Aktuell / 28.03.2011

Supraleiter machen Generatoren effizienter

Supraleitende Spule für einen künftigen Generator in einem mit Flüssigstickstoff gefüllten Kühlbecken. Bild: Siemens

Die Siemens AG und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) wollen die Praxistauglichkeit der Hochtemperatursupraleiter-Technologie für die Stromerzeugung zeigen. Mit dem jetzt begonnenen For­schungsprojekt soll eine Steigerung des Wirkungsgrads von Gene­ratoren um 0,5 Prozentpunkte auf 99,5 Prozent ermöglicht wer­den. Das würde bei Großkraftwerken signifikante Einsparungen an Brennstoff und damit eine Senkung des Kohlendioxidausstoß­es bedeuten.

 

Supraleiter sind Materialien, die unterhalb einer bestimmten Temperatur keinen elektrischen Widerstand mehr zeigen. Bei Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) liegt diese sogenannte Sprungtemperatur relativ hoch, sodass sie sich kostengünstiger kühlen lassen. Sie ermöglichen neuartige Komponenten in der Energietechnik – zum Beispiel elektrische Motoren und Generatoren, deren Wicklungen aus HTS bestehen. Diese haben eine Betriebstemperatur von rund minus 240 Grad Celsius. Die erreichbare Stromdichte ist etwa 30- bis 100-mal höher als mit Kupferspulen bei Raumtemperatur. Die bisherige Forschung zeigt, dass die HTS-Technologie die Verluste der Maschine bei kleinerer Baugröße und geringerem Gewicht auf die Hälfte reduziert. Der Wirkungsgrad erhöht sich dementsprechend.

Effizienzvorteil für Kraftwerke bis 2014

Jetzt soll der Effizienzvorteil auch bei Kraftwerksgeneratoren erreicht werden. Bei Leistungen von 150 bis 900 MW ist die Wirkungsgraderhöhung von 99 auf 99,5 Prozent auch im absoluten Maßstab bemerkenswert: immerhin mehrere Megawatt. Der Weg dorthin ist indes komplex: Die mechanisch empfindlichen HTS-Drähte müssen im Rotor einer Zentrifugalbeschleunigung vom 5000-fachen der Erdbeschleunigung standhalten und zugleich zuverlässig auf unter minus 200 Grad gekühlt werden.

Im KIT wird ein Rotationsteststand unter Praxisbedingungen errichtet – schließlich wird von Kraftwerksgeneratoren äußerste Zuverlässigkeit verlangt. Es sollen Kryostatkonzepte, thermische Isolation und Kühlverfahren untersucht werden. Zudem benötigt ein solcher Generator robuste HTS-Wicklungen mit hoher Stromtragfähigkeit. Ein Meilenstein des bis 2014 laufenden Projektes ist die Entwicklung einer rotierenden supraleitenden Testspule, um den Reifegrad der Technologie zu demonstrieren. Nach erfolgreichem Abschluss des Projekts kann ein erster Prototyp eines HTS-Generators entstehen.

 

In ihrem gemeinsamen Projekt schaffen das KIT und Siemens die Basis für zukünftige Entwicklungen bei supraleitenden Kraftwerksgeneratoren. Die Partner kooperieren auf der Grundlage ihres bestehenden Rahmenvertrags für Entwicklungen in der Energietechnik. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie gefördert und vom Projektträger Jülich (PTJ) betreut.

Aktuell geförderte Projekte:

Link zum Teststand

Prototyp einer HTS-Spule für Kraftwerksgeneratoren. ©Siemens