2 m Kabelgraben für eine Supraleiter- Hochspannungsstrecke (138 kv) bei LIPA/ Long Island, New York (Foto DOE/US)

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1 Supraleiterkabel im Stromnetz: Hohe Transportkapazität, flächensparend und praktisch verlustfrei. 22 m breiter Kabelgraben für konventionelle Höchstspannungsstrecke (380 kv) in Raesfeld/ Niedersachsen (Foto dpa) 2 m Kabelgraben für eine Supraleiter- Hochspannungsstrecke (138 kv) bei LIPA/ Long Island, New York (Foto DOE/US) Supraleitende Erdkabel sind eine wichtige Alternative zu Freileitungen und konventionellen Erdkabeln für die Stromübertragung im Transport- und Verteilnetz haben bei gleichen äußeren Abmessungen eine 5- bis 10-mal höhere Übertragungskapazität übertragen Gleichstrom verlustfrei und Wechselstrom sehr verlustarm. arbeiten bei Betriebstemperaturen von ca. 200 C. Trotz der erforderlichen Kühltechnik werden die Gesamtverluste um die Hälfte halbiert. verursachen keinen Wärmeeintrag in den Boden und bei konzentrischer Bauweise keine elektromagnetischen Felder. werden in sehr schmale Trassen gelegt. Flächenverbrauch und Eingriffe in die Umgebung sind minimal. eignen sich damit ideal, um besiedeltes Gebiet zu durchqueren oder Engstellen mit minimalem Aufwand zu überwinden. Die Akzeptanz ist deutlich erhöht, Genehmigungsverfahren und Bauzeiten lassen sich im Vergleich zu herkömmlichen Kabeln (Kupfer oder Aluminium) entscheidend verkürzen.

2 Vergleich herkömmliche Kabel (Kupfer oder Aluminium) und Supraleiterkabel Nahezu jedes Stromkabel, das seit Beginn der Elektrifizierung also seit etwa 125 Jahren gelegt worden ist, besteht aus Kupfer oder Aluminium. Kabel aus diesen Metallen leiten elektrischen Strom gut und lassen sich kostengünstig herstellen. Doch sie wandeln auch einen Teil des Stroms in Wärme um, der im Prinzip verloren geht. Die Stadt Berlin zum Beispiel verliert auf diese Weise jährlich rund 400 Millionen kwh, eine Strommenge, mit der Haushalte versorgt werden könnten 1. Für den Transport von Strom ist bislang ein relativ großer Materialeinsatz notwendig und die Anlagen für Stromtransport und Stromverteilung verursachen einen hohen Flächenverbrauch. Dies wird vor allem in dicht besiedelten Gebieten zum Problem. Durch Supraleiterkabel verschieben sich die Grenzen des technisch Machbaren. Sie transportieren bei Betriebstemperaturen unter -180 C ein Vielfaches der Strommenge, die sich mit Leitern aus Kupfer- oder Aluminium übertragen lässt. Das heißt, sie haben bei gleichen äußeren Abmessungen eine 5- bis 10-mal höheres Stromtragevermögen, obwohl sie von einem Kühlmantel umgeben sind, der den größten Teil des Querschnitts einnimmt. Die kompakte Bauweise ermöglicht eine effektive Abschirmung. Supraleitende Kabel können so konstruiert werden, dass sie keine elektromagnetischen Felder in die Umgebung emittieren. Auch thermisch sind die Kabel aufgrund der guten Isolierung völlig neutral. Sie verursachen keine Erwärmung und keine Austrocknung des Bodens. Gemeinsam ermöglichen diese Faktoren eine sehr platzsparende Verlegung supraleitender Kabel. Transportnetz Die technische Machbarkeit von Supraleitern auf der Hochspannungsebene wurde international schon mehrfach erfolgreich demonstriert: In den USA wurde beim Netzbetreiber LIPA 2 auf Long Island bereits 2008 eine 600 m lange Pilotanlage mit 138 kv im Hochspannungsbereich in Betrieb genommen. In Korea hat der Kabelhersteller LS Cable derzeit eine 154 kv Kabelstrecke über mehr als 1 km aufgebaut 3, in Japan wurde eine 275 kv Installation 4 durch den Hersteller Furukawa Electric erfolgreich demonstriert. In Europa hat der Kabelhersteller Nexans ein supraleitendes HGÜ System für 200 kv qualifiziert. 