Netztechnik Bei Minus 209 °C kommt alles an

Redakteur: Carina Schipper

Neue Technologien helfen das Stromnetz und die -verteilung zu verbessern. Messer kühlt Supraleitungskabel mit flüssigem Stickstoff anstelle von bisher -196 auf -209 °C. Das sichert einen fast verlustfreien Transport von Strom im Netz.

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Circa fünfmal mehr Strom als konventionelle Kabel überträgt das Supraleiterkabel .
Circa fünfmal mehr Strom als konventionelle Kabel überträgt das Supraleiterkabel .
(Bild: RWE/ EUROMEDIAHOUSE GmbH)

Der Industriegasespezialist arbeitet zusammen mit RWE an deren Projekt Ampa City. Im Rahmen des Pilotprojekts nahm der Stromversorger im April 2014 das bisher längste supraleitende Kabel der Welt in Essen in Betrieb. Durch das rund 1.000 m lange Hochleistungskabel zwischen den Umspannanlagen Herkules und Dellbrügge fließt bei gleichem Durchmesser circa fünfmal mehr Strom als in einem konventionellen Kabel. Der Aufbau der Stromnetze vereinfacht sich. Um die Übertragungsverluste von Energie gering zu halten, kommen in großen Städten üblicherweise 110.000-V-Leitungen zum Einsatz. Erst innerhalb der Städte sinkt die Spannung in großen Umspannanlagen auf 10.000 V. Im Stadtnetz reduzieren kleinere Stationen die Spannung für die Versorgung der Abnehmer auf 400 V.

Flüssiger Stickstoff kühlt die Supraleitung

Der Energieverlust in heutigen Stromleitungen rührt vom elektrischen Widerstand beim Transport von Strom her. Manche Materialien verlieren diesen Widerstand bei bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt von -273,15 °C und werden zu Supraleitern. Die vor etwa 100 Jahren entdeckten (metallischen) Supraleiter werden bei -269 °C gekühlt. Das Verfahren verlangt eine kostenintensive Helium-Kühlung und zieht einen hohen Energieverbrauch zur Kälteerzeugung nach sich. 1986 entdeckte der Nobelpreisträger Georg Bednorz die Hochtemperatur-Supraleiter. Diese lassen sich mit flüssigen Stickstoff anstelle von Helium kühlen. Das Stromkabel des Ampa Ctiy-Projekts besteht aus diesem Material. Messer entwarf hierfür eine neue Kühltechnologie. Die Kühltemperatur liegt bei -209 °C. Normalerweise reicht die Kühlleistung mit flüssigem Stickstoff nur bis -196 °C. Bei der neuen Kühltechnologie verdampft flüssiger Stickstoff im Unterdruck und erreicht so die erforderliche Temperatur für die Kabelspezifikation. Der kalte Stickstoff gleicht die Wärme aus, die das Ampa City-Supraleiterkabel aus der Umgebung aufnimmt und ermöglicht einen annähernd verlustfreien Stromtransport. Ein Rückführsystem sorgt für einen energieeffizienten, geschlossenen Kreislauf.

Kühlung auf einem km Länge

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Dr. Friedhelm Herzog betätigt sich als Anwendungsspezialist für Gase in der Industrie bei Messer und erklärt welche Rolle die neue Technologie für das RWE-Projekt und die Supraleitungskabel spielt:

Wie kam die Zusammenarbeit mit RWE zustande?

„Auf der Hannover Messe 2012 kam ich mit der Firma Nexans ins Gespräch, dem Lieferanten des supraleitenden Kabels. Wir sprachen über das Pilotprojekt Ampa City und die Anforderungen an die Kühlung des ein Kilometer langen Stromkabels. Nach diesem Gespräch entwickelten wir bei Messer ein Konzept für eine neue Flüssigstickstoff-Kühltechnologie, die im Vergleich zur ursprünglich vorgesehenen Kühlung mit Stirling-Maschinen einige Vorteile bietet. Dieses Konzept präsentierten wir dann RWE, wo es ebenfalls auf Zustimmung stieß.“

Wofür wird Stickstoff im Pilotprojekt AmpaCity eingesetzt?

