Erster Strombegrenzer mit Supraleitern der zweiten Generation ist am Netz

Strombegrenzer steigern die Sicherheit von Stromnetzen und senken die Kosten - Erneuter Einsatz im Kraftwerk Boxberg - Neue Supraleiterbänder öffnen den Markt

Hürth/Karlsruhe/Boxberg, 13. Januar 2012 – Im Oktober 2011 ging der erste resistive supraleitende Strombegrenzer mit Supraleiterbändern der zweiten Generation in Betrieb. Das von der Nexans SuperConductors GmbH ausgelegte und gefertigte System wurde mit supraleitenden Komponenten bestückt, die in Zusammenarbeit mit dem Karlsruher Institut für Technologie entwickelt worden waren. Der Strombegrenzer wirkt ähnlich wie ein Sicherungsautomat im Haushalt, hier aber für das Mittelspannungsnetz, aber er unterbricht den Stromfluss nicht komplett. Im Normalfall lassen seine Supraleiterelemente den Strom ungehindert und praktisch ohne Widerstand fließen. Bei Überschreiten einer kritischen Stromstärke, wie im Falle eines Kurzschlusses, verlässt das Leitermaterial jedoch innerhalb von Millisekunden den supraleitenden Zustand und wirkt als hoher elektrischer Widerstand. Dann fließt nur noch ein definierter Reststrom, der sich genau einstellen lässt. Das Gerät schützt so die ihm nachgeschalteten Komponenten vor der zerstörerischen Kraft eines Kurzschlusses. Im Gegensatz zu Systemen mit Supraleitermaterialien der ersten Generation in Form von Massivteilen kommen bei dem neuen Gerät supraleitende Bänder zum Einsatz. Diese Bänder reduzieren die ohnehin geringen Verluste im Leitermaterial auf zirka ein Zehntel, verringern somit die Betriebskosten und sprechen bei Kurzschlüssen noch schneller an als die Massivteile.

Erster Strombegrenzer mit Supraleitern der zweiten Generation ist am NetzSeinen weltweit ersten Einsatz findet der neue Strombegrenzertyp im Braunkohlenkraftwerk der Vattenfall Europe Generation AG im sächsischen Boxberg im Kraftwerkseigenbedarf. Dort war bereits ein System mit Supraleitern der ersten Generation von Nexans SuperConductors mehr als ein Jahr lang erfolgreich im Einsatz. Jetzt soll sich der neue Begrenzer im Feldtest bewähren. Ausgelegt ist er für einen Nennstrom von 560 Ampere bei 12 000 Volt, er kann aber auch kurzzeitig Ströme bis 2 700 Ampere passieren lassen, ohne dabei auszulösen. Das ist eine wichtige Voraussetzung für den Betrieb, damit das Starten der Kohlemühlen mit ihren hohen Anlaufströmen problemlos möglich ist.

Kurzschlussleistung im Netz steigern

„Wir verfügen jetzt über eine zweite Materialoption für die Fertigung von energietechnischen Anlagen und versprechen uns davon ein noch breiteres Anwendungsspektrum für unsere Strombegrenzer“, erklärt Achim Hobl, Standortleiter von Nexans SuperConductors in Hürth. „Nach dem erneuten Feldtest bei Vattenfall, der an demselben Einbauort und in gleicher Umgebung stattfindet, werden wir noch besser in der Lage sein, dem Kunden die für ihn jeweils beste Lösung anzubieten.“ Dr. Joachim Bock, Direktor Marktentwicklung und Vertrieb HTS-Systems bei Nexans, ergänzt: „Der Umbau und die Erweiterung der Stromnetze erfordern intelligente Lösungen und neue Funktionalitäten. Die Kraftwerkseigenversorgung ist nur eine von vielen Anwendungen, für die wir mit unserer neuen Technologie Vorteile für den Kunden erreichen. Im Bereich der erneuerbaren Energien ist schon heute die mögliche Einspeisung aus regenerativen Quellen vielfach durch die Höhe der Kurzschlussströme begrenzt. Gerade hier sind neue Konzepte gefragt.“

Reduzierte Kosten bei gleichzeitig erhöhter Sicherheit

Vattenfall verspricht sich von supraleitenden Strombegrenzern eine Verbesserung der Personen- und Anlagensicherheit bei gleichzeitig reduzierten Kosten. Heute müssen elektrische Anlagen entweder aufwändig gesichert werden – etwa durch pyrotechnische Sicherungen, die den Strompfad trennen und nach dem Auslösen getauscht werden müssen – oder die gesamte elektrische Anlage ist überdimenisoniert, damit sie extrem hohen Kurzschlussströmen standhält. Dies ist derzeit im Kraftwerk gängige Praxis, was jedoch immense Kosten mit sich bringt. Mit Hilfe des resistiven supraleitenden Strombegrenzers ließen sich diese Kosten deutlich senken, wie hier in der Kraftwerkseigenversorgung. Wichtige Voraussetzung für den Kraftwerkseinsatz ist auch die Eigensicherheit der supraleitenden Elemente, sie sprechen ohne ein Signal von außen an. Bereits wenige Sekunden nach einem Kurzschlussereignis kehrt der Begrenzer wieder in den supraleitenden Zustand und damit in den Normalbetrieb zurück.

  

Kernelemente des Begrenzers sind beschichtete Bandleiter

Der neue Strombegrenzer basiert auf supraleitenden Bändern aus YBCO (Yttrium-Barium-Kupferoxid), auch als Coated Conductors bezeichnet. Bei ihrer Produktion wächst das supraleitende keramische Material als etwa ein tausendstel Millimeter dicke Kristallschicht auf einem Träger aus ca. einem zehntel Millimeter dicken und zwölf Millimeter breiten Edelstahlband. Unterhalb einer Temperatur von minus 180 Grad Celsius wird das Material supraleitend und kann Strom ca. zehntausend Mal besser leiten als Kupfer. Bezogen auf den Gesamtquerschnitt ist das immer noch einige 100-mal mehr als bei Kupferdrähten gleichen Querschnitts. Wenn die Stromstärke im Leiter jedoch die Auslegungsgrenze übersteigt, verlässt das Material den supraleitenden Zustand und wird ähnlich schlecht leitend wie eine normale Keramik. Genau diesen Effekt nutzt der resistive Strombegrenzer: Bei Kurzschlüssen fließt nur noch ein auf ein unschädliches Maß begrenzter Strom über das Edelstahlband. Im Gegensatz zu einer normalen Sicherung können Anlagen und Schutzeinrichtungen kurzzeitig in Betrieb bleiben, was die Sicherheit erhöht und die Fehlersuche vereinfacht..

Die strombegrenzende Komponente, basierend auf Supraleiterbändern der zweiten Generation, wurde in den letzten zwei Jahren innerhalb des Projektes ENSYSTROB entwickelt. Projektpartner sind neben der Nexans SuperConductors GmbH das Karlsruher Institut für Technologie, die Technischen Universitäten Cottbus und Dortmund sowie der Energiekonzern Vattenfall. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie förderte das Projekt mit ca. 1,3 Millionen Euro.
 

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