5 Die Vorzüge von Supraleitern werden besonders deutlich am geringen Platzbedarf für die Trassen, der ca. um den Faktor 10 niedriger ist. Für das LIPA-Kabel war ein knapp 2 m breiter Graben (s. Titelbild) ausreichend, während eine parallel verlaufende Freileitung eine Trasse von mehr als 50 m beansprucht. Für konventionelle Höchstspannungs-380 kv-kabelstrecken wird typischerweise mit 20 bis 30 m Trassenbreite geplant (für die Baustelle mit doppelter Breite), in Waldstücken auch mehr wegen notwendiger Abstände zu tiefwurzelnden Bäumen. 1 LooKIT 2014/ _16_08.pdf %2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D /Nexans_schlie_t_Tests_am_weltweit_ersten_supraleit.html Seite 2

3 Obwohl noch keine HTS-Kabel im Höchstspannungsnetz eingesetzt wurden, erscheint der Entwicklungsaufwand aufgrund der vorliegenden Erfahrung im Hochspannungsbetrieb relativ gering. Im Wesentlichen wird es in diesem Zusammenhang um die Optimierung von Endverschlüssen und Muffen gehen. Bei der Herstellung des Dielektrikums ergeben sich sogar Vorteile gegenüber konventionellen Kabeln da sich der Herstellprozess an Isolierungen auf Papierbasis anlehnt, die hier umweltverträglich mit dem sehr effektiven Isolationsmedium Flüssigstickstoff getränkt sind. Diese Technik gilt als besonders zuverlässig und ist technisch einfacher beherrschbar als die VPE-Isolierung moderner Hochspannungskabel. Qualitativer Vergleich verschiedener Optionen für die Höchstspannungs-Stromübertragung Freileitungen Energieverluste Mittel Hoch Auswirkungen auf Landschaftsbild Auswirkungen auf Naturschutz Platzbedarf für Trassen Wärmeemission Konventionelle Erdkabel Sehr hoch Hoch Gering Mittel Sehr hoch Gering Sehr hoch Sehr hoch Gering Praktisch nicht relevant Hoch EM-Felder Hoch Hoch/ Gering* Investitionskosten Gering Hoch Hoch Supraleiter Kabel Praktisch nicht vorhanden Nicht vorhanden Praktisch nicht vorhanden Probleme mit Genehmigung und Akzeptanz Sehr Hoch Hoch Sehr gering Technologiereife Hoch Vorhanden Vorhanden *in Nähe der Kabel sehr hoch, nimmt über die Entfernung schneller ab als bei Freileitungen Verteilnetz - Das Beispiel AmpaCity RWE hat Ende 2013 ein ein Kilometer langes Volt-Supraleiterkabel in das Essener Stromnetz integriert und im April 2014 in den realen Betrieb genommen. Zuvor war im Rahmen einer Studie die technische und wirtschaftliche Machbarkeit supraleitender Kabel in der Innenstadt nachgewiesen worden. Das Kabel transportiert im Vergleich zu herkömmlichen Kabeln eine fünf Mal so hohe Strommenge und ersetzt eine herkömmliche Volt-Leitung. Die Studie hat auch ergeben, dass bei einem kompletten Ausbau der Innenstadt mit 10-kV-Supraleiterkabeln, 40% der 110-kV- Umspannstationen eingespart werden können, die in ihrer Größe mehrstöckigen Wohnblocks Seite 3

