Hochtemperatursupraleiter
Quelle: innogy se

 

Die Hochtemperatursupraleitung (HTSL) gehört zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Ein HTS-Leiter kann den elektrischen Strom nahezu verlustfrei übertragen und besitzt eine 10 bis 100 mal so hohe Stromtragefähigkeit wie ein Kupferdraht mit vergleichbaren Dimensionen. HTSL-Kabel übertragen Strom effizient und sind darüber hinaus platzsparend: Da keine nennenswerte Wärme entsteht, kann die elektrische Energie durch einzelne, flache, dicht aneinander liegende Leiterbänder transportiert werden. Die notwendige Kühlung auf rund minus 180 Grad Celsius wird mit flüssigem Stickstoff erreicht, der als Betriebsstoff für großtechnische Kühlzwecke in der Industrie schon jetzt selbstverständlich ist – jährlich werden in Deutschland etwa 3 bis 4 Millionen Tonnen Stickstoffgas verflüssigt. „Die Stromkabel müssen künftig thermisch sehr gut isoliert sein, um geringe Kühlverluste gegenüber dem Erdreich zu haben. Dadurch lässt sich der Abstand zwischen den Kühlstationen größer halten und die Kühlung selbst wird günstiger“, sagt Mathias Noe, Leiter des Instituts für Technische Physik (ITEP) am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und Kurator für das BMWi-Forschungsfeld HTSL.

Im Forschungsfeld HTSL hat das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) alle Aktivitäten für eine effektive und effiziente Forschung dieser Schlüsseltechnologie gebündelt. HTSL können nicht nur beim zukünftigen Um- und Ausbau der Stromnetze eine wesentliche Rolle spielen: „Aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ihres kompakten Aufbaus sind mit HTSL neue und flexible Netzstrukturen möglich“, sagt Noe. „Wir sehen auch große Energieeinsparpotentiale in industriellen Hochstromanwendungen und besonders leistungsfähigen Motoren und Generatoren.“

Gemessen an den vielfältigen Nutzungsmöglichkeiten ist die Supraleitung lange Zeit eine Nischentechnologie geblieben. „Weltweit haben wir in Deutschland die größte Dichte an Forschungseinrichtungen, namhaften Industrieunternehmen sowie kleinen und mittelständischen Unternehmen, die auf dem Gebiet der Hochtemperatursupraleitung forschen und darüber hinaus diese Technologie in die Anwendung bringen wollen“, erklärt Mathias Noe. Das Potenzial der HTSL-Technologie ist international erkannt worden, und auch Länder wie die USA, Japan, Korea, China und Indien haben Ihre Forschung in diesem Bereich verstärkt. Betriebserfahrungen in Netzerprobungen und Versuchsmaschinen liegen inzwischen vor und haben in bisher kleinen Maßstäben gezeigt: die technischen Anforderungen können erfüllt werden. Auf der Plus-Seite stehen ein erhöhter Wirkungsgrad, ein kompaktes Bauvolumen und eine hohe Dynamik. Die Zuverlässigkeit ist nachgewiesen, und auch die Kosten nähern sich dem Niveau von konventionellen Systemen.

Die deutschen Aktivitäten zur Entwicklung von HTSL-Materialien und Anwendungen sind führend in Europa und haben weltweit eine außerordentlich hohe Sichtbarkeit und Beachtung. Die internationale Zusammenarbeit ist vielfältig und findet etwa bei der Internationalen Energieagentur (IEA) im Technology Collaboration Program „High-Temperature Superconductivity“ (TCP HTS) statt. Um Deutschlands Spitzenposition in der hochtemperatursupraleitenden Energietechnik weiter auszubauen und international wettbewerbsfähig zu bleiben, fördert das BMWi im Forschungsfeld HTSL die Entwicklung dieser Schlüsseltechnologie und deren Anwendung in zahlreichen Projekten sowie Demonstrationsvorhaben. Alle beteiligten Akteure sind aufgefordert, ihre Erfahrungen und Erkenntnisse in das Forschungsfeld HTSL für eine schlagkräftige Forschung und Entwicklung einzubringen. Das vernetzte Zusammenarbeiten von Wissenschaft und Wirtschaft im Forschungsfeld HTSL beschleunigt den Transfer von Forschungsergebnissen in die Praxis.

