Supraleiter-Anwendungen

Supraleiter-Anwendungen in der Energietechnik

Supraleiter sind Materialien, die bekannterweise unterhalb einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Sprungtemperatur (Tc), ihren elektrischen Widerstand vollständig verlieren. Das bedeutet, dass elektrischer Strom verlustfrei transportiert werden kann. In der Energietechnik, insbesondere mit der Entwicklung von Hochtemperatur-Supraleitern (HTS), die bei relativ hohen Temperaturen (z.B. der Temperatur von flüssigem Stickstoff bei 77 K oder -196°C) supraleitend werden, ergeben sich vielfältige, revolutionäre Anwendungsmöglichkeiten, die zur Steigerung der Energieeffizienz und Netzstabilität beitragen.

Supraleitende Strombegrenzer (Superconducting Fault Current Limiters, SFCL)

Supraleitende Strombegrenzer nutzen die einzigartige Eigenschaft von Supraleitern, ihren Zustand abrupt zu ändern. Im Normalbetrieb transportiert der Supraleiter den Strom widerstandslos. Im Falle eines Kurzschlusses überschreitet der Stromfluss den kritischen Stromwert (Ic) des Materials. Dadurch wird der supraleitende Zustand reversibel beendet (Quench) und das Material wechselt in den normalleitenden Zustand mit sehr hohem Widerstand, wodurch der Kurzschlussstrom innerhalb von Millisekunden begrenzt wird. Die Begrenzung ist eigensicher und erfordert kein externes Triggersignal. Nach Beseitigung der Störung kühlt der Supraleiter wieder ab und nimmt seinen widerstandslosen Betrieb wieder auf.

Forschungsprojekte und Felderprobung:

Projekte wie die Installation eines SFCL im Umspannwerk Netphen der RWE demonstrierten die Zuverlässigkeit der Technologie im realen Mittelspannungsnetz. Das Ziel dieser Pilotanlagen ist die Entwicklung von SFCLs, die auch in Hochspannungsnetzen über 100 kV eingesetzt werden können, um teure Komponenten zu schützen, die Integration dezentraler Erzeuger (wie Wind- und Solaranlagen) zu vereinfachen und insgesamt Investitionskosten im Netz zu senken.

Birmingham (FlexDGrid-Projekt): In der Umspannstationen Chester Street und Bourneville in Birmingham (Western Power Distribution) wurden zwei SFCLs Ende 2015/Anfang 2016 als permanenter Bestandteil des Netzes installiert. Die SFCL sind fest in das Verteilnetz integriert und steigern die Kapazität für Strom aus erneuerbaren Energien und die Netzzuverlässigkeit.

Hochleistungsübertragungsstrecken (Netzübertragung)

Die verlustfreie Stromübertragung über weite Strecken ist einer der größten Vorteile der Supraleitertechnologie. Herkömmliche Hochspannungs- oder Hochspannungsgleichstrom-(HGÜ)-Leitungen weisen Verluste von bis zu 10% auf. Supraleitende Kabel ermöglichen nicht nur eine verlustfreie Übertragung, sondern auch eine deutlich höhere Kapazität bei kompakterer Bauweise. Sie können oft in bestehender Infrastruktur (z.B. Leerrohren) verlegt werden, was den Ausbau von Stromnetzen in urbanen Gebieten vereinfacht und beschleunigt.

Forschungsprojekte und Zielsetzungen:

AmpaCity (Essen): Ein wegweisendes Projekt (2014), das zeigte, dass ein supraleitendes Kabel im Mittelspannungsnetz jahrelang zuverlässig betrieben werden kann, ohne Ausfälle bei Übertragung oder Kältetechnik.

SuperLink (München): Ein Forschungsprojekt, das die HTS-Technologie nutzen will, um die Übertragungskapazität in städtischen Gebieten um den Faktor zwei bis drei zu erhöhen, ohne zusätzliche Erdarbeiten vornehmen zu müssen, und so eine Vorreiterrolle bei der Markteinführung einzunehmen. Die Entwicklung zielt auf kosteneffizienten und robust gekühlten HTS-Kabeln, um die notwendige Netzerweiterung für die Energiewende platzsparend und effizient zu realisieren.

