Stromübertragung: Dieses Forschungszentrum in Frankreich spielt eine Schlüsselrolle beim Aufbau des Stromnetzes von morgen

(WK-intern) – Ein Blitz zuckt durch die Luft. Einen Augenblick später blitzt es auf, gefolgt von einem unheilvollen Zischen: Der Blitz hat eine Stromleitung getroffen.

Normalerweise würde man sofort ins Haus rennen und den Stromversorger anrufen.

Doch wo man eine Wolkenwand erwarten würde, die den Sommerhimmel verdunkelt, wölbt sich stattdessen eine weiße Decke über einem Dickicht aus futuristischen Strukturen: 18 Meter hohe Masten, umgeben von glänzenden Metallringen; ein Zylinder, der fast bis zum Dachstuhl reicht und von einem kugelförmigen Netz aus Metallscheiben bedeckt wird – wie eine von Stanley Kubrick neu interpretierte Discokugel.

Dies ist eines der Testlabore im Forschungszentrum für Hochspannungstechnik von GE Vernova im französischen Villeurbanne, einer Forschungseinrichtung von Weltrang, die sich auf Hochspannungsnetzausrüstung spezialisiert hat. Den Flur hinunter entwirft ein Team aus Ingenieuren und Wissenschaftlern die Zukunft der Komponenten für Hochspannungsumspannwerke. Anschließend werden die Produkte im Labor auf Herz und Nieren geprüft. So findet man beispielsweise einen Leistungsschalter in einer Tiefkühltruhe, übersät mit Eisspitzen, oder in einer auf 60 Grad Celsius erhitzten Kammer, um sicherzustellen, dass er den rauen Bedingungen von Mutter Natur standhält.

Da der Klimawandel stärkere Stürme und intensive Hitzewellen mit sich bringt, ist damit zu rechnen, dass unsere Strominfrastruktur häufiger solchen Belastungen ausgesetzt sein wird. Um die globale Erwärmung zu bremsen, empfiehlt die Internationale Energieagentur den raschen Einsatz nachhaltiger Energietechnologien. Gleichzeitig steigt der Strombedarf weiter an; er ist zwischen 2013 und 2023 weltweit um 15 % gestiegen und wird sich bis 2050 voraussichtlich fast verdoppeln.

Es gibt zwei Möglichkeiten, diesen Bedarf zu decken: den Bau neuer Stromleitungen oder die Erhöhung der Leistung bestehender Leitungen. Beides erfordert die Modernisierung der Ausrüstung. Bestehende Systeme benötigen eine höhere Schaltleistung, um die durch den erhöhten Strom verursachte Zunahme von Kurzschlüssen abzumildern. Neue Leitungen müssen mit Schaltanlagen ausgestattet werden, die die höheren Spannungen bewältigen können, um den Strom effizienter zu transportieren.

Um sowohl die Dekarbonisierung des Stromnetzes zu unterstützen als auch die weltweite Elektrifizierung zu beschleunigen, hat das Forschungszentrum vier Teams zusammengestellt, die an neuen Technologien und Produktdesign arbeiten. Eines davon ist das Ökodesign-Team, das gemeinsam mit dem F&E-Team die Umweltbelastung durch Hochspannungsanlagen reduziert, ohne dabei Zuverlässigkeit oder Kosteneffizienz zu beeinträchtigen. Die Teams arbeiten gemeinsam an Projekten im Bereich von Mikroampere bis hin zu Hunderten von Kiloampere. Ihre Innovationen bilden das Herzstück des GRiDEA-Portfolios von GE Vernova an Dekarbonisierungslösungen, die darauf abzielen, Netzemissionen und Rohstoffverbrauch zu reduzieren.

„Wir erforschen kontinuierlich neue Materialien und Technologien, um die Auswirkungen auf die Umwelt zu verringern“, sagt Yannick Kieffel, Chief Technology Officer des Geschäftsbereichs Power Transmission bei GE Vernova und ehemaliger Leiter des Ökodesign-Teams. „Bei der Entwicklung der Zukunftstechnologie achten wir auf den Planeten.“

Eine breitere Perspektive auf die Produktentwicklung

Die Mission des Ökodesign-Teams ist es, Hochspannungsgeräte so nachhaltig zu gestalten wie die Energie, die sie übertragen. Der erste Schritt im Designprozess jedes Projekts bei Villeurbanne ist eine Lebenszyklusanalyse. Um die Umweltauswirkungen eines Produkts insgesamt zu verstehen, modellieren sie die Auswirkungen aller Phasen seines Lebenszyklus – von der Herstellung über den Versand und die Inbetriebnahme bis hin zur Entsorgung.

„Wir betrachten ein Produkt von der Wiege bis zur Bahre. So verlagern wir die Umweltauswirkungen nicht auf andere Bereiche, wenn wir ein Gerät verbessern“, so Kieffel.

Lebenszyklusanalysen dienen dem Team als Orientierung für seinen Ökodesign-Ansatz und stellen sicher, dass seine Entscheidungen von messbaren Ergebnissen geleitet werden. Ziel ist es, mit weniger mehr zu erreichen – durch die Entwicklung kompakter, effizienter Produkte und den Einsatz recycelter Komponenten, wann immer möglich, um den Einsatz von Neumaterialien zu minimieren.

