Immer unter Strom

Essen kochen und Lebensmittel kühlen, Licht anschalten und Wäsche waschen, fernsehen und telefonieren, E-Mails schreiben und im Internet surfen – der Verzicht auf elektrischen Strom im privaten Umfeld scheint unmöglich. Auch in sämtlichen Wirtschaftssektoren, wie etwa in Industrie und Handel, bei Dienstleistungen und im Verkehr, in der Landwirtschaft und in öffentlichen Einrichtungen, geht ohne elektrische Energie so gut wie nichts.

Angesichts des stetig steigenden Energiebedarfs stehen Politik und Wirtschaft heute vor großen Herausforderungen. Der „Energy Outlook“ von British Petroleum (BP) erwartet eine Zunahme des weltweiten Energiebedarfs um 37 Prozent bis zum Jahr 2035. Zugleich steigen damit die klimaschädlichen CO2-Emissionen um 25 Prozent. Der Spagat liegt darin, den riesigen Energiebedarf wirtschaftlich zu decken und dabei gleichzeitig die Umwelt zu schonen. Bis der Strom umweltfreundlich aus der Steckdose kommt, ist es ein weiter Weg.

Kunststoffe als Isolationswerkstoff
Die Röchling-Gruppe unterstützt ihre Kunden aus dem Energiesektor dabei auf vielfältige Weise. Von der Energieerzeugung bis zur Energieverteilung: Seit mehr als 60 Jahren produziert Röchling als Kunststoffspezialist innovative Werkstoffe für den Einsatz in einem elektrischen Umfeld. Vor allem als Isolations- und Konstruktionswerkstoffe sind sie weltweit im Einsatz. Hersteller nutzen die Werkstoffe zum Beispiel bei der Entwicklung von Hochspannungstransformatoren, Generatoren, in Umrichterstationen und Schaltanlagen, aber auch für die Herstellung langlebiger und zuverlässiger Rotorblätter von Windkraftanlagen. „So unterschiedlich diese Anwendungen sind, so individuell müssen die eingesetzten Werkstoffe sein“, sagt Rainer Sanders, General Manager Sales Composites. „Wir haben für jeden Fall den richtigen Werkstoff in unserem Portfolio und beraten unsere Kunden entsprechend.“

Einsatz auch in Windrädern
Windenergie spielt eine tragende Rolle beim Ausbau der erneuerbaren Energien. In Deutschland stehen heute mehr als 27.000 Windenergieanlagen, die helfen sollen, klimaschädliche CO2-Emissionen bei der Stromerzeugung zu senken. Die Rotorblätter dieser Anlagen sind sehr hohen Belastungen ausgesetzt: enormem Wind, Blattspitzengeschwindigkeiten von bis zu 300 km/h, starker UV-Strahlung und Wetter. Gleichzeitig sollen sie immer effizienter, größer und leiser werden. Mit pultrudierten Profilen für Rotorblattgurte, sogenannte Spar Caps, bietet Röchling hier eine überzeugende Lösung. Die Profile bestehen aus glasfaser- oder karbonfaserverstärktem Durostone® – einem Hochleistungskunststoff, der exzellente mechanische, elektrische, thermische und chemische Eigenschaften kombiniert und viele Vorteile gegenüber traditionellen Werkstoffen bietet. Er weist beispielsweise eine hohe Festigkeit bei geringem Eigengewicht auf.

DER LANGE WEG ZUR STECKDOSE

Elektrische Phänomene wie Blitz und Donner galten noch vor einigen hundert Jahren als Naturkräfte, die Göttern und Zauberern zuzuschreiben waren. Im 17. Jahrhundert gehörte der deutsche Ingenieur Otto von Guericke zu den ersten, die herausfanden, dass sich durch Reibung Elektrizität erzeugen lässt. Der amerikanische Politiker und Wissenschaftler Benjamin Franklin ließ 1752 bei Gewitter einen Drachen steigen, in dessen Schnur ein metallischer Faden eingeknüpft war, an dem ein Schlüssel hing. So konnte er die atmosphärische Elektrizität anzapfen und über seinen metallischen Leiter vom Himmel holen.

Die breite Nutzung der Elektrizität setzte Mitte des 19. Jahrhunderts ein – von der Telegrafenleitung in den USA über die öffentliche Platzbeleuchtung in Paris bis zum elektrischen Generator. 1882 erfolgte die Fernübertragung von Gleichstrom, vier Jahre später kam die Übertragung mittels Wechselstrom hinzu. 1891 glückte die erste Fernübertragung mit dem heute in der Energietechnik üblichen Dreiphasenwechselstrom.

