Hochtemperatur-Supraleitung / 16.01.2017

Supraleiter-Kabel in Essen

Verlegung des Supraleiterkabels in der Essener Innenstadt. © innogy SE

Das längste Hochtemperatur-Supraleiterkabel der Welt hat erfolgreich einen zweijährigen Testbetrieb absolviert. Es verbindet quer durch die Innenstadt von Essen zwei Umspannstationen. Das ein Kilometer lange Kabel ersetzt eine konventionelle 110-kV-Leitung und macht eine Umspannanlage im Stadtzentrum überflüssig.

 

Gemeinsam mit Projektpartnern untersuchten Wissenschaftler des Energieversorgers Innogy SE, wie Hochtemperatursupraleiter-Kabel (HTS) in den Innenstädten Umspannanlagen und Hochspannungsleitungen ersetzen können. Im Projekt AmpaCity konnten sie in einer zweieinhalb Jahre dauernden Testphase zeigen, dass die Technologie nun marktreif wird.

 

Als weitere neue Komponente im Mittelspannungsnetz setzen sie einen supraleitenden Strombegrenzer ein, der das HTS-Kabel bei Kurzschlüssen schützt. Die Teststrecke hat bereits mehr als 200 Millionen Kilowattstunden übertragen. Das Kabel und der als Kurzschlussschutz installierte, ebenfalls supraleitende Strombegrenzer arbeiten zuverlässig.

HTSL spart Platz und Umspannstationen

Aufbau des Supraleiterkabels. Im Zentrum befindet sich der Vorlauf für den flüssigen Stickstoff. Die supraleitenden Bänder für die drei Phasen werden vom Neutralleiter aus Kupfer umhüllt. Von außen kühlt der Stickstoff-Rücklauf. © innogy SE

Bei der klassischen Stromversorgung transportieren Hochspannungsleitungen mit Kupfer- oder Aluminiumleitern den Strom bis in die Stadtzentren, um Übertragungsverluste gering zu halten. Dort reduzieren große Umspannanlagen die Spannung auf 10.000 Volt und speisen den Strom in das Verteilnetz ein. Kleinere Stationen transformieren dann die Spannung für die Versorgung der Kunden auf 400 Volt.

 

Mit kompakten supraleitenden Kabeln lässt sich diese Struktur vereinfachen: Innerstädtische Hochspannungsstrecken und Umspannanlagen könnten schrittweise durch HTS-Kabel ersetzt werden, die bei 10.000 Volt große Strommengen über längere Strecken fast verlustfrei leiten. Verglichen mit Kupferkabeln sind bei ihnen Energieverluste und Trassenbedarf sehr viel niedriger. In Essen müssten beispielsweise statt des einen HTS-Kabels fünf Kupferkabel parallel in den Untergrund verlegt werden.

Auch der Strombegrenzer nutzt Supraleiter

Der Kurzschlussstrombegrenzer arbeitet mit Hochtemperatursupraleitern der zweiten Generation. Sie bestehen aus einer wenige Mikrometer dünnen Schicht supraleitenden Materials (Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid - YBCO), die auf Metallbänder aufgebracht ist. Die geringe Wärmekapazität der dünnen Bänder ermöglicht eine schnelle Rückkühlung. Im Störfall geht der Strombegrenzer bereits nach kurzer Abkühlphase ohne weitere Wartung automatisch wieder in Betrieb. Kabel und Strombegrenzer sind für einen Betriebsstrom von 2.310 Ampere, eine Nennspannung von 10 kV und eine Nennleistung von 40 MW ausgelegt. Sie ersetzen damit ein 110-kV-Kabelsystem gleicher Kapazität.

Flüssiger Stickstoff kühlt das Kabel

Die Strombegrenzer der drei Phasen befinden sich in separaten Kryobehältern. © innogy SE

Da die Supraleitung nur bei sehr niedrigen Temperaturen funktioniert, werden die Kabel in der Essener Anlage konstant mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Am Kabeleintritt hat dieses eine Temperatur von minus 206 °C, beim Kabelaustritt minus 201 °C. Ein Unterkühler kühlt es über einen Wärmetauscher auf die erforderliche Eintrittstemperatur zurück. Es konnte gezeigt werden, dass Supraleiterkabel trotz des hohen Aufwands für die Kühlung eine wirtschaftliche Alternative zu herkömmlichen Hochspannungskabeln sowie ressourcen- und flächenintensive Umspannstationen in Innenstädten sind.

Mehr zum Projekt

Verbundvorhaben

AmpaCity - 10kV-Supraleiter-System für Hochenergietrassen

Förderkennzeichen:

03ET1055A-D

Laufzeit:

2011 - 2016

Projekttbeteiligte

Projektleitung
innogy SE (ehem. RWE)

HTR-Kabel und Strombegrenzer
Nexans Deutschland GmbH

Wissenschaftliche Begleitung
Karlsruher Institut für Technologie – Institut für Technische Physik KIT-ITEP

Service

Supraleiter für das Mittelspannungsnetz
BINE-Projektinfo 01/2017
(PDF, 4 Seiten, 367 kB)

Infotipps

Hochtemperatur-Supraleiter
BINE-Projektinfo 6/2010

Supraleitende Strombegrenzer im Kraftwerk
BINE-Projektinfo 12/2011

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.