Schutzschild für das Stromnetz

Der Ausbau der erneuerbaren Energien erhöht die Anforderungen an die deutschen Übertragungsnetze. Um die Infrastruktur bei Kurzschlüssen im Höchstspannungsnetz zuverlässig zu schützen, untersucht die TH Köln als Teil des Forschungskonsortiums „CURL380“ die Nutzung von supraleitenden Strombegrenzern. Das Projekt umfasst die Entwicklung strombegrenzender Module und einer Durchführung bei tiefen Temperaturen, die vollständige Auslegung eines Prototypen und die Anwendungsuntersuchung für Knotenpunkte im deutschen Netz.

Im Zuge der Energiewende speisen immer mehr dezentrale Erzeuger Strom in das rund 37.000 Kilometer lange Höchstspannungsnetz ein. Im Fehlerfall kann dies zu Kurzschlussströmen führen, die konventionelle Sicherungsmaßnahmen zunehmend an ihre Belastungsgrenzen bringen und zu bedeutenden Auswirkungen im Stromnetz führen können. „Als Alternative bietet sich der Einsatz supraleitender Materialien an, die mit ihren spezifischen Fähigkeiten Fehlerströme sicher reduzieren können – daher der Name Strombegrenzer“, erklärt Prof. Dr. Christof Humpert vom Institut für Elektrische Energietechnik der TH Köln.

Materialeigenschaften statt komplexer Elektronik

Das Herzstück der Technologie sind Hochtemperatur-Supraleiter (HTS), die in Spulen von mehreren Kilometern Länge in flüssigem Stickstoff betrieben werden. Überschreitet die Stromdichte im Fehlerfall einen kritischen Wert, verliert das Material schlagartig seine supraleitende Eigenschaft – ein physikalischer Vorgang, der als „Quench“ bezeichnet wird. Das Bauteil wird normalleitend, baut einen hohen Widerstand auf und reduziert den Kurzschlussstrom um einen gewünschten Betrag. Hierbei basiert die Sicherung nicht auf aufwändiger Elektronik, sondern auf den Eigenschaften des Materials, was sie sehr zuverlässig macht. Nach dem Fehler kühlt der Supraleiter ab, regeneriert sich und ist ohne Materialverschleiß wieder einsatzbereit.

Neue Bauteile im Fokus der Forschung

Strombegrenzer, die auf dieser Methode basieren, könnten in große Schaltanlagen oder Umspannwerke integriert werden. Ein neuralgischer Punkt sind dabei die Durchführungen, durch die die unter Hochspannung stehenden Leitungen in den stark gekühlten Innenraum des Begrenzers gelangen. Hier setzt ein Teilvorhaben der TH Köln an. Zunächst werden verschiedene Epoxidharz-Materialien mit Blick auf ihre Spannungsfestigkeit sowie die mechanischen Eigenschaften bei sehr geringen Temperaturen untersucht. Zudem werden mehrere Hochspannungsdurchführungen mit unterschiedlich dimensionierten Isolierstrecken aufgebaut, um die Skalierbarkeit der Konstruktion mit steigender Spannungsbelastung zu analysieren. „Die Herausforderung liegt darin, dass diese Bauteile trotz der extremen Temperaturunterschiede zwischen dem Außenraum und dem flüssigen Stickstoff dauerhaft die enormen Spannungen isolieren müssen“, so Humpert.

Im Rahmen des Projekts führt das Team außerdem umfangreiche Simulationen zur räumlichen Spannungsverteilung durch und untersucht, wie sich Überspannungsimpulse – etwa durch Blitzeinschläge oder Schaltvorgänge im Netz – innerhalb der supraleitenden Spulen ausbreiten. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Isolierung zwischen den aufgewickelten Hochtemperatursupraleitern.

Testkryostat für praxisnahe Forschung

Um die theoretischen Modelle zu validieren, baut das Team an der TH Köln einen Testkryostat auf, der bei vier Metern Höhe und einem Durchmesser von etwa zwei Metern rund 10.000 Liter Flüssigstickstoff enthalten wird. Darin führt das Konsortium die abschließende Prüfung der kryogenen 380 kV Hochspannungsdurchführung durch. „Zudem untersuchen wir die Spannungsfestigkeit von Flüssigstickstoff bei großen Abständen bis circa 70 Zentimeter, um den sicheren Betrieb eines Strombegrenzers im Höchstspannungsnetz zu gewährleisten. Diese Experimente wurden bisher noch nie durchgeführt“, sagt Humpert.

Über das Projekt

Das Verbundprojekt „CURL380 – Schlüsseltechnologie für Supraleitende Strombegrenzer für die Anwendung in Höchstspannungsnetzen von 380 kV“ wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie bis März 2028 mit rund 2,8 Millionen Euro gefördert. Neben der TH Köln sind beteiligt: das Karlsruher Institut für Technologie (Gesamtprojektleitung, Modulentwicklung), die HSP Hochspannungsgeräte GmbH (Durchführung), Siemens Energy (Gesamtsystem) und die Übertragungsnetzbetreiber 50Hertz Transmission GmbH, Amprion GmbH, Tennet TSO GmbH und TransnetBW GmbH (Anwendungsuntersuchung, d. h. die Übertragungsnetzbetreiber zeigen den technischen Bedarf auf und bewerten die Einsatzmöglichkeiten eines künftigen Produktes zur Kurzschlussstrombegrenzung aus dem Forschungsvorhaben).