Stand und Technik des BMWi Verbundprojektes isfcl

Transkript

1 Stand und Technik des BMWi Verbundprojektes isfcl Alexander Henning 6. Braunschweiger Supraleiter Seminar

2 Projektpartner Bruker ASC GmbH A. Henning, P. Komorowski, S. Schmidt (Gesamtprojektleitung), D. Krischel Bruker HTS GmbH A. Usoskin (Projektleitung), T. Withnell, A. Rutt Schneider Electric Sachsenwerk GmbH K. Bäuml (Projektleitung), R. Summer, P. Novak, U. Kaltenborn Stadtwerke Augsburg T. Janetschek (Projektleitung) 2

3 Inhalt Projektüberblick Warum einen supraleitenden Strombegrenzer? elektro-magnetisches Design Kryotechnik Zusammenfassung 3

4 Projektüberblick inductive Superconducting Fault Current Limiter isfcl 4

5 Verbundvorhaben isfcl Beteiligte Partner: Funktion Fehlerstrombegrenzung im Netz der Stadtwerke Augsburg zwischen einem Umspannwerk und dem Werk der MTU Onsite Energy GmbH. MTU Onsite Energy stellt Blockheizkraftwerke her und testet diese umfänglich, fungiert also sowohl als Verbraucher wie als Einspeiser.

6 Schneider Electric Überblick über das Unternehmen 19,6 Milliarden Umsatz im Jahr 2010 Mehr als Mitarbeiter in mehr als 100 Ländern Aktivitätsportfolio Energieverteilung von Mittel- und Niederspannung Industrieautomation Gebäudeautomation & Sicherheit Gebäudeinstallation & (Verdrahtungssysteme + Haustechnik) Energiemanagement Unterbrechungsfreie Stromversorgung und Kühlsysteme Dienstleistungen Bild: Schneider Electric Sachsenwerk GmbH

7 Stadtwerke Augsburg Fakten Die Stadtwerke Augsburg sind das drittgrößte kommunale Versorgungsunternehmen im Querverbund in Bayern. Sie versorgen ihre Kunden mit Strom, Erdgas, Fernwärme und Trinkwasser sowie bequeme Mobilität. Strom Erdgas Fernwärme Trinkwasser 997,9 Mio. kwh ,9 Mio. kwh 463,6 Mio. kwh 16,8 Mio Kubikmeter Stand Netzdaten Strom Netzhöchstlast Gesamtleitungslänge MW 2400 km

8 Bruker Corporation - weltweit agierendes Technologieunternehmen mit 5 Bereichen - Umsatz ~ 2 Millarden USD Bruker Energy and Supercon Technologies (BEST) Energieeffiziente Betriebsmittel für die Energietechnik, Industrie, Medizin und Forschung.

9 Bruker Energy and Supercon Technologies (BEST) Bruker EAS & Bruker HTS Hoch- und Tieftemperatur Supraleiter (LTS, HTS) Bruker ASC Supraleitende Magnete und Geräte für Forschungs- Energieversorgungs- und Industrieanwendungen, Beamlines, Synchrotron Instrumentierung RI Research Instruments (51% Bruker) Intrumente für Forschungsanwendungen Hydrostatic Extrusions

10 Verbundvorhaben isfcl Spezifikationen Betriebsspannung 10 kv Bemessungsleistung 15 MVA Bemessungsstrom (eff.) 0,87 ka Fehlerstrom Stoßkurzschlussstrom <5 ka Dauerkurzschlussstrom prosp. Stoßkurzschlussstrom Anfangskurzschlusswechselstrom 10 ka Ansprechzeit ~1 ms Kurzschlussdauer 500 ms 2 ka 25 ka

11 Warum einen supraleitenden Strombegrenzer? inductive Superconducting Fault Current Limiter isfcl 11

12 Das herkömmliche Energienetz Zentrale Erzeugung Wohngebiete Industrie Gebäude Übertragung Verteilung Datenzentren 12

13 Das Energieversorgungsnetz der Zukunft E-Fahrzeuge & Energiespeicher Zentralisierte Erzeugung Wohngebiete Industrie Gebäude Übertragung Verteilung Datenzentren Erneuerbare Energien Dezentrale Erzeugung 13

14 Folgen eines schwerwiegenden Kurzschlusses

15 Lösung: Intelligente Methode zur Begrenzung von Fehlerströmen der induktive supraleitende Strombegrenzer: Senkung der Betriebsverluste im Vergleich zu konventionellen Geräten (Drossel). Reduzierung des Spannungsabfalls im Nennbetrieb. Strombegrenzung im Fehlerfall nach Wunsch. Ertüchtigung und Lebenszeitverlängerung existierender Netze / Geräte. Selbstauslösend und Eigensicher keine aktive Auslösung / Steuerung notwendig. Kurze Ansprechzeit und selbständige Rückkühlung. Kurzschlussdauer bis zu einer Sekunde möglich. Keine Unterbrechung des Strompfades bei Gerätedefekt. Kleine Mengen HTS-Band notwendig.

