Hochtemperatur-Supraleiter für Kraftwerke und Netze

Supraleitende Strombegrenzer im Kraftwerk

Macht Anlagen sicherer und zuverlässiger

© KIT, Karlsruhe
Strom-/Spannungskennlinie eines Supraleiters (schematische Darstellung). © Nexans SuperConductors GmbH
Begrenzungsverhalten eines Supraleiters im Kurzschlussfall (schematische Darstellung): Blau: Kurzschlussfall (ohne Begrenzer), rot: mit Begrenzer. © Nexans SuperConductors GmbH

Supraleitende Strombegrenzer können wesentlich zur Erhöhung der Sicherheit, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von elektrischen Anlagen in Kraftwerken beitragen. Darüber hinaus messen ihnen die Experten eine wichtige Rolle beim Ausbau der Stromnetze zu. 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.

Kurzschlüsse in Kraftwerken oder Stromnetzen sind teuer. Das gilt nicht nur für den Schadensfall, wenn hohe Ströme Systemkomponenten beschädigen und Ausfallszeiten verursachen. Schon beim Anlagenbau entstehen zusätzliche Kosten, denn jedes Bauteil muss auf die maximal mögliche Belastung bei einem Kurzschluss ausgelegt werden. Besonders ärgerlich ist es, wenn in bestehenden Anlagen funktionierende Bauteile aufgrund gestiegener Kurzschlussleistung auf einmal unterdimensioniert sind und nur deshalb ausgetauscht werden müssen. Eine Situation, die beim anstehenden Ausbau der Netze hin zu höheren Leistungen häufiger vorkommen dürfte. Mit supraleitenden Strombegrenzern (SSB) steht ein neues Werkzeug zur Verfügung, um so entstehende zusätzliche Kosten einzudämmen. Darüber eröffnen sich ganz neue Möglichkeiten, Anlagen und Netze zu konzipieren.

Die Funktionsweise der Strombegrenzer beruht auf einem einfachen Prinzip: Kernstücke des Bauteils sind Supraleiter, die beim Unterschreiten einer materialspezifischen Temperatur ihren elektrischen Widerstand für Gleichstrom gänzlich verlieren. Bei Wechselstrom bleibt ein extrem geringer Restwiderstand. In einen Stromweg eingebaut beeinflusst der Supraleiter den Stromfluss somit im Normalfall überhaupt nicht. Dies gilt allerdings nur bis zu einer bestimmten Stromdichte im Supraleiter, wie aus der Strom-Spannungs-Kennlinie deutlich wird (s. Abb. 1). Steigt der Strom über einen Schwellenwert kommt es zum „Quench“. Die Supraleitung bricht zusammen und es baut sich schlagartig, innerhalb von Millisekunden, ein elektrischer Widerstand auf. Der Kurzschlussstrom wird somit automatisch begrenzt (s. Abb. 2). Da die Begrenzung nicht nur sehr schnell sondern auch sehr stark erfolgt, kann der begrenzte Strom eventuell geringer sein als gewünscht, um z.B. bestimmte Betriebszustände aufrecht zu erhalten. Das Design des SSB lässt sich jedoch den spezifischen Anforderungen anpassen. Mit einem zum Supraleiter parallelen Widerstand, dem Shunt, kann das für den Kurzschlussfall vorgesehene Stromverhalten wunschgemäß eingestellt werden. Der Strombegrenzer funktioniert völlig selbstständig und ist eigensicher. Bereits nach kurzer Abkühlphase geht er ohne weitere Wartung automatisch wieder in Betrieb.

Die Strombegrenzer arbeiten mit Hochtemperatur-Supraleitern, deren Sprungtemperatur oberhalb von 77 Kelvin liegt. Sie können daher problemlos mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Dieser steht als kostengünstiges Industrieprodukt zur Verfügung und kann entweder einfach nachgefüllt oder mit entsprechender Kühlanlage direkt im System rückverflüssigt werden.

