Ein supraleitendes Stromkabel im Anschnitt.
NKT GmbH & Co. KG
19.09.2021 Supraleiter Publikation

Boom für einen Exoten

Die Supraleitung entwickelt sich zu einem wichtigen Element der Energiewende. Hochspannungsnetzbetreiber interessieren sich für die Technik, die Nachfrage steigt, größere Produktionsmengen bedeuten fallende Preise für die HTS-Drähte und die Supraleitung kann in neue Anwendungsgebiete vordringen.

von Heinz Arnold

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Chefredakteurin VDE dialog

München plant das mit Abstand längste Kabel der Welt auf Basis von Hochtemperatursupraleitern (HTS), das jemals gebaut wurde. Dazu lie­fert die in München ansässige THE­ VA die HTS-Bandleiter, die dänische NKT baut das Kabel und Linde sorgt für die Kryotechnik. Über eine Län­ge von 12 Kilometern überträgt das HTS-Kabel 500 bis 600 Megavol­tampere (MVA) zwischen zwei Um­spannwerken. Wahrhaft ein Superpro­jekt, das seinen Namen „SuperLink“zu Recht trägt. Der Stadt München erspart es teure Tiefbauarbeiten, weil sich das HTS-Kabel quer durch die Stadt relativ einfach und teilweise in vorhandenen Rohren verlegen lässt.

„Ein weltweites Leuchtturm­projekt und für die HTS-Industrie ein entscheidendes Projekt“, freut sich Dr. Werner Prusseit, CEO von THEVA Dünnschichttechnik, einem der HTS Pioniere und weltweit füh­renden Hersteller von HTS-Band­leitern. Dabei handelt es sich um die zweite Generation der HTS-Dräh­te, die die HTS erst in realitätsna­he Anwendungen brachte. „Wenn‚SuperLink‘ fliegt, dann entwickelt sich eine Eigendynamik und wir wer­den mit Sicherheit vermehrt Groß­kunden überzeugen können, für wirt­schaftlich sinnvolle Anwendungen große Mengen an HTS-Material zu bestellen.“

Denn es war das berühmte Hen­ne-Ei-Problem, das der Anwendung der Supraleitung in der realen Welt bisher entgegenstand: Ohne genügend hohe Nachfrage können die Produk­tionskapazitäten nicht aufgebaut wer­den, die erforderlich wären, um über Economy of Scale die Preise sinken zu lassen. Ohne attraktive Preise kei­ne hohe Nachfrage.

Neuer Schwung dank höherer Rohstoffpreise

Das hat einige HTS-Leiterhersteller zum Aufgeben bewogen. Die BASF New Business hat ihre Tochter, die Deutsche Nanoschicht, 2020 einge­ stellt. Bruker, die ebenfalls eigenes HTS-Material für Hochfeldmagnet­anwendungen entwickelt hatte, hat diesen Teil abgegeben und kauft nun lieber zu.

Doch im Moment steigen die Prei­se für Kupfer und Aluminium, wäh­rend die Preise für HTS-Bandleiter gefallen sind – was der Supraleitung zusätzliche Aufmerksamkeit beschert.

Zwar findet es Prof. Dr. Matthias Noe, Direktor des Instituts für tech­nische Physik für supraleitende Ener­gieanwendungen (ITEP) am KIT in Karls­ruhe, schade, dass die Firmen sich zurückgezogen haben, freut sich aber auch, dass sein Kollege Prof. Dr. Bernhard Holzapfel, Direktor Supra­leitende Materialien des ITEP, die An­lagen von Bruker übernehmen konnte: „Wir haben jetzt am ITEP ein brei­tes Wissen angesammelt – von den HTS-Materialien über die Kryotech­nik bis weit in die Systemintegration hinein. Da sind wir weltweit führend.“ Zudem ist Prof. Dr. Tabea Arndt als Direktorin Supraleitende Magnettechnologie zum ITEP-Führungs­ team hinzugestoßen. Sie hatte zuvor die Siemens-Aktivitäten im Bereich der Supraleitung geleitetet.

