Gipfeltreffen der weltweit führenden Hochtemperatur-Supraleiter-Unternehmen in Erlangen

Die Gastgeber sind in diesem Jahr Siemens Corporate Technology und der europäische Verband der Supraleiter-Industrie CONECTUS (CONsortium of European Companies determined To Use Superconductivity).

Supraleiter transportieren den Strom in Magnetresonanztomographen (MRT) oder halten riesige Teilchenbeschleuniger in Schwung. Bei Temperaturen weit unter minus 100 Grad Celsius verändern sich die Eigenschaften der stromleitenden Materialien. Sie verlieren nahezu ihren elektrischen Widerstand und werden zu perfekten Stromleitern. Schon vor Jahrzehnten wurde dieser Effekt für einige wenige Anwendungen wie etwa die Magnetresonanztomographie genutzt.

Da konventionelle Supraleiter aber aufwändig mit sehr teurem Helium gekühlt werden müssen, ließ der große industrielle Durchbruch auf sich warten. Vor genau 20 Jahren aber änderte sich die Situation schlagartig: Ein deutsch-schweizerisches Forscherteam entdeckte das Phänomen der Hochtemperatur-Supraleitung (HTS). Die Fachwelt war begeistert, denn Hochtemperatur-Supraleiter arbeiten bei höheren Temperaturen und lassen sich einfach mit flüssigem Stickstoff kühlen – eine weit weniger aufwändige Prozedur.

Experten versprachen schon damals supraleitende Stromkabel. Doch die Suche nach einem robusten, handhabbaren und kostengünstigen HTS-Material war schwierig. Seit geraumer Zeit überschlagen sich in der Branche die Fortschritte. In immer kürzeren Abständen präsentieren Experten weltweit neue HTS-Entwicklungen, neue leistungsfähige HTS-Materialien, neue Anwendungen und viel versprechende Prototypen. Kein Zweifel: Der große Durchbruch der Technologie steht bevor.

Was die Branche erreicht hat und wie die Entwicklung künftig weitergeht, diskutieren Spitzenforscher und Vertreter der weltweit führenden Hochtemperatur-Supraleiter-Unternehmen jetzt erstmals in Erlangen. Unter dem Motto „20 Jahre Hochtemperatur-Supraleitung – Erfolge und Herausforderungen“ (20 Years of High-Temperature Superconductors – Successes and Challenges) findet dort am 28. und 29. September das 15. International Superconductivity Industry Summit statt – das bedeutendste Gipfeltreffen der Branche, das seit 1992 jährlich abwechselnd in den USA, Japan und Europa veranstaltet wird. Neben den Industrieorganisationen CCAS (Coalition for the Commercial Application of Superconductors) aus den USA und ISTEC (International Superconductivity Technology Center) aus Japan sind Vertreter aus China, Korea und Neuseeland eingeladen. Präsentiert werden eine Reihe aktueller Projekte, mit denen man derzeit die Technik in den Markt bringt. Dazu zählt der erste Generator mit Hochtemperatur-Supraleiter, der zukünftig Schiffe besonders energiesparend antreiben soll. Die Anlage enthält statt einer Magnetspule aus Kupfer dünne Supraleiter-Drähte. Das führt zu einer deutlichen Reduzierung der Energieverluste und damit zu einer erheblichen Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades. Zudem wird ein solches Aggregat deutlich leichter und kompakter als herkömmliche Maschinen sein. 4-Mega-Volt-Ampere erzeugt das Gerät von der Größe eines Kleintransporters – eine Leistung, mit der man 200 durchschnittliche Haushalte versorgen könnte.