Das Team wendet diese Prinzipien bei der Entwicklung von Leistungstransformatoren an und untersucht die Vorteile der Verwendung von recyceltem Kupfer in den Wicklungen, recyceltem Mineralöl zur Isolierung und der Verlängerung der Produktlebensdauer durch verbesserte Überwachung und rechtzeitige Wartung.

Neben der Unterstützung der Dekarbonisierung des Stromnetzes trägt das Forschungszentrum auch zur Beschleunigung der Elektrifizierung bei. Beispielsweise arbeiten F&E-Ingenieure an Produkten für den nordamerikanischen Markt und höheren Leistungen. Dazu müssen sie Prüfmethoden und Geräte entwickeln, die den amerikanischen Standards entsprechen. Das Team strebt außerdem die Herstellung kosteneffizienter und preislich wettbewerbsfähiger Produkte an.

Power Transmission: This Research Center in France Is Playing a Key Role in Building Tomorrow’s Grid

A bolt of lightning crackles through the air. An instant later there’s a flash, followed by an ominous sizzle: the lightning struck a powerline. Normally, you’d run inside and call the electric company. But overhead, where you might expect to see a wall of clouds darkening a summer sky, instead a white ceiling arches above a thicket of space-age structures: 60-foot poles encircled by gleaming metal rings; a cylinder rising almost to the rafters, capped by a spherical mesh of metal discs, like a disco ball reimagined by Stanley Kubrick.

This is one of the testing labs inside GE Vernova’s Research Center for High Voltage Technology in Villeurbanne, France, a world-class research facility specializing in high-voltage (HV) grid equipment. Down the hall, a team of engineers and scientists designs the future of HV substation components; the products then get put through their paces in the lab. You might find a circuit breaker in a deep freeze, bristling with spikes of ice, or operating in a chamber heated to 60 degrees Celsius (140 F), to make sure they can stand up to Mother Nature’s rough conditions.

As climate change breeds stronger storms and intense heat waves, we can expect our power infrastructure to take these sorts of beatings more often. To try to put the brakes on global warming, the International Energy Agency has recommended the rapid deployment of sustainable energy technologies. Meanwhile, power demand continues to surge; it jumped by 15% worldwide between 2013 and 2023 and is projected to nearly double by 2050.

There are two ways to meet this demand: install new power lines or boost the power carried by existing lines. Both require equipment upgrades. Existing systems will need greater breaking capacity to mitigate an uptick in short circuits caused by the increased current, while new lines must be equipped with switchgear that can handle the higher voltages that help transport power more efficiently.

To help address the need to both decarbonize the grid and accelerate the electrification of the world, the Research Center assembled four teams to work on new technologies and product design. One of these is the eco-design team, which works with the R&D team to reduce the environmental impact of high-voltage equipment without sacrificing reliability or cost efficiency. The teams collaborate on projects ranging from microamperes to hundreds of kiloamperes. Their innovations are at the heart of GE Vernova’s GRiDEA portfolio of decarbonization solutions aimed at reducing grid emissions and raw material use.

“We continuously investigate new materials and technologies to lighten the impact on the environment,” says Yannick Kieffel, chief technology officer for the Power Transmission business line at GE Vernova and former leader of the eco-design team. “We’re trying to prioritize the planet as we develop the technology of the future.”

A Broader Perspective on Product Development

The eco-design team’s mission is to make HV equipment as sustainable as the energy it transmits. The first step in the design process for every project at Villeurbanne is a life-cycle assessment. To stitch together an understanding of a product’s overall environmental effect, they model the impact of every phase of its existence, including manufacturing, shipping, deployment, and end-of-life disposal.

“We look at a product from cradle to grave, so that when we improve one piece of equipment, we don’t transfer the environmental impact somewhere else,” Kieffel says.

Life-cycle assessments serve as a compass for the team’s eco-design approach, ensuring that their choices are guided by measurable outcomes. Their goal is to do more with less — by creating compact, efficient products and incorporating recycled components whenever possible to minimize the harvest of virgin materials.

The team applies these principles to the development of power transformers, investigating the benefits of incorporating recycled copper in the windings, using recycled mineral oil for insulation, and extending the product’s life through improved monitoring and timely maintenance.

In addition to supporting grid decarbonization, the Research Center helps accelerate electrification. For example, R&D engineers are working on products for the North American market and higher performances, which requires them to develop testing methods and devices that comply with American standards. The team also aims to produce cost-efficient, competitively priced products. 

Because it can help extend the life of systems in the field, digitization is an important part of that mindset. Digital switching devices contain fewer mechanical parts that can wear out, making them more reliable. In addition, intelligent, sensor-monitored upgrades allow for continuous health monitoring and alert maintenance teams to early signs of equipment damage before they worsen.

Last August, at the 2024 conference of the International Council on Large Electric Systems (CIGRE), the Research Center team’s paper on eco-design considerations for power transformers and switchgear was selected as one of the best of the 1,100 submissions. For Kieffel and his team, it was a moment of pride — and even more motivation to keep pushing.

“Decarbonization isn’t just a buzzword for us,” Kieffel says. “It’s what we do, and it just makes sense. We know exactly why we come to the office every day.”

This article contains forward-looking statements, which provide current expectations based on certain assumptions. Except as required by law, we disclaim any obligation to update these statements.

PR: GE Vernova

PB: Power Transmission: This Research Center in France Is Playing a Key Role in Building Tomorrow’s Grid / ©: GE Vernova