II

INHALTSVERZEICHNIS

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Abbildungsverzeichnis   III

Abk  ürzungsverzeichnis  IV

Anhangsverzeichnis   V

1  Einleitung  1

1.1  Problemstellung und Zielsetzung  1

1.2  Aufbau und Vorgehensweise  2

2  Einführung in die Supraleitung  3

2.1  Entdeckung der supraleitenden Materialien  3

2.2  Meißner-Ochsenfeld-Effekt und Phasenraum der kritischen Größen  5

2.3  Abgrenzung Typ-1- und Typ-2-Supraleiter  6

3  Supraleitende Kabel  7

3.1  Anforderungen an supraleitende Kabel  7

3.2  Darstellung verschiedener Kabelkonzepte  8

3.3  Herstellung und Eigenschaften verschiedener Leitertypen  10

3.4  Einsatzmöglichkeiten und Nutzen in der Energietechnik  13

3.5  Pilotprojekte und Entwicklungsstand  16

4  Supraleitende Strombegrenzer  18

4.1  Funktionsweise supraleitender Strombegrenzer  18

4.2  Anforderungen an einen idealen Strombegrenzer  21

4.3  Einsatzmöglichkeiten und Nutzen in der Energietechnik  22

4.4  Pilotprojekte und Entwicklungsstand  26

5  Weitere Einsatzmöglichkeiten und Zukunftsperspektive  28

6  Zusammenfassung  30

7  Anhang  32

Literaturverzeichnis   44

III

Abbildungsverzeichnis   

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Abb.  1: Supraleitung von Quecksilber  

Abb.  2: Entdeckungsgeschichte der Materialien  

Abb.  3: Meißner-Effekt  

Abb.  4: Phasenraum T-j-B  

Abb.  5: Verhalten eines Typ-2-Supraleiters im Magnetfeld  

Abb.  7: Gegenüberstellung von warmem und kaltem Dielektrikum  

Abb.  6: Vergleich warmes (a) und kaltes (b) Dielektrikum  

Abb.  8: Vergleich von HTS-Kabeln mit kaltem Dielektrikum  

Abb.  9: Schematische Darstellung des HTSL-Gesamtsystems  

Abb.  10: Schichtenarchitektur von 2G-Leitern  

Abb.  11: Vergleich der Verfahrensparameter für verschiedene Prozesse  

Abb.  12: Vergleich der Leitergenerationen und ihrer kritischen Größen  

Abb.  13: Konventionelle Innenstadtversorgung  

Abb.  14: Innenstadtversorgung mit HTS-Kabeln  

Abb.  15: Prinzipskizze eines induktiven Begrenzers  

Abb.  16: Aufbau eines resistiven Begrenzers  

Abb.  17: Resistives Begrenzersystem  

Abb.  18: Shuntkonzept  

Abb.  19: Betriebszustände resistiver Begrenzer  

Abb.  20: Heutige Sammelschienenkupplung  

Abb.  21: Sammelschienenkupplung mit Strombegrenzern  

Abb.  22: Einspeisung von dezentralen Erzeugern ins Mittelspannungsnetz  

Abb.  23: Kopplung von 110-kV-Netzgruppen  

Abb  24: Einsatz von Strombegrenzern im Kraftwerkseigenbedarf  

IV

Abkürzungsverzeichnis

1G-Leiter: Leiter der ersten Generation 2G-Leiter: Leiter der zweiten Generation BSCCO: Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid CSD: Chemical Solution Deposition HS: Hochspannung HTS: Hochtemperatur-Supraleitung HTSL: Hochtemperatur-Supraleiter IBAD: Ion-Beam assisted deposition ISD: Inclined substrate deposition KD: Kaltes Dielektrikum LTS: Low-Temperature-Superconductor MOVCD: Metal Organic Chemical Vapour Deposition MS: Mittelspannung PVD: Physical vapour deposition RABiTS: Rolling assisted biaxially textured substrate SSB: Supraleitender Strombegrenzer WD: Warmes Dielektrikum YBCO: Yttrium-Barium-Kupferoxid

