Forschung

Supraleitung ins Stadtzentrum

06.05.2014 - In Essen wurde weltweit erstmalig ein Supraleiterkabel ins innerstädtische Stromnetz integriert.

Über 28 Jahre nach der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleitung ist am 30. April das weltweit längste Supraleiterkabel offiziell in Betrieb genommen worden. Das ein Kilometer lange Kabel verbindet zwei Umspannanlagen im Essener Zentrum. Damit startet im Rahmen des Projektes AmpaCity (engl. ampacity für Stromtragfähigkeit) ein zweijähriger Praxistest zur künftigen Energieversorgung von Innenstädten.

Zur Feier der Inbetriebnahme waren Hannelore Kraft, Ministerpräsidentin des Landes Nordrhein-Westfalen, Physiknobelpreisträger Johannes Georg Bednorz als Entdecker der Hochtemperatur-Supraleitung sowie zahlreiche Vertreter aus Politik, Wirtschaft, Wissenschaft und der Projektpartner zur Umspannanlage Herkules in der Essener Innenstadt gekommen. „Damit wird ein jahrhundertalter Traum Realität, denn schon Kamerlingh Onnes, der Entdecker der Supraleitung, hat sich den verlustfreien Transport von Energie über große Distanzen vorgestellt“, sagte Bednorz.

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Mit dem obligatorischen Knopfdruck starteten die Projektpartner und Ehrengäste das Projekt AmpaCity in Essen. Ganz in der Mitte steht Nobelpreisträger Johannes Georg Bednorz. (Foto: RWE Deutschland AG)


Zusammen mit K. Alex Müller hatte er 1986 entdeckt, dass die metallische Keramik BaLaCuO bei 35 K supraleitend wird – 13 Grad mehr als die bis dato höchsten Sprungtemperaturen metallischer Supraleiter. Die kurze Skepsis der Fachwelt schlug rasch in Euphorie um und setzte einen enormen Forschungsboom in Gang. Innerhalb kurzer Zeit waren Hochtemperatur-Supraleiter bekannt mit einer Sprungtemperatur oberhalb der „magischen Grenze“ von 77 K, der Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff. Bednorz und Müller erhielten bereits ein Jahr nach ihrer Entdeckung den Physik-Nobelpreis.

Der Weg vom Effekt bis zum supraleitenden Stromkabel war jedoch steinig. Zwar lassen sich Supraleiter-Materialien wie BiSCCO (Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid) oder YBCO (Yttrium-Barium-Kupferoxid) einfach und kostengünstig mit flüssigem Stickstoff kühlen. Doch es dauerte lange, bis es gelang, aus der spröden Metallkeramik biegsame Drähte herzustellen: In Silberröhren gefüllt, lässt sich der Keramikwerkstoff zu dünnen, flexiblen Bändern walzen.

Dem AmpaCity-Projekt ging eine ausführliche Studie voraus, in der Forschungseinrichtungen unter Federführung des Karlsruher Institut für Technologie zusammen mit den Projektpartnern Nexans und RWE die technische Machbarkeit und die Wirtschaftlichkeit einer Supraleiterlösung auf Mittelspannungsebene analysierten. Supraleiterkabel sind demnach die einzig sinnvolle Möglichkeit, städtische Netze mit Hochspannungskabeln weiter auszubauen. Anders als herkömmliche Kupferkabel verursacht das neue Kabelsystem praktisch keine elektrischen Übertragungsverluste, keine Wärmeabstrahlung und keine magnetischen Felder. Das in Betrieb genommene 10.000-Volt-Supraleiterkabel ersetzt eine herkömmliche 110.000-Volt-Leitung. Ein Vorteil der neuen Technologie ist, dass man auf Umspannstationen in den Innenstädten verzichten kann und sich dort wertvoller Platz gewinnen lässt.

Der im Essener Pilotprojekt verwendete Kabeltyp, hergestellt von der Firma Nexans, ist besonders kompakt aufgrund seines konzentrischen Aufbaus: Um die Vorlaufleitung der Stickstoffkühlung herum sind drei in Isolationsmaterial eingeschlossene Supraleiterschichten für die drei Stromphasen angeordnet. Diese Schichten werden außen von einer gemeinsamen Kupferschirmung umhüllt, die ihrerseits vom Flüssigkeitsmantel des zurückströmenden Kühlmediums umgeben ist.

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Um seine Betriebstemperatur zu erreichen und ideal leitend zu werden, wird das konzentrisch aufgebaute Supraleiterkabel mit flüssigem Stickstoff gekühlt. Es leitet große Ströme mit geringeren Verlusten und bei kleineren Querschnitten als entsprechende Kupferkabel. (Bild: Nexans)


Für den Betrieb des Kühlsystems ist in Essen lediglich eine kompakte Station an einem Endpunkt der Kabelstrecke erforderlich. Eine wichtige Komponente ist dabei ein ebenfalls supraleiterbasierter Strombegrenzer, damit das Kabel bei Netzstörungen nicht durch Fehlerströme überlastet werden kann.

Möglich wurde das Pilotprojekt AmpaCity durch Fördermittel des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie, das 5,9 Millionen Euro zu den weiteren 7,6 Millionen Euro beisteuerte, die RWE und seine Projektpartner in das Vorhaben investierten. „Mit AmpaCity betreten wir technologisches Neuland. Schon während der Kabellegung und der Montage der technisch anspruchsvollen Komponenten haben wir erste wertvolle Erfahrungen sammeln können. Jetzt sind wir gespannt auf den Verlauf des Feldversuchs“, sagte Joachim Schneider, Technikvorstand der RWE Deutschland AG.

Alexander Pawlak

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