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Wie bleibt der Stickstoff im supraleitenden Stromkabel kalt genug?

 

Antwort

Kühlschema_Kabel_SFCL_de

Illustration: Nexans Deutschland GmbH

Derzeit wird ein supraleitendes Kabel, welches von der Firma Nexans entwickelt und gebaut wurde, in Essen durch RWE getestet. Das Kabel wird bei einer Temperatur im Bereich von -200 Grad Celsius gehalten, ab etwa -180 Grad Celsius geht der elektrische Widerstand im Hochtemperatur-Supraleiter gegen Null.
Das Kabel ist konzentrisch aufgebaut. Die Kabelader ist umgeben von einem sogenannten flexiblen Kryostaten, der aus einem doppelwandigen Edelstahlwellrohr besteht. Die Wellung sorgt für Flexibilität und dafür, dass das Kabel auf eine Trommel aufgewickelt werden kann. Der Kryostat hat Folien aus Superisolierung; zwischen den beiden Folien ist ein Vakuumraum. Dadurch ist das Kabel extrem isoliert und selbst bei einem Ausfall der Kühleinrichtung kann die Temperatur über mehrere Stunden gehalten werden.
Der prinzipielle Aufbau des Kühlsystems ist in der Abbildung gezeigt. Flüssiger Stickstoff zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf durch das Kabel. Er fließt im Inneren des Kabels und außen um den Supraleiter herum wieder zurück. Stickstoff ist leicht zugänglich, preisgünstig und umweltverträglich.
Eine Kälteanlage hält den flüssigen Stickstoff auf Betriebstemperatur. In einem Wärmetauscher wird der Stickstoff, der vom Supraleiterkabel zurückfließt, durch ein kälteres Medium aus der Kälteanlage zurückgekühlt. Diese Wärme wird an das Kühlfluid der Kälteanlage abgegeben und der gekühlte flüssige Stickstoff ins Supraleiterkabel zurückgeführt.
Für die Kälteanlage kommen verschiedene Anlagentypen in Betracht, die auf unterschiedlichen thermodynamischen Prozessen beruhen und sich in ihrer Effizienz unterscheiden. Ein sogenanntes „geschlossenes“ System benötigt nach Abkühlung und einmaliger Füllung mit flüssigem Stickstoff lediglich eine elektrische Versorgung. Im Gegensatz dazu erfolgt bei einem „offenen“ Kühlsystem, wie es in Essen Anwendung findet, die Rückkühlung des geschlossenen Kabelkreislaufs durch ein Bad mit unterkühltem flüssigem Stickstoff. Die Badtemperatur wird durch Druckreduktion mittels Vakuumpumpen auf einer Temperatur deutlich unterhalb der Siedetemperatur des Stickstoffs (77 K) gehalten, typischerweise auf 65 K. Die kontinuierlichen Stickstoffverluste in diesem Bad müssen aus einem Vorratstank nachgefüllt werden.
Die Kühlung des Kabels ist ein natürlicher Kostenfaktor, trotzdem ist das Supraleiterkabel deutlich effizienter als ein konventionelles Mittelspannungskabel. Durch den nahezu verlustfreien Stromtransport werden unter dem Strich Energie und Kosten gespart.

Die Frage beantwortete Dr. Joachim Bock, Director Sales and Market Development HTS Systems, Nexans Deutschland GmbH.