Supraleiter im Einsatz

Forschung konkret Weniger ist mehr: Supraleiter im Einsatz

Große Strommengen verlustfrei und platzsparend transportieren? Supraleiterkabel machen es möglich. Im Projekt "AmpaCity" in Essen muss das Kabel auf der weltweit längsten Teststrecke zeigen, ob es praxistauglich ist. Fragen an den Projektbegleiter Professor Mathias Noe vom Karlsruher Institut für Technologie.

Presse- und Informationsamt der Bundesregierung (BPA): Was unterscheidet ein supraleitendes Kabel von den gängigen Stromkabeln, die bisher in Deutschland vorrangig zum Einsatz kommen?

Mathias Noe: Supraleiter besitzen ein mehr als 100-fach höheres Stromtragevermögen als konventionelle Leiter. Damit können Leistungskabel deutlich kompakter dimensioniert werden oder die übertragene Leistung kann etwa fünfmal höher sein als bei einem konventionellen Kabel mit gleichem Querschnitt. Dabei ist auch schon die Kühlung für das Supraleiterkabel berücksichtigt, die natürlich Platz benötigt.

BPA: Welchen Sinn hat ein Hochleistungskabel in einer Stadt? Braucht man so etwas nicht vielmehr auf dem Land, damit es als "Stromautobahn" große Strommengen transportiert?

Noe: Man benötigt sowohl Hochleistungskabel für die Stadt als auch neue Stromautobahnen. In der Stadt sind typische Kabellängen von einigen Kilometern bereits heute mit supraleitenden Kabeln realisierbar, was in Essen in "AmpaCity" demonstriert wird. Dort können bisherige Hochspannungskomponenten durch kompakte Mittelspannungskabel schrittweise ersetzt werden und somit unter anderem wertvoller Platz eingespart werden.

Stromautobahnen von zum Beispiel mehr als 100 Kilometern Länge sind mit dem aktuellen Entwicklungsstand der supraleitenden Kabel derzeit zwar grundsätzlich machbar, aufgrund der Materialverfügbarkeit und der derzeitigen Kosten aber noch nicht anwendungsreif. Darüber hinaus müssen die Verluste weiter minimiert und die Kühlung verbessert werden. Wir forschen an dieser Aufgabe – aber eher mit einer langfristigen Anwendungsperspektive. 

BPA: Was hat ein supraleitendes Kabel für Vorteile? Spart es zum Beispiel Leitungslegungen an anderer Stelle und damit Baumaßnahmen, Material, Kosten? Gibt es Nachteile?

Noe: Neben dem offensichtlichen Vorteil des geringeren Trassenbedarfs und dem geringeren Aufwand bei der Kabellegung durch das kompakte Kabeldesign ergeben sich noch weitere Vorteile:

Im innerstädtischen Bereich wird durch den Wegfall einer Spannungsebene die Netzstruktur vereinfacht und durch den Wegfall von Umspannstationen der Flächenverbrauch reduziert. Damit können auch die Investitions- und Betriebskosten gegenüber dem Ausbau mit Hochspannungstechnik reduziert werden.

Weiterhin sind durch den koaxialen Aufbau der supraleitenden Kabel die äußeren Magnetfelder gegenüber konventionellen Kabeln vernachlässigbar. Ein gewisser Aufwand entsteht durch die Kühlung der Kabel mit flüssigem Stickstoff. Flüssiger Stickstoff wird heute bereits an vielen Stellen in der Industrie, in der Medizintechnik und auch im Nahrungsmittelgewerbe eingesetzt. Dass dies zuverlässig, sicher und effizient auch für ein Kabel funktioniert, wird das Projekt in Essen zeigen.

BPA: Derzeit wird das Kabel gelegt, Ende 2013 sollen die Tests starten. Welche Rolle haben Sie als wissenschaftlicher Experte dabei?

Noe: Unser Beitrag fokussiert sich auf die komplexen elektromagnetischen Vorgänge in einem Kabel, zum Beispiel die genaue Bestimmung der Wechselstromverluste und die Charakterisierung der verwendeten Leiter.

Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben wir unter anderem ein Kabelmodell aufgebaut, an dem wir die Verluste sehr genau messen können. Dabei entsteht auch ein Simulationstool, um zukünftige supraleitende Kabel weiter zu verbessern. Die Projektergebnisse werden Eingang finden in zukünftige Anwendungsuntersuchungen und somit die Markteinführung supraleitender Kabel beschleunigen.

BPA: Wie viele Haushalte und Betriebe in Essen sind an den Tests mittelbar beteiligt?

Noe: Das Kabel verbindet auf etwa einem Kilometer Länge in der Essener Innenstadt zwei 10 Kilovolt Umspannstationen. Daran angeschlossen ist eine Vielzahl unterschiedlicher Verbraucher.

Das Kabel ist so in das Netz integriert, dass selbst bei einem Ausfall kein Anschluss betroffen sein wird, da alle Netze grundsätzlich nach dem n-1 Prinzip aufgebaut sein müssen. Das bedeutet, dass jedes Betriebsmittel ausfallen darf, ohne die Versorgung zu gefährden. Das gilt natürlich auch für den Einsatz supraleitender Kabel.

BPA: Inwiefern beziehen Sie in Ihre Untersuchungen die Anwohner rund um das AmpaCity-Gebiet ein?

Noe: Die Akzeptanz für supraleitende Kabel ist für alle Projektpartner von höchster Bedeutung. Deshalb wurde von Beginn an die zukünftige Betriebsmannschaft, die Stadt Essen und die Öffentlichkeit mit gezielten Veranstaltungen ausführlich informiert. Sehr positiv zur hohen Akzeptanz hat auch die umfangreiche Information durch die Presse beigetragen, die in zahlreichen Beiträgen vom Fortgang des Projektes berichtet hat.

BPA: Was werden wir aus den Tests ablesen können? 

Noe: Der Test in Essen wird hauptsächlich zeigen, dass supraleitende Kabel alle technischen und zukünftig auch wirtschaftlichen Anforderungen des Netzbetreibers erfüllen können und somit voll und ganz für den schrittweisen Aufbau von supraleitenden Mittelspannungsnetzen im innerstädtischen Bereich geeignet sind. Zusätzlich werden einige Verbesserungen für die nächsten Installationen abgeleitet werden.

AmpaCity startete im September 2011 und hat eine Laufzeit von viereinhalb Jahren. Außer dem KIT sind beteiligt: der Energieversorger RWE, Nexans als Hersteller von Kabeln und Kabelsystemen und der Projektträger Jülich. Das Bundesministerium für Wirtschaft fördert das Projekt mit 6,3 Millionen Euro.