4 entsprechen. Die wirtschaftlichen Vorteile, die sich durch Freiwerden von Grundstücken in besten Innenstadtlagen ergeben, wurden in der Studie nicht einmal berücksichtigt. Die technische Bilanz des Projekts nach anderthalb Jahren Betrieb ist ausgesprochen positiv. Das Projekt übernimmt eine weltweite Vorbildfunktion bei der Weiterentwicklung von Stromnetzen in Großstädten und gilt bei Experten als konkreter Schritt auf dem Weg zur Marktfähigkeit der Supraleitertechnik. Das breite positive Medienecho zeigt, dass AmpaCity als eines der richtungsweisenden Energiewende-Projekte wahrgenommen wird, das dem Zeitgeist entspricht und weltweit Interesse findet. AmpaCity wurde aber auch lokal von Anwohnern und von kommunalen Vertretern mit viel Interesse und uneingeschränkt positiv aufgenommen. Derzeit wird erwogen, den Umbau des City- Rings Essen mit einer Länge von ca. 30 km zur vollständigen Versorgung über ein supraleitendes 10-kV-System vorzubereiten. Dabei soll auf den bereits geschaffenen Voraussetzungen und den gewonnenen Erfahrungen aufgesetzt werden. Kostenvergleich Auf Grund des sehr geringen Flächenverbrauchs, erheblicher Verlusteinsparungen und der sehr stark reduzierten Tiefbaukosten sind Supraleiterkabel bereits heute, trotz des höheren Kabelpreises, eine echte Alternative zu Kupferkabeln (s. dazu die Beispielrechnung). Perspektivisch ist davon auszugehen, dass Skaleneffekte in der einsetzenden Mengenfertigung den Preis von Supraleitern noch drastisch (Faktor 5-10) reduzieren werden. Rechenbeispiel für einen Kilometer Transport-Leitung (Kosten in EUR, geschätzt) Kostenart Freileitung Konventionelles Kabel Supraleiter Kabel* Leiterkosten 1 Mio 2 Mio 10 Mio Hochbaukosten 0,5 Mio Tiefbaukosten 8 Mio 1 Mio Gesamtkosten 1,5 Mio 10 Mio 11 Mio *Nicht eingerechnet die Kostenreduktion durch weniger Landverbrauch, Wegerechte etc. Politische Herausforderung, öffentliche Diskussion und Gesetzeslage: Freileitung, Erdkabel oder Supraleiterkabel? Eine der größten Herausforderungen der Energiewende ist der Aufbau einer modernen Netzstruktur, die es ermöglicht, die dezentral erzeugten Energien mit möglichst geringen Verlusten einzuspeisen und dorthin zu bringen, wo sie gerade gebraucht werden. Für den Standort Deutschland ergibt sich daraus eine Herausforderung, die in ihrem Umfang und hinsichtlich der geplanten Umsetzungsgeschwindigkeit weltweit einmalig ist. Während die Struktur des Stromtransportnetzes bisher durch eine verbrauchsnahe, zentralisierte Erzeugung geprägt war, erfolgt gegenwärtig eine zunehmende räumliche Verschiebung und Dezentralisierung. Große Energiemengen, die vor allem im Norden und im Osten Deutschlands erzeugt werden, müssen über neue Trassen schwerpunktmäßig zu Kunden im Süden transportiert werden. Seite 4

5 Der Stromtransport über lange Strecken findet überwiegend auf Ebene der Höchstspannung (HöS) bei 400-kV-Wechselspannung statt. Zudem entstehen neue Trassen zur Übertragung von Gleichstrom (HGÜ). Der Stromtransport soll der bisherigen Planung zufolge überwiegend durch Freileitungen und nur in ausgewählten Regionen durch Höchstspannungskabel (Festschreibung im EnLAG) erfolgen. Die Akzeptanzprobleme der Freileitungstechnik zeigen sich in der breiten öffentlichen Diskussion sowie dem politischen Widerstand gegen neue Strommasten insbesondere im Umfeld dicht besiedelter Gebiete. Vielerorts haben sich Bürgerbewegungen formiert, die zu einer Verzögerung des Netzausbaus beitragen. In der Folge wurden auf politischer Ebene Maßnahmen vereinbart 6, die erstmals einer Erdverkabelung Vorrang einräumen. In dem Eckpunktepapier wurde auch festgelegt, dass mit zusätzlichen Pilotprojekten Erfahrungen gesammelt