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Abb. 6: Magnetheizer
© Zenergy Power GmbH, Rheinbach

Abb. 7: Strombegrenzer im Kraftwerk Boxberg
© Nexans SuperConductors GmbH, Hürth
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Anwendungsforschung

Eine Vielzahl von, zum Teil vom BMWi geförderten Forschungsprojekten, Demonstrationsvorhaben und Studien untersucht das breite Einsatzspektrum von HTS-Supraleitern, beispielsweise:

  • Ein 4 MW-Schiffsantriebsmotor mit hohem Drehmoment bei niedrigen Drehzahlen steht derzeit bei der Firma Siemens auf dem Teststand.
  • Bei der Modernisierung eines Wasserkraftwerks in Hirscheid ersetzt ein HTSGenerator mit höherer Ausgangsleistung einen konventionellen Generator gleicher Baugröße. Dies erspart den Umbau im denkmalgeschützen Gebäude.
  • Die Firmen Converteam und Zenergy entwickeln in mehreren Projekten Generatoren für Windund Wasserkraftwerke, darunter eine getriebelose 8 MW-Windturbine, die gegenüber konventioneller Technik 75% Gewicht einspart.
  • Die Firma Oswald entwickelt Motoren im mittleren Leistungsbereich für Fahrzeuge, Generatoren und Werkzeugmaschinen.
  • Deutsche Firmen (Nexans und NKT) sind maßgeblich an Kabelprojekten auf der internationaler Ebene beteiligt.

Exemplarisch sollen zwei Entwicklungen vorgestellt werden, die dem Anwender neben einer höheren Energieeffizienz weitere entscheidende Vorteile bieten, eine wirtschaftliche Lösung darstellen und für eine große Zahl potenzieller Nutzer interessant sind.

Industrielle Wärmebehandlung

In industrialisierten Ländern entfallen 1-5% des gesamten Stromverbrauchs auf die Materialerwärmung in Strangpresswerken. Ein neu entwickelter supraleitender Magnetheizer verbraucht etwa 40% weniger Energie als ein mit Wechselstrom betriebener Induktionsofen und rund 60% weniger Energie als ein Gasofen mit vergleichbarer Leistung. Die Anlageninvestition für einen Magnetheizer amortisiert sich durch Produktivitätssteigerungen und eingesparte Energiekosten in durchschnittlich weniger als zwei Jahren. Die Entwickler der Anlage, die Zenergy Power GmbH und die Bültmann GmbH, wurden mit dem Innovationspreis „Klima und Umwelt 2010“ ausgezeichnet.

Der Magnetheizer arbeitet nach dem Prinzip einer Wirbelstrombremse. In der Anlage befindet sich eine mit Gleichstrom betriebene supraleitende Magnetspule, in deren Feld der Pressbolzen von zwei Elektromotoren gedreht wird. Dabei muss die Bremswirkung des Magnetfelds überwunden werden, was zur Aufheizung des rotierenden Materials führt.

Kurzschlusssicherheit von Stromnetzen

Supraleitende Strombegrenzer erhöhen die Kurzschlusssicherheit und Zuverlässigkeit von Stromnetzen und können gleichzeitig die Investitionskosten senken. Bei einem Kurzschluss treten in elektrischen Netzen Stromstärken auf, die die Nennbelastung um ein Vielfaches übersteigen können. Damit keine größeren Schäden auftreten, muss das Netz auf diese Beanspruchungen ausgelegt werden, das heißt kurzschlussfest sein. Gemessen am Normalbetrieb führt dies zu einer Überdimensionierung, die sich nicht zuletzt auch in den Investitionskosten niederschlägt. In der Vergangenheit kam es immer wieder zu Netzausfällen, an deren Anfang ein Kurzschluss im Netz stand. Strombegrenzer, welche die Höhe des Kurzschlussstromes begrenzen, können wesentlich zur Erhöhung der Sicherheit, Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit von Netzen beitragen.

Ideale Strombegrenzer zeichnen sich durch einen niedrigen Wechselstromwiderstand (Impedanz) im Normalbetrieb, schnelle und wirksame Strombegrenzung im Fehlerfall und automatische Wiedereinsatzbereitschaft aus. Bisherige Maßnahmen zur Kurzschlussstrombegrenzung werden in der Mittelspannung eingesetzt und bedingen entweder eine dauerhafte Impedanzerhöhung auch im Normalbetrieb oder ihr Einsatz muss nach jeder Auslösung ausgewechselt werden (beispielsweise Sicherungen oder Is-Begrenzer, die den Strompfad durch eine Sprengladung auftrennen). Für das Hochspannungsnetz gibt es bisher überhaupt keine Strombegrenzer, auch die konventionellen Lösungen aus der Mittelspannung sind hier nicht anwendbar.

Im Unterschied dazu erfüllen Supraleitende Strombegrenzer sämtliche Anforderungen an einen idealen Strombegrenzer. Dabei nutzt man den Umstand, dass der supraleitende Zustand oberhalb einer maximalen Stromdichte in den normal leitenden Zustand übergeht. Dadurch baut der Supraleiter schlagartig einen hohen Widerstand auf, der den Stromfluss wirksam auf einen designten Wert begrenzt, unabhängig davon, wie hoch der erwartete Kurzschlussstrom ausfällt.

Der Strombegrenzer funktioniert somit ohne äußere Signale und ist eigensicher. Er geht ohne weitere Wartung nach einer kurzen Abkühlphase automatisch wieder in Betrieb. Das Interesse an der Technologie ist groß. In Deutschland entwickeln vier Unternehmen supraleitende Strombegrenzern mit z.T. unterschiedlichen Prinzipien. Nexans SuperConductors hat die ersten kommerziellen Geräte im Einsatz in öffentlichen Stromnetzen in England und Deutschland. Einer davon schützt seit Ende 2009 die Stromversorgung von Kohlemühlen und -brechern im sächsischen Braunkohlekraftwerk Boxberg vor Kurzschlüssen. Der Betreiber verspricht sich von der Technologie einen erheblichen Gewinn an Personen- und Anlagensicherheit. Bewährt sich das Prinzip, könnten solche Strombegrenzer die komplette Kraftwerkseigenversorgung vor Kurzschlussströmen bewahren. Geeignet sind supraleitende Strombegrenzer für Kraftwerksneubauten, aber auch für Erweiterungen wie die Nachrüstung von Anlagen zur CO2-Abscheidung. Das Projekt wurde mit dem Energy Masters Award 2010 ausgezeichnet.

Supraleitende Strombegrenzer für die Hochspannungsebene sind in der Entwicklung, aber noch nicht im Praxiseinsatz. Auch sie sollen den Aufbau einer effizienteren Netzstruktur ermöglichen: So ließen sich beispielsweise 110-kV Teilnetze, die jeweils mit einem 400-kV-Transformator verbunden sind, über Strombegrenzer kuppeln. Durch diese Kupplung könnte einer der beiden Trafos wegfallen (n-1 Prinzip) und damit nicht nur die Investitionskosten vermieden werden, sondern auch die Verluste eingespart und dadurch Betriebskosten reduziert werden.

Projektinfo 06/2010:
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