Was kann die Supraleitung im Energiebereich leisten?

Von Klaus-Peter Jüngst
(Lebenslauf; Da Herr Dr. Juengst mittlerweile im Ruhestand ist beantwortet er keine Fragen mehr. Bitte richten Sie diese an die unter Kontakt angegebene Adresse.)

Kurzfassung

Wird elektrischer Strom in Leitungen aus Kupfer oder anderen leitfähigen Materialien transportiert, wie es vom Kraftwerk zum Verbraucher üblich ist, so wird ein Teil der elektrischen Energie wegen des elektrischen Widerstands der Materialien in Wärme umgewandelt und geht der Nutzung verloren. Diese Nebenwirkung ist nur bei elektrischen Heizungen erwünscht, während sie bei den übrigen Stromnutzungen einen Nachteil mit erheblichen Kosten darstellt.
Jedoch 1911 entdeckte man, dass ganz bestimmte Materialien ihren elektrischen Widerstand verlieren, wenn man sie nur tief genug abkühlt. Diese Entdeckungen führten zu der Erwartung, diese so genannten Supraleiter großtechnisch einsetzen zu können. Erste technische relevante Supraleiter, wie z. B. Legierungen aus Niob und Titan, gibt es seit der Mitte der sechziger Jahre. Für ihre Abkühlung auf eine Betriebstemperatur von minus 269 °C ist eine komplexe Kühl- und lsoliertechnik erforderlich, die jedoch inzwischen gut entwickelt ist und vor allem bei Anwendungen im Bereich der Forschung keine Schwierigkeiten verursacht. Am besten bekannt ist der Einsatz dieser Supraleiter für die weit verbreiteten Kernspintomographen in Krankenhäusern und großen Praxen.

Diese so genannten Tieftemperatur-Supraleiter werden in der Energietechnik für die supraleitenden Magneten der Kernfusions-Reaktoren eingesetzt, die sich in der Entwicklung befinden und vielfach als langfristige Lösung der Energieversorgung angesehen werden. Die Supraleitung ist hier aus Gründen der erforderlichen positiven Energiebilanz unverzichtbar. Generatoren und Transformatoren wurden wegen der möglichen Einsparungen an Gewicht und Baugröße von rund 50 % sowie einer Verbesserung des Wirkungsgrads ebenfalls mit Tieftemperatur-Supraleitern entwickelt, konnten sich jedoch aus Gründen höherer Kosten und der komplexen Helium-Kühltechnik nicht durchsetzen.

Die Entdeckungen seit dem Jahre 1986, dass es keramikartige Materialien, wie z. B. BSCCO (Wismuth-Strontium-Calcium-Kupferoxid), gibt, die bereits bei Temperaturen etwas oberhalb der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs, d.h. bei minus 196 °C supraleitend betrieben werden können, hat den Arbeiten weltweit einen neuen Schub gegeben. Der flüssige Stickstoff ist etwa 10-20 mal billiger als flüssiges Helium, erfordert daher weniger Aufwand bei den Isoliergefäßen und ist weltweit verfügbar. Diese so genannten „Hochtemperatur“-Supraleiter werden derzeit vor allem für Anwendungen in Hochleistungsmotoren und -generatoren, für Leistungskabel und für Kurzschlussstrombegrenzer entwickelt. Die Motoren und Generatoren sind platzsparend und leicht. Für die Kabel spricht die höhere Leistungsdichte, so dass mehr Leistung über vorhandene Trassen geleitet werden kann. Der Strombegrenzer eröffnet den Energieversorgern bisher nicht gekannte Flexibilität im Zusammenschalten von Teilnetzen, ohne dass die vorhandenen Anlagen ersetzt werden müssten.

Für einen großtechnischen Einsatz dieser Supraleiter sind jedoch noch wesentliche Verbesserungen der Eigenschaften und vor allem eine Verringerung der Kosten notwendig, die Ziele der aktuellen Entwicklungsarbeiten sind.

Hier können Sie Kurz- und Langfassung gemeinsam als pdf downloaden (pdf, 40 kB). Dieser Beitrag wurde am 16. Juli 2004.

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