Computergestützte Simulation für Hochspannungsisolierstoffe

IBM und ABB reduzieren Verluste in Stromnetzen

3. November 2011, 8:11 Uhr | Heinz Arnold
Mit Hilfe von Simulationen auf Supercomputern wollen Wissenschaftler von IBM und ABB neue Materialien für Hochspannungsisolatoren entwickeln, die den Wirkungsgrad der Stromübertragung verbessern.
© IBM, ABB

Wissenschaftler von IBM Research (Zürich) und ABB setzen auf Computer-Simulationen, um effiziente Hochspannungsisolierstoffe zu entwickeln, die vor allem in Hochleistungs-Gleichspannungs-Stromnetzen Einsatz finden. Ihre Verbesserung ist ein wichtiger Beitrag zu Ausbau und Stabilisierung künftiger Stromübertragungsnetze.

Die Verluste bei der Stromübertragung sind einerseits bedingt durch die Qualität und den 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 suchen die Forscher nach Materialien, auf die die Umwelt einen möglichst geringen Einfluss nehmen kann.  

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.

In den Simulationen können sowohl lange PDMS-Ketten als auch wesentlich leichtere vernetzte Moleküle zusammen in einem System untersucht werden. Ein Ziel besteht darin, die oberflächen-gerichteten Diffusion leichterer Moleküle quantitativ auszuwerten. Diese Auswertung erlaubt es, bestimmte Oberflächeneigenschaften von Isolierstoffen für den Außenbereich besser zu verstehen. »Wir untersuchen etwa, wie sich ein Tropfen Wasser auf die Robustheit der Isolation auswirkt. Auf den ersten Blick scheint dies unerheblich«, sagt Philip Shemella, Forscher bei IBM Research in Rüschlikon. »Extrapoliert man den Effekt allerdings über größere Flächen und Tausende von Isolatoren, wird er sehr bedeutsam.«

Denn von der Erzeugung bis zum Abnehmer legt Strom oft kilometerlange Strecken in über- und unterirdischen Stromleitungen zurück. Die dabei auftretenden Verluste betragen in den USA laut der US-amerikanischen Energiebehörde rund 7 Prozent.

Ein leistungsstarker IBM Blue Gene/P Supercomputer und massiv-parallele Algorithmen ermöglichen den Forschern, ausreichend große Ensembles von Molekülen in realistischen Modellen zu simulieren, die rund 1 Mio. Atome umfassen. 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.«
 
Die Ergebnisse haben Philip Shemella und seine Mitarbeiter  unter dem Titel »Surface Dynamics of Amorphous Polymers Used for High-Voltage Insulators« 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 auf der Fachtagung der Materials Research Society 2011 in San Francisco, Kalifornien, vorgestellt und ausgezeichnet.

 

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