Flexibler Denker: Dieser GE-Forschungsingenieur hilft bei der Modernisierung des Stromnetzes

Ibrahima Ndiaye wuchs im Senegal auf und verbrachte viel Zeit damit, Radios auseinanderzunehmen, Fernseher zu reparieren und Mathematik von seinem Vater, einem Lehrer an einer örtlichen Hochschule, zu lernen. Anschließend studierte er Elektrotechnik in Marokko, promovierte in Kanada und landete vor einem Jahrzehnt bei GE Research in Niskayuna, New York.

Seine erste Aufgabe bestand darin, nach Möglichkeiten zur Modernisierung des Stromnetzes zu suchen, dieser riesigen Stromnetze mit Millionen von Zweigen, die von Kraftwerken bis zu Haushalten und Unternehmen reichen und den Strom manchmal über ganze Länder transportieren. Für Ndiaye war der allgegenwärtige Transformator ein guter Ausgangspunkt. Es gibt wenige Teile des Netzes, die wichtiger sind als der Transformator. Seine Grundfunktion besteht darin, die Spannung im Kraftwerk für eine effiziente Übertragung über Hochspannungsleitungen zu erhöhen. Am anderen Ende, manchmal Hunderte von Kilometern entfernt, senkt eine weitere Reihe von Transformatoren die Spannung, sodass sie sicher in Ihre Steckdose gelangen kann.

Aber hier liegt das Problem: Der Transformator ist im Wesentlichen ein lebendes Fossil aus der Zeit der Anfänge der Elektrizität, sein Design ist größtenteils gleich. Ndiaye möchte das ändern. Er ist federführend bei der Entwicklung eines neuartigen „flexiblen“ Transformators, der dazu beitragen könnte, das Netz vor Notfällen wie Stromleitungsausfällen oder extremen Wetterbedingungen zu schützen, schwere Ausfälle zu verhindern und die Stromversorgung schneller wiederherzustellen, wenn sie auftreten, und den Betreibern dabei zu helfen, mehr erneuerbare Energien ans Netz zu bringen . Gleichzeitig könnten dadurch auch der Aufbau und die Wartung des modernen Netzes kostengünstiger werden.

Im vergangenen Jahr haben GE und Prolec GE, eine Tochtergesellschaft eines 50:50-Joint-Ventures zwischen GE und dem Privatunternehmen Xignux, erfolgreich den vermutlich weltweit ersten flexiblen Leistungstransformator in Columbia, Mississippi, an einem von Cooperate Energy betriebenen Standort getestet , ein lokales Versorgungsunternehmen. Das Office of Electricity des US-Energieministeriums finanzierte das Projekt. Die Ingenieure vor Ort konnten das Gerät einer Reihe von Tests und Feldübungen unterziehen, um seine Leistung erfolgreich zu validieren. Diese Technologie ist Teil eines umfassenden Portfolios an Netzhardware- und -softwaretechnologien, die GE vorantreibt, um zur Transformation des Netzes und seiner Überführung in das 21. Jahrhundert beizutragen. (Ab 2024 wird Ndiaye Teil einer Gruppe von Forschern sein, die sich auf das neue fortschrittliche Forschungszentrum für das geplante Unternehmen GE Vernova konzentrieren, eines von drei branchenführenden Forschungslabors, die aus GE Research entstehen, wenn die Ausgliederung des Unternehmens abgeschlossen ist.*)

„Das flexible Transformatordesign entstand aus dem Bedarf heraus, ein etwas vielseitigeres Gerät zu haben“, sagt Ndiaye. „Heutzutage sind Transformatoren sehr teuer und ihre Beschaffung nimmt viel Zeit in Anspruch.“

Das Netz ausgleichen

Die Bedeutung des Stromnetzes für die Erreichung des Netto-Null-Emissionsziels in den kommenden Jahrzehnten kann kaum hoch genug eingeschätzt werden. Länder stellen von Kohle auf Erdgas um, bauen Wasserkraftspeicher aus, errichten Windkraftanlagen und erforschen die nächste Generation von Kernreaktoren. Eine gemeinsame Komponente all dieser Bemühungen ist das Stromnetz. Und trotz ihrer enormen Größe müssen sie immer ein empfindliches Gleichgewicht zwischen Nachfrage und Angebot aufrechterhalten, um einen Zusammenbruch des Systems zu verhindern.

