Dienstag, 19. April 2016

Weltweit längstes Supraleiterkabel in der Essener Innenstadt

Besichtigung im Rahmen der KLIMAWOCHEN RUHR 2016

Umspannanlage Herkules, Ansicht von der Herkulesstraße

„Bei uns kommt der Strom aus der Steckdose.“ Im heutigen Alltag ist elektrische Energie unentbehrlich, moderne Kommunikations- und Informationstechnologie sind ohne Elektrizität undenkbar. Den meisten Menschen wird dies aber erst wieder bewusst, wenn der Strom plötzlich ausfällt. Wie der Strom eigentlich in die Steckdose kommt, darüber haben die wenigsten genaue Vorstellungen.

Umspannanlage Herkules, Ansicht von der Herkulesstraße

2014 hat RWE Deutschland in der Essener Innenstadt zwischen den Umspannanlagen Dellbrügge und Herkules das weltweit längste Supraleiterkabel in Betrieb genommen, welches eine ein Kilometer lange 110-kV-Kabeltrasse ablöst. Um Übertragungsverluste möglichst gering zu halten, wird Strom in klassischen Kupfer- oder Aluminiumkabeln mit hoher Spannung (in Deutschland und Österreich fast durchgängig 110 kV, im Übertragungsnetz wird über große Distanz sogar eine Höchstspannung von 380 kV verwendet) transportiert. In den Städten reduzieren Umspann­anlagen die Spannung auf 10 kV und speisen den Strom in das Verteilnetz ein. Supraleitende Kabel können diese Struktur vereinfachen, da sie große Strommengen bereits bei 10 kV über längere Strecken fast verlustfrei übertragen können. Supraleitende Kabel stellen zwar für Fernleitungen keine Konkurrenz dar, sie können aber dort eingesetzt werden, wo wegen gestiegenen Bedarfs Erweiterungen bei begrenztem baulichen Raum nötig sind, also genau dort, wo es unter den Straßen unserer Innenstädte vielfach bereits eng wird.

Schnitt durch das Hochtemperatur-Supraleiterkabel und ein herkömmliches 10-kV-Kabel

Supraleitung wurde bereits 1911 von Heike Kamerlingh Onnes (* 21. September 1853 in Groningen, † 21. Februar 1926 in Leiden) entdeckt, sie ist ein makroskopischer Quanten­zustand, bei dem der elektrische Widerstand von Metallen und anderen Materialien verschwindet. Supraleitung existiert jedoch nur bei extrem niedrigen Temperaturen, Heike Kamerlingh Onnes entdeckte den Effekt in Quecksilber bei Unterschreiten der Sprungtemperatur von 4,183 Kelvin (– 268,967 °C). Johannes Georg Bednorz und Karl Alexander Müller entdeckten im April 1986 in Lanthan-Barium-Kupferoxid Supraleitung mit einer Sprung­temperatur von 35 Kelvin, wofür ihnen 1987 der Nobelpreis für Physik zuerkannt wurde.

Querschnitt durch das Supraleiterkabel mit dem Vorlauf für den flüssigen Stickstoff, den supraleitenden Drähten für die drei Phasen, dem Neutralleiter aus Kupfer, dem Rücklauf für den flüssigen Stickstoff sowie dem Kabelkryostat (Vakuumisolierung). Foto: RWE Deutschland

Die technische Nutzbarmachung der so genannten Hoch­temperatur­supra­leitung war von Beginn an eine wesentliche Triebfeder für die weitere Forschung. Dabei sind insbesondere Sprungtemperaturen von über 77 Kelvin von Interesse, da hierbei flüssiger Stickstoff mit einem Siedepunkt von − 196 °C zur Kühlung eingesetzt werden kann, der im Vergleich zu flüssigem Helium wesentlich billiger und zudem einfacher zu handhaben ist. Von der spröden Metall­keramik bis zur Herstellung biegsamer Drähte war jedoch noch ein weiter Weg. Apropos weit: Für das ein Kilometer lange Supra­leiter­kabel wurden seinerzeit 87 Kilometer Draht verwendet, das entsprach einem Drittel der Welt­jahres­produktion!

