Weniger Verluste in Stromnetzen dank Computersimulationen

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Baden/Rüschlikon, Switzerland, 1. November 2011—Wissenschaftler von IBM Research – Zürich und ABB, dem weltweit grössten Hersteller von Stromübertragungs- und Stromverteilungstechnik, setzen hochentwickelte computergestützte Simulationen für die Erforschung besserer und effizienterer Hochspannungsisolierstoffe für Stromnetze ein. Diese kommen vor allem in der innovativen Hochleistungs-Gleichspannungs-Technologie zum Einsatz. Ihre Verbesserung ist ein wichtiger Beitrag zum Ausbau und zur Stabilisierung zukünftiger Stromübertragungsnetze.

Von der Erzeugung bis zum Abnehmer legt Strom oft kilometerlange Strecken in über- oder unterirdischen Stromleitungen zurück. Dabei treten Verluste auf. In den U.S.A. betragen diese laut der U.S.-amerikanischen Energiebehörde rund sieben Prozent*. Die Verluste bei der Stromübertragung sind einerseits bedingt durch die Qualität und dem Zustand der Übertragungsnetze und andererseits durch Umwelteinflüsse wie Verschmutzung oder Niederschläge. Dies bedeutet, dass die Isolationseigenschaften der heute eingesetzten Materialien nicht nur durch ihre Beschaffenheit, sondern auch durch äussere Bedingungen bestimmt werden. Deswegen wird nach Materialien gesucht, bei denen der Einfluss der Umwelt möglichst minimal ist.

Um den Einfluss der äusseren Bedingungen auf die heute eingesetzten Hochspannungsisolierstoffe genauer zu verstehen und darauf basierend bessere Materialien zu entwickeln, nutzen die Forscher von IBM und ABB in ihrem Projekt computergestützte Simulationen. „Die Aufgabe, unsere Methoden und Hochleistungsrechner auf ein so wichtiges Problem wie zukünftige Stromübertragungstechnologien anzuwenden, hat uns besonders motiviert. Jede Verbesserung dieser Technologie schafft einen direkten, nachhaltigen Mehrwert für Menschen und Umwelt“, sagt Dr. Philip Shemella, Forscher bei IBM Research in Rüschlikon.

Ein leistungsstarker IBM Blue Gene/P Supercomputer und massiv-parallele Algorithmen ermöglichen den Forschern, ausreichend grosse Ensembles von Molekülen in realistischen Modellen mit rund einer Million Atome zu simulieren.

Dr. Oliver Fritz, Forscher am ABB-Forschungszentrum in Baden-Dättwil erklärt: „Dank der Zusammenarbeit mit einem der führenden Forschungsinstitute auf dem Gebiet der rechnergestützten Materialwissenschaften können wir darauf zählen, bald mit genaueren und moderneren Mitteln die Entwicklung und Auswahl unserer Isolationsstoffe zu unterstützen. Dies ist eine neue Dimension der Zusammenarbeit von langjähriger experimenteller Erfahrung und modernen physikalischen Berechnungsmethoden.“

In den Simulationen können sowohl lange PDMS-Ketten als auch wesentlich leichtere vernetzte Moleküle zusammen in einem System untersucht werden. Eines der konkreten Ziele ist die quantitative Auswertung einer oberflächen-gerichteten Diffusion leichterer Moleküle, um bestimmte Oberflächeneigenschaften von Isolierstoffen für den Aussenbereich besser nachvollziehen zu können.

Philip Shemella erklärt hierzu: „Wir untersuchen etwa, wie sich ein Tropfen Wasser auf die Robustheit der Isolation auswirkt. Auf den ersten Blick scheint dies unerheblich. Extrapoliert man den Effekt allerdings über grössere Flächen und Tausende von Isolatoren, wird er sehr bedeutsam.“

Die Ergebnisse wurden in der Arbeit „Surface Dynamics of Amorphous Polymers Used for High-Voltage Insulators” von Philip Shemella et al im Journal of Physical Chemistry B, DOI 10.1021/jp207589p (2011), publiziert. Eine weitere Arbeit zu diesem Thema mit dem Titel „Molecular Motion of Amorphous Silicone Polymers” von P. Shemella et al. erschien im Journal of Physical Chemistry B, 2011, 115 (12), 2831–2835, DOI 10.1021/jp111318d (2011). „Improving Functional Properties of Amorphous Silicone Polymers with Simulation“ von Oliver Fritz et al., wurde an der Fachtagung der Materials Research Society 2011 in San Francisco, Kalifornien, vorgestellt und ausgezeichnet.

*Quelle: According to the U.S. Energy Information Administration.