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Projektinfos  – Energieforschung konkret

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Das Supraleiterkabel endet in den Umspannanlagen in einem U-Bogen. Er kompensiert die temperaturbedingte Längenänderung. Das Kabel kann sich bis zu drei Meter ausdehnen oder zusammenziehen.
© innogy SE
Hochtemperatur-Supraleitung
Projektinfo 01/2017

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.
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Verlegung des Supraleiterkabels in der Essener Innenstadt.
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Supraleiter für das Mittelspannungsnetz

Wissenschaftler testen in Essen das längste Hochtemperatur-Supraleiterkabel der Welt unter realen Bedingungen. Mit einer Länge von einem Kilometer verbindet es zwei Umspannstationen quer durch die Innenstadt. Es ersetzt eine konventionelle 110-kV-Leitung und macht eine Umspannanlage im Stadtzentrum überflüssig. In einer zweijährigen Erprobung hat es den Praxistest bestanden. Es könnte eine Blaupause für die künftige Stromversorgung in Ballungsräumen sein.

Der Strombedarf in den Ballungsgebieten wächst. Gleichzeitig wandelt sich die Struktur der Stromerzeugung in Deutschland, weg von großen Kraftwerken, hin zu einer Vielzahl dezentraler Erzeuger. Diesen Entwicklungen muss sich das Stromnetz anpassen, das ursprünglich als Einbahnstraße konzipiert wurde: Über Hoch-, Mittel- und Niederspannungsnetze gelangt der Strom von den Kraftwerken zu den Verbrauchern. Erneuerbare Energiequellen speisen jedoch bereits seit einiger Zeit insbesondere ins Mittelspannungsnetz ein. Deshalb sind sich viele Forscher einig, dass die Energiewende in der Mittelspannung stattfindet.

Diese neuen Herausforderungen werden speziell im Ruhrgebiet überlagert von einem Strukturwandel mit einem starken Rückgang der Schwerindustrie. Die veränderten Anforderungen an Leistung und räumliche Aufteilung der Netze bieten hier besondere Chancen, neue Netzstrukturen und Technologien auszuprobieren. Im Pilotprojekt AmpaCity untersuchen Wissenschaftler der innogy SE mit ihren Projektpartnern, wie mithilfe von Hochtemperatursupraleiter-Kabeln (HTS) Umspannanlagen und Hochspannungsleitungen aus den Innenstädten verbannt werden können. Als weitere neue Komponente im Mittelspannungsnetz setzen sie einen supraleitenden Strombegrenzer ein, der das HTS-Kabel bei Kurzschlüssen schützt.

Die Erprobung hilft, die Einsatzpotenziale solcher supraleitenden Komponenten abzuschätzen und die betriebswirtschaftlichen Aspekte besser zu bewerten. In über zweieinhalb Jahren Praxisbetrieb hat das Supraleitersystem in der Essener City gezeigt, dass die Technik an der Schwelle zur Marktreife steht: Das Supraleiterkabel und der als Kurzschlussschutz installierte, ebenfalls supraleitende Strombegrenzer arbeiten zuverlässig. Die Technologie kann zum Beispiel in Innenstädten statt teurer Hochspannungskomponenten verwendet werden und dadurch die Verteilnetze leistungsfähiger und wirtschaftlicher machen.

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Strom statt Spannung

Bei der klassischen Stromversorgung transportieren Kabel mit Kupfer- oder Aluminiumleitern den Strom bis in die Stadtzentren mit hohen Spannungen, um Übertragungsverluste gering zu halten. Erst 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: Dies belegt die Machbarkeitsstudie unter Federführung des Karlsruher Instituts für Technologie, die dem Pilotprojekt vorausging. Hochspannungsstrecken und Umspannanlagen könnten mit den neuen Kabeln im innerstädtischen Bereich schrittweise abgebaut werden, denn die HTS-Kabel leiten bei 10.000 Volt große Strommengen über längere Strecken fast verlustfrei. Die Übertragung hoher Leistungen auf der Mittelspannungsebene wäre theoretisch auch mit Kupferkabeln möglich, jedoch wären die Energieverluste und der Trassenbedarf sehr viel höher. In Essen müssten beispielsweise statt des einen HTS-Kabels fünf Kupferkabel parallel in den Untergrund verlegt werden.

Die einzig sinnvolle Möglichkeit, innerstädtische Hochspannungskabel zu vermeiden und die ressourcen sowie flächenintensiven Umspannstationen zurückzubauen, sind Supraleiterkabel, lautet das Fazit von Voruntersuchungen. Bezogen auf eine 40-jährige Nutzungsdauer dürfte auch die betriebswirtschaftliche Bilanz gegenüber konventionellen Hochspannungskabeln positiv ausfallen – trotz des Aufwands für die Kühlung. Zudem hat die Supraleitertechnologie das Potenzial, die Gesamtkosten, die durch künftigen Netzausbau entstehen, erheblich zu senken.

Projektinfo 01/2017:
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Merkzettel

Adressen

Projektleitung
innogy SE

HTR-Kabel und Strombegrenzer
Nexans Deutschland GmbH

Wissenschaftliche Begleitung
KIT-ITEP

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.