Dieser Balanceakt war schon schwierig genug, als sich der Strom in eine Richtung von konventionellen Kraftwerken mit vorhersehbarer Leistung zu den Verbrauchern verlagerte. Das Hinzufügen von stromhungrigen und stark schwankenden Lasten wie Elektrofahrzeugen und wetterabhängigen Energiequellen wie Wind- und Solarparks zum Push-and-Pull-System, einschließlich Hausbesitzern mit Dachpaneelen, die nun Strom zurück ins Netz verkaufen können, erhöht diese Komplexität auf ein Vielfaches Neues level.

„Das Stromnetz ist das größte industrielle System, das die Menschheit gebaut hat“, sagt Vera Silva, Chief Technology Officer der Grid Solutions-Einheit von GE Renewable Energy. Sie sagt, dass das moderne Netz „den Zugang“ zu all diesen Quellen „erleichtern“ muss und gleichzeitig sicherstellen muss, „dass das System wie ein Schweizer Uhrwerk funktioniert“.

Alles im Gleichgewicht zu halten und zu funktionieren – in einer Zeit, in der Wetterkapriolen plötzlich Teile des Energiesystems in die Knie zwingen können – ist umso beeindruckender, wenn man bedenkt, dass ein Großteil der Technologie, die das Rückgrat des Stromnetzes bildet, vor mehr als einem Jahr erfunden wurde Vor einem Jahrhundert.

„Wie ein Großteil des Netzes hat sich auch das Design der Transformatoren in den letzten 100 Jahren nicht verändert“, sagt Ndiaye. „Wenn William Stanley, der Erfinder, der den ersten praktischen Transformator gebaut hat, heute käme, würde er auf einen Transformator zeigen und sagen: ‚Hey, das ist mein Design.‘ Wir haben hier und da ein wenig Kontrolle und Überwachung hinzugefügt, aber im Allgemeinen hat sich nichts geändert.‘“ (Stanley fusionierte sein Transformatorengeschäft 1903 mit GE.)

Weitere zu berücksichtigende Faktoren: Heute sind etwa 70 % der Transformatoren im Netz älter als 25 Jahre und etwa 15 % erreichen oder überschreiten bereits ihre durchschnittliche Lebenserwartung von 40 Jahren.

Der Grund dafür, dass Transformatoren teuer und schwierig zu beschaffen sind, liegt darin, dass „sie auf die Anwendung zugeschnitten sind, die ein Energieversorger wünscht, auf den Standort, an dem sie eingesetzt werden, auf die Spannung, die sie verarbeiten können, auf die benötigte Leistung und auf andere Faktoren“, sagt er Ndiaye. „Der Hersteller wird es genau so konzipieren. Daher kann es nur an diesem oder einem identischen Standort eingesetzt werden.“

Es ist so, als würde man in ein Geschäft gehen und ein Radio kaufen, das auf einen einzelnen Sender eingestellt ist – zum Beispiel NPR in New York City – und über eine voreingestellte Lautstärke verfügt, sodass Sie es zu Hause hören können. Aber wenn Sie damit zum lauten Times Square oder in eine andere Stadt fahren, werden Sie Pech haben, wenn Sie Ihre Lieblingssendung hören möchten.

Der flexible Transformator ähnelt eher einem herkömmlichen Funkgerät. Im Wesentlichen ermöglicht es Netzbetreibern, ihre Transformatoren auf die Standorte abzustimmen, an denen sie arbeiten sollen. „Wenn ich heute einen Transformator ersetzen muss oder er ausfällt, muss ich genau wie ein Zwilling einen bereithalten; Sonst gehe ich nirgendwo hin“, sagt Ndiaye. „Wenn ich keinen Ersatz habe, muss ich zwei oder drei Jahre warten, bis einer kommt. Wenn man viel Strom transportiert und das plötzlich für längere Zeit nicht mehr kann, verliert man viel der Zuverlässigkeit.“