Pilotprojekte in Stromnetzen sowie für Motoren und Generatoren und bei Anwendungen in industriellen Prozessen zeigen, dass gegenüber der konventionellen Technik erhebliche Energieeinsparungen realisiert werden. Ein weiterer Vorteil von Hochtemperatursupraleitern (HTSL) gegenüber konventionellen Leitern: Sie sind kleiner und leichter.

Ein Meilenstein im Forschungsfeld HTSL ist das BMWi-geförderte Vorhaben AmpaCity, das für die weltweit längste Strecke eines im realen Netzbetrieb eingesetzten Hochtemperatursupraleiterkabels 2016 mit dem Deutschen Innovationspreis für Klima und Umwelt ausgezeichnet worden ist: Das rund 1 Kilometer supraleitende Kabel transportiert in Essen 40 Megawatt elektrische Leistung. Das kompakte Kabel ersetzt 5 konventionelle Kabel gleichen Querschnitts und versorgt rund 10.000 Haushalte. Im Jahr 2014 gestartet, funktioniert die in Essen gebaute Teststrecke bis heute durchgehend stabil. „Deutschland hat mit diesem Forschungsvorhaben gezeigt, dass ein supraleitendes Kabel alle Anforderungen im Betrieb erfüllt“, sagt der Kurator des Forschungsfelds HTSL, Mathias Noe. Das Projektkonsortium aus RWE, dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und dem Kabelhersteller Nexans hat die Auszeichnung für seine weltweite Vorbildfunktion bei der Weiterentwicklung der Stromversorgung in Großstädten erhalten.

Die begrenzte Verfügbarkeit und die hohen Kosten von HTS-Leitermaterial dämpfen weitere Entwicklungsarbeiten einer hochinnovativen Branche. Im Vergleich zur ersten Generation der HTSL-Drähte, die zu 60 Prozent aus Silber bestehen und damit entsprechend kostspielig sind, kommen die neuen HTSL-Bandleiter der zweiten Generation nahezu ohne teure Rohstoffe aus. Dennoch sind die keramischen Werkstoffe spröde und brüchig. Erst bei ausreichend kleinen Dimensionen erreichen sie – ähnlich wie Glasfasern – die notwendige Flexibilität. Zudem beeinflusst die Orientierung der Kristallstruktur die Stromtragefähigkeit über mehrere Größenordnungen und auch Korngrenzen der kristallinen Struktur limitieren die erreichbaren Stromstärken. Im Forschungsfeld HTSL arbeiten Wissenschaftler weiter daran, aus den spröden keramischen Materialien supraleitende Drähte oder Bänder in der erforderlichen Qualität und Menge zu akzeptablen Kosten herzustellen. „Für ein 1 Kilometer langes Kabel werden etwa rund 100 Kilometer HTS-Bandleiter benötigt. Das entspricht etwa einem Zehntel der im Jahr geplanten, weltweit produzierten Menge“, erklärt Noe. Je nach Marktdurchdringung der HTSL-Komponenten wird sich ein zukünftiger Bedarf von 10.000 bis 500.000 Kilometer HTSL-Draht pro Jahr ergeben. Innovative Herstellungstechnologien mit einer guten Kombination aus Produktionsvolumen, Kosteneffizienz und Leiterqualität werden daher durch das BMWi gefördert. Mittlerweile sind im rheinischen Rheinbach und im bayerischen Ismaning zwei Pilotanlagen entstanden, die künftig mit unterschiedlichen Verfahren, Vakuumbedampfung beziehungsweise chemische Beschichtung, HTSL-Leiter im Industriemaßstab herstellen sollen.

