Statt Erdgas, Erdöl oder Fernwärme werden wir wohl künftig viel mehr Strom zum Heizen, Kochen und zur Beleuchtung benötigen. Mit den vorhandenen Stromnetzen wird das nicht zu realisieren sein. Die vorhandenen Materialien wie Kupfer oder Aluminium werden die erforderliche Energieversorgung nicht leisten können, wie luckx – das magazin recherchierte.

Hochleistungskabel für nachhaltige Energieversorgung in Städten

Wir wissen heute noch nicht, wie die künftige Energieversorgung aussehen kann. Es wird in der Mobilität nach Elektro noch Wasserstoff, E-Fuels und Methanol als Energiequelle geben. Ob die E-Mobilität zukünftig noch eine Bedeutung erleben wird, bleibt abzuwarten. Im stationären Bereich werden wir wohl vermehrt auf Strom setzen. Zwar werden Gas und Öl in den nächsten 20 Jahren weiterhin eine hohe Bedeutung haben. Danach wird die Wärme wohl durch elektrischen Strom erzeugt werden. Dabei kommen wir nicht umhin, uns entweder mit dickeren oder mit verlustfreien Kabeln versorgen lassen müssen. Von großer Bedeutung ist dabei, dass diese Kabel in die bestehenden Kabelrohre städtischer Stromnetze passen. Unter dieser Prämisse ist das Forschungsprojekt HighAmp gestartet. Es beschäftigt sich mit der Entwicklung kompakter, supraleitender Kabel, die in bestehende Kabelrohre städtischer Stromnetze passen und diese energetisch revolutionieren sollen. Supraleiter sind elektrische Leiter, welche bei entsprechender Kühlung, ca. -200 °C, elektrische Energie nahezu verlustlos übertragen können. Somit ist bei einem wesentlich geringeren Leiterdurchmesser eine höhere Stromdichte erreichbar, was wiederum die Effizienz eines Supraleiters steigert. Verbunden ist damit der drängendste Engpass der urbanen Energiewende: Wie kann die steigende Stromnachfrage in Städten dauerhaft und effizient gedeckt werden, ohne die Infrastruktur aufwändig zu erneuern?

Hürden der Energiewende

Elektromobilität, Wärmepumpen, Digitalisierung und Klimatisierung: jene Verbraucher, die den Energiebedarf in Städten stetig wachsen lassen. Konventionelle Kabelsysteme kommen in Ballungsräumen an ihre räumlichen und technischen Grenzen. Eine Erweiterung des bestehenden Energienetzes in Städten ist durch Platzmangel und fehlende Akzeptanz in der Bevölkerung kaum mehr möglich, weil dies enorme Erdbauarbeiten und größere Störungen für die Bewohner bedeuten würde. Um den steigenden Energiebedarf in Städten ohne aufwändige Bauarbeiten decken zu können, beschäftigt man sich bei dem Projekt HighAmp mit der Entwicklung eines 20 kV supraleitenden Kabels, welches in die Bestandsrohre einer städtischen Infrastruktur passen soll. Im Vergleich zu herkömmlichen Kupfer- oder Aluminiumkabel ist die Übertragungskapazität von supraleitenden Kabeln um ein Vielfaches höher. Dabei kommt mehr Leistung beim Verbraucher an, was supraleitende Kabel wesentlich effizienter macht als gewöhnliche Kabel. Das Design wird danach auf die 110 kV-Ebene skaliert, um die Vorteile auch im Hochspannungsnetz zu nutzen.

Kompaktheit und Spannungsfestigkeit

Zu den technischen Herausforderungen gehört ein sehr kompaktes Design zu entwickeln, sodass die Hochtemperatursupraleiter (HSTL) Kabel auch in sehr kleinen Rohrsystemen verlegt werden können, wie es zum Beispiel in Köln der Fall ist. Hierbei ist die Spannungsfestigkeit zu beachten. An der TH Köln wird diesbezüglich im Hochspannungslabor getestet, welcher Leiterabstand und Durchmesser benötigt wird, um eine gewisse Spannungsfestigkeit zu erreichen. Aber auch das Isoliermaterial und die notwendige Geometrie der Stützanordnung wird hier untersucht, um den hohen Anforderungen gerecht zu werden, so Herr Prof. Christof Humpert von der TH Köln.

Kühlung

Die supraleitenden Kabel werden durch entlang der Kabelstrecke installierte Kühlsysteme (Flüssigstickstoff) auf rund -200 °C gekühlt. Das System muss kompakt gestaltet, die Kühlleistung optimiert und die thermischen Verluste reduziert werden, damit weniger Kühlstationen auf der Gesamtkabellänge benötigt und die Kosten reduziert werden.

Um den Übergang zwischen Supraleiter und konventionellem Leitermaterial zu realisieren, müssen die hochspannungs- und kältetechnischen Anforderung auf hohem Niveau designed werden. Hierzu zählen vor allem die Isolierung und die Verbindungstechnologie. Kältetechnisch handelt es sich um den Übergang der äußeren Umgebungstemperatur und den ca. -200 °C.

Einfache Integration

Dieses alles hat eine hohe Bedeutung für die Energieeffizienz in Städten. Durch den Einsatz der dünneren HTSL-Kabel können diese in das bestehende Rohrsystem im Straßenuntergrund gezogen werden und benötigen dabei kaum Bauarbeiten. Aufgrund der Eigenschaften des Supraleiters ist im Vergleich zu Kupfer oder Aluminium ein nahezu verlustfreier Energietransport möglich, wodurch die Energieeffizienz wesentlich gesteigert wird. Durch die angestrebte Skalierung auf höhere Spannungen (z. B. 110 kV) könnten auch Großstädte ihren Strombedarf mit vorhandener Infrastruktur decken und ihre CO₂-Bilanz verbessern. Nach den Projekten AmpaCity (Essen) und SuperLink (München) könnte HighAmp mit dem 20 kV HTSL‑Kabel eine entscheidende Rolle in der Energieübertragung einnehmen. Weitere Forschung in den Bereichen kosteneffizientere Materialien, standardisierte Komponenten und optimale Betriebsmodelle ist unverzichtbar, um unsere Energieversorgung auf die nächsthöhere Stufe zu bringen.

Zusammenfassung

Zwar gibt es schon wie dargestellt Anwendungsfälle. Doch diese müssen dann auch überall einsetzbar sein. Mit dem supraleitenden Kabel im HighAmp-Format wird uns die Möglichkeit gegeben, die Energiewende in urbanen Räumen platzsparend, effizient und nahezu ohne Bauarbeiten zu ermöglichen. HighAmp könnte hierbei zu einer Schlüssellösung für die Energieversorgung der Stadt der Zukunft werden. Für die weitere Forschung und Förderung solcher Projekte sind aber auch andere Aspekte zu betrachten. So erscheint die Supraleitung bei der Bevölkerung noch als ein Science-Fiction anzukommen, weil es zu wenig Projekte gibt, mit denen man in Kontakt kommt. Deshalb ist mehr Aufklärungsarbeit erforderlich, damit sie als normaler Technikzweig betrachtet werden kann. Deshalb erscheint es in unserer Redaktion von luckx – das magazin wichtig, über solche wichtigen Konzepte die breite Öffentlichkeit zu informieren.