Supra-Iso-420 (TH Köln, KIT u. a.): Konzeption und Erprobung eines supraleitenden Strombegrenzers für das 420-Kilovolt (kV) Höchstspannungsnetz. Aktuelle Systeme sind primär im Mittelspannungs- und vereinzelt im Hochspannungsbereich bis 220 kV im Einsatz. Die Begrenzung sehr hoher Kurzschlussströme (> 50 kA) im Höchstspannungsnetz ist eine große technische Herausforderung und notwendig für die Netzsicherheit angesichts dezentraler Einspeisung. Der Fokus der Entwicklung liegt auf der Untersuchung des Isolierverhaltens von Materialien in flüssigem Stickstoff (LN2) bei extrem hohen Spannungen, da hier noch begrenztes Wissen vorliegt, was aktuell zu Überdimensionierungen führt.

FastGrid (EU-Projekt, Horizon 2020): Entwicklung von kosteneffizienten HTS-Strombegrenzern für zukünftige Supergrids und deren Beitrag zur Netzstabilität in Europa. Der Fokus liegt auf der Verringerung der Herstellungskosten von HTS-Bändern und der Optimierung des Designs für den Einsatz in Hochspannungsnetzen.

Supraleitende Komponenten in Windkraftanlagen

Die Nutzung von Supraleitern in Windkraftgeneratoren, insbesondere in Offshore-Anlagen, zielt darauf ab, die Anlagen leichter, kompakter und effizienter zu machen. Da Supraleiter extrem starke Magnetfelder erzeugen können, lassen sich Generatoren mit einer höheren Leistungsdichte bauen, die bei gleicher Leistung bis zu 40 Prozent leichter sind als konventionelle Permanentmagnet-Generatoren. Dies reduziert die logistischen Herausforderungen (Transport, Fundament) und die Kosten von Großanlagen.

Forschungsprojekte und Zielsetzungen:

SUPRAPOWER (EU-Projekt): Ziel war die Entwicklung einer effizienten, robusten und kompakten Windkraftanlage mit einem direkt angetriebenen supraleitenden Generator von 10 Megawatt (MW) Leistung. Der Prototyp sollte durch Gewichtsreduktion und höhere Effizienz Kostenersparnisse von bis zu 1 Million Euro pro 10-MW-Anlage ermöglichen. Das KIT entwickelte im Rahmen des Projekts die notwendige Kühltechnik.

EcoSwing (EU-Projekt): Dieses Projekt entwickelte einen supraleitenden Generator, der 40 Prozent leichter ist als vergleichbare Modelle. Ziel war es, einen wettbewerbsfähigen Windkraftgenerator zu konstruieren und über 5000 Betriebsstunden zu testen, um Erfahrungen für eine spätere Serienfertigung zu sammeln. EcoSwing bereitet die Etablierung von supraleitenden Generatoren in der Großserienfertigung vor, um die Leistung von Windkraftanlagen über 10 MW hinaus zu steigern und gleichzeitig Rohstoffverbrauch (weniger Seltene Erden) und Bau-/Betriebskosten zu senken.

Technologische Reife und Bewährtheit

Trotz der unbestrittenen technologischen Erfolge stehen Supraleiter nach wie vor an der Schwelle zur großflächigen kommerziellen Markteinführung. Der wirtschaftliche Einsatz hängt maßgeblich von der weiteren Senkung der Herstellungskosten für HTS-Materialien und einer Standardisierung der Kryokühlsysteme ab. Fortschritte in der Bandherstellung (z. B. ReBCO-Bänder) sind hierfür entscheidend. Die Forschung im Bereich Übertragungsnetze zielt darauf ab, SFCLs (wie im Projekt Supra-Iso-420) und HTS-Kabel für die Höchstspannungsebene (420 kV) zu etablieren, um die großen Übertragungsaufgaben (Stromtransport von Nordafrika bis Norwegen) im Rahmen der Energiewende verlustärmer und zuverlässiger bewältigen zu können. In der Windkraft kann die Technologie die weitere Steigerung der Nennleistung von Offshore-Anlagen auf enorme 20 MW und mehr pro Einzelanlage ermöglichen, ohne die Gewichts- und Größenbeschränkungen konventioneller Generatoren zu überschreiten.

Die Zukunftsaussichten für Supraleiter sind gut, wenn technologische und wirtschaftliche Hürden genommen worden sind. Insbesondere hapert es noch an der Skalierung (Economie of Scale), um günstiger zu werden. Doch dann ist die verlustfreie Stromübertragung trotz der unabwendbaren Verluste durch die Tiefkühlung attraktiv - auch bei zukünftigen Megaprojekten wie Kontinent-verbindenden Tiefsee-Energiekabel, die per HGÜ-Technik nicht möglich sind.