Die erneuerbaren Energiequellen von morgen werden oft weit entfernt von den Endkunden zu finden sein. Windkraftanlagen zum Beispiel sind besonders effektiv, wenn sie auf See errichtet werden. Solarenergie wird den größten Einfluss auf das europäische Energiesystem haben, wenn der Fokus auf Transport von Solarstrom aus Nordafrika und Südeuropa nach Nordeuropa liegt. „Die Senkung der Energieverluste beim Stromtransport ist einer der wichtigsten Faktoren für die Energiesysteme der Zukunft“, sagt Chalmers-Forscher Christian Müller. „Die anderen beiden sind die Entwicklung von erneuerbaren Energiequellen und Technologien zur Energiespeicherung.“

Gemeinsam mit Kollegen der Technischen Hochschule Chalmers und dem Unternehmen Borealis in Schweden hat Müller ein leistungsfähiges Verfahren zur Verringerung der Energieverluste im Wechselstromkabel gefunden. Die Ergebnisse wurden kürzlich in Advanced Materials, einer hochrangigen Fachzeitschrift, publiziert.

Die Forscher haben gezeigt, dass verschiedene Varianten der C60-Carbonkugel, ein Nanomaterial innerhalb der Fulleren Molekülgruppe, hohen Schutz gegen den Durchschlag der Kunststoffisolierung in Hochspannungskabeln bieten. Heutzutage muss die Spannung in den Kabeln reduziert werden, um die Isolationsschicht vor Beschädigungen zu schützen. Je höher die Spannung ist, umso mehr Elektronen können in das Isolationsmaterial austreten – ein Prozess, der zum Durchschlag der Isolierung führt.

Es reicht aus, wenn sehr kleine Mengen von Fulleren der Kunststoffisolierung beigefügt werden, damit sie ohne zu brechen einer 26 Prozent höheren Spannung standhalten kann als das Material ohne Fulleren aushalten würde. „Die Möglichkeit, die Spannung in diesem Umfang zu erhöhen würde zu enormen Effizienzsteigerungen in der Kraftübertragung auf der ganzen Welt zur Folge haben“, sagt Christian Müller. „Die Branche beschäftigt sich vor allem mit der Frage wie die Übertragungseffizienz verbessert werden kann, ohne die Stromkabel dicker zu machen, da sie bereits sehr schwer und schwierig zu handhaben sind.“

Die Verwendung von Zusatzstoffen, um die Isolierung aus Kunststoff zu schützen, ist ein bekanntes Konzept seit den 1970er Jahren. Bis jetzt wusste man aber nicht genau was und wie viel davon beizufügen ist. Daher werden Additive derzeit überhaupt nicht zu diesem Zweck verwendet, und das Isolierungsmaterial wird mit der größten möglichen chemischen Reinheit hergestellt.

In den vergangenen Jahren haben auch andere Forscher mit Fullerenen im Bereich der elektrisch leitenden Teile der Hochspannungskabel experimentiert. Bisher allerdings war es nicht bekannt, dass die Substanz vorteilhaft für das Isoliermaterial sein kann. Die Chalmers Forscher haben nun gezeigt, dass Fullerene die besten Spannungsstabilisatoren für Kunststoffisolierungen sind. Dies bedeutet, dass sie eine bisher unübertroffene Fähigkeit besitzen, Elektronen zu erfassen und damit andere Moleküle davor schützen durch die Elektronen zerstört zu werden.

Um zu diesen Ergebnissen zu gelangen, haben die Forscher eine Reihe von Molekülen getestet, die auch in der organischen Solarzellenforschung an der Chalmers Universität eingesetzt werden. Die Moleküle wurden unter Verwendung von verschiedenen Verfahren untersucht und sie wurden Teilen der Kunststoffisolierung für Hochspannungskabel beigefügt. Die Plastikteile wurden dann einem zunehmenden elektrischen Feld ausgesetzt bis sie knisterten. Fullerene erwiesen sich als der Typ von Additiven, die effektiv die Isolierung aus Kunststoff schützen.

Der nächste Schritt beinhaltet das Testen des Verfahrens im Großformat in kompletten Hochspannungskabeln für Wechselstrom. Die Forscher werden das Verfahren auch in Hochspannungskabeln für Gleichstrom testen, da Gleichstrom effizienter als Wechselstrom für die Kraftübertragung über sehr große Entfernungen ist.

Kohlenstoffkugel C60
Die C60-Carbonkugel wird auch Buckminster-Fulleren genannt. Es besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die so angeordnet sind, dass das Molekül einem nanometergroßen Fußball gleicht. C60 ist in der molekularen Klasse Fulleren enthalten. Fullerene wurden 1985 entdeckt, im Jahr 1996 wurde dafür der Nobelpreis für Chemie vergeben . Sie haben einzigartige elektronische Eigenschaften und werden als sehr vielversprechendes Material für verschiedene Anwendungen angesehen. Bisher jedoch gab es nur wenige industrielle Anwendungsbereiche. Fullerene sind eine der fünf Arten von reinem Kohlenstoff, die existieren. Die anderen vier sind Graphit, Graphen / Kohlenstoff-Nanoröhren, Diamant und amorpher Kohlenstoff, beispielsweise Ruß.

Höhere Spannung führt zu einem effizienteren Stromtransport
Wenn kleine Mengen von Fulleren den Hochspannungskabel-Kunststoffisolierungen beigefügt werden, kann die Spannung um bis zu 26 Prozent erhöht werden. Das bedeutet, die übertragene Leistung erhöht sich auch um bis zu 26 Prozent, weil gilt: Leistung = Spannung mal Strom. Der Energieverlust in Form von Wärme nimmt aber nicht zu, wenn der Strom konstant gehalten wird, da die Wärmeverluste primär vom Strom abhängen. Die Kraftübertragung kann dadurch um bis zu 26 Prozent erhöht werden, gleichzeitig bleibt der Energieverlust auf dem gleichen Niveau – eine Effizienzsteigerung in der elektrischen Energieübertragung.

Fakten über die Forschung
Die Forschung wurde von acht Forschern der Fakultät für Chemie und Chemieingenieurwesen und der Abteilung für Werkstoffe und Fertigungstechnik der Technischen Hochschule Chalmers in Schweden sowie von einem Forscher von Borealis AB in Stenungsund (Schweden) durchgeführt. Die Bereiche der Modernen Materialwissenschaften und Energie von der Chalmers Universität wie auch das Unternehmen Borealis AB waren für die Finanzierung verantwortlich.