Supraleitung

Stromfluss ohne Widerstand

Die elektrische Leitfähigkeit von Werkstoffen bestimmt ihre Eigenschaft als Leiter, Halbleiter, Isolator (Nichtleiter). Der sie charakterisierende, spezifische Widerstand r bzw. der dazu reziproken Leitwert ist temperaturabhängig (Kalt-/Heißleiter, Temperaturkoeffizient von Bauelementen). Der Widerstand nimmt mehrheitlich mit sinkender Temperatur ab. Seit geraumer Zeit nun wird dieser physikalische Effekt als Supraleitfähigkeit technisch-kommerziell verwertet. In der Nähe des absoluten Nullpunktes – 273 °C springt der Ohm`sche Widerstand sogar zum Wert Null (Supraleitung von Quecksilber Hg bei < 4,2 K; Entdecker H. K. Onnes 1907).

Schema HTSL-Motoraufbau (Modell 400 kW, Siemens) (Quelle www.tu-braunschweig.de)

Mit Supraleitern werden trotz hohen Kühlaufwands industrielle Applikationen zum nahezu verlustfreien Energietransport sowohl in AC- als auch in DC-Systemen verwirklicht. In Gestalt der Hochtemperaturleitfähigkeit HTSL bei > 30 K (Entdecker 1986 Georg Bednorz, Alex Müller mit Seltenerdmetall-Oxiden, Nobelpreis für Physik 1987) stellen sie eine wichtige Technologie für die Energiewende dar.

Supraleitung

  • reduziert Volumen, Gewicht und Verluste,
  • steigert Leistungsdichte sowie Wirkungsgrad/Energieeffizienz,
  • schont Umwelt und Ressourcen.
spezifischer Widerstand r: (metallischer) Leiter – Abnahme r bei sinkender Temperatur ϑ; Halbleiter – Abnahme r bei zunehmender Temperatur ϑ beim Heißleiter, Zunahme r bei steigender Temperatur ϑ beim Kaltleiter; Nichtleiter – Abnahme r bei zunehmender Temperatur ϑ führt zu Ionisation/Stromleitung.
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Praktizierte Lösungen kennzeichnen Beanspruchungsfestigkeit gegenüber Strom, Spannung, Frequenz, Temperatur, hohe Zuverlässigkeit/Verfügbarkeit kombiniert mit Sicherheit.

Umrechnung Kelvin-/Celsiustemperatur:
ϑ/°C = T/K –273,15 Absoluter Nullpunkt: –273,15 °C = 0 K

 

Prinzip
Eine impulsförmige Änderung von Widerstand beziehungsweise Leitfähigkeit um viele Zehnerpotenzen erfolgt bei der materialabhängigen Sprungtemperatur (Bild, Tabelle 1). Die bei diesem Wert eintretende Supraleitung erklärt sich mit der extremen Beweglichkeit der Elektronen im Kristallgitter. Grundsätzlich verschwindet diese Eigenschaft bei einem Magnetfeld bestimmter Stärke. Ein solches Störfeld erzeugt sogar der eigene Stromfluss. Somit darf ein Grenzwert im Supraleiter nicht überschritten werden. Gegenüber weichen, empfindlichen Leitern 1. Ordnung steigt die kritische Feldstärke bei harten Supraleitern 2. Ordnung bis zum 1000fachen. Besonders stabilisierte, unempfindliche Materialien gehören zur 3. Ordnung.

Prinzipaufbau einer HTSL-Anlage.

Grundlage für effiziente Anwendungen sind komplizierte, technologische Fähigkeiten, aus den zahlreich bereitstehenden, zumeist spröden Stoffen in Gestalt von keramischen Sinterkörpern, Dünnen-Schichten, epitaktischen Filmen oder Einkristallen fadendünne Drähte (Filamente) oder Bänder herzustellen, aus denen anschließend Kabel, Leiter entstehen.

Retrofit/Refurbishing: Nach- beziehungsweise
Umrüstung auf den neuesten technischen Stand. 

 

Kühlung
Zweifellos bestimmt das eingesetzte Material den Erfolg der Supraleitung. Die zugehörige Kryo-/Kühltechnik ist dafür hinreichende Voraussetzung. Verschiedene Kühlmittel (Tabelle 1) kommen in Hochleistungs-Kältemaschinen zum Einsatz. Ihrer Vielfalt liegt der Carnot-Prozess zugrunde. Erprobte Großanlagen hoher Zuverlässigkeit stehen bereit. Natürlich vermindert sich mit HTSL der Kühlaufwand beträchtlich.

HTSL-Anwendungen
Neben den Bereichen

  • Medizintechnik (Magnet-Resonanz, Kernspin-Tomographie),
  • Hochenergiephysik (CERN) und Fusionstechnologie (ITER)
  • Telekommunikation

liegt der Focus auf der Energietechnik. Vor allem höhere Leistungen profitieren von den Vorzügen.

SMES: Superconducting Magnetic Energy Storage. Magnetische Speicherung elektrischer Energie mittels supraleitender Gleichstrom-Spulen, die sich innerhalb kürzester Zeit in Strom zurückverwandeln lässt. Eignung als Kurzzeitspeicher zum Stabilisieren eines Stromverteilungsnetzes gegen Flicker, Spannungseinbrüche, -ausfälle oder als USV.

Klassische Betriebsmittel wie Kabel, Transformatoren, elektrische Maschinen werden optimiert, neuartige Geräte erweitern Qualität und Sicherheit der Energieversorgung (Tabelle 2). Lösungen im oberen MVA-Bereich steigern Versorgungssicherheit und Energiequalität, erlauben hohe Netzausnutzung trotz dezentraler Einspeisung. Zugleich bleibt die vorhandene Infrastruktur ungeachtet des wachsenden Bedarfs überwiegend erhalten. Der grundsätzliche Aufbau der unterschiedlichen Applikationen stimmt weitgehend überein (Bild). Technische Realisierungen liegen vor (Bild) beziehungsweise befinden sich in der Felderprobung (AmpaCity: HTSL-Stromverteilung im Ballungsraum Essen mit 10 kV-Drehstrom-Koax-Kabel Nexans (vgl. handling (2013)H. 12; S. 28/29) und integriertem HTSL-Strombegrenzer, Ersatz 110 kV Freileitung; http://www.rwe.com).

Darüber hinaus bieten sich Retrofit, USV großer Leistung (etwa für Logistikzentren) an.

Entwicklungsschwerpunkte
Um Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit zu verbessern, sind Materialkosten (Stromtragfähigkeit), Aufwendungen zur Herstellung zu reduzieren. Gleiches gilt für die Kühltechnik vor allem hinsichtlich Wirkungsgrad und Lebensdauer. Wegen des großen Markpotentials der HTSL-Technologie werden alle Anwendungsbereiche mit Intensität verfolgt.

Dr.-Ing. habil. Joachim Krause

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