Der Weg zu besseren Trafos

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Das Paul Scherrer Institut wird mit Strom aus einer Hochspannungsleitung mit 50
Das Paul Scherrer Institut wird mit Strom aus einer Hochspannungsleitung mit 50 kV versorgt. An der im Bild gezeigten Transformatorstation wird der Strom auf die Spannung von 16 kV transformiert und dann im Institut verteilt. Weitere Transformatoren, die über das Institut verteilt sind, reduzieren die Spannung dann auf 400 oder 230 V. (Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)
Forschende des Paul Scherrer Instituts PSI haben eine Möglichkeit gefunden, um in die Eisenkerne von Transformatoren hineinzuschauen. Transformatoren, kurz Trafos, sind unerlässlich für die Stromversorgung von Industrie und Haushalten. Je besser ihre Eisenkerne sich magnetisieren lassen, desto effizienter können sie arbeiten und desto weniger Energie geht verloren. Die am PSI entwickelte Untersuchungsmethode der Neutronen-Gitterinterferometrie ermöglicht es nun erstmals, zu beobachten, wie sich die magnetischen Domänen im Inneren des Eisenkerns beim Anlegen von Magnetfeldern, also bei der Arbeit, verhalten. Das wird für das Verständnis heutiger und die Entwicklung zukünftiger, effizienterer Trafos eine grosse Hilfe sein. Zumal die EU von der Industrie Effizienzsteigerungen in diesem Bereich fordert und auch die Schweiz diese Regelungen übernimmt. Über ihre Ergebnisse berichten die Forschenden in zwei Studien der neuesten Ausgabe des Fachjournals Physical Review Applied.

Transformatoren sind ein unverzichtbares Element unserer Stromversorgung: In Umspannwerken erhöhen sie die Spannung, sodass der Strom sich per Hochspannungsleitung und dadurch mit geringerem Verlust über weite Strecken transportieren lässt. Am anderen Ende der Hochspannungsleitungen setzen Trafos die Spannung wieder herab, sodass der Strom schliesslich mit 230 Volt aus der heimischen Steckdose kommt.
Dabei gibt es auch bei den modernen Trafos durchaus noch Optimierungspotenzial. Diesem Problem haben sich Christian Grünzweig, Neutronenforscher am Paul Scherrer Institut PSI, und seine Mitarbeitenden in zwei neuen Studien gewidmet. Dabei haben sie eine hochmoderne Untersuchungsmethode erprobt und gezeigt, wie sich damit während des Trafobetriebs die winzigen magnetischen Strukturen in dessen Inneren abbilden lassen. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen helfen beim Verständnis heutiger Trafos und bei der Entwicklung zukünftiger, effizienterer Varianten.
Auf flexible Wände kommt es an
Der ringförmige, magnetische Eisenkern im Trafo ist ein zentrales Element, das für die Erhöhung oder die Senkung der Spannung sorgt, erklärt Grünzweig. Eine wesentliche Rolle spielen hierbei die darin verborgenen winzigen magnetischen Domänen. Innerhalb jeder Domäne ist die magnetische Ausrichtung einheitlich. Die Grenzen zwischen den Domänen nennen Fachleute Domänenwände. Wird der Eisenkern magnetisiert, bedeutet dies auf mikroskopischer Ebene, dass alle Domänen gleich ausgerichtet werden. Anders gesagt: Die Domänenwände verschwinden.
Der entscheidende Faktor für effiziente Trafos ist die Mobilität der Domänenwände, sagt Benedikt Betz, Hauptautor der beiden Studien und Doktorand in Grünzweigs Team. Denn durch unsere Stromleitungen fliesst Wechselstrom mit einer Frequenz von 50 Hertz. Das heisst, dass der Eisenkern des Trafos 100 Mal pro Sekunde ummagnetisiert wird – magnetischer Südwird zu Nordpol und umgekehrt. Die Domänen werden also hinund hergeworfen. Je flexibler sie sind, desto besser. Mit PSI-Technologie lassen sich Trafos durchleuchten
Wie sich die Domänenwände genau verhalten, liess sich mit den bisher etablierten Methoden nur indirekt beobachten. Die Neutronen-Gitterinterferometrie, die Christian Grünzweig vor zehn Jahren im Rahmen seiner Doktorarbeit am PSI entwickelt hat, ermöglicht nun erstmals den direkten Blick auf die Domänenwände. Die Domänen kann man sich vorstellen wie Grundstücke, die durch Zäune voneinander abgegrenzt sind, sagt Grünzweig. Was wir nun mit der Neutronen-Gitterinterferometrie sehen können, sind die Zäune, also die Domänenwände; nicht die Grundstücke. Auf den Bildern der Forschenden zeigen sich die Domänenwände als schwarze Striche.
Nun hat Grünzweigs Team in einer Studie unter Federführung von Benedikt Betz untersucht, was passiert, wenn man an einen Trafo Gleichstrom anlegt und diesen einmal hochund wieder herunterfährt. Mit steigender Stromstärke verschwanden die schwarzen Striche; der Eisenkern wurde durchgehend magnetisiert. Erst in diesem Zustand überträgt der Eisenkern die Spannung effektiv. Reduzierten die Forschenden den Strom wieder, erschienen auch die Striche und somit die Domänenwände wieder. So lieferte diese erste Studie die Grundlagen für weitere Untersuchungen.
In einer zweiten Studie legten die Forschenden dann wie in der Realität Wechselstrom an und variierten Stromstärke und Frequenz. Wie sich zeigte, gab es bestimmte Schwellen sowohl der Stromstärke als auch der Wechselstromfrequenz, ab der die Domänenwände verschwanden oder zu erstarren schienen.
Zielgerichtet zu effizienteren Trafos
Mit diesen Einblicken sorgen wir jetzt nicht unmittelbar für bessere Transformatoren, räumt Christian Grünzweig ein. Aber wir bieten der Wissenschaft und Industrie eine neue Methode an. Und zwar zur rechten Zeit, denn seit vergangenem Jahr ist die Energieindustrie angehalten, im Zuge der EU-Ökodesign-Richtlinie – die auch von der Schweiz übernommen wurde – ihre Transformatoren energetisch zu verbessern. Bislang funktioniert die Weiterentwicklung von Trafos eher nach der Devise Versuch und Irrtum: Warum ein neuer Trafo besser funktioniert als ein alter, ist im Detail gar nicht klar. Mit genauerer Kenntnis der magnetischen Vorgänge im Eisenkern können Hersteller von Transformatoren nun zielgerichteter ihre Produkte optimieren.
Das Potenzial für Verbesserungen ist enorm, da die grossen Verteilertrafos laut Hochrechnungen EU-weit pro Jahr rund 38 Terawattstunden Energie verlieren – das ist mehr als die Hälfte der Menge, die die Schweiz im Jahr produziert. Schon eine Effizienzsteigerung der Trafos um wenige Prozent könnte also die Produktionsmenge mehrerer Kraftwerke einsparen.
Text: Jan Berndorff