Forschungsprojekt Supra-Iso-420

Das rund 37.000 Kilometer lange Höchstspannungsnetz in Deutschland transportiert Energie mit geringen Verlusten über weite Strecken. Bei Fehlern entstehen sehr hohe Kurzschlussströme, die die Netzinfrastruktur schädigen können. Im Forschungsprojekt Supra-Iso-420 soll deshalb ein supraleitender Strombegrenzer konzipiert werden, der die Entstehung hoher Kurzschlussströme signifikant limitiert.

Hochschpannungslabor Kryogenes Hochspannungsprüffeld zur Untersuchung von Isoliersystemen (Bild: André Schmid / TH Köln)

„Im Zuge der Energiewende speisen zunehmend dezentrale Erzeuger Strom in das Übertragungsnetz ein. Dies sorgt im Fehlerfall für Kurzschlüsse mit sehr hohen Stromstärken. Bislang ist keine Technologie in der Lage, diese erhöhten Kurzschlussströme abzuschalten“, erläutert Projektleiter Prof. Dr. Christof Humpert vom Institut für Elektrische Energietechnik das Problem. Deshalb ist das Übertragungsnetz in Segmente unterteilt, was die Summation von Fehlerströmen verhindert. Dafür müssen zusätzliche Netzeinspeisepunkte errichtet werden. Dies erhöht den Widerstand des Netzes im Normalbetrieb, was wiederum zu Übertragungsverlusten führt.

Eine Lösung könnten supraleitende Strombegrenzer sein. Supraleiter sind Materialien wie Yttrium-Barium-Kupferoxid, die bei sehr niedrigen Temperaturen zwischen -135 und -181 Grad Celsius Strom ohne Widerstand leiten. Erhöht sich die Temperatur – etwa durch einen Kurzschluss – verliert das Material seine supraleitende Fähigkeit innerhalb weniger Millisekunden, wird normalleitend und baut so einen großen Widerstand auf. Ein Kurzschluss kann auf diese Weise schnell und effektiv auf einen bestimmten Bereich begrenzt werden.

„Im Mittel- und Hochspannungsbereich bis zu 220 Kilovolt wurden bereits supraleitende Strombegrenzer unter realen Bedingungen betrieben, die Kurzschlüsse bis zu 50 Kiloampere begrenzen können. Wir werden erstmals versuchen, einen supraleitenden Strombegrenzer für das 420 Kilovolt Höchstspannungsnetz zu konzipieren und müssen uns dabei mit Kurzschlüssen von bis zu 80 Kiloampere auseinandersetzen“, so Humpert.

Das übliche Design eines Strombegrenzers sieht vor, dass das supraleitende Material, von beiden Seiten mit einer Isolierung umgeben, in Spulen aufgewickelt wird. Die Spulen befinden sich in flüssigem Stickstoff und werden dadurch auf minus 200 Grad Celsius herunterkühlt. „Die Isolierung muss zwei Dinge leisten: Zum einen darf bei einem Kurzschluss innerhalb der Spule keine Stromübertragung zwischen den einzelnen Wicklungen des Bandes stattfinden; zum anderen aber auch nicht zwischen Spule und Außenhülle“, so Humpert.

Da das Wissen über die verwendeten kryogenen Isoliersysteme – also Isoliermaterialien in Kombination mit flüssigem Stickstoff – aktuell noch sehr begrenzt ist, müssten supraleitende Strombegrenzer für 420 Kilovolt, die auf Basis der aktuellen Technologie entwickelt werden, überdimensioniert werden. Dies erhöht die Kosten und verzögert ihren Einsatz in der Praxis. Mit seinem Team vom Labor für Hochspannungstechnik wird Prof. Humpert daher im Forschungsprojekt Supra-Iso-420 das Verhalten der Isoliersysteme bei extrem niedrigen Temperaturen analysieren und die gewonnenen Erkenntnisse in einem Demonstrator umsetzen.

Das Projekt wird über das Programm progres.nrw-Research des NRW-Wirtschaftsministeriums für ein halbes Jahr gefördert. progres.nrw-Research unterstützt Hochschulen dabei, ihre wissenschaftlichen Erkenntnisse auf die Umsetzbarkeit hin zu untersuchen, Verwertungsmöglichkeiten in den Bereichen Energie und Klimaschutz zu untersuchen und so Innovationspotenziale zu identifizieren.

28. Juli 2020

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