Im Verbundvorhaben 3S-SupraStromSchiene entwickeln Forscher eine mit Flüssigstickstoff gekühlte supraleitende Hochstromschiene auf Basis von YBCO-Supraleitern (Yttrium-Barium-Kupferoxid). Bandleiter aus YBCO haben bereits einen breiten Einsatz im HTSL-Bereich gefunden, sind technisch ausgereift, zeigen gute Fortschritte bei den kritischen Strömen und sind gut verfügbar. Die Hochstromschiene soll im rauen Betrieb einer Chlorelektrolyse den Nachweis erbringen, dass 20 Kiloampere Strom über eine Distanz von 25 Metern im Dauereinsatz und unter realen Betriebsbedingungen übertragen werden können. Mit supraleitenden Hochstromschienen entfallen im Vergleich zu konventionellen Hochstromschienen aus Aluminium oder Kupfer die Wärmeemissionen, starke externe Magnetfelder und hohe Arbeitsschutzanforderungen. Außerdem sind die HTSL-Schienen deutlich kompakter. Die Forscher wollen mit dem Vorhaben nachweisen, dass die Technologie einsatzfähig, industrietauglich und wirtschaftlichist.

Hohe Ströme bis hin zu hunderten Kiloampere kommen in Elektrolyseanlagen der Grundstoffindustrie zum Einsatz – etwa für die Herstellung von Chlor, Kupfer oder Aluminium. Wenn diese Ströme künftig durch kompakte supraleitende Hochstromschienen geleitet werden, entfallen die erheblichen Energieverluste durch den elektrischen Widerstand. Aber auch in der Energietechnik bieten Hochtemperatursupraleiter (HTSL) vielfältige Potenziale: rotierende Maschinen – wie Motoren und Generatoren – können bei gleichen Abmessungen leistungsstärker und energieeffizienter ausgelegt werden. Selbst im oberen Bereich des Leitungsspektrums elektrischer Generatoren mit sehr gutem Wirkungsgrad ermöglicht die HTSL-Technologie diesen um die letzten Zehntelprozentpunkte zu steigern. Zum Vergleich: Für eine Halbierung der Wärmeverluste haben konventionelle Techniken mehrere Jahrzehnte gebraucht.

Im Stromnetz ermöglichen supraleitende Strombegrenzer, Kurzschlussströme wirksam und sicher zu begrenzen: Steigt der Strom bei einem Kurzschluss über einen vom Leitermaterial abhängigen Schwellenwert, bricht die Supraleitung zusammen und es baut sich schlagartig – innerhalb von Millisekunden – ein elektrischer Widerstand auf, der den Stromfluss effektiv begrenzt und so elektrische Komponenten und die Leitung selbst vor Überlastung schützt. Hohe Kurzschlussströme, die das Stromnetz im Fehlerfall überlasten und zu weiteren Netzausfällen führen, können so in Zukunft vermieden werden, ohne die bei konventioneller Technologie auftretenden Wärmeverluste im Normalbetrieb hinnehmen zu müssen. „Mit HTSL-Strombegrenzern werden die Netze auf niedrige Kurzschlussströme dimensioniert und die Vision eines kurzschlussfreien Netzes kann realisiert werden“, erklärt Noe. Gegenwärtig sind supraleitende Strombegrenzer noch nicht kommerziell verfügbar – bei ihrer Entwicklung nimmt Deutschland jedoch eine führende Rolle ein.

Supraleiter können sowohl in der Energietechnik, bei speziellen Industrieanwendungen, als auch in modernen Stromnetzen vielfältig verwendet werden und tragen dazu bei, die Effizienz des gesamten Energiesystems zu erhöhen. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) sieht in HTSL einen wichtigen Beitrag zur Energiewende. Um die notwendigen Innovationen zu beschleunigen sowie auf- und weiter auszubauen, unterstützt das Forschungsfeld HTSL in Deutschland langfristig Kompetenzen entlang der gesamten Wertschöpfungskette. Mit einer breiten Förderung entlang der Linien Leiter-Fertigung, weitere Anwendungen der HTSL-Technologie, Entwicklungsprojekte zur Beschleunigung des Markteintritts sowie Demonstrationsprojekten zum Nachweis der Technologiereife werden günstige Voraussetzungen geschaffen, um die Technologiepotenziale zu heben.

KIT- Karlsruher Institut für Technologie
Institut für Technische Physik (ITEP)
Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe
mathias.noe@kit.de

Projektträger Jülich
Dr. Claus Börner
c.boerner@fz-juelich.de