Im 19. Jahrhundert entdeckten Wissenschaftler wie Michael Faraday oder Thomas A. Edison, dass Strom durch einen Draht fließt, wenn er durch ein Magnetfeld bewegt wird. Die Idee, mit Bewegung Strom zu erzeugen, führte kurz darauf zur Erfindung von Dynamo und Elektrogenerator. Dieser wandelt Bewegung, die zum Beispiel von einer Dampfmaschine erzeugt wird, in Elektrizität um. Umgekehrt lässt sich Elektrizität auch wieder in Bewegung umwandeln, was zur Geburtsstunde des Elektromotors führte. Elektrodynamische Prozesse, die mit Hilfe von Magnetkraft funktionieren, sind die Grundlage der modernen Erzeugung und Nutzung elektrischer Energie.

Die Gurte bilden zusammen mit ein oder zwei Stegen in den Rotorblatt-Halbschalen das Skelett eines jeden Rotorblatts. Um die Eigenschaften der Glas- oder Karbonfasern bestmöglich zu nutzen, verarbeitet Röchling sie im Pultrusionsverfahren zu mehreren hundert Meter langen, maximal 20 Zentimeter breiten Profilen. Die Profile werden für den Transport aufgerollt und später auf die passende Länge für das jeweilige Rotorblatt zugeschnitten. „Die Profile werden zu einem Gurt neben- und übereinander gelegt und mit dem Rotorblatt zu einer Einheit verklebt. So sorgen die Spar Caps dafür, dass die Rotorblätter auch unter hoher Windlast nicht zu stark durchbiegen“, erklärt Melanie Book, Anwendungsingenieurin bei Röchling. Die Profile sind nicht die einzigen Bauteile einer Windkraftanlage, die Röchling aus Hochleistungskunststoffen herstellt: Von Formpressteilen zum Beispiel für die Befestigung von Sensorfasern über elektrische Isolierbauteile und Kabelhalterungen bis hin zu Gleitpads, auf denen die Gondeln der Windkraftanlagen in den Wind gedreht werden, leisten Kunststoffe hervorragende Dienste.

Hohe Temperaturen, hohe Belastung
Ob erneuerbare Energien oder konventionelle Energieträger – Transformatoren werden in der Energietechnik in jedem Fall benötigt, um mit ihnen die verschiedenen Spannungsebenen eines Stromnetzes miteinander zu verbinden. Hersteller von ölgefüllten Hochleistungstransformatoren stehen dabei vor der Aufgabe, dass ihre Produkte auch bei hohen Einsatztemperaturen und hoher elektrischer Belastung betriebssicher und zuverlässig arbeiten müssen, und das über mehr als 30 Jahre. „Unsere Isolationswerkstoffe haben wir speziell für diese Anforderungen entwickelt“, berichtet Hans-Jürgen Geers, der als General Manager Marketing & Technology für die Entwicklung verantwortlich zeichnet. Zu ihnen gehört zum Beispiel Lignostone® Transformerwood®, ein Werkstoff, der ausgezeichnete elektrische und thermische Isolationseigenschaften mit einer sehr guten Ölaufnahme, einem geringen Gewicht und hoher mechanischer und elektrischer Belastbarkeit verbindet. Typische Bauteile sind Druckringe, Plattformen, Pressbalken, Steigungsringe, Drucksegmente und Verbindungselemente.

Im Bereich Automobil ist das Thema Strom in den vergangenen Jahren zum Dauerbrenner geworden. Elektro- und Hybridfahrzeuge gelten als Klimaretter, denn sie sollen wesentlich dazu beitragen, die Emission von Treibhausgasen zu senken. Werden Elektroautos mit Strom aus erneuerbaren Energien geladen, sind sie praktisch CO2-neutral. Neue Batterietechnologien machen mittlerweile eine Reichweite von mehr als 400 Kilometern möglich.

Stromer sind keine neue Erfindung
Elektroautos sind aber mitnichten eine Neuerscheinung. Die Elektromobilität lieferte sich bereits Ende des 19. Jahrhunderts ein Kopf-an-Kopf-Rennen mit Verbrennungsfahrzeugen. Elektroautos waren laufruhiger, wartungsfreundlicher und mussten nicht – wie Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor damals – aufwendig mit der Handkurbel gestartet werden. Doch als der elektronische Anlasser erfunden war, setzten sich die Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor aufgrund ihrer größeren Reichweite und des billigeren Kraftstoffs durch. Die „Stromer“ fristeten fortan ein Nischendasein, auch wenn durchaus vielversprechende Konzepte kurzzeitig auf dem Markt waren, wie etwa der Saturn EV1 von General Motors. 2008 zeigte Tesla dann mit seinem Roadster, dass auch Elektroautos Spaß machen können. Mittlerweile arbeiten alle namhaften internationalen Autohersteller daran, die Alltagstauglichkeit ihrer Fahrzeuge zu verbessern.

Gefragt sind hier auch die Ideen und Entwicklungen der Zulieferer, vor allem rund um das Thema Batterie. Nicht nur Leistung, Größe und Gewicht der Batterien gilt es zu optimieren, auch deren Unterbringung im Fahrzeug ist von großer Bedeutung. Crashsicherheit, Dichtigkeit und Kühlung sind hier die Stichworte. Röchling Automotive hat bereits einige Neuerungen in diesem Bereich auf den Markt gebracht und forscht weiter an innovativen Lösungen.