und technische Entwicklungen vorangetrieben werden sollen. Mehrkosten werden als gerechtfertigt angesehen, da die Maßnahmen zu mehr Akzeptanz und zu einem schnelleren Ausbau führen. Widerstände formieren sich jedoch nicht nur gegen neue Freileitungstrassen. Es bestehen auch Bedenken in erheblichen Umfang gegenüber erdverlegten Hochspannungskabeln. Die Gründe dafür liegen auf der Hand, auch wenn Kabel auf den ersten Blick weniger sichtbar sind. Der Landschaftsverbrauch von Erdkabelstrecken ist sehr hoch, wie derzeit in Raesfeld (bei Borken, Niedersachsen) deutlich wird, wo bundesweit erstmalig ein 400-kV-Kabel direkt im Erdreich verlegt wird. Die aktuelle Baustelle dort ist 42 m breit, da Bodenschutzkonzepte einzuhalten sind, denen zufolge z.b. der Aushub an gleicher Stelle und in gleicher Tiefe wieder eingebaut werden muss. Die Erdkabelstrecke von 3,4 km Länge verläuft durch Felder. Die eigentliche Kabeltrasse ist 22 m breit, die Legetiefe beträgt 2,15 m. Die Breite einer Trasse für konventionelle Erdkabel ergibt sich vor allem daraus, dass die Kabel durch die Verluste beim Stromtransport warm werden. Sie können daher nicht in Bündeln gelegt werden, sondern müssen auf Abstand bleiben, damit sie sich gegenseitig nicht überhitzen und das umgebende Erdreich nicht so sehr erwärmen, dass es zu starker Bodenaustrocknung kommt. Die Trassen stellen Schneisen in der Landschaft dar, da auf ihnen über die gesamte Breite anschließend keine Bebauung möglich ist und sie nur eingeschränkt landwirtschaftlich nutzbar sind. Die Problematik der breiten Trassen gilt in besonderem Maße für Wechselstromkabel, da sie neben den reinen Transportverlusten im Leiter (auch die guten elektrischen Leiter Kupfer und Aluminium haben einen Widerstand) zusätzliche Verluste in der Isolation und durch Stromüberhöhung (Skin- Effekt) aufweisen. Zudem umgeben die Wechselstromleitungen starke elektromagnetische Wechselfelder. Es ist nicht völlig auszuschließen, dass dies bei modernen landwirtschaftlichen Maschinen zu einer Beeinflussung der elektronischen Steuerungssysteme und des GPS-Systems führt. Auch wenn eindeutige wissenschaftliche Studienergebnisse zum Einfluss von elektromagnetischen Feldern auf die menschliche Gesundheit bislang fehlen, sind Anwohner besorgt, sensible Personen fühlen sich beeinträchtigt. Laut EnLAG 7 ist eine Höchstspannungsleitung als Erdkabel zu errichten, wenn die Leitung (Freileitung) in einem Abstand von weniger als 400 Metern zu Wohngebäuden geführt werden soll. 6 Eckpunkte für eine erfolgreiche Umsetzung der Energiewende, Vereinbarungen der Parteivorsitzenden der Regierungsparteien vom 1. Juli Seite 5

6 Mindestabstände zu Wohngebieten müssen aber auch eingehalten werden, wenn Hoch- oder Höchstspannungsstrecken nicht in Form von Freileitungen, sondern mit erdverlegten Hochspannungskabeln ausgeführt werden. Dies gilt in besonderem Maße für sensible Einrichtungen wie Krankenhäuser oder Kindergärten. Ein Nachteil von Erdkabeln gegenüber Freileitungen sind die erheblich höheren Kosten. Der Bau verteuert sich typischerweise um einen Faktor fünf. Die Investition für die Erdkabelstrecke bei Raesfeld ist um das Siebenfache höher als für eine Freileitungsstrecke. Diese Mehrkosten sind nur zum Teil materialbedingt. Erdkabel benötigen mehr Leitermaterial als Freileitungsseile und zudem eine Kunststoffisolierung. Der größte Teil der