Neue Supra­leiter­techno­lo­gie fürs Über­tra­gungs­netz

Grafische Darstel­lung des am KIT entwickelten konzep­tionel­len Supra­leiter­kabels für die unter­suchte Teilerd­verkabelung. (Bild: ITEP, KIT)

Die Energiewende macht einen Ausbau des deutschen Über­tragungs­netzes notwendig. Im Rahmen des Koper­nikus-Projekts Ensure prüft das Karlsruher Institut für Techno­logie (KIT) nun gemeinsam mit dem Netz­betreiber Tennet den Einsatz der Supra­leiter­techno­logie als Alter­native für herkömm­liche Leis­tungs­kabel auf kurzen Abschnitten des Netzes. Die dafür am KIT konzipierten Supra­leiter­kabel sind effizient, leis­tungs­stark und könnten nach Fertigung und erfolg­reich absol­vierter Test­phase einen kompakteren Trassenbau im Dreh­strom­netz ermöglichen.

Die Gesamtlänge des Übertragungs­netzes in Deutsch­land beträgt aktuell etwa 35.000 Kilo­meter. Um sicher­zustellen, dass der Strom aus erneuer­baren Energien auch dorthin gelangt, wo er gebraucht wird, ist im Zuge der Energie­wende ein Netz­ausbau von etwa 5.300 Kilo­metern geplant. Vor allem in der Nähe von Städten und Dörfern sollen in Pilot­projekten dabei Erdkabel verwendet werden. Könnten in diesen Abschnitten teil­weise supra­leitende Kabel­systeme einge­setzt werden, dann hätte dies erheb­liche Vorteile gegenüber konventio­nellen Kabel­systemen. Zu diesem Ergebnis kommt eine Machbar­keits­studie, die das KIT im Koper­nikus-Projekt Ensure zurzeit gemeinsam mit dem Netz­betreiber Tennet durch­führt. Diese soll bis Ende des Jahres abge­schlos­sen werden und auch ökolo­gische und ökono­mische Abwä­gungen ent­halten.

Die Machbarkeitsstudie basiert auf konzep­tio­nellen Kabel- und Kühl­konzepten, die speziell für die im deutschen Über­tragungs­netz übliche Span­nung von 380 kV ausgelegt sind. „Das ist techno­logisch eine große Heraus­forderung, weil auf diesem Span­nungs­niveau die Supra­leiter­techno­logie noch nie einge­setzt wurde“, sagt Professor Mathias Noe vom Institut für Techni­sche Physik (ITEP) des KIT, der die Entwick­lung leitet. „Mit unseren neuen Kabel­konzepten konnten wir nun nachweisen, dass es techno­logisch grund­sätzlich möglich ist.“ Die Kabel­anlage wird für eine Dauer­leistung von 2,3 GW konzipiert und besitzt bei hoher Strom­belastung deutlich geringere Verluste als eine ver­gleich­bare Frei­leitung oder herkömmliche Kabel mit einem Leiter aus Kupfer.

Auch beim Trassenbau könnte die Supra­leiter­techno­logie Vorteile bringen, erklärt Hanno Stagge, der das Projekt bei Tennet betreut: „Bei einer herkömmlichen Kabel­anlage im Über­tragungs­­netz benötigen wir zwölf Dreh­strom­kabel, eine supra­leitende Kabel­anlage könnte dieselbe Leistung mit sechs Kabeln übertragen.“ Dadurch könnten Netz­betreiber die Trassen­breite deut­lich reduzieren. Ein weiterer Vorteil sei, dass aufgrund des Aufbaus der Kabel der Stromfluss in der elek­trischen Schirm­schicht kompen­siert werde. Außer­halb des Kabels existiert deshalb kein Magnet­feld und das Kabel wird emis­sions­frei betrieben. Bis zur Einsatz­reife sei es aber noch ein weiter Weg: „Im Anschluss an die Studie muss das Kabel samt der notwen­digen Verbin­dungs­muffen und End­ver­schlüsse zunächst gefertigt und anschlie­ßend zusammen mit einer Kühl­anlage intensiv getestet werden“, sagt Stagge. Geklärt werden müsse dabei auch die Frage der Vor­lauf­zeit.

Die neuartigen konzeptio­nellen Supra­leiter­kabel für das Übertragungsnetz basieren auf so genannten Hoch­temperatur­supra­leitern aus Keramik. Während konven­tionelle Tief­temperatur­supraleiter Sprung­temperaturen unterhalb 23 Kelvin haben, weisen Hoch­temperatur­supraleiter vergleichs­weise hohe Sprung­tempe­raturen auf. Sie werden mit flüssigem Stickstoff auf eine Arbeits­temperatur von etwa 77 Kelvin gekühlt und können vergleichs­weise kosten­günstig betrieben werden, weil bei der Kühlung weniger Energie aufgewendet werden muss.

Dass der Einsatz der Supraleiter­technologie in der Energie­infra­struktur tatsächlich funktionieren kann, zeigt die Erfahrung des KIT mit dem Kabel­projekt „AmpaCity“, an dem die Forschungs­universität beteiligt ist: Mit über einen Kilo­meter Länge ist es das längste Hoch­temperatur­supra­leiter­kabel der Welt und versorgt in Essen seit 2014 mit einer Spannung von 11 kV etwa 10.000 Haus­halte effizient und stabil mit Strom. (Quelle: KIT)

Link: KIT-Zentrum Energie, Karlsruher Institut für Technologie

Weitere Beiträge: Deut­scher In­no­va­tions­preis für Su­pra­lei­ter-Projekt, EnergyViews.de, 5. Februar 2016

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