Test im Kraftwerk

Strombegrenzer der ersten Generation sind modular aus keramischen Rohren aufgebaut. Diese werden in einem Modul verschaltet. Strom und Spannung können durch die Modulbauweise flexibel an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. © Nexans SuperConductors GmbH

Strombegrenzer der ersten Generation basieren auf Supraleitern aus einem keramischen Material (Wismut-Strontium-Calcium-Kupfer-Oxid, kurz BSCCO). Etliche Prototypen werden derzeit im Praxiseinsatz in verschiedenen Verteilnetz-Stationen erprobt. Pionier beim Einsatz in Kraftwerken war 2009 Boxberg, ein modernes Braunkohlenkraftwerk von Vattenfall in der Oberlausitz. Das System wurde von der Nexans SuperConductors GmbH entwickelt, gebaut und in Betrieb genommen.

Ein Braunkohlenkraftwerk hat mit seinen Kohlebrechern, Kohlemühlen und Saugzügen einen relativ hohen Eigenbedarf von etwa 8% der insgesamt erzeugten elektrischen Leistung. Über die komplexe und weit verzweigte Eigenstromversorgung auf Mittelspannungsebene (12 kV) fließen daher am Einsatzort schon im Normalbetrieb Ströme von 800 Ampere, mit Stromspitzen im Zehntelsekundenbereich um 4.000 A. Im Fehlerfall können sie auf 65.000 A ansteigen. Im Kraftwerk gibt es nicht wie im Haushalt Sicherungen, die im Kurzschlussfall den Fehlerstrom einfach unterbrechen. Zum Schutz vor den starken mechanischen und thermischen Kräften im Falle eines Kurzschlusses werden die betroffenen Anlagenkomponenten mit hohen Investitionen auf ein Vielfaches gegenüber dem Normalbetrieb überdimensioniert. Diese Ausgaben könnten mit einem Strombegrenzer minimiert werden.

Da es auf der Mittel- und Hochspannungsebene keine Sicherungen im herkömmlichen Sinne gibt, werden in Netzen auf der Mittelspannungsebene in einigen Fällen als letztes Mittel für den Worst Case auch Systeme installiert, mit denen die Leitungen durch Sprengladungen aufgetrennt und so der Stromkreis unterbrochen wird. Diese Einrichtungen werden aber vom Kraftwerksbetreiber oft nicht akzeptiert, da sie auf ein Triggersignal angewiesen und damit nicht eigensicher sind. Außerdem unterbrechen sie den Stromkreis komplett, wodurch der interne Schutz des Kraftwerkes nicht mehr einsatzbereit ist. Anschließend müssen sie dann repariert werden. Dem gegenüber ist der supraleitende Strombegrenzer eigensicher, verschleiß- und wartungsfrei. Insbesondere unterbricht er den Stromfluss nicht vollständig, sondern begrenzt ihn. Kurzschlüsse können dadurch selektiv erfasst und bestehende Schutzkonzepte in Form von Schaltern und Trennern beibehalten werden. So liegt die Begrenzung im Kraftwerk Boxberg beispielsweise im Bereich von 6.500 bis 7.000 A bei einem Peakstrom von 65.000 A. In einer mehr als einjährigen Testphase musste der SSB dort seine Fähigkeiten unter Beweis stellen. Das Verhalten des Begrenzers wurde bei Einschaltvorgängen von Transformatoren und großen Motoren intensiv untersucht und für alle Situationen ein problemloses Verhalten bestätigt. Die innovative Technologie wurde in 2010 mit dem Energy Masters Award ausgezeichnet. In einem weiteren Feldtest soll jetzt das Verhalten von Supraleitern der zweiten Generation untersucht werden.

Generationenwechsel in Rekordzeit

Test des Strombegrenzers im Kraftwerk Boxberg. Das komplette System findet in einem Container Platz. © Nexans SuperConductors GmbH

