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Für energieintensive Industrieprozesse: Supraleitende Hochstromschienen

Eignen sich Supraleiter für die Stromversorgung energieintensiver Industrieprozesse, um Kosten zu sparen? Eine Antwort soll das Projekt »SupraStromSchiene« geben, in dessen Rahmen die Partner eine Demonstrationsanlage für die Übertragung von Strömen bis 20 kA entwickeln.

  Links im Bild sind Kupfer-Stromschienen, rechts Aluminium-Stromschienen zu sehen. Sie haben dieselbe Stromtragfähigkeit wie die kleine supraleitende Stromschiene in der Mitte des Bildes. Die Supraleitende Stromschiene ist hier mit Kupferummantelung Bildquelle: © Vision Electric Super Conductors

Links im Bild sind Kupfer-Stromschienen, rechts Aluminium-Stromschienen zu sehen. Sie haben dieselbe Stromtragfähigkeit wie die kleine supraleitende Stromschiene in der Mitte des Bildes. Die Supraleitende Stromschiene ist hier mit Kupferummantelung zu sehen, die supraleitenden Bandleiter befinden sich in der Mitte.

Die Vison Electric Super Conductors GmbH (VESC), in Kaiserslautern, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) und das Institut für Lüftungs- und Klimatechnik (ILK) bauen gemeinsam den »3S-Demonstrator « auf, der ab dem Frühjahr 2017 im Dauertest reale Betriebszustände darstellen soll und den Strom über eine Distanz von 25 m überträgt. Das Bundesministerium fördert das Vorhaben über den Projektträger Jülich.
 
Hohe Ströme auf niedrigem Spannungsniveau sind für eine Vielzahl großtechnischer Prozesse unverzichtbar. Die Versorgung erfolgt meist über Stromschienen, die Gleichströme zwischen 10 und 350 kA tragen. Konventionelle Systeme aus Kupfer oder Aluminium überbrücken hierbei Distanzen zwischen 20 Metern und einigen hundert Metern. Die althergebrachte Technologie verursacht jedoch hohe Widerstandsverluste und Wärmeemissionen. Hinzu kommen hoher Platzbedarf und aufwändige bauliche Maßnahmen für den Kurzschluss-, Arbeits- und Personenschutz. Diese Falktoren können den Bau konventioneller Hochstromschienen unter bestimmten Bedingungen stark verteuern.

Alternative für anspruchsvolle Anlagenumfelder

Mit dem 3S-Demonstrator entwickeln die Projektpartner als Alternativlösung ein raumsparendes Modulsystem. Supraleitende Hochstromschienen werden aus standardisierten Komponenten aufgebaut und mit geringem baulichem Aufwand bestehende Anlagenumfelder integriert. Supraleiter bieten hierfür geeignete Voraussetzungen. Mit sehr geringen Leiterquerschnitten übertragen sie bei Betriebstemperaturen um -200°C hohe Gleichströme ohne elektrischen Widerstand. Hochstromschien auf Supraleiterbasis können deshalb sehr kompakt ausgelegt werden. Sie verursachen weder Stromverluste noch Wärmeemissionen. Erforderlich sind eine thermische Entkopplung des Leiters von der Umgebung und geeignete Kühltechnik, sowie spezielle Stromzuführungen, über die der Strom in den Leiter ein- und wieder ausgespeist wird.

Erprobung unter Industriebedingungen

Weil an die Verfügbarkeit von Hochstromversorgungen höchste Anforderungen gestellt werden, plant der Geschäftsführer des Projektinitiators Vision, Dr. Wolfgang Reiser, die Erprobung einer Demonstrator-Anlage unter realen Betriebsbedingungen. Teil des Entwicklungsprojekts ist der Bau eine 3S-SupraStromSchiene von 25 Meter Länge, die eine operative Produktionsanlage mit
Gleichströmen bis 20 kA im Spannungsbereich von 500 V versorgen wird. Der Dauertest aller Komponenten einschließlich der kältetechnischen Peripherie erfolgt damit unter industriellen Lastzuständen. Übertragungsdistanz und Kapazität des 3S-Demonstrators sind so gewählt, dass im Betrieb bereits signifikante wirtschaftliche Vorteile gegenüber einer konventionellen Hochstromversorgung gezeigt werden.

Auf der Grundlage weltweiter Erfahrung mit Hochstromversorgungen übernimmt Vison Electric Super Conductors im Rahmen des 3S-Projekts die technische Konzeption des Modulsystem und die Integration der einzelnen Subsysteme und Komponenten.  Das Kit entwickelt die grundlegenden Konzepte für die hochstromtaugliche Supraleiterkomponente. Für das Kältesystem stellt das ILKdie kyrotechnische Expertise bereit.