Umspannanlage Herkules, Eintritt des Supraleiterkabels in die Umspannanlage (vorn) und Endverschluss mit den Leiteranschlüssen (hinten)

Das Pilotprojekt „AmpaCity“ untersucht nun die technische Eignung des 10-kV-Hochtemperatur-Supraleiterkabels und eines supraleitenden Kurz­schluss­strom­begrenzers (zur Vermeidung von Überlastungen) im Verteilnetzbereich. Zur Kühlung wird das Kabel mit seinem konzentrischen Aufbau lediglich von einer Seite mit flüssigem Stickstoff versorgt, die Rückleitung erfolgt in der äußeren Schicht des Kabels. Am 30. April 2014 wurde das Kabel zwischen den beiden Umspann­stationen in Betrieb genommen. In der Um­spann­an­lage Herkules sind Teile des Kabels, der U-Bogen, in dem das Supraleiterkabel auf Temperaturschwankungen reagieren kann, der Kurz­schluss­strom­begrenzer sowie die Kühlanlage zu sehen, unter dem Motto: Wie kommt eigentlich der Strom in die Steckdose, und wie kann die Strom­ver­sorgung in Ballungsräumen mit hoher Energiedichte vereinfacht werden.

Umspannanlage Herkules, Endverschluss mit den Leiteranschlüssen (rechts) und U-Bogen, in dem das Supraleiterkabel auf Temperaturänderungen reagieren kann

Das Projekt könnte der Auftakt zur Umstrukturierung eines innerstädtischen Verteilnetzes in ganz neuen Dimensionen sein: Nach erfolgreichem Abschluss des zweijährigen Feldtests wäre es denkbar, das Rückgrat des Essener Verteilnetzes weitgehend auf 10-kV-Supraleiter umzustellen und von Hochspannungsanlagen zu befreien. Dies würde mittelfristig zu mehr Effizienz sowie niedrigeren Betriebs- und Instand­haltungs­kosten bei gleichzeitig geringerem Flächen­verbrauch führen. In der Innenstadt würden wertvolle Grundstücke frei, denn etliche 110/10-kV-Umspann­stationen könnten rückgebaut werden. Aufgrund der Besonderheit und der Perspektiven von „AmpaCity“ wird das Projekt vom Energieforschungsreferat des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert. Zu den insgesamt 13,5 Mio. Euro Projektkosten steuerte das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie insgesamt 5,9 Mio. Euro bei. Nach beinahe zwei Jahren erfolgreichen Betriebs in Essen hat der Kabellieferant Nexans im Februar 2016 den Auftrag erhalten, ein Hochtemperatursupraleiter-Mittelspannungskabel im Rahmen des Projekts „Resilient Electric Grid“ für das städtische Elektrizitätsnetz in Chicago zu produzieren. Nach erfolgreicher Umsetzung dieses „Kabelprototypen“ ist geplant, dass entsprechende Hochtemperatur-Supraleiterkabel zwischen den Umspann­stationen im Zentrum Chicagos zum Einsatz kommen.

Umspannanlage Herkules, U-Bogen, in dem das Supraleiterkabel auf Temperaturänderungen reagieren kann

Die Klimawochen Ruhr 2016 sind ein Format des Regionalverbandes Ruhr (RVR). Es befasst sich als regionaler Kooperationspartner der Landesinitiative KlimaExpo.NRW mit Klimaschutz und Klimaanpassung. Die Klimametropole Ruhr 2022 soll die Mitmachkultur fördern, neue Impulse für Projekte setzen und als „regionales Schaufenster“ fungieren. Die Klimawochen Ruhr 2016 demonstrieren die Vielfalt und Breite des Engagements in der Metropole Ruhr. Sie lenken den Blick auf lokale und regionale Strategien, Projekte und Lösungsvorschläge. Es geht um neue Technologien, ressourcenschonende Produktionsweisen, aber auch um Lebensstile, gesellschaftliche Werte und kulturelle Impulse.

Umspannanlage Herkules, supraleitender Kurz­schluss­strom­begrenzer

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