Aktuell / 05.03.2013

AmpaCity: Stromnetze ohne elektrischen Widerstand

Die Teststrecke des Supraleiterkabels verläuft unterhalb der Essener Innenstadt. Der Weg verläuft vom Umspannwerk Dellbrügge unter der Vernhorststraße bis zum Umspannwerk in der Herkulesstraße. Bild: RWE

Nahezu keine Verluste bei der Übertragung von Strom versprechen Supraleiterkabel. Dies ist möglich, weil die Kabel bei niedrigen Temperaturen von circa minus 200 °C kaum elektrischen Widerstand haben. Sie können in kompakter Bauweise viel Strom transportieren. Ein Vorteil für Innenstädte in Ballungsgebieten: Hier sorgen bisher 110.000-Volt-Hochspannungsleitungen in Verbindung mit Umspannwerken dafür, dass ausreichend Strom in die Verteilnetze mit 10.000 Volt Spannung zur Versorgung der Verbraucher bereit steht. Das kostet Platz in teurer Innenstadtlage.

So sorgen in der Ruhrgebietsstadt Essen ein 6.500 km langes Stromverteilnetz und 36 Umspannanlagen für die Versorgung der 570.000 Einwohner und Betriebe. Wenn das Projekt „AmpaCity“ erfolgreich ist, könnten Umspannwerke zurückgebaut werden. Flächen würden frei – nicht nur in Essen. „Es geht vor allem darum zu testen, wie wir die enorm viel Platz und Volumen beanspruchenden 110-kV-Anlagen in Innenstädten durch wesentlich schlankere Mittelspannungsnetze ersetzen können. Auf Grund der hohen übertragbaren Leistung bei geringen Kabelabmessungen sind hierfür supraleitende Systeme prädestiniert. In unserem Projekt „AmpaCity“ wollen wir nachweisen, dass dies auch im harten Praxisbetrieb funktioniert, um dann gegebenenfalls unsere künftige Netzplanung entsprechend auszurichten“, sagt Andreas Breuer, Bereichsleiter neue Technologien bei RWE.

Längstes Supraleiterkabel wird im Ruhrgebiet gebaut

Auf eine 40-Megawatt-Übertragungsleistung ist das Supraleiterkabel ausgelegt. Bild: Nexans

Im März 2013 beginnt der Bau der Pilotstrecke. Auf einem Kilometer ersetzt der Supraleiter zwischen den Umspannwerken Dellbrügge und Herkulesstraße ein 110.000-Volt-Hochspannungskabel. Das Supraleiterkabel kann größere Leistung bei kleinerer Spannung transportieren. So sollen zukünftig 110.000/10.000-Volt-Umspannstationen überflüssig werden. In einer Studie ermittelte das Karlsruher Institut für Technologie in Zusammenarbeit mit dem Kabelhersteller Nexans und dem Energieversorger RWE, dass vier von zehn Umspannstationen in Essen entfallen könnten.


Die Technik basiert auf einer physikalischen Materialeigenschaft: Ab einer Temperatur von weniger als minus 180 °C transportiert der Supraleiter 100 mal mehr Strom als ein Kupferkabel. Trotz des notwendigen Kühlmantels kann er die fünffache Leistung eines gleichdicken Kupferkabels leiten. Durch den geringeren Platzbedarf werden im dichten Versorgungsnetz in Ballungsgebieten Kapazitäten frei.


Teil des Pilotprojektes ist auch die Untersuchung von Sicherheitselementen. „Der supraleitende Strombegrenzer verhindert bei einer Netzstörung, zum Beispiel einem Kurzschluss oder Blitzeinschlag, das unbegrenzte Ansteigen des Stromes und vermeidet dadurch Kabeldefekte. Gegenüber konventionellen Sicherungen erholt er sich wieder und geht wieder in Funktion“, erklärt Wilfried Goldacker Bereichsleiter Supraleitende Materialien am Institut für Technische Physik (ITEP) des Karlsruher Institut für Technologie (KIT).

Supraleiter sind in Großstädten wirtschaftlicher

Bei der Vorstellung des Projektes AmpaCity (v. l.): Dr. Joachim Knebel, Leiter der Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik am Karlsruher Institut für Technologie, Dr. Joachim Schneider, RWE-Technikvorstand, Reinhard Paß, Oberbürgermeister von Essen, Dr. Arndt Neuhaus, RWE-Vorstandsvorsitzender, Dr. Hans-Christoph Wirth, Referent beim Bundeswirtschaftsministerium und Christof Barklage, Geschäftsführer von Nexans. Bild: RWE

Bisher ist die Technik noch nicht im großen Stil getestet worden. Eine Teststrecke über 600 Meter ist derzeit in New York in Betrieb. Die Teststrecke in Essen soll bis 2016 Erkenntnisse zur Praxistauglichkeit liefern. „Die Kabellänge ist für Produktion, Installation und Betrieb schon sehr aussagefähig und kann als Komponente für einen ganzen Innenstadtring gesehen werden, das heißt, ein Innenstadtring ist nahezu ein Multiplikator dieses Vorhabens“, schätzt Goldacker die Aussagefähigkeit der Ergebnisse ein.


Die Studie der Projektpartner untersuchte vor dem Bau detailliert die technischen und wirtschaftlichen Vorteile der Supraleitung in innerstädtischen Netzen. „Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass als wirtschaftliche Alternative zur aktuellen 110-kV-Netzstruktur ein leistungsgleiches 10-kV-Netz mit Supraleitern dargestellt werden kann. Dabei gilt spezifisch für den Innenstadtbereich von Essen, dass auf Grund räumlicher Restriktionen eine durchgängige, auf konventioneller 10-kV-Technik beruhende Kabelstruktur nicht möglich ist. Dies dürfte für andere Großstädte gleichermaßen gelten“, erläutert Breuer. Für die Verwendung von Supraleitern prognostiziert die Studie wirtschaftliche Vorteile unter Einbeziehung der Investitions- und Betriebskosten.


Breuer hofft auf eine Signalwirkung durch das Projekt, denn „zur Zeit sind Supraleiter zwar noch keine wirtschaftliche Alternative zu konventionellen Kabeln. Aber langfristig betrachtet und als Serienprodukt werden sie – bei Bewertung des Gesamtsystems, wie es auch unsere Studie zeigt – wirtschaftlicher sein als die heutige Technik.“ Dazu müsse das Preis-Leistungs-Verhältnis der Leitermaterialien verbessert werden. Auch bei der Kabelherstellung und Kühltechnik gibt es noch Optimierungsbedarf.

Das 13,5 Millionen Euro teure Projekt „AmpaCity“ wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie mit 6,3 Millionen Euro gefördert. Die weiteren Kosten tragen die Projektpartner. Beteiligt sind der Energieversorger RWE, der Kabelhersteller Nexans, das Karlsruher Institut für Technologie und der Projektträger Jülich.

Aktuell geförderte Projekte:

Hintergrund

Das BINE-Projektinfo (12/2011) „Supraleitende Strombegrenzer im Kraftwerk“ liefert Hintergründe zur Technik.

Im Interview berichten Professor Dr. Mathias Noe, Leiter des Instituts für Technische Physik am Karlsruher Institut für Technologie und Dr. Joachim Bock, Geschäftsführer von NSC, über die Entwicklung von supraleitenden Strombegrenzern.