Daher verfügen die Energieversorger über viele Ersatztransformatoren, die teuer sein können. „Wenn ich 20 verschiedene Transformatoren habe, benötige ich technisch gesehen 20 Ersatzteile“, sagt Ndiaye. Aber mit dem flexiblen Transformator „kann ich mit einem Ersatztransformator die gleiche Anzahl an Transformatoren mit der gleichen Zuverlässigkeit betreiben.“ Überlegen Sie, wie sehr dies dazu beitragen wird, Ihre Lagerkosten zu senken.“

Die Möglichkeit, den flexiblen Transformator an einem Ort neu zu konfigurieren, an dem er benötigt wird, und die Kosten drastisch zu senken, wird ein großer Vorteil sein. Aber es gibt noch mehr. Der flexible Transformator verfügt außerdem über einen neuen „Knopf“, mit dem Bediener die Impedanz des Transformators ändern können, ähnlich wie die Lautstärke, mit der Ihr Radio spielt. Das ist etwas, was ihnen vorher nicht möglich war. Bei der Impedanz handelt es sich im Wesentlichen um den Widerstand in Schaltkreisen, die Wechselstrom (AC) verwenden. Wenn Sie ihn nach Belieben ändern, um auf Echtzeitbedingungen zu reagieren, können Netzbetreiber den Netzzustand ändern und ihn dynamisch auf optimalere Bedingungen einstellen, um beispielsweise mehr volatilen Strom zu liefern aus erneuerbaren Quellen online. Die Leistung eines Solarparks kann sich von Minute zu Minute ändern, wenn Wolken aufziehen, was möglicherweise das empfindliche Gleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage stört, das im Netz bestehen muss.

Wenn heute die Windkraftleistung zurückgeht, können die Energieversorger mehr Energie aus anderen Quellen fordern, manchmal unter Verwendung fossiler Brennstoffe, oder sie müssen ihre Leitungen neu konfigurieren und den Stromfluss ändern. Aber auch hier kann der flexible Transformator Abhilfe schaffen. „Stellen Sie sich vor, wie groß das Netz ist und welche Zwischenfälle diesem Gleichgewicht passieren können, so klein wie das Ein- und Ausschalten eines Lichts und größer, wie eine Windkraftanlage, die aufgrund einer schwachen Brise nicht wie erwartet läuft oder eine aufziehende Wolke über einen Solarpark“, sagt Ndiaye. „Wenn Sie viele erneuerbare Energien haben, kann Ihr Strom schnell verschwinden. Deshalb benötigen Sie für die Arbeit mit ihnen viel schnellere Steuerungen und flexible Geräte. Die Möglichkeit, die Impedanz zu ändern, kann Ihnen helfen, die Leitung besser zu steuern und sie stabiler und optimaler zu machen.“

Die Möglichkeit, die Impedanz zu ändern, kann ihnen auch bei der Bewältigung von Störungen helfen. Sie können beispielsweise Teile des Netzes, die beispielsweise durch einen schweren Sturm beschädigt wurden, schneller isolieren und andere Teile des Systems vor der Fehlerkaskadenbildung schützen.

Eine der brillanten Eigenschaften des neuen flexiblen Transistors besteht darin, dass es dem Team gelungen ist, die neue Technologie in die gleiche Grundfläche zu integrieren, die bereits vorhandene Transformatoren einnehmen. Dies ist nützlich, da Transformatoren in Umspannwerken untergebracht sind, die sich häufig auf Grundstücken befinden, die sich insbesondere in nahegelegenen Städten nur schwer erweitern lassen. Das Design nutzt außerdem bewährte Materialien wie Kupfer, Stahl und Mineralöl, um Produktion, Tests und Einführung zu beschleunigen.

Nach dem erfolgreichen Abschluss des Programms beim US-Energieministerium war Ndiaye überglücklich. „Dies ist das erste Mal auf der Welt, dass jemand dies getan hat. Der Transformator tut, wofür er entwickelt wurde, und hat das Potenzial, eine transformative Technologie zu sein und das Netz zu revolutionieren, um den Herausforderungen auf dem Weg zu einem kohlenstoffärmeren Energienetz gerecht zu werden.“

* Diese Pläne können in einigen Teilen der Welt vom Ergebnis gesetzlich vorgeschriebener Konsultationen abhängen.