„Als ich vor 23 Jahren in Karlsru­he angefangen hatte, bestanden starke Zweifel, ob die damals exotische Dis­ziplin die nächsten fünf Jahre überste­hen könnte“, erinnert sich Noe. „Am meisten freut mich, dass jetzt die An­fragen aus der Industrie und von den Verteilnetzbetreibern kommen – der Bedarf ist da.“

Höherer Energiebedarf verlangt neue Kabel

Das bestätigt Peter Michalek, Koor­dinator des Projekts SuperLink der Stadtwerke München (SWM): „Der Elektrizitätsbedarf in den Städten steigt stark an, die Energie muss ir­gendwie in die Städte rein, da sind 110-kV-HTS-Kabel fast alternativ­los.“ Dafür gibt es kein Vorbild: Das „AmpaCity“-Kabel in Essen, das zwei Umspannwerke über eine Distanz von einem Kilometer verbunden hat, konnte über sieben Jahre problemlos betrieben werden, arbeitete aber auf der 10-kV-Ebene. „Bei 110 kV ha­ben wir es mit ganz anderen Effekten zu tun“, sagt Peter Michalek. „Das ist eine absolute Innovation.“ Die na­türlich auf Herz und Nieren geprüft werden muss. Sind die Typprüfung im nächsten Jahr und der Betriebstest ei­nes am Hochspannungsnetz der SWM angeschlossenen 150 Meter langen HTS-Testkabels voraussichtlich 2023 abgeschlossen, soll die Ausschreibung für das 12-km-Kabel erfolgen.

Michalek und Prusseit sind sich si­cher, dass es Nachfolgeprojekte ge­ben wird – in München und in an­deren Städten. „Viele Städte stehen ja vor denselben Problemen, weil lo­kale Großkraftwerke wegfallen“, sagt Michalek. Was in München gezeigt wird, kann als Vorbild für das Ruhr­gebiet und andere Ballungszentrendienen. Immerhin ist in Deutschland über 80 Prozent der installier­ten Infra­struktur zum Teil weit über 40 Jahre alt und muss erneuert wer­den. Ähnliche Erfahrungen hat Dr. Wolfgang Reiser gemacht, Geschäfts­führer von Vision Electric Super Con­ductors (VESC): Er hat bereits durchgerechnet, dass die Investitionskosten für eine supraleitende 100-kV-Gleichstromverbindung gleich hoch liegen wie die einer HGÜ-Strecke. Darüber hinaus bietet die Mittelspannungs­ ebene den Vorteil, dass der Aufwand für die Verlegung sehr viel geringer ist und auch die Verluste – immerhin sechs Prozent pro 1000 km für HGÜ – bei HTS nur einen Bruchteil be­tragen. „Wir haben ein vollständiges Konzept für die Hochleistungsüber­ tragung mit Supraleitern auf Mittel­spannung bis in die Hochspannung hinein entwickelt“, so Reiser.

Außerdem arbeitet VESC in einer weiteren deutschen Großstadt an ei­nem supraleitenden Mittelspannungs­kabel, wo die Anforderungen ganz anders sind als in München. „Dort kommen zwar dieselben HTS-Band­leiter zum Einsatz, allerdings verwen­det es Stickstoff s owohl zum Kühlen als auch als Isolationsmaterial“, erklärt Reiser.

Wenn im Zuge der Energiewende die Hochspannungsnetze enger ver­mascht werden und HTS-Kabel Ein­zug halten, wird laut Reiser auch der Bedarf an supraleitenden Strombe­grenzern steigen: „Die Verlustleitun­gen von supraleitenden Strombegren­zern sind geringer als die Alternativen, einige Leistungsbereiche können nur mit supraleitenden Strombegrenzern erreicht werden.“ Derzeit ist auf dem Gebiet der Hochspannungs-Strombe­grenzer der russische Systemhersteller SuperOx führend, der in Moskau drei große supraleitende Strombegrenzer für 220 kV baut.