WAS IST ELEKTRISCHER STROM?

Am Anfang steht das Atom. Dessen Hülle besteht aus negativ geladenen Teilchen, den Elektronen, die um den Kern herumschwirren und immer nach einem neutralen Zustand streben. Stoffe, die Strom leiten können, besitzen Atome, die Elektronen leicht frei geben. In nichtleitenden Stoffen sind die Elektronen immer fest an ein Atom gebunden.

Von Stromfluss spricht man, wenn sich Elektronen zum Beispiel durch einen Kupferdraht bewegen. Die Bezeichnung „Ampere“ gibt an, wie viel Strom fließt. Damit sich die freien Elektronen in einer Leitung in eine Richtung bewegen, muss ein Druck erzeugt werden. Dieser Druck entsteht, wenn auf der einen Seite ein Elektronenüberschuss und auf der anderen Seite der Leitung ein Elektronenmangel herrscht. Die Größe dieses Unterschieds wird als Spannung bezeichnet.

Unterschieden wird außerdem zwischen Gleichstrom und Wechselstrom. In batteriebetriebenen Geräten wie einer Taschenlampe wird Gleichstrom genutzt. Die Teilchen bewegen sich immer in die gleiche Richtung – von einem Pol zum anderen. Aus der Steckdose dagegen kommt Wechselstrom: Die Elektronen bewegen sich in die eine, dann sofort wieder in die andere Richtung. Plus- und Minuspol tauschen in Sekundenbruchteilen ihre Funktion – im deutschen Stromnetz 50-mal in der Sekunde. Bei der Übertragung von Wechselstrom geht im Vergleich zu Gleichstrom mehr Energie verloren. Dafür lassen sich mit Wechselstrom Spannungen leichter umformen – etwa von der Hochspannung zur Niederspannung.

Für Traktionsbatterien, also Energiespeicher, die zum Antrieb von Elektrofahrzeugen dienen, hat Röchling verschiedene Kunststoffkomponenten wie Batteriegehäuseoberteile, Abdeckungen, Zellrahmen und Isolierplatten entwickelt und produziert diese bereits in Serie. Die leichten, individuell anpassbaren und multifunktionalen Batteriegehäuseoberteile werden aus dem Material SMC (Sheet Moulding Compound) hergestellt. Die nächste Generation der Gehäuseabdeckungen soll aus dem neuartigen Material Stratura® Hybrid gefertigt werden. Dieser Hybridwerkstoff kombiniert leichtgewichtige, akustisch wirksame und thermisch isolierende glasfaserverstärkte Thermoplaste (LWRT) in Presstechniken mit mikroperforierten Aluminiumschichten. Das bietet gleich mehrere Vorteile: Bei einer Kollision absorbiert der Werkstoff die freigesetzte Energie gleichmäßig. Die Aluminiumschichten sorgen für verbesserte mechanische Eigenschaften im Verbund und für eine optimale elektromagnetische Abschirmung – potenziell schädliche Magnetfelder können mit Hilfe von Stratura® Hybrid den empfindlichen Batteriezellen nichts anhaben. Stratura® Hybrid weist zudem gute akustische Eigenschaften auf. Befestigungselemente für die Batteriezellen oder strukturelle Versteifungen können in ausgefeilten Fertigungstechniken direkt in die Kunststoffgehäuse integriert werden. „Wir fertigen bereits Batteriegehäuseoberteile für den BMW 2er Active Tourer Hybrid in Serie und setzen dabei unterschiedliche Fertigungstechnologien ein“, sagt Johannes Biermann, Head of Product Line New Business Green Car.

Induktive Ladesysteme werden erforscht
Der Bereich New Business Green Car beschäftigt sich in internen Studien auch mit den verschiedenen Möglichkeiten, ein E-Fahrzeug effizient zu temperieren und dabei die „Wohlfühltemperatur“ der Lithium-Ionen-Batterien einzuhalten. „Außerdem forschen wir intensiv an induktiven Ladesystemen für Elektrofahrzeuge, die es ermöglichen, ein Fahrzeug auf einer Ladefläche zu positionieren und kabellos aufzuladen“, berichtet Biermann. Hier arbeiten die Automotive-Fachleute von Röchling mit den Kollegen aus dem Unternehmensbereich Industrial zusammen. In den Boden muss eine Primärladespule eingelassen, in den Fahrzeugunterboden eine Sekundärlade­spule integriert werden. Liegen beide passgenau übereinander, beginnt der Induktionsladeprozess über elektromagnetische Felder. Nutzerfreundlicher geht es kaum.

 
 

Christiane Müller
Freelance Journalist
Phone: +49 40 32039535
chm.texte@me.com

Photos © epitavi, orion_eff, Jemastock – fotolia.com, JamesAchard, GiorgioMagini, wastesoul – iStock.com