„Die HTS-Branche befindet sich in einer außergewöhnlichen Situation – sie entwickelt Maschinen und Geräte, für die es noch keine etablierten Märkte beziehungsweise Abnehmer gibt“, sagte Heinz-Werner Neumüller, bei Siemens Corporate Technology im Forschungszentrum in Erlangen zuständig für die Abteilung Power Components and Superconductivity. „Forscher und Unternehmen gehen deshalb mehr und mehr internationale Kooperationen ein, um das Risiko der Entwicklung bis zum marktreifen Produkt zu teilen und vor allem um diese Entwicklung zu beschleunigen“. Neumüller, zugleich Chairman von CONECTUS, ist davon überzeugt, dass sich die HTS-Technik wegen ihrer eindeutigen Vorteile in den kommenden Jahren breit etablieren wird – etwa dank der Möglichkeit, damit Energie zu sparen. Dieses geschieht insbesonders bei der Erzeugung, dem Transport und der Verteilung von elektrischem Strom. Ein Beispiel ist das weltweit erste HTS-Starkstromkabel, das nach einem sechsmonatigen Pilotbetrieb, der im Juli dieses Jahres begonnen hat, in die kommerzielle Nutzung übergehen wird. IGC-SuperPower, Inc. will das mit flüssigem Stickstoff tiefgekühlte, von der japanischen Sumitomo Electric Industries Ltd. entwickelte Energiekabel künftig zur Entlastung des Stromnetzes in Albany im US-Staat New York einsetzen. Weiterhin liefert American Superconductor Corporation HTS-Draht für ein Kabelsystem zur Energieversorgung von städtischen Außenbezirken in Columbus (Ohio) und arbeitet zusammen mit NEXANS an einem HTS-Hochspannungsübertragungskabel für den Einsatz im Netz der Long Island Power Authority. Ein großes Engagement zeigt auch Korea, wo ein für zehn Jahre staatlich gefördertes Projekt eine Vielzahl von HTS-Anwendungen in der Energietechnik vorantreibt. Auch China treibt ebenfalls mit Macht eine Fülle prestigeträchtiger HTS-Projekte voran. In Erlangen werden Experten die verschiedenen Ansätze vorstellen.

Angesichts der regen internationalen Aktivitäten mahnt Neumüller, die deutsche HTS-Forschung künftig stärker zu unterstützen – insbesondere durch staatliche Förderprojekte. „In der Vergangenheit endete die Förderung oftmals, bevor eine Idee die Marktreife erlangte“, sagte der Siemens-Forscher. „Die Konsequenz: Internationale Partner übernehmen die Idee und produzieren anschließend im Ausland.“ Doch es gibt auch Positivbeispiele: Mit Unterstützung des Bundesforschungsministeriums hat der Hersteller Nexans gemeinsam mit dem Forschungszentrum Karlsruhe den ersten „supraleitenden Strombegrenzer“ für Energieversorgungsnetze entwickelt. Das Gerät hat bereits eine einjährige Testphase im Routinebetrieb bei der RWE Energie AG in Netphen bei Siegen hinter sich. Dort war es an das 10-Kilovolt-Netz angeschlossen. Es soll zukünftig wie eine Art Sicherung Stromnetze vor Kurzschlüssen schützen. Mit solchen so genannten Mittelspannungsnetzen werden Gemeinden und Städte versorgt. Wie die Sicherung im heimischen Keller fängt der Strombegrenzer Kurzschlussströme ab, die durch Defekte an den Leitungen, Berührungen mit Bäumen oder Blitzschlag entstehen. Ein solcher Strombegrenzer muss im Kurzschlussfall einen hohen elektrischen Widerstand besitzen. Im Normalbetrieb dagegen soll der elektrische Widerstand des Geräts möglichst gering sein. Diese Eigenschaften erfüllen Supraleiter: Bei tiefen Temperaturen besitzen sie bis zu einer bestimmten Stromstärke keinen elektrischen Widerstand. Erst wenn der kritische Strom überschritten wird, verliert der Apparat innerhalb von Millisekunden seine supraleitenden Eigenschaften und wird selbst zum elektrischen Widerstand. Der Vorteil: Nach dem Einsatz stellt sich die Supraleitfähigkeit wieder von allein ein. Kein Bauteil muss ausgetauscht, keine Sicherung wieder eingesetzt werden. Angesichts der Zunahme von dezentralen Stromerzeugern wie etwa Windräder und kleine Heizkraftwerke, also von vielen kleinen Generatoren, wird die Häufigkeit der Kurzschlussströme zukünftig zunehmen, sagen Experten voraus. Denn häufig seien Generatoren die Quelle von Kurzschlussströmen. Strombegrenzer dürften sich in den kommenden Jahren deshalb zu einem unentbehrlichen Sicherungssystem mausern. Derzeit arbeitet man an einer Variante für Hochspannungsnetze mit mehr als 100.000 Volt.

Dank neuer haltbarer und leistungsfähiger HTS-Materialien wird die Zahl der Anwendungen in den kommenden Jahren deutlich steigen, sagte Neumüller. In Erlangen werden die Spitzenforscher der Welt diese Konzepte vorstellen. Neumüller: „Genauso sicher aber ist, dass für den Erfolg noch große Anstrengungen nötig sein werden, um einerseits die Leistungsfähigkeit der HTS-Systeme weiter zu steigern und andererseits die Komplexität der Anlagen und ihren Preis zu senken.“ Auch das wird ein Thema der Konferenz sein.