Im Rahmen des vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projektes ENSYSTROB arbeiten Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) gemeinsam mit der Nexans SuperConductors GmbH an Strombegrenzern mit Supraleitern der zweiten Generation. Dabei verwenden sie Metallbänder, die mit einer wenige Mikrometer dünnen Schicht extrem leistungsfähigen supraleitenden Materials (Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid, YBCO genannt) beschichtet sind. Das neue Leitermaterial ist erst seit kurzem in der notwendigen Qualität und Menge verfügbar. Gegenüber dem Vorgänger aus massiver Keramik erlaubt es einen kompakteren Aufbau, zeigt eine schnellere Rückkühlung aufgrund einer geringeren Wärmekapazität und eine verbesserte mechanische Stabilität. Von besonderer Relevanz sind aber die Wechselstromverluste. Die Verluste betragen zwar nur weniger als 1 Promille der abgesicherten Leistung, sind aber ein dominierender Teil in der gesamten Wärmebilanz und spielen damit als Abwärme eine erhebliche Rolle bei der Kühlung. Die neuen supraleitenden Bänder haben nun im Vergleich zur Keramik je nach Strom um etwa den Faktor zehn bis zwanzig niedrigere Wechselstromverluste. Der verringerte Kühlaufwand schlägt sich direkt in den Betriebskosten nieder. Die Forscher versprechen sich langfristig auch Vorteile bei den Investitionskosten. Momentan sind SSB Systeme mit dem neuen Material noch deutlich teurer, aber die Bandleiter haben noch ein deutlich höheres Kostensenkungspotenzial als die Leiter auf Basis der massiven Keramik.

Ein Prototyp steht kurz vor der Erprobung. Vor dem echten Einsatz im Feld muss er sich noch beim IPH (Institut „Prüffeld für elektrische Hochleistungstechnik“ GmbH) in Berlin einer Typprüfung unterziehen. Dabei wird die Anlage auf elektrische Eigenschaften wie das Schaltverhalten und Hochspannungsfestigkeit untersucht. Im Herbst 2011 soll der neue SSB im Braunkohlenkraftwerk Boxberg an der gleichen Stelle zum Einsatz kommen, an der vorher das System mit der ersten Generation Supraleiter stand. Da das erste System in wesentlichen Teilen verwendet werden konnte, werden die Geometrie und die äußeren Abmessungen der Anlage identisch sein. Da er auch die vorhandene Infrastruktur nutzen wird, können Hersteller und Betreiber die beiden Systeme unter technischen und wirtschaftlichen Aspekten vergleichen. Eine besondere Herausforderung war in beiden Fällen der vom Betreiber geforderte ungewöhnlich hohe so genannte Folgestrom im Begrenzungsfall von 6.500 bis 7.000 A. Dieses Ziel musste aus Sicherheitsgründen ohne äußere Parallelbeschaltung erreicht werden. Der daraufhin für beide Leiterarten unabhängig voneinander entwickelte interne Shunt erhöhte die jeweiligen Anforderungen an die Komponenten und das Kühlkonzept erheblich.

Konkurrierende Systeme

In Deutschland entwickeln derzeit drei Unternehmen supraleitende Strombegrenzer. Der hier vorgestellte resistive Typ wird direkt vom Strom des zu schützenden Netzes durchflossen. Er zeichnet sich bei hoher Eigensicherheit durch eine kompakte Bauweise, eine starke Begrenzung sowie einen geringen Wechselstromwiderstand im Normalbetrieb aus. Beim induktiven Typ ist der Supraleiter über einen Eisenkern-Transformator angekoppelt. Es gibt hier zwei Typen mit entweder „abgeschirmtem“ oder „gesättigtem“ Eisenkern. Vorteil des induktiven Strombegrenzers ist eine geringere Kühllast, der gekühlte Supraleiter ist nicht in Serie geschaltet und wird nicht vom Netzstrom durchflossen. Ein wesentlicher Nachteil dieses Strombegrenzerkonzeptes liegt in dem hohen Materialaufwand und damit in Gewicht und der Größe sowie in einer relativ geringen Begrenzung (gesättigter Eisenkern).

Design

Einzelne Supraleiter-Bänder sind bei weitem nicht in der Lage, den im Prototyp erforderlichen Nennstrom von 800 A zu tragen. Es war deswegen notwendig, mehrere dieser Bänder parallel zu schalten. Zur Optimierung der Fertigung und einer möglichen Anpassung an wechselnde Anforderungen wählten die Forscher einen modularen Aufbau, d.h. eine größere Zahl einzelner Komponenten wird in Reihe geschaltet. Unter verschiedenen untersuchten Varianten fiel die Entscheidung zugunsten einer „Pancake-Variante“ mit Paaren nicht gegeneinander isolierter paralleler Leiter („Twins“) (Titelbild). Dieses Design hat den bei weitem geringsten Platzbedarf und ließ sich gut in den vorhandenen Kryostaten integrieren.