V

Anhangsverzeichnis

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Anhang 1: Kristallstruktur von YBa 2 Cu 3 O 7 ........................................................ 32 Anhang 2: Kabelkonzept: Eine Phase in einem Kyrostat .................................. 32 Anhang 3: Kabelkonzept: Drei konzentrische Phasen in einem Kyrostat ......... 33 Anhang 4: Herstellung von 1G-Leitern bei Bruker ............................................. 33 Anhang 5: Gesamtherstellprozesse für Coated Conductors im Überblick ........ 34 Anhang 6: Texturierungsmöglichkeiten im Überblick ........................................ 34 Anhang 7: Darstellung der Unternehmen und ihrer versch. Herstellprozesse .. 35 Anhang 8: Vergleich der Übertragungsleistung von Kabeln .............................. 35 Anhang 9: Tres Amigas, Aufbau ....................................................................... 36 Anhang 10: Tres Amigas, Funktionsweise der Spannungswandlung ............... 37 Anhang 11: Tres Amigas, Beschreibung der einzelnen Elemente .................... 38 Anhang 12: Übersicht über weltweite Kabelprojekte ......................................... 39 Anhang 13: CURL 10 , Einzelelement ............................................................... 39 Anhang 14: CURL 10, Aufbau des Begrenzers ................................................. 40 Anhang 15: Strombegrenzer von Nexans in Boxberg ....................................... 40 Anhang 16: Überblick über weltweite Strombegrenzerprojekte ........................ 41 Anhang 17: Supraleitende Induktionsheizung ................................................... 41 Anhang 18: Supraleiter in Kraftwerksgeneratoren ............................................ 42 Anhang 19: Prognostizierte HTS-Jahresproduktion .......................................... 43 Anhang 20: Prognostizierte Preisentwicklung der Leiter ................................... 43

- 1 - 1Einleitung

1.1 Problemstellung und Zielsetzung

Die Forderungen nach einem höheren Anteil an regenerativen Energien und einer höheren Energieeffizienz werden im Schatten der Reaktorkatastrophe in Japan immer lauter. Energieversorgungsunternehmen sind gezwungen, mit Innovationen und neuen Konzepten einsatzfähige Technologien zu präsentieren und diese zu wettbewerbsfähigen Preisen flächendeckend umzusetzen. Damit ist nicht nur die Energieproduktion gemeint, sondern vielmehr ihre effiziente Verteilung.

Als Beispiel sei die Umstellung der Energieversorgung auf mehrere dezentrale Produzenten genannt, die eine Anpassung der Netzstrukturen nach sich zieht. Beim Bau neuer Freileitungen ist bei Beteiligten in der Regel mit heftigem Wi-derstand zu rechnen. Zur Lösung dort aufkommender Probleme wird zunehmend auch die Supraleitungstechnologie thematisiert, die einen großen Beitrag zu Netzmodernisierungsmaßnahmen und der Stromversorgung von morgen leisten könnte. Supraleitende Erdkabel und Strombegrenzerkonzepte eröffnen neue Lösungsmöglichkeiten, die vorher so nicht realisierbar waren. Im Rahmen der Studienarbeit soll anlässlich des 100-jährigen Jubiläums der Supraleitung der aktuelle Forschungsstand dieser Technologie in der Energietechnik dargestellt werden. Aufgezeigt werden sollen die Funktionsweise, die Konzepte und ihre Anwendungsmöglichkeiten sowie schon realisierte Pilotprojekte.

Ziel ist es, dem Leser einen Überblick über die Möglichkeiten der noch kaum beachteten Technik zu geben und ihm exemplarisch den Stand der Hochtemperatursupraleitung in der Energietechnik vorzustellen. Die Ausführungen beschränken sich auf die Darstellung der Einsatzmöglichkeiten der Hochtemperatursupraleiter in der Energietechnik, d.h. nicht betrachtet werden Tieftemperatursupraleiter bzw. die Gebiete der Elektronik oder Mikrotechnik. Die mit der Supraleitung eng verbundenen Kühltechnologien finden aufgrund des begrenzten Umfangs nur kurz Erwähnung.

- 2 - 1.2Aufbau und Vorgehensweise

Die Arbeit gliedert sich in vier Themenkapitel, die von den theoretischen Hintergründen der Supraleitung zu den in der Energietechnik relevanten Einsatzmöglichkeiten führen und mit einem Blick in die Zukunft abschließen. Das Einführungskapitel liefert den nötigen physikalischen Hintergrund zum Verständnis der nachfolgenden Ausführungen und erklärt die notwendige Begriffe. Für eine tiefergehende physikalische Betrachtung sei auf die Fachliteratur verwiesen.

