Neuartige Isolierung für supraleitendes Stromkabel hält Tiefsttemperaturen und hoher Betriebsspannung stand
31.01.2018
Supraleiter können im Vergleich zu herkömmlichen Kabeln mindestens das Fünffache an Strom transportieren. Dabei treten so gut wie keine Verluste auf. Allerdings haben sie einen entscheidenden Nachteil: Damit ein Supraleiter Strom leiten kann, muss er sich in einem extrem gut isolierten Rohr mit einer Innentemperatur von minus 200 Grad Celsius befinden. Gängige synthetische Isolierungsmaterialien sind für diese kryogenen Temperaturen nicht geeignet. Forscherinnen und Forscher vom IASS, der Ingenieurshochschule ESPCI in Paris und dem französischen Kabelhersteller Nexans haben nun eine neuartige Isolierung entwickelt, die den niedrigen Temperaturen und der hohen Betriebsspannung von 320 Kilovolt standhält.
„Wir haben einen Isolierungsaufbau aus mehreren Schichten von Papier entwickelt, die in flüssigen Stickstoff getaucht wurden. Dies gewährt dem Kabel genügend Flexibilität und akzeptiert auch dessen Schrumpfung beim Abkühlen. Solch eine mit Stickstoff imprägnierte Isolierung hat eine sehr hohe elektrische Leistung und ist zudem selbstheilend. Dies ermöglicht einen sehr sicheren Betrieb“, sagt Projektkoordinator Christian-Eric Bruzek von Nexans. Die Ergebnisse wurden im Januar in einer Fachzeitschrift veröffentlicht.
Eine zentrale Frage der Untersuchung war, ob sich in der Isolierung mit der Zeit Raumladung akkumuliert. Dies wurde noch nie für eine so niedrige Temperatur und bei hohen Betriebsspannungen getestet. „Auch das beste Isolierungsmaterial ist nicht perfekt und es gibt immer eine kleine Menge Ladung, die in das Isolierungsmaterial eintritt. Die Gefahr dabei ist, dass die Ladungen eingeschlossen werden und sich dadurch innerhalb des Isolators ein zusätzliches elektrisches Feld aufbaut. Wenn sich dieses entlädt, kann das nach einiger Zeit zu einem Zusammenbruch der Stromübertragung führen“, erläutert Adela Marian vom IASS. An der Ingenieurshochschule ESPCI in Paris testeten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler den experimentellen Aufbau und führten Messungen der Raumladungsakkumulation in der Isolierung durch.
Das Ergebnis ist vielversprechend: In keiner der Messungen wurde in der Isolierung Raumladung entdeckt. Das Risiko eines plötzlichen Zusammenbruchs wegen eines lokalen elektrischen Feldes während des Betriebs des Kabels erscheint daher vernachlässigbar. Dies spricht dafür, dass ein sicherer Betrieb des getesteten Supraleiters aus dem Material Magnesiumdiborid (MgB2) und auch anderer supraleitender Kabel in Stromnetzen mit der genutzten Isolierung möglich ist.
Die Arbeiten gehören zu der europaweiten Forschungsinitiative „Best Paths“, in der Forscherinnen und Forscher das Potenzial von Supraleitern zur Energieübertragung untersuchen. Supraleiter können dabei helfen, den wachsenden Anteil erneuerbarer Energien in Europas Energiemix zu integrieren. Weil die Kabel unterirdisch verlegt werden, sehr wenig Platz beanspruchen und große Mengen Strom transportieren, haben sie einen kleinen ökologischen Fußabdruck und stören anders als die raumgreifenden Hochspannungsleitungen nicht das Landschaftsbild.
