Die verschiedenen Techniken für Supraleiter

Die Stromübertragung mit Supraleitern stand in der Öffentlichkeit, als RWE 2014 ein tiefgekühltes Kabel quer unter der Essener Innenstadt durchzog. Heute nutzen Forscher eine etwas andere Technik. Will man Supraleiter über große Distanzen einsetzen, gilt es noch ein Problem zu lösen.

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RWE/Innogy hat in Essen ein Kabel verwendet, das aus diesen Komponenten besteht: Drei supraleitende Bänder für die drei Stromphasen werden von einem Neutralleiter aus Kupfer umhüllt. Ganz innen und außen herum fließt flüssiger Stickstoff, der eine Temperatur von minus 206 Grad Celsius hat. Nach der Kühlung hat er immer noch minus 201 Grad.


Das Potsdamer Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) geht technisch einen anderen Weg: Der Supraleiter ist wesentlich billiger, weil er aus dem relativ neuen Material Magnesiumdiborid besteht. „Dafür ist die Kühlung teurer“, räumt die IASS-Wissenschaftlerin Adela Marian ein. Das von ihr verwendete Leitermaterial erfordert eine Temperatur von minus 253 Grad. Das erreichen sie und ihre Kollegen zurzeit mit Heliumgas. Soll der Supraleiter aber auf längeren Strecken eingesetzt werden, wäre Wasserstoff als Kühlmittel sinnvoller, so Marian.


Den neuen Leiter testen die IASS-Forscher im Rahmen des Projekts „Best Paths“, gemeinsam mit dem Kabelhersteller Nexans, dem Supraleiter-Hersteller Columbus Superconductors, dem CERN, der TU Dresden, dem französischen Übertragungsnetzbetreiber RTE (dem größten in Europa) und weiteren Partnern.


Die 3 GW Leistung sollen bei einer Spannung von 320 kV übertragen werden. Diese Spannung ist bisher der Standard für das Höchstspannungsnetz. Spannungen von mindestens 500 kV sollen aber auch getestet werden. Schließlich sollen die künftigen deutschen Stromautobahnen Südlink und Südostlink mit 525 kV arbeiten.


Auf langen Strecken bräuchten Supraleiter allerdings in festen Abständen Stationen für die Kühlung des Kabels. Die TU Dresden berechnet zurzeit für das IASS, wie groß die Abstände sein können. Klar ist aber: Bei einer Leitung von 700 Kilometern kämen einige Stationen zusammen.


Wie die Technik funktioniert


Das Phänomen der Supraleitung entsteht, wenn elektrische Leiter auf so niedrige Temperaturen heruntergekühlt werden, dass eine Energieübertragung ohne Widerstandsverluste möglich ist. Dadurch entsteht ein erheblicher Vorteil gegenüber konventionellen Technologien. Bei der Hochspannungsgleichstromübertragung (HGÜ) durch Oberleitungen etwa liegt der Stromverlust zwischen zwei und fünf Prozent, bei unterirdischen HGÜ-Leitungen beträgt er sogar bis zu zehn Prozent. Eine verlustfreie Energieübertragung verspricht eine erhöhte Rentabilität.


Das Kabeldesign des IASS basiert auf einer Idee des Nobelpreisträgers und früheren wissenschaftlichen Direktors des IASS, Carlo Rubbia. Es besteht aus einer HGÜ-Leitung, die durch ein tiefkaltes Kreislaufsystem mit Wasserstoff oder Helium versorgt wird, um eine Betriebstemperatur von minus 253 Grad gewährleisten zu können. Das Kabel ist für eine Länge von hunderten oder tausenden Kilometern gedacht und könnte eine Kapazität von 10 GW oder mehr haben.


Nach ersten Schätzungen des IASS, basierend auf Hochrechnungen anhand eines Prototyp-Kabels und Materialkosten, wären Magnesiumdiborid-Leitungen um ein Vielfaches günstiger als unterirdisch verlegte HGÜ-Kabel. Möglicherweise können sie sogar mit HGÜ-Oberleitungen konkurrieren.


Der Forschungspartner des IASS ist die European Organization for Nuclear Research (CERN) in Genf, wo in den vergangenen zwei Jahren Labortests an stetig längeren und leistungsfähigeren Kabeln durchgeführt wurden. Der Durchbruch gelang im Februar 2014, als ein 20 Meter langes, 16 Zentimeter breites Prototyp-Kabel 20 Kiloampere Strom führte und damit einen Weltrekord für einen Supraleiter aufstellte. Der Leiter selbst hatte aber nur einen Durchmesser von 19,5 Millimetern.


Zwar benötigt die Kühlung von Supraleitern auch Energie. Doch für einen Fall wie die Südlink-Trasse, die zwischen Nord- und Süddeutschland entstehen soll, würden die Energieverluste unterm Strich nur rund ein Zehntel der Einbußen bei Standardkabeln betragen, schätzt Stefan Stückrad vom IASS.

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