Aktuell / 12.03.2012

Supraleiter als Problemlöser

Die Branche zeigt sich optimistisch: Pilotprojekte in Kraftwerken, Stromnetzen und Generatoren demonstrieren Lösungen für Aufgaben der Energiewende. V.l.n.r.: Dr. Bauer (THEVA), Dr. Bäcker (Deutsche Nanoschicht), Dr. Aubele (Bruker EAS) und Prof. Holzapfel (IFW Dresden) © BINE Informationsdienst
Dr. Werner Prusseit, Präsident des Industrieverbands. Supraleitung e.V. (ivSupra), ehrt während der Tagung MinR Dr. Knut Kübler, der maßgebliche Impulse in der Forschungsförderung für die Supraleitung gesetzt hat. © BINE Informationsdienst
Die begleitende Ausstellung stellte Forschungsprojekte und Produkte vor. Im Bild ein 24 kV HTS Kabel. © BINE Informationsdienst
Rund 150 Wissenschaftler diskutieren in Bonn aktuelle Entwicklungen der Supraleitertechnik © BINE Informationsdienst

Hochtemperatursupraleiter werden als Problemlöser wertvolle Beiträge zur Energiewende leisten – dies war der Tenor auf der Fachtagung ZIEHL III. Zum dritten Mal trafen sich Experten aus Anwendung, Forschung und Industrie am 6. und 7. März in Bonn. Themenschwerpunkte der diesjährigen Tagung waren Netztechnik und -schutz, Generatoren und Motoren, sowie neue Materialentwicklungen. BINE Informationsdienst war mit einem Stand im Ausstellungsbereich vertreten, auch um das neue Forschungsportal www.eneff-industrie.info zu präsentieren.

Einführend stellte Dr. Knut Kübler (BMWi) die enormen Herausforderungen vor, die sich aus den energiepolitischen Vorgaben bis 2050 ergeben. Das 6. Energieforschungsprogramm der Bundesregierung soll Weichen stellen, um das Zeitalter der Erneuerbaren und der Energieeffizienz zu erreichen. Dabei bildet die Hochtemperatur-Supraleitung einen strategisch wichtigen Förderbereich.

Vorteile und Kundennutzen supraleitender Systeme

Mit supraleitenden Kabeln, Fehlerstrombegrenzern, Generatoren, Motoren und Heizern u.a. eröffnen sich wirtschaftlich und ökologisch neue Perspektiven in der Industrie und in der Energietechnik. Vorträge diskutierten die Fragestellung, wo die wirtschaftlich interessanten Anwendungen liegen und in welchen Fällen die Vorteile auch höhere Investitionskosten rechtfertigen. Ein aktueller Fokus liegt auf Netztechnologien, die eine besonders wirtschaftliche Nutzung regenerativer Energien erlauben und Netzerweiterungen effizienter und ökologisch verträglicher machen.

So seien beispielsweise die maximalen Verluste von HTS-Mittelspannungskabeln deutlich geringer als die konventioneller Kabel, das tatsächliche Verlustverhältnis hinge aber entscheidend vom Auslastungsgrad ab. Weitere Vorträge konkretisierten solche Zusammenhänge mit Fallbeispielen, so etwa einer Netzstudie für das innerstädtische Verteilnetz in Essen.

Ein weiterer wichtiger Kundennutzen ist die Rohstoffeffizienz. Mit den Supraleitern der zweiten Generation werden nicht nur große Mengen Seltener Erden eingespart, deren Preissprünge jüngst für Aufsehen sorgen. Auch der Verbrauch andere Materialien wie Kupfer und Stahl reduziert sich im Vergleich zu konventionellen Systemen.

Netztechnik und Netzschutz

Supraleitende Strombegrenzer schützen Kraftwerke und Stromnetze vor Kurzschlüssen mit bisher nicht realisierbaren Schutzkonzepten. Sie haben das Potenzial einer „Killer-Applikation“ für das künftige Stromnetz. So lassen sich beispielsweise Mittelspannungsnetze besser vermaschen, ohne dass die Kurzschlussleistung in den Teilnetzen steigt. Komponenten wie Transformatoren werden gleichmäßiger ausgelastet und das Gesamtsystem gewinnt Leistungsfähigkeit und Flexibilität. Dezentrale Stromerzeuger wie Windenergieanlagen können ohne Umweg über das Hochspannungsnetz direkt in diese Spannungsebene einspeisen.

