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Cost effective FCL using advanced superconducting tapes for future HVDC grids

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Supraleitende Fehlerstrombegrenzer schützen nationale Stromnetze

Im Heimbereich schalten Sicherungen im Falle eines Kurzschlusses den Strom ab und verhindern so Schäden. Die viel komplizierteren und leistungsfähigeren Stromnetze hingegen besaßen bis jetzt keine Sicherungen.

Energie

Kontinentaleuropa besitzt vier große Verbundsysteme. Diese durchziehen die Landschaft mit Hochspannungsleitungen, die bis zu 380 000 Volt führen. Wenn zwei solcher Kabel sich einmal berühren, beispielsweise wenn ein Baum auf die Leitung fällt, kommt es zu einem Fehlerstrom, umgangssprachlich als Kurzschluss bezeichnet. Dieser führt zu Funkenbildung. Die entstehende Funkenspannung kann ausreichend sein, um selbst Geräte, die für hohe Spannungen konzipiert sind, zu beschädigen oder zu zerstören. In einem häuslichen Stromkreis kann eine Sicherung Schaden verhindern, indem sie den Strom sofort unterbricht. Doch bei den extremen Spannungen der Landesnetze können diese Geräte nicht eingesetzt werden. Bis jetzt gibt es kein praktisches Pendant; wenn es eines gäbe, so würde man es Fehlerstrombegrenzer nennen. Heute erreichen Ingenieurinnen und Ingenieure das gleiche Ergebnis der Begrenzung (Abschaltung) des Fehlerstroms durch verschiedene passive und suboptimale Mittel. Im Jahr 2014 installierte das Unternehmen Nexans einen experimentellen supraleitenden Fehlerstrombegrenzer im Stromnetz unweit der deutschen Stadt Essen. Obwohl dieser supraleitende Fehlerstrombegrenzer die Stromleitungen der Stadt erfolgreich geschützt hat, war das Gerät für eine Kommerzialisierung zu teuer.

Verbesserung des supraleitenden Fehlerstrombegrenzers

Das EU-finanzierte Projekt FASTGRID hat eine kostengünstigere Verbesserung des ursprünglichen supraleitenden Fehlerstrombegrenzers entwickelt. Im Einzelnen nutzt FASTGRID das supraleitende Material optimal aus, um die Kosten zu senken. Unter Supraleitfähigkeit versteht man das Prinzip, dass bestimmte Materialien einen elektrischen Widerstand von Null aufweisen. Dies funktioniert jedoch nur, wenn das Material bei kryogenen Temperaturen bleibt. Bei einem elektrischen Netzsystem, das mit dem supraleitenden Fehlerstrombegrenzer von FASTGRID ausgestattet ist, steigt im Falle eines Kurzschlusses die Stromstärke stark an, und zwar um einen vorgegebenen und bekannten Wert, dann schaltet sich der supraleitenden Fehlerstrombegrenzer ein. Anschließend steigt die Temperatur des supraleitenden Elements (bandähnliche Drähte aus dem neuen supraleitenden Material) schnell an. Dadurch verliert das Material seine Supraleitfähigkeit und widersteht dem elektrischen Strom. Dies begrenzt den Strom auf ein sicheres Niveau, verhindert Schäden und macht es für ein Schaltgerät (Schutzschalter) einfach, den Strom schnell zu unterbrechen. Das Leitermaterial kühlt dann ab und ist erneut supraleitfähig. Der Strom kann gefahrlos wieder eingeschaltet werden. Durch seine Supraleitfähigkeit kann das supraleitende Fehlerstrombegrenzergerät also wie ein Schalter funktionieren.

Billiger und praktisch

„Unser fortschrittlicher supraleitfähiger Leiter macht den supraleitenden Fehlerstrombegrenzer aus wirtschaftlicher Sicht sehr viel attraktiver“, erklärt Projektkoordinator Pascal Tixador. „Die Kosten für den neuen Leiter betragen etwa ein Zehntel der Kosten für den Nexans-Leiter.“ Diese Einsparungen wurden hauptsächlich durch die Optimierung des Leiters mit Alternativen erreicht. „Es ist uns gelungen, einen fortschrittlichen supraleitfähigen Leiter für supraleitende Fehlerstrombegrenzer zu entwickeln und experimentell zu testen“, ergänzt Tixador. „Diese Entwicklungen haben jedoch viel mehr Zeit in Anspruch genommen, als zu Beginn des Projekts geplant war, und es war nicht möglich, alle Elemente herzustellen, auf die wir gehofft hatten.“ Das Team hat zwei von insgesamt sechs geplanten supraleitfähigen Elementen hergestellt und erfolgreich getestet. Der nächste Schritt wird die Industrialisierung des supraleitfähigen Leiters sein. Sobald die Herstellung einfacher wird, kann mit den Tests in einer industriellen Umgebung in großem Maßstab begonnen werden. Das Endergebnis wird ein Fehlerstrombegrenzer sein (ein sicherungsähnlicher, aber wiederverwendbarer Mechanismus, der bei Hochspannung eingesetzt werden kann), der billig genug ist, um in allen Landesnetzen installiert zu werden. Das Endprodukt wird nicht nur das Stromnetz vor Schäden schützen, sondern auch eine lang ersehnte Rekonfigurierbarkeit des Systems ermöglichen, die Stromnetzverzahnung genannt wird.

Schlüsselbegriffe

FASTGRID, Supraleitung, Schutzsystem, Stromnetz, Fehlerstrombegrenzer, Schutzschalter

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