Nexans koordiniert Verbundprojekt für supraleitende Strombegrenzer der 110-kV-Ebene – Netzbetreiber wollen Prototypen testen

(PresseBox) (Hannover, ) Unter der Federführung der Nexans SuperConductors GmbH (NSC), Hürth, arbeitet ein Konsortium seit September dieses Jahres an der Entwicklung eines supraleitenden Kurzschlussstrombegrenzers für das 110-kV-Netz. Neben dem Forschungszentrum Karlsruhe und der Universität Hannover bringen sich auch EnBW Energie Baden-Württemberg AG sowie RWE Energy als Projektpartner ein. Zunächst soll ein einphasiges Modul für Labortests entstehen, im Anschluss baut Nexans je einen dreiphasigen Prototyp für die EnBW Energie Baden-Württemberg AG und RWE Energy zur Erprobung im Netz.

Neue Möglichkeiten zur Netzoptimierung

Kurzschlussstrombegrenzer auf Basis von Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) schaffen neue Chancen, die Netzinfrastruktur zu optimieren. Ihre Eignung haben HTS-Strombegrenzer im Laufe des Projekts CURL 10 bewiesen, bei dem ein Demonstrator mit Komponenten von Nexans im 10-kV-Netz der RWE Energy getestet wurde.

Den Kern des 110-kV-HTS-Strombegrenzers bilden supraleitende Komponenten aus BSCCO 2212, die (wie in CURL 10) von NSC entwickelt und gefertigt werden. Das Material wird bei Temperaturen unter -180 °C (seiner „kritischen Temperatur“) supraleitend und verhält sich wie ein verlustfreier elektrischer Leiter. Erwärmt sich das keramische Metalloxid aber über die kritische Temperatur oder wird die Stromdichte zu hoch, verliert es seine Supraleitfähigkeit. Das gleiche passiert, wenn der Supraleiter einem hohen elektromagnetischen Feld ausgesetzt wird. Diesen Effekt nutzt der Strombegrenzer, um unzulässig hohe Ströme selbsttätig auf einen bestimmten Wert zu reduzieren. Das System ist eigensicher; wenige Sekunden nach dem Netzfehler stellt es den supraleitenden Zustand wieder her und ist startklar für den nächsten Einsatz.

Das Prinzip des Strombegrenzers

Für den 110-kV-Strombegrenzer hat Nexans das in CURL 10 erprobte Konzept weiterentwickelt und führt die so genannte Magnetfeldtriggerung ein. „Hierbei wird der Supraleiter in eine Spule eingebracht und mit ihr parallel geschaltet“, erklärt Dr. Joachim Bock, Geschäftsführer von NSC. „Sobald die Stromdichte an einer Stelle des Supraleiters den kritischen Wert überschreitet und dieser lokal seinen supraleitenden Zustand verlässt, fließt ein Strom durch die parallel geschaltete Spule. Dieser Strom verursacht ein Magnetfeld, das den Supraleiter unmittelbar auf ganzer Länge in den nicht supraleitenden Zustand zwingt und so die Strombegrenzung verbessert und beschleunigt.“ Von dem Konzept verspricht sich Dr. Bock den ökonomischen Durchbruch für supraleitende Strombegrenzer, denn „damit können wir den Einsatz des Materials minimieren und dabei den Aufwand für die Kühlung reduzieren“.

NSC ist im Rahmen des neuen Projektes nicht nur zuständig für die Entwicklung und Fertigung der Supraleiter, sondern integriert auch den Kryostaten und die Stromzuführung; die kältetechnische Auslegung wird von den Nexans-Kollegen in Hannover durchgeführt. Das Institut für Technische Physik des Forschungszentrums Karlsruhe entwickelt die Hochspannungstechnik und führt spezielle Tests an Komponenten durch. Im Fokus steht dabei unter anderem die elektrische Isolation in flüssigem Stickstoff, denn die Isolierstoffe dürfen im Laufe der Betriebszeit von bis zu 30 Jahren nicht nennenswert altern. Des Weiteren sind die Universität Hannover (Simulationen) und die FH Mannheim (wissenschaftliche Beratung) an dem Projekt beteiligt.

Attraktive Anwendung: die Kupplung von Netzgruppen

„CURL 10 zählt sicherlich zu den erfolgreichsten Projekten aus dem Bereich Hochtemperatursupraleitung in Deutschland. An dem Folgeprojekt, dem Kurzschlussstrombegrenzer für 110 kV, haben die Stromversorger ein besonderes Interesse“, so Dr. Joachim Fröhlingsdorf vom VDI Technologiezentrum, das Projektträger für das BMBF ist. „Wir erwarten von dem supraleitenden Strombegrenzer eine bessere Netzstruktur und die Einsparung von Netzkomponenten“, begründet Prof. Claus Neumann das Interesse. Als Leiter des operativen Assetmanagements der RWE Transportnetz Strom GmbH kennt er die attraktivste Anwendung genau: die Kupplung von 110-kV-Netzgruppen. Das 110-kV-Netz wird heute in galvanisch getrennte Netzgruppen unterteilt, um zu hohe Kurzschlussströme zu vermeiden. Diese Netzgruppen werden über Transformatoren aus dem 220-kV- oder 380-kV-Netz gespeist. Die Zahl dieser Transformatoren wird so gewählt, dass bei Ausfall eines Transformators noch ausreichend Redundanz besteht. Durch den Einbau supraleitender Kurzschlussstrombegrenzer könnten Netzgruppen gekuppelt werden und somit Transformatoren entfallen. Das birgt Einsparpotenziale. Dr. Wolfram Münch, Forschungsleiter bei EnBW: „Wir verfolgen die Supraleitertechnologie schon lange Zeit und halten den Strombegrenzer für die interessanteste Anwendung. Deshalb beteiligen wir uns an dem Projekt.“

Supraleiter können weitere Einsatzgebiete erobern

„Der Kurzschlussstrombegrenzer ist die Schlüsselanwendung, um Supraleiter aus der Nische zu holen“, so Dr. Bock. Viel versprechende Einsatzgebiete für Supraleiter in der Energietechnik sind auch Kabel für hohe Leistungen bei niedriger Spannung und Schwungmassenspeicher mit supraleitender Lagerung.

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Nexans SuperConductors GmbH entwickelt zusammen mit Partnerunternehmen einen supraleitenden Kurzschlussstrombegrenzer für die 110-kV-Ebene. Seine wichtigsten Komponenten werden Begrenzerelemente mit Feldtriggerung sein, die dem hier gezeigten Funktionsmodell ähneln.

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Nexans Deutschland GmbH

Mit Energie als Grundlage seiner Entwicklung bietet Nexans, der weltweit führende Kabelhersteller, eine umfangreiche Palette an Kabeln und Kabellösungen. Der Konzern ist ein Global Player in den Märkten Infrastruktur, Industrie, Bauwesen und lokale Datenübertragungsnetze. Nexans ist auf unterschiedliche Marktsegmente ausgerichtet, die von Energie, Transport und Telekommunikation über Schiffbau, Öl und Gas, Kernkraft, Automotive und Elektronik bis hin zu Luft- und Raumfahrt, Handling und Automatisierung reichen. Mit Herstellungsbetrieben in über 30 Ländern und Büros und Vertretungen weltweit beschäftigt Nexans insgesamt 22.000 Mitarbeiter und hat 2007 einen Umsatz von 7,4 Mrd. Euro erwirtschaftet. Nexans ist ein an der Pariser Börse notiertes Unternehmen.

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