„Der flüssige Stickstoff hat zwei Aufgaben: Er wird in flüssiger Form durch das supraleitende Kabel gepumpt, um die von außen durch die Kälteisolation eindringende Wärme abzuführen. Das funktioniert im Prinzip wie bei einer Zentralheizung, nur dass hier Kälte statt Wärme eingebracht wird. Der Stickstoff „erwärmt“ sich von -206 °C am Kabeleintritt auf -201 °C am Kabelaustritt. Um das Flüssiggas dann von -201 wieder auf -206 °C zu kühlen, wird dieser durch einen speziell konstruierten Unterkühler geleitet. Zum Betrieb dieses Unterkühlers benötigt man ein Kühlmedium, welches kälter als -206 °C sein muss. Dieses Kühlmedium ist ebenfalls flüssiger Stickstoff, den wir bei -209 °C verdampfen lassen und dann ins Freie ableiten.“

Welche Herausforderungen gab es, und wie haben Sie diese gemeistert?

„Normalerweise verdampft flüssiger Stickstoff bei -196 °C, für den Unterkühler ist aber eine Verdampfungstemperatur von - 209 °C erforderlich. Wir mussten also den Stickstoff dazu überreden, sich beim Verdampfen weiter abzukühlen als sonst. Wir haben dafür den Verdampfungsdruck mit Hilfe von Vakuumpumpen soweit abgesenkt, dass die erforderliche extrem niedrige Temperatur erreicht wird. Eigentlich hätte man sich eine noch tiefere Temperatur gewünscht, dies ist aber nicht möglich, weil der Stickstoff bei -210 °C zu Eis gefriert. Fester Stickstoff im Unterkühler ist natürlich verfahrenstechnisch ein Problem. Damit die Verdampfungstemperatur von -209 °C stabil eingehalten wird und nicht durch Schwankungen unter den Stickstoff-Gefrierpunkt absinkt, haben wir eine spezielle Temperaturregelung entwickelt, die das Einfrieren des Stickstoffs zuverlässig vermeidet. Neben diesen verfahrenstechnischen Herausforderungen gab es auch noch apparatetechnische Anforderungen, die zu erfüllen waren. Im Vordergrund standen die Sicherheit der Anlage und die Zuverlässigkeit des Betriebs. Um die Anlagensicherheit zu gewährleisten verwenden wir den Flüssigstickstoff-Vorratsbehälter auch als Entlastungsgefäß, welches bei einer Beschädigung des Kabels den flüssigen Stickstoff aus dem Kabel aufnehmen kann und einen unkontrollierten Austritt in die Umgebung verhindert. Die dafür erforderliche Verschaltung wurde zum Patent angemeldet. Die Betriebszuverlässigkeit wird durch redundante Ausführung aller Pumpen und kritischen Armaturen gewährleistet. Fällt eine Komponente aus, erfolgt eine automatische Umschaltung auf das entsprechende Ersatzaggregat. Dank dieser Dopplung lassen sich alle Wartungsarbeiten im laufenden Betrieb durchführen, sodass die Kühlanlage ständig verfügbar ist.“

Was ist für Sie die Besonderheit an diesem Projekt?

„Es ist eine technologische Weltpremiere, die immenses Interesse von Medien, Politik und Fachleuten auf sich zieht. Nicht selten werden pro Woche zwei oder mehr Besuchergruppen aus aller Welt durch die Anlage geführt.

Persönlich möchte ich die besonders gute und vertrauensvolle Zusammenarbeit mit unseren Projektpartnern RWE, Nexans und Krytem herausstellen. Es wurde immer und in jeder Situation konstruktiv zusammengearbeitet.“

Wie lässt sich die Stickstofftechnologie auch in anderen Bereichen anwenden?

„Weitere Anwendungen für Hochtemperatur-Supraleitung mit Flüssigstickstoff-Kühlung lassen sich dort finden, wo sehr große elektrische Ströme fließen, zum Beispiel in Elektrolyseanlagen. Vielleicht wird ja irgendwann auch mal eine Luftzerlegungsanlage durch ein Supraleiterkabel an das Stromnetz angeschlossen, auch wenn das sicher nicht der typische Anwendungsfall ist.“

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