Wo werden sich demnächst weitere interessante HTS-Anwendungen er­öffnen? Dr. Werner Prusseit sieht hier vor allem Fusionsreaktoren, in denen größere Mengen von HTS zum Ein­satz kommen. „Es sind in den ver­gangenen Jahren einige Start-ups entstanden, die verglichen mit den Großprojekten wie ITER kompakte­re Reaktoren entwickeln. Sie müssen ihren Investoren schnell positive Er­gebnisse liefern und treiben die Ent­wicklung mit hoher Geschwindig­keit voran. Für den Plasmaeinschluss brauchen sie schon bald HTS-Band­leiter in großen Mengen.“

Junge Frau mit braunen Haaren schaut in einen Glaskasten mit einem weißen Greif-Modul.

Vom Experiment zur Industrieanwendung: Mit dem SupraModule von Festo lassen sich unterschiedliche Applikationen mit ein und demselben System schwebend ausführen und drahtlos ansteuern. Je nach Bedarf können am Modul unterschiedliche Systeme angebracht werden, zum Beispiel ein kompakter Greifer.

| © FESTO SE & Co. KG

Eigenschaften mit vielen Vorteilen

Die Supraleitung lässt sich aber auch ganz anders einsetzen, wie Automati­sierungs-Spezialist Festo mit der „Su­praMotion“-Technik zeigt: „Über­all, wo Objekte berührungslos bewegtwerden müssen, wo sie leicht zu reingen sein müssen, wo es absolut sau­ber sein muss und kein Abrieb entste­hen darf, ist die Technik hervorragend geeignet“, sagt Michael Schöttner, der bei Festo für die Entwicklung der Ser­vomotoren zuständig war, bevor er vor zwei Jahren die Leitung der Supralei­tungstechnik bei Festo übernommen hat. „Anfangs war SupraMotion für uns ein Experiment, bei dem wir viel ausprobiert und Erfahrungen gesammelt haben. Heute sind wir so weit, dass wir an der Umsetzungindustrie­ tauglicher Produkte mit dieser Tech­nologie arbeiten.“

Auch in der Antriebstechnik gibt es weitere vielversprechende Projek­te, die durch die fallenden Preise für die HTS-Bänder Auftrieb bekom­men dürften: Etwa das von Airbus initiierte ASCEND-Projekt, an dem Motorenspezialist Oswald mitarbei­tet und in dessen Rahmen ein Antrieb für Flugzeuge für 20 bis 30 Personen entwickelt werden soll. Ziel ist es, bis 2023 einen 500-kW-Antriebsstrang zu demonstrieren, der mit flüssigem Wasserstoff gekühlt wird. „Wir entwickeln dazu einen 1-MW-Motor, dessen Sta­tor und Rotor aus HTS bestehen und der mit flüssigem Wasserstoff gekühlt wird“, sagt Thomas Reis, Abteilungs­leiter Magnetfeldtechnik und Supra­leitung von Oswald. „Die Kernentwicklung hat bereits funktioniert.“

„Wenn wir die Klimaziele errei­chen wollen, dann ist die Supraleitung ein wesentliches Element. Die Ener­giewende gibt uns neuen Schub, wir spüren den Bedarf aus der Industrie und wir sind in Deutschland weltweit einzigartig aufgestellt“, so das Fazit von Prof. Noe. „Ich könnte mir der­zeit nichts Spannenderes vorstellen, als auf dem Gebiet der Supraleitung zu arbeiten.“

HEINZ ARNOLD ist Senior Editor und stellvertretender Chefredakteur bei Markt & Technik, der unabhängigen Wochen­zeitung für Elektronik.