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SmartCoil

Supraleiter schützen das Stromnetz

Projektstatus
Begonnen
Im Querschnitt ist die Anordnung der Supraleitenden Abschirmung zu erkennen. Erreicht der Strom im Supraleiter den kritischen Wert, so erhöht sich sein Wiserstand und die Spule drosselt den Strom.
Im Querschnitt ist die Anordnung der Supraleitenden Abschirmung zu erkennen. Erreicht der Strom im Supraleiter den kritischen Wert, so erhöht sich sein Wiserstand und die Spule drosselt den Strom. Bild: Siemens AG

Supraleiter können das Netz schützen. Sie leiten Strom bis zu einer gewissen Temperatur nahezu widerstandslos. Erst oberhalb dieser sogenannten Sprungtemperatur steigt ihr Widerstand exponentiell an. In der Energietechnik kann das ein Vorteil sein. Denn richtig ausgelegt können Hochtemperatur-Supraleiter als eine Art Sicherungsschalter arbeiten und dabei helfen, Netze zu verbinden und sie gleichzeitig zu schützen. Da sie selbstauslösend arbeiten, benötigen sie keine Detektionstechnik.

Doch warum sollten Netze überhaupt gekoppelt werden? Eine steigende dezentrale Einspeisung kann zu einer schlechteren Versorgungsqualität führen. Zum Beispiel durch eine Anhebung des zulässigen Spannungsbandes bei hohen Windstärken und sonnigem Himmel. Im Extremfall führt das zu einem flächendeckenden Stromausfall. Um eine wie gewohnt gute Versorgungszuverlässigkeit in den Verteilnetzen auch zukünftig sicher zu stellen, müssen Netzbetreiber geeignete Maßnahmen treffen. 

Der Ausbau der Verteilnetze ist sehr kosten- und zeitintensiv. Häufig ist die Kopplung der Verteilnetze die günstigere Lösung, jedoch kann in diesem Fall die Kurzschlussleistung soweit ansteigen, dass bestehende Betriebsmittel im gesamten betroffenen Verteilnetz in erheblichem Umfang ausgetauscht oder ertüchtigt werden müssen wodurch weitere Kosten entstehen. Der Einsatz von herkömmlichen Drosselspulen ist zur Beschränkung der Kurzschlussströme wenig geeignet, da herkömmliche Drosselspulen durch ihre konstante Impedanz die Spannungsqualität und Stabilität des Netzes verschlechtern. 

Supraleiter im praktischen Einsatz

Ziel des Projekts „SmartCoil“ ist der Nachweis der technischen Funktionsfähigkeit einer neuartigen passiv kurzschlussstrombegrenzenden Drosselspule mit veränderlicher Impedanz. Das geschieht mit der Auslegung, dem Bau und Test eines einphasigen Testaufbaus mit einer äquivalenten dreiphasigen Leistung von 10 MVA. Erreicht wird das besondere Verhalten des SmartCoil-Systems durch den Einsatz eines Hochtemperatursupraleiters (HTS) im Zusammenwirken mit einer gewöhnlichen Drosselspule. Hierfür wird in die Drosselspule ein Kurzschlusseinsatz aus einem Stapel kurzgeschlossener supraleitender Ringe eingebracht. Im Nennbetrieb schirmt er das Innere der Drosselspule nahezu vollständig ab. Dadurch reduziert sich die unerwünschte Drosselimpedanz drastisch. Im Kurzschlussfall übersteigt der Strom den kritischen Wert, die Abschirmung geht verloren geht und die Begrenzungswirkung der Drossel kommt zum Tragen. 

Beim SmartCoil-System handelt es sich also um eine impedanzveränderliche Drosselspule. Deren Impedanz ist im Normalbetrieb so stark reduziert, dass die Spannungsqualität im Verteilnetz und die Netzstabilität nicht beeinträchtigt und sie sogar verglichen mit Einsätzen herkömmlicher Drosselspulen verbessert werden kann. Mit der Reduzierung der Impedanz im Normalbetrieb steigt die Regel- und Steuerbarkeit der Verteilnetze mit starker horizontaler und unregelmäßiger Einspeisung großer Mengen elektrischer Energie. Im Falle eines Kurzschlusses steht jedoch nahezu die volle Begrenzungswirkung der Drosselspule zur Verfügung, so dass kein Austausch oder Ertüchtigung bestehender Betriebsmittel notwendig wird. 

Aufgrund der einzigartigen intrinsischen Eigenschaften des HTS ist das SmartCoil-System einerseits selbstauslösend, für seine Funktionalität benötigt es also keinerlei Detektionselektronik oder andere Zusatzausrüstung, andererseits ist es eigensicher. Das bedeutet, auch beim Ausfall des Supraleiters oder der Kühlung ist eine Gefährdung des Netzes ausgeschlossen.

Unterschiedliche Supraleiter im Test

In der ersten Hälfte des Projektes wurden das Design und die Spezifikationen der einzelnen Bauteile festgelegt. Außerdem wurden Hochtemperatursupraleiter verschiedener Hersteller getestet und ein geeigneter Leiter identifiziert. Auch wurden erste supraleitende Komponenten (Ringe)bezüglich ihres Kurzschlussverhaltens erfolgreich getestet. Die Bestellung des benötigten Kunststoffkryostaten zur Aufnahme des supraleitenden Kurzschlusseinsatzes steht unmittelbar bevor. Im weiteren Projektverlauf werden letzte Ausdetaillierungen vorgenommen, der supraleitende Einsatz gefertigt und anschließend getestet. 

Die Verbundpartner Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie die Siemens AG, Corporate Technology (CT) arbeiten in dem Projekt eng zusammen und bringen jeweils ihre langjährige Expertise auf dem Gebiet der Entwicklung supraleitender Betriebsmittel ein. Das KIT ist federführend für die Materialcharakterisierung und die Auslegung bzgl. der Verluste im Nennbetrieb. Die CT trägt schwerpunktmäßig zur Erarbeitung des konzeptionellen Entwurfs sowie zu Simulationen des Begrenzungsverhaltens bei und verantwortet den Bau des supraleitenden Einsatzes. Für die Komponentenentwicklung und die Durchführung des abschließenden Tests sind beide Partner gleichermaßen verantwortlich. 

Projektlaufzeit

09/2014 – 08/2017 

Kontakt

Dr.-Ing. Christian Schacherer
Projekkoordinator
Siemens AG
Günther-Scharowsky-Str. 1
91058 Erlangen
+49 9131-730486

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.

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