Supraleitung – kein Kurzschluss

Bereits 1986 entdeckt, ist das Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung (HTSL) nicht mehr allein Forschungsgebiet, sondern einzelne Komponenten werden weltweit in Feldversuchen erprobt. Daher ist nach Ansicht des Physik-Nobelpreisträgers Prof. Dr. Karl-Alex Müller von ETH Zürich gerade jetzt der richtige Zeitpunkt für Diskussionen. Mit dem Thema befassten sich Fachleute aus Industrie und Energieversorgung am 13. und 14. Februar auf der Tagung „Supraleitung – Eine Komponente zukünftiger Energieversorgung?“ Diese Veranstaltung bei der Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI) in Darmstadt war initiiert von mehreren energietechnischen Verbänden.
Wichtige Basis der Supraleitung sind die Werkstoffe. Als technisch relevante HTSL-Materialien haben sich Wismut-Blei-Strontium-Kalzium-Kupfer-Oxid, z.B. für supraleitende Energiekabel, Leistungstransformatoren, Motoren und Magnetenergiespeicher, sowie Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid für HTSL-Strombegrenzer herauskristallisiert, die mit flüssigem Stickstoff bei einer Temperatur von 77 K (–196 °C) gekühlt werden.
„Geld ist die wichtigste physikalische Größe“. Damit zeigte Dr. Martin Kleimaier, RWE Net AG in Essen, ein wichtiges Kriterium für die Einführung neuer Techniken in einem deregulierten und liberalisierten Energiemarkt auf. Nicht mehr die technische Finesse, sondern das wirtschaftlich Notwendige bestimmt das heutige Investitionsverhalten der Energieversorgungsunternehmen in Deutschland und auch in Mitteleuropa.
Allenfalls Umweltverträglichkeit und Akzeptanzverbesserung sprechen für den Einsatz neuer Techniken, denn die Stromversorgungsnetze weisen flächendeckend einen hohen Qualitätszustand auf. Der Lastzuwachs der letzten Jahre ist gering und wird sich aufgrund der konjunkturellen Situation mittelfristig nicht grundlegend ändern. Im Rahmen der erforderlichen Instandhaltungsmaßnahmen wird vor allem eine Optimierung der vorhandenen Infrastruktur angestrebt.
„Neue, supraleitende Betriebsmittel müssen sich in die bestehenden Netze integrieren lassen und überprüfbare Vorteile bieten“, betonte Kleimaier. Einerseits geht es dabei um die Optimierung klassischer Betriebsmittel, wie Motor und Generator, Transformator oder Kabel. Das Ergebnis besteht in der Reduktion von Baugrößen, Gewichten und elektrischen Verlusten sowie Erhöhung von Leistungsdichte und Wirkungsgrad. Andererseits liegt das Potenzial in der Entwicklung neuartiger elektrischer Betriebsmittel, wie Schwungmassenspeicher (SMS) mit supraleitenden Magnetlagern, Magnetenergiespeicher (SMES) oder Strombegrenzer.
Gute Chancen hat die Supraleitung dort, wo bislang nichts Vergleichbares existiert und daraus neue Lösungsansätze zur Ausnutzung der Netzkapazitäten resultieren. „Dies gilt in erster Linie für den Kurzschluss-Strombegrenzer, für den es keine befriedigende klassische Lösung gibt“, so Martin Kleimaier. Von supraleitenden Strombegrenzern (SSB) werde Eigensicherheit, Selbstregeneration und Eignung auch für die höchsten Spannungsebenen erwartet.
Solche SSB schalten beim Auftreten eines Kurzschlusses innerhalb von 1 ms und begrenzen den Kurzschlussstrom ungefähr auf den 1- bis 2fachen Nennstrom. Daher können alle nachgeschalteten Betriebsmittel entsprechend schwächer ausgelegt – oder umgekehrt – die Kurzschlussleistung und damit die Belastungsgrenze bestehender Netze ohne Erneuerung der Komponenten erhöht werden. „Siemens arbeitet bei den supraleitenden Kurzschluss-Strombegrenzern an vorderster Front der technologischen Entwicklung“, sagte Dr. Heinz-Werner Neumüller, Leiter des Siemens-Fachzentrums Supraleitung und Kryotechnik in Erlangen. Im Berliner Versuchsfeld des Siemens-Bereichs Power Transmission and Distribution sei ein Demonstrationsmodell der Leistungsklasse 1 MVA erfolgreich getestet worden bis Ende 2001 ist die Fertigstellung eines 12-MVA-Protoyps geplant.
Obwohl für die Supraleitung in der Energieversorgung – die Hauptanwendungsgebiete liegen bisher noch in anderen Bereichen – schon der Break-even-Point in Sicht ist, steht noch viel Arbeit bevor. „Wichtig sind unter anderem Kühlsysteme, die für spezielle Anwendungen optimiert sind“, forderte Neumüller. Genauso entscheidend für eine schnelle Markteinführung ist die Kostenreduktion bei HTSL-Basismaterialien – z. B. für Bandleiter um den Faktor 20 – Kryostaten und Stromzuleitungen. Als „bottleneck“ sieht Heinz-Werner Neumüller ebenfalls das Erfahrungsdefizit der Anwender mit dieser neuen Technologie an, vor allem hinsichtlich Zuverlässigkeit, Betriebs- und Wartungskosten. URSULA SANDNER