Die vielversprechendsten Anwendungen, nämlich Kabel und Strombegrenzer, werden detailliert in jeweils einem Kapitel ausgeführt. Betrachtet werden die prinzipiell verfügbaren Konzepte, die Anforderungen an diese, deren Funktionsweise und der Nutzen im Vergleich zu konventionell verfügbaren Technologien. Gestützt wird diese Darstellung durch die Vorstellung von realisierten bzw. noch laufenden Pilotprojekten, die das technisch Machbare demonstrieren. Um einen umfassenden Überblick zu gewährleisten, wird am Ende der Arbeit ein Einblick in andere denkbare Einsatzmöglichkeiten im Rahmen der Energietechnik gegeben, die in diesem Rahmen nicht mehr im Detail ausgeführt werden. Auf diese Betrachtung folgen Einschätzungen zur Marktlage der Supraleitungstechnologie in der Energietechnik heute und in Zukunft, die das Kapitel abschließen. Abgerundet werden die vorausgegangen Darstellungen mit einer Kurzzusammenfassung im letzten Kapitel.

Um einen aktuellen Überblick über Projekte, Forschungsergebnisse und vielversprechende Lösungen zu bieten, wurde bei der Recherche verstärkt Wert auf aktuelle Beiträge von Fachtagungen, Unternehmen und Forschungseinrichtungen gelegt. Um dem Leser die Möglichkeit zu geben, die aufgeführten Sachverhalte nachzuvollziehen, wurde ein Anhang beigefügt, dem ausgewählte Projektunterlagen, zusätzliche Abbildungen und Diagramme der Fachtagungen beiliegen.

- 3 - 2Einführung in die Supraleitung

2.1 Entdeckung der supraleitenden Materialien

Heike Kamerlingh Onnes, Professor für Experimentalphysik an der Universität Leiden, verflüssigte 1908 Helium und war damit in der Lage, Versuche in einem für andere unzugänglichen Temperaturbereich durchzuführen. Er entdeckte 1911 den Effekt der Supraleitung an einer reinen Quecksilberprobe. Dabei stellte er fest, dass der Widerstand im Bereich von 4,2 K bzw. -268,95 °C sprunghaft auf einen unmessbar kleinen Wert (bei Gleichstrom) absank (vgl. Abb. 1). Dieser sprunghafte Übergang findet bei der sogenannten kritischen Temperatur

bzw. Sprungtemperatur T c statt. 1

Zunehmend wurden supraleitende Elemente und Verbindungen mit höheren Sprungtemperaturen entdeckt, die heute nur Anwendung in Nischen finden, die den enormen Kühlaufwand mit flüssigem Helium rechtfertigen. Diese als Low-Temperature-Superconductor (LTS) bekannten Materialien spielen für die Energietechnik eine untergeordnete Rolle und sollen hier nicht weiter betrachtet werden.

Erst seit der Entdeckung der Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) 1986 mit Sprungtemperaturen über 77 K ist es möglich, günstigen flüssigen Stickstoff als Kühlmittel einzusetzen. Die in der Abb. 2 markierten HTS sind die aktuell vielversprechendsten und am weitetesten entwickelten Materialien für eine groß-

technische Anwendung in der Energietechnik. 2

¹ Vgl. Huebener 2011, S. 14-20.

² Vgl. Holzapfel und Baecker 2008, S. 6-7.

- 4 -YBa 2 Cu 3 O 7 und Bi 2 Sr 2 CaCu 2 O 8 gehören zur Stoffklasse der Kuprate, d.h. zu den Verbindungen mit kupferhaltigen Anionen. Für die erste Verbindung ist der Name „Y123“ bzw. „YBCO“ (nach den Anfangsbuchstaben der Elemente), für die zweite Verbindung „Bi2212“ bzw. „BSCCO“ geläufig. YBCO kann aus einfa-chen Ausgangssubstanzen (Kupferoxid, Wismutoxid, Calciumcarbonat und Strontiumoxid) erzeugt werden. 3

Beide Verbindungen bilden Schichtstrukturen mit sich abwechselnden Lagen aus Kupferoxid und anderen Elementen. In einer Ebene betrachtet, ist jedes Kupferion quadratisch von Sauerstoffionen umgeben, wodurch sich die CuO 2 -Schichten ergeben. Diese CuO 2 -Schichten sind ein wesentliches Merkmal von supraleitenden Kupraten und sind bei anderen Materialien dieser Klasse in ähnlicher Form anzutreffen. ⁴ Ein Beispiel einer Kristallstruktur ist dem Anhang unter Nr.1 für das Material YBa 2 Cu 3 O 7 beigefügt.

