Innerstädtische Energieautobahnen durch Supraleiter realisieren

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SAB Bröckskes GmbH & Co KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Stand der Hochtemperatur-Supraleiterentwicklung

Ein wesentlicher Bestandteil supraleitender Kabel ist das supraleitende Material mit seinen charakteristischen Eigenschaften. Für Energiekabel eignen sich am besten Hochtemperatur-Supraleiter der 1. Generation aus BSCCO-2223 Bandleitern oder Hochtemperatur-Supraleiter der 2. Generation aus RE(Rare Earth)BCO-123 Bandleitern. Bandleiter der 1. Generation haben einen hohen technischen Reifegrad erreicht, da das Herstellverfahren vergleichsweise einfach ist. Da jedoch ein hoher Silberanteil erforderlich ist, lässt sich das Preis-Leistungsverhältnis nur geringfügig weiter verbessern. Aktuell tragen 4 mm breite Bandleiter bei 77 K im Eigenfeld einen Strom von etwa 140 bis 180 A und werden zu Preisen von etwa 100 €/kA m angeboten.

Die Bandleiter der zweiten Generation sind erst seit Ende 2005 kommerziell verfügbar. Typischerweise besitzen sie eine Dicke zwischen 0,15 und 0,3 mm und werden in einer Breite zwischen vier Millimetern und vier Zentimetern produziert. Die wesentlichen Leiterparameter, unter anderem die fertigbare Einzelstücklänge, die kritische Stromdichte und die Fertigungskapazität, entwickeln sich aktuell ausgesprochen dynamisch, sodass in den nächsten Jahren weitere Verbesserungen zu erwarten sind. Derzeit sind Einzelstücklängen von mehreren Hundert Metern und mit einer Stromtragfähigkeit von größer als 300 A/cm Breite bei 77 K im Eigenfeld verfügbar.

Die aktuellen Preise für HTS der zweiten Generation liegen zwischen 200 bis 300 €/(kA•m); abhängig von Liefermenge und Spezifikation schwanken sie stark. Da verschiedene Hersteller an einer Erweiterung ihrer Fertigungskapazitäten arbeiten, sind aufgrund von damit verbundenen Effizienzsteigerungen Preisreduktionen zeitnah zu erwarten. Dies erscheint realistisch, da die Leiterkosten durch das Herstellverfahren dominiert sind, der Materialkostenanteil ist mit einigen wenigen €/(kA m) vergleichsweise gering.

Erst mit Hochtemperatur-Supraleitern der zweiten Generation besteht die Chance, das Preis-Stromtragfähigkeits-Verhältnis von Kupfer – etwa 20 bis 50€/(kA•m) – zu unterbieten.

Stand der Kabelentwicklung und Ausblick

In den vergangenen Jahren wurde durch zahlreiche erfolgreiche Entwicklungsprojekte demonstriert, dass supraleitende Wechselstromkabel zuverlässig im Netzbetrieb eingesetzt werden können. Sie stehen heute an der Schwelle zur Kommerzialisierung. Aufgrund der höheren Wirtschaftlichkeit durch die kostengünstige Kühlung mit flüssigem Stickstoff (LN₂) gegenüber der Kühlung mit flüssigem Helium (LHe) werden heute alle supraleitenden Kabelprojekte ausschließlich mit Hochtemperatur-Supraleitern ausgeführt.

In Tabelle 1 ist ein Überblick über aktuelle Kabelprojekte dargestellt. Es fällt auf, dass bisher die meisten Kabelprojekte mit BSCCO Bandleitern realisiert wurden. Aufgrund der sehr schnellen Entwicklung der REBCO Bandleiter, die schon heute höhere kritische Werte erzielen, und voraussichtlich in naher Zukunft wesentlich kostengünstiger hergestellt werden können, ist zu erwarten, dass BSCCO Bandleiter bald von REBCO Bandleitern abgelöst werden könnten.

Bisher wurden im Netzeinsatz Nennspannungen bis 154 kV realisiert und Nennströme bis zu einigen kA erreicht. Das bisher längste supraleitende Wechselstromkabel von etwa 600 m wurde 2008 in Long Island in Betrieb genommen. Aktuell in der Entwicklung sind supraleitende Kabelsysteme für Spannungen bis zu 275 kV, Ströme bis zu 5 kA und von Längen bis zu 1 km. Während bisher alle entwickelten supraleitenden Wechselstromkabel für eine begrenzte Zeit im Netz installiert waren, zielen nun einige Entwicklungen bereits auf einen permanenten Netzeinsatz ab.

Attraktive Einsatzmöglichkeiten von supraleitenden Wechselstromkabeln ergeben sich insbesondere in Ballungsgebieten beim Ersatz von konventionellen Hochspannungskabeln durch supraleitende Mittelspannungskabel, bei Beseitigung von Netzengpässen durch die erhöhte Leistung von supraleitenden Kabeln und bei der Teilerdverkabelung von Hochspannungsleitungen.

Die weitere Entwicklung und Markteinführung wird nun wesentlich davon abhängen wie schnell es gelingt, das Preis-Leistungsverhältnis der Supraleiter weiter zu verbessern sowie die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit zu demonstrieren.

* * Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe ... ist Direktor des Instituts für Tehnische Physik am Karlsuher Institut für Technologie (KIT).

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