Kosten entfällt jedoch auf Tiefbauarbeiten, die von den örtlichen und geologischen Gegebenheiten und vor allem von der Anzahl der Querungen mit anderen Infrastruktureinrichtungen abhängen und in ihrem Umfang sehr stark variieren können. Die Infrastrukturkosten erhöhen sich noch einmal, wenn Erdkabel durch bebaute Gebiete oder Ballungszentren geführt werden müssen, wo eine Legung nur in Tunneln möglich ist, da die Trassenbreiten für eine Erdverlegung nicht zur Verfügung stehen. Aktuelle Beispiele und Berechnungen zeigen, dass in diesem Fall Infrastrukturkosten von ca. 10 Mio. pro km veranschlagt werden müssen. Zur Reduktion der Magnetfelder der Hochspannungskabel werden Kompensationsleiter vorgeschlagen, die aber zusätzliche Stromverluste verursachen und dadurch weitere Wärmeemissionen erzeugen. Kabeltunnel müssen im Betrieb wegen des Wärmeanfalls insgesamt aktiv zwangsgekühlt werden. Höchstspannungskabel werden daher in Deutschland auf der 400-kV-Ebene bisher nur in Ausnahmefällen eingesetzt. Die BEWAG hat z.b. ein 6,3 km langes Teilstück einer insgesamt 27,5 km langen elektrische Verbindung der elektrischen Netze im Osten und Westen der Hauptstadt (zwei Kabel mit je 1200 MW Übertragungskapazität und 400 kv Spannung) in einem Tunnelbauwerk verlegt. Die Investition hierfür betrug inklusive aller Nebenkosten 400 Millionen DM 8. Dem entsprechend sind auch konventionelle HöS-Kabel bei den Herstellern bislang kein Standardprodukt. Sie werden individuell gefertigt und müssen speziell geprüft und getestet werden. Handlungsvorschläge für den Einsatz von Supraleitern im Transportstromnetz Die Bundesnetzagentur weist in einer aktuellen Evaluation der Anreizregulierung und des Investitionsverhaltens der Netzbetreiber für das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie explizit auf die Vorteile der Supraleitertechnologie hin. 9 Aufgrund der eindeutigen Vorzüge sollte die Entwicklung von Supraleiter Kabeln für die HöS- Energieübertragung zügig vorangetrieben werden. Vorrangig sollte der Fokus zunächst auf Strecken von einigen Kilometern Länge liegen. Hierfür bieten sich Zwischenverkabelungen an neuralgischen Punkten und Engstellen innerhalb großer 380-kV-Drehstromtrassen an. Dies steht auch in Einklang mit der schrittweisen Erhöhung der Fertigungskapazitäten und der Verfügbarkeit von Supraleiter Drähten. Für den Einsatz von Supraleitern im Transportstromnetz hat wegen fehlender Rahmenbedingungen bislang der Anreiz gefehlt. Mit der jetzt erfolgten Priorisierung für die Verkabelung wurde dieser 8 9 Evaluierungsbericht nach 33 Anreizregulierungsverordnung der BNetzA vom 21. Jan. 2015, III-C Innovationen, S Seite 6

7 geschaffen. Die Supraleitertechnik stellt dabei eine real existierende Alternative zu konventionellen VPE-Kabeln dar und sollte auch so benannt werden. Im Sinne der Aussagen des o.g. Eckpunktepapiers müssen Supraleiterkabel für Pilotdemonstrationen konkret ins Auge gefasst werden, denn sie ermöglichen die geplanten Maßnahmen auch in kritischen Bereichen umzusetzen, für mehr Akzeptanz in der Bevölkerung zu sorgen und damit die Energiewende insgesamt zu beschleunigen. Dr. Werner Prusseit, THEVA Dünnschichttechnik GmbH Dr. Joachim Bock, Bock SuperConductors Consulting GmbH Ansprechpartnerin: Adriana Olivotti Raum für Technik GmbH & Co. KG T: H: 0160/ E: W: Seite 7

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