Stromerzeugung und -nutzung

Supraleiter ermöglichen den Bau besonders kompakter und leichter Generatoren und Motoren kombiniert mit einem hohen Wirkungsgrad. Sehr große Windenergieanlagen profitieren davon besonders, denn das Turmkopfgewicht beeinflusst die Dimensionierung weiterer Bauteile vom Turm bis hin zum Fundament. Aber auch in Schiffen, wo Bauraum knapp und teuer ist, und Gewichtseinsparungen gleichbedeutend mit Treibstoffeinsparung ist, sehen die Forscher interessante Einsatzmöglichkeiten. Vorgestellt wurden Konzepte und Prototypen, die von kleinen hochdynamischen Industriemotoren bis hin zu großen Kraftwerksgeneratoren reichen.

Betriebserfahrung, Zuverlässigkeit, Kryotechnik

Über die optimale Funktion und Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems entscheidet nicht alleine die Qualität und die Kosten des Supraleiters. Sowohl die Kälteerzeugung als auch das Vakuumsystem spielen eine entscheidende Rolle. In manchen Fällen dominieren diese Aufwendungen die Gesamtkosten. So waren Erfahrungen bei der Evakuierung großer Kryosysteme ebenso ein wichtiges Thema, wie die Verfügbarkeit von Tieftemperaturkühlgeräten verschiedener Leistungsklassen. Dr. Erik Marzahn von Nexans steuerte praktische Erfahrungen aus dem Betrieb des weltweit längsten Supraleiterkabel bei: Die 600 m lange 138-kV-Stromverbindung wurde 2008 nahe New York in Betrieb genommen. Es besteht aus drei einphasigen HTS-Kabeln der ersten Generation. Das System kann bei voller Auslastung bis zu 574 MVA Leistung übertragen und bis zu 300.000 Haushalte mit Strom versorgen.

HTS Materialien als Schlüssel zur Anwendung

Der letzte Themenblock widmete sich den Materialentwicklungen. Hochtemperatur-Supraleiter der zweiten Generation basieren auf einer Schichtarchitektur: Auf ein metallisches Trägerband werden zunächst keramische Pufferschichten und dann die eigentliche Supraleiterschicht (YBCO) abgeschieden. Hierzu werden unterschiedliche physikalische und chemische Verfahren für die Produktion im großen Maßstab optimiert. Physikalische Methoden wie Sputtern, Laserablation oder Elektronenstrahlverdampfung erzielen Schichten mit höherer Performance. Mit der Elektronenstrahlbeschichtung gelang es der THEVA GmbH bereits, die Stromdichte von 1000 A/mm² zu überschreiten. Da die physikalischen Verfahren im Hochvakuum ablaufen, werden geringere Beschichtungsraten erreicht als bei chemischen Prozessen wie der chemischen Beschichtung (Chemical Solution Deposition - CSD). Eine Mittelstellung nimmt die chemische Vakuumbeschichtung (Metal Organic Chemical Vapour Deposition - MOCVD) ein, die nur ein moderates Vakuum erfordert.

Weltweit arbeiten Hersteller an der Verbesserung der Stromtragefähigkeit, der Minimierung der Wechselstromverluste und an einer höheren Toleranz gegenüber Magnetfeldern.

Diskutiert wurden auch neue eisenbasierte Pniktidsupraleiter. Die Forscher zeigten sich skeptisch: Bisher scheinen noch keine signifikanten Vorteile gegenüber etablierten Technologien erkennbar zu sein und die Drahtherstellung gestaltet sich schwierig. In zwei Jahren wollen sich die Forscher erneut zu ZIEHL IV zusammenfinden.

Verknüpfte Projekte

  • Ein supraleitender Strombegrenzer wurde 2009 erstmals im Kraftwerk Boxberg zum Schutz der Eigenstromversorgung eingesetzt. In Kürze soll an gleicher Stelle ein System mit Supraleitern einer neuen Generation und mit optimierten Eigenschaften getestet werden. ... mehr

Veranstalter

„ZIEHL“ wird veranstaltet von

Industrieverband Supraleitung (IVSupra),

Karlsruhe Institute of Technology (KIT) und

Projektträger Jülich (PtJ)

mit Unterstützung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) .