Strombegrenzer für den Netzausbau

Die Blaupause für die künftige Stromversorgung Deutschlands liegt auf dem Tisch: Etliche Großkraftwerke werden künftig durch einen Verbund vergleichsweise kleiner Erzeugungsanlagen, im Zusammenspiel mit Energiespeichern, ersetzt werden. Neben neuen Hochspannungsleitungen, die beispielsweise Windstrom aus dem Norden nach Süden führen, sorgt dann ein eng geknüpftes Mittelspannungsnetz für den regionalen Ausgleich von Angebot und Nachfrage. Die neue Struktur führt dazu, dass höhere Kurzschlussleistungen in den Stromnetzen auftreten können, die erhebliche Investitionskosten nach sich ziehen. Mit den supraleitenden Strombegrenzern erweitert sich der „Baukasten“ für das neue Netz erheblich, um vorhandene Netzstrukturen besser zu nutzen sowie die Netzqualität und -stabilität zu verbessern. Vielerorts können sie bei Ausbau der Leitungs- und Anlagenkapazitäten Kosten senken oder ihn sogar überflüssig machen. Der Schutzmechanismus der SSB erlaubt es, Netze zu koppeln, ohne dass sich die Kurzschlussströme addieren. Im Einzelfall könnte dies beispielsweise dazu führen, dass eine Windenergieanlage nicht über eine ggf. neu zu errichtende Stichleitung und einen langen Umweg über eine teure Transformatorstation ins Hochspannungsnetz einspeisen muss, sondern direkt an das lokale Mittelspannungsnetz angeschlossen werden kann. Der Einsatz von SSB ermöglicht es zukünftig kleine dezentrale Stromerzeuger sicher in Netze hoher Kurzschlussleistung zu integrieren. Forscher aus verschiedenen Ländern der EU entwickeln auch ein Mehrzweck- Strombegrenzer- System, für unterschiedliche Anwendungsfälle und Einsatzorte (EU Projekt “ECCOFLOW“). Beim Einsatz supraleitender Kabel, mit denen sich das Mittelspannungsnetz in Ballungsräumen massiv verstärken lässt, spielt auch der SSB zukünftig eine wichtige Rolle. Bei einem geplanten Pilotprojekt in Essen soll beispielsweise ein etwa ein Kilometer langes, supraleitendes Kabel mit einer Übertragungsleistung von 40 MW verlegt werden. Dabei wird dann ein 10 kV HTS-Kabel ein konventionelles 110 kV Hochspannungskabel ersetzen. Dieses könnte auch durch fünf herkömmliche 10-kV-Leitungen erfolgen, was aber wesentlich höhere Verluste und mehr Platzbedarf bedeuten würde. Der ebenfalls vorgesehene SSB in einem solchen HTS-System verhindert, dass sich das Kabel durch einen Kurzschluss erwärmt. Es könnte in so einem Fall Stunden dauern, bis es soweit heruntergekühlt ist, dass es wieder einsatzfähig ist. Ein SSB erhöht damit die Sicherheit und verbessert die Verfügbarkeit auch in der zukünftigen innerstädtischen Stromversorgung.

Auf Basis der neuen Generation Bandleiter geht auch die Entwicklung noch leistungsfähigerer Leiter für den Stromtransport weiter. So z. B. in dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt mit dem Acronym „Highway“. Ein Verbund von Firmen und Forschungsinstituten erforscht dort Anordnungen des YBCO-Bandleiters für Hochstromleiter mit besonders niedrigen Wechselstromverlusten.

Mehr zum Projekt

Entwicklung eines neuartigen supraleitenden YBCO-Tape-Strombegrenzers - ENSYSTROB

Der Abschlussbericht kann im OPAC der TIB Hannover recherchiert und eingesehen, aus urheberrechtlichen Gründen aber nicht im Internet bereitgestellt werden.

Projektbeteiligte:

Nexans SuperConductors GmbH

Förderkennzeichen:

03KP102A

Forschungsförderung

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