Hochtemperatursupraleiter

Hochtemperatursupraleiter

| Karlsruher Institut für Technologie (www.kit.edu)
27.05.2019 Fachinformation 282 0

„Supracoole“ Kabel

Die neue IEC-Norm 63075 schafft die Grundlagen für den Einsatz von supraleitenden Kabeln. Sie legt Prüfungen für Kabel sowohl vor als auch nach der Installation fest. Erarbeitet wurde die Norm von Experten aus IEC/TC 20 Electric Cables und IEC/TC 90 Superconductivity.

Von Catherine Bischofberger

Die IEC 63075 ist eine hochaktuelle Norm, die Prüfverfahren für supraleitende Wechselstrom (AC)-Kabel festlegt. Das zukunftsweisende Dokument ist eine Veröffentlichung von IEC/TC 20 (DKE/K 411).

Energieeffiziente Übertragung

IEC-Logo

Supraleiter sind Werkstoffe, die sich durch äußerst geringe Energieverluste bei der elektrischen Leistungsübertragung auszeichnen.

Supraleitfähigkeit tritt bei sehr niedrigen Temperaturen auf, sodass bei supraleitenden Kabeln flüssiger Stickstoff als Kühlmittel zum Einsatz kommt. Die beteiligten Experten arbeiten mit Temperaturen im Bereich zwischen 65 K bis 80 K (-208 °C bis -193 °C).

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Jürgen Schütz
Zuständiges Gremium

Energieeffiziente Übertragung

Mit supraleitenden Kabeln lassen sich große Mengen elektrischer Energie äußerst effizient übertragen. Daher sind sie zu einer attraktiven Option als Ersatz für herkömmliche Kabel geworden. Außerdem sind sie leichter und kompakter, sodass sie einfacher zu installieren sind. Ein Nachteil dieser Kabel besteht darin, dass sie aufgrund der Probleme, die mit der Bereitstellung des für die Kühlung erforderlichen Stickstoffs verbunden sind, nicht über große Entfernungen verwendet werden können. Zudem sind sie in der Herstellung teurer als herkömmliche Kabel.

Allerdings eignen sie sich aufgrund ihrer kleineren Abmessungen und ihrer Energieeffizienz ideal für Zentren mit hohen Lasten wie beispielsweise Städte und dichte Geschäftsbereiche. Eine Reihe von Demonstrationsprojekten wurden bereits in China, Japan, Südkorea, Deutschland, den Niederlanden, Russland und den USA initiiert. Die kommerzielle Umsetzung hinkt dagegen hinterher, hauptsächlich wegen der hohen Kosten, die mit der Technologie verbundenen sind.

Die Notwendigkeit von Normen

Internationale Normen können dabei helfen, die Kosten für supraleitende Kabel zu senken, indem Benchmarks festgelegt werden, die von der Kabelindustrie weltweit verwendet werden können. Richtlinien würden helfen, die Herstellungsverfahren zu rationalisieren und die Kosten des gesamten Produktionsprozesses zu senken.

Die IEC veröffentlichte kürzlich die Norm IEC 63075 („Superconducting alternating current (AC) power cables and their accessories for rated voltages from 6 kV to 500 kV – test methods and requirements). Das 54-seitige Dokument ist eine der ersten Veröffentlichungen in diesem Bereich und das Ergebnis der Arbeit von Experten aus zwei technischen Komitees:

  • IEC/TC 20 Electric Cables (Spiegelgremium: DKE/K 411 Elektrische Kabel)
  • IEC/TC 90 Superconductivity (Spiegelgremium: DKE/K 184 Supraleiter)

„Mehrere Mitglieder des Projektteams, das die Norm entwickelte, waren auch in verschiedenen Arbeitsgruppen des TC 90 aktiv. TC 90 ergriff die Initiative zur Entwicklung der Norm. TC 20 übernahm anschließend, da sich die Norm spezifisch auf Kabel bezieht“, erläutert Dr. Mark Stemmle, der das TC 20-Projektteam der IEC leitet.

IEC 63075 basiert auf der Arbeit des International Council for Large Electric Systems (CIGRE). „Die Technical Brochure (TB) 538 des CIGRE bildete dabei die Grundlage für die Diskussionen im Projektteam. Die meisten Prüfempfehlungen in der TB wurden in die IEC 63075 übernommen. Darüber hinaus wurden zusätzliche Prüfungen eingefügt, die in der Arbeit des CIGRE fehlten“, erläutert Stemmle weiter.

IEC 63075 legt eine große Anzahl von Prüfungen für Kabel sowohl vor als auch nach der Installation fest. Dazu gehören Spannungs-, Biege- und thermische Zyklusprüfungen sowie die Prüfung auf eindringende Wärme am Kryostaten. Nach Auffassung von Stemmle könnte in spätere Ausgaben der Norm auch die Prüfung der Flüssigstickstoff-Kühlsysteme aufgenommen werden. „Immer mehr Supraleiterkabel-Projekte werden gestartet und wir werden den Fortschritt dieser Projekte im Auge behalten. Wenn entsprechende Anforderungen bestehen, könnten wir solche Prüfungen in einer neuen Ausgabe berücksichtigen.“

Stemmle glaubt nicht, dass die Supraleiter-Kabeltechnologie in naher Zukunft auch über große Entfernungen zum Einsatz kommen wird, da noch große technische Hürden überwunden werden müssten, damit dieses Szenario realistisch wird. Er stimmt jedoch zu, dass Supraleiter-Kabel in Ballungsräumen bereits kommerziellen Anforderungen genügen könnten. „Sie eignen sich optimal für Bereiche, in denen nicht viel Platz für die Installation zur Verfügung steht. Ein Beispiel ist das Ampacity-Projekt in Essen, bei dem ein Mittelspannungs-Supraleiterkabel verwendet wurde“.

Das Projekt verband zwei Essener Umspannanlagen mit einem 1 km langen Kabel. Nach dreijährigem Betrieb wurde die Analyse des Versuchs in einem Bericht veröffentlicht, der im Sommer 2017 vorgestellt wurde. Eine der wesentlichen Erkenntnisse war, dass die Technologie ausgereift genug ist, um unter realen Netzbedingungen zum Einsatz zu kommen.

Der Business Case für supraleitende Kabel nimmt damit nach und nach Gestalt an. Die IEC 63075 hilft dabei, die Marktanforderungen zu antizipieren. „Mit dieser Norm liegt ab sofort ein einheitlicher Ansatz für die Prüfung von supraleitenden Kabeln vor, was positive Auswirkungen auf die Kosten haben sollte“, bemerkt Stemmle abschließend.

Internationale Zusammenarbeit in der elektrotechnischen Normung