseher
oder LED-Beleuchtung basieren bereits heute auf Gleichstrom. Daher ist der
Umstieg von den herkömmlichen Wechselstrom- auf Gleichstromnetze für
Haushalten wie auch für die Industrie Gebot der Stunde. Doch die
unterschiedlichen Eigenschaften von Wechselstrom und Gleichstrom erfordern
neue Technologien, um elektrische Anlagen und Geräte zu schützen. Um sie
in nur wenigen Mikro- oder Millisekunden abzuschalten, werden neuartige
Schutzschalter benötigt.

Die größte Herausforderung bei der Entwicklung eines
Gleichstromschutzschalters ist es, den Stromkreis in jedem erdenklichen
Fehlerfall, etwa bei einem Kurzschluss, sicher und schnell abzuschalten.
Nachdem der Fehler erkannt wurde, öffnen sich im Inneren des
Schutzschalters Schaltkontakte und es entsteht ein Lichtbogen. Um nun den
Stromfluss zu unterbrechen und einen Brand zu verhindern, muss dieser
Lichtbogen umgehend gelöscht werden. Während aber bei Wechselstrom der
Lichtbogen spätestens in dem Moment von selbst erlischt, in dem der Strom
seine Richtung ändert – dies geschieht hundertmal pro Sekunde –, muss bei
Gleichstrom – der je nach Bedarf stetig in eine bestimmte Richtung fließt
– durch zusätzliche Maßnahmen dafür gesorgt werden, dass der Lichtbogen
sozusagen künstlich gelöscht wird. Wie, das wird nun im Fachgebiet
Elektrische Geräte und Anlagen der TU Ilmenau unter der wissenschaftlichen
Leitung von Prof. Frank Berger erforscht. Seine Idee: „Wir treiben den
Lichtbogen mit Hilfe eines starken Magnetfeldes in eine Löschvorrichtung,
die den Leistungsbedarf des Lichtbogens erhöht und dadurch auch dessen
Widerstand.“ Keine leichte Aufgabe, denn um den Stromkreis schnell genug
auszuschalten, muss der Lichtbogen möglichst früh, schon mit Öffnung der
Kontakte, in nur wenigen Mikrosekunden in die Löschvorrichtung getrieben
werden – und dies muss zudem in jedem einzelnen Fehlerfall absolut
zuverlässig funktionieren.

Die experimentelle Grundlagenforschung, die nötig ist, um innovative
Schutzschalter entwickeln zu können, wird nun im Fachgebiet Elektrische
Geräte und Anlagen der TU Ilmenau unter wissenschaftlicher Leitung von
Prof. Berger durchgeführt. Begleitet von den Fachgebieten Werkstoffe der
Elektrotechnik sowie Wahrscheinlichkeitsrechnung und mathematische
Statistik bietet die Universität nicht nur Know-how in
Schaltgerätetechnik, sondern ebenso über Veränderungen von Materialien
durch Schaltvorgänge und in Datenanalyse. Die Aufgabenstellung der
Ilmenauer Wissenschaftler ist klar, nun stehen drei Jahre harter
Grundlagenforschung vor ihnen, um das Verhalten von Lichtbögen in
Abhängigkeit eines starken Magnetfeldes zu erforschen – die Basis für
einen funktionsfähigen Modell-Schutzschalter im Zeitalter der
Energiewende.

Koordiniert wird das FASS-Projekt von der E-T-A Elektrotechnische Apparate
GmbH aus Altdorf bei Nürnberg, dem Weltmarktführer von
Geräteschutzschaltern. Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in
Braunschweig bringt ihre Expertise in der Messtechnik ein. Unterstützt
werden die drei Forschungspartner vom Kompetenzzentrum für Elektrische
Kontakte Ilmenau (KEKI) – neben der E-T-A GmbH die Unternehmen SIEMENS,
Doduco und Heraeus.