Durch die stark ausgeprägte Schichtstruktur ergibt sich eine starke Anisotropie, d.h. Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften, die bei den Herstellungsprozessen bedacht werden muss. Abweichungen von der Idealstruktur führen zu geminderter Qualität des Supraleiters, was sich bspw. negativ auf die Stromtragfähigkeit auswirkt (vgl. Kapitel 3.3).

Zusammenfassend dargestellt müssen nachfolgende Voraussetzungen erfüllt sein, damit eine Verbindung als Hochtemperatur-Supraleitern (HTSL) eingesetzt werden kann:

• „Kritische Temperatur über 77 K

• Hohe kritische Stromdichte

• Hohes kritisches Magnetfeld

• Einfache Herstellung

• Gute mechanische Eigenschaften

• Keine (oder kleine) Giftigkeit.“ 5

Die aufgeführten Punkte werden in den folgenden Kapiteln näher betrachtet.

³ Vgl. Buckel und Kleiner 2004, S. 97-98.

⁴ Vgl. ebda., S. 97-99.

⁵ Gauckler 2001, S. 215.

- 5 - 2.2Meißner-Ochsenfeld-Effekt und Phasenraum der kritischen Größen

Im Jahr 1903 wurde durch Meißner und Ochsenfeld nachgewiesen, dass beim Unterschreiten der kritischen Temperatur T c neben dem Verschwinden des Wi-derstands ein weiterer Effekt auftritt. Der Leiter verdrängt das Magnetfeld (B i ) vollständig aus seinem Inneren (vgl. Abb.3). Man spricht von einem perfekten

Diamagnet bzw. vom Meißner-Effekt. 6

Dieser Effekt bleibt nicht für beliebig starke Magnetfelder bestehen; es existiert eine obere Grenze, das kritische Magnetfeld B c . Oberhalb von B c dringen die Feldlinien in den Leiter ein und zerstören die Supraleitung. ⁷ Fließt ein Strom durch einen Leiter, entsteht ein Magnetfeld, dessen Stärke proportional zur Stromstärke I ist. Es existiert somit eine maximale Stromstärke, bei deren Überschreitung das Magnetfeld zu groß wird und die Supraleitung zusammenbricht. Man spricht von der kritischen Stromstärke bzw. von der auf

den Querschnitt bezogenen kritischen Stromdichte j c . ⁸ Supraleitung tritt nur auf, wenn alle drei voneinander abhängigen Größen unterschritten werden. Man spricht vom Phasenraum T-j-B (vgl. Abb. 4), der bei technischen Anwendungen beachtet werden muss. 9

⁶ Vgl. Gauckler 2001, S. 184.

⁷ Vgl. ebda., S. 194.

⁸ Vgl. ebda.

⁹ Vgl. ebda.

- 6 - 2.3Abgrenzung Typ-1- und Typ-2-Supraleiter

Supraleiter lassen sich nach ihrem Verhalten in 2 Kategorien einteilen, die im Folgenden kurz dargestellt werden:

Ein Supraleiter vom Typ 1 verdrängt das Magnetfeld bis zu einem Maximalwert B c . Für größere Felder bricht die Supraleitung, wie in Kapitel 2.2 beschrieben,

zusammen. Quecksilber und Blei sind typische Typ1 Supraleiter. ¹⁰ Ein Supraleiter vom Typ 2 zeigt das Meißner Verhalten für ein Magnetfeld, das kleiner als das untere kritische Magnetfeld B c1 ist. Die supraleitende Eigenschaft verschwindet erst vollständig, wenn das obere kritische Magnetfeld B ^c2 erreicht ist. Der Übergangsbereich zwischen B c1 und B c2 wird als Mischzustand oder Shubnikov-Phase bezeichnet. ¹¹ „In diesem Bereich dringt das Magnetfeld teilweise in die Probe ein. Es fließen dann Abschirmströme im Inneren des Supraleiters und bündeln die magnetischen Feldlinien, sodass ein System von Flussschläuchen [[] entsteht." ¹² Das Verhalten des Typ-2-Supraleiters ist in Abb.5 anschaulich dargestellt. Viele Verbindungen, inklusive der HTSL, zeigen dieses Verhalten.

Typ-2-Supraleiter und mit ihnen die HTSL sind im Vergleich zu den Typ-1-Supraleitern von technisch großer Bedeutung, da das kritische Magnetfeld B ^c2 in der Regel wesentlich größer ist als das B c der Typ-1-Supraleiter.

¹⁰ Vgl. Buckel und Kleiner 2004, S. 24.

¹¹ Vgl. ebda.

¹² Ebda.