16 Einsatzgebiete für HTSL-Strombegrenzer (1) Transformatoreinspeisung 4 SB SB 2 (2) Eigenbedarfsversorgung (3) Sammelschienenkupplung (4) Generatorausleitung (5) Anbindung dezentraler 380-kV-Netz 8 8 Erzeuger (6) Teilnetzkupplung 6 SB SB 110-kV-Netz SB 110-kV-Netz 110-kV-Netz (7) Ringnetzschluss (8) Schutz von SL Betriebsmitteln 3 SB SB 3 SB 5 (9) Verlustminderung an Drosselspulen (10) Sammelschienenabzweige 9 SB SB 1 SB 7 Quelle: IEH Universität Hannover 16 SB SB 10

17 elektro-magnetisches Design inductive Superconducting Fault Current Limiter isfcl 17

18 isfcl im Energieversorgungsnetz Normalbetrieb: Eisenkern wird durch HTS magnetisch geschirmt kleine Reaktanz. Primärwindung kleiner als in vergleichbarer Drossel kleiner Widerstand. Kurzschlussbetrieb HTS wird normalleitend damit wird Induktivität der Spule zugeschaltet große Impedanz.

19 Schematischer Aufbau isfcl 19

20 Schematischer Aufbau des isfcl Primärspule HTS-Bänder Shuntbänder Kryostat Eisenkern 20

21 Supraleitende Bandleiter Coated Conductor 40mm breite CC Bänder werden im isfcl verwendet. Ic = A (77K im Eigenfeld). Gutes Kosten Leistungsverhalten wird erwartet.

22 Prinzipieller Aufbau HTS-Shunt Kombination externer Shunt YBCO-Film Verbindungsbrücken Protection Layer 22

23 Struktur eines HTS-Moduls HTS-Band Shunt

24 prinzipieller Aufbau und Stromverteilung der HTS-Module Shunt-Ringe 1-4 HTS-Ringe 1-4 Primärspule HTS 1, 2, 3, 4 24 Stromverteilung in 4 konzentrischen Supraleiterringen

25 Begrenzungsverhalten prosp. Kurzschlussstrom begrenzter Strom Spannung 12,5 10 7,5 Strom in ka ,5 0-2,5 Spannung in kv , ,1 0,2 0,3 0,4 0,5-10 Zeit in s

26 Verhalten Sekundärmodul Strom Spannung magn. Fluss

27 Kryosystem inductive Superconducting Fault Current Limiter isfcl 27

28 Kühlsystem Prinzipieller Aufbau Kältemaschine für Normalbetrieb 77K) Kurzschluss: Zwei Varianten: 1.Offener Gasauslass 2.Puffervolumen Option Offenes System Externer Tank ~ l LN 2 (kein Wiederverflüssigen) GN 2 Puffervolumen ~100 l LN 2 Reservoir zum Füllen nach Quench Verluste im Normalbetrieb: ~ 60-80W / Phase (AC+Kryo) 28 Kryostatberechnung /-konstruktion: ILK Dresden

29 Kühlsystem: Optionen Kriterien für die Auswahl des Kältesystems: Technische Realisierbarkeit Kommerziell verfügbar Anschaffungskosten Betriebskosten (Wartung / Energiebedarf) Akzeptanz des Kunden Beschreibung Vorteile Nachteile Geschlossenes System Rückkühlung im Normal und Fehlerbetrieb Kein Nachfüllen nötig Kein großer LN2 Tank große Kühlleistung nötig Langsame Rückkühlung Hohe Kosten für Kältemaschine (> 300 k ) Hohe Kosten für Kühlerwartung Halboffenes System Rückkühlung im Normalbetrieb, automatisches Nachfüllen im Kurzschlussfall Schnelles Rückkühlen nach Begrenzung Keine manuelles Nachfüllen Kleine Kühlleistung für Nennbetrieb Keine großer sichtbarer LN2 Tank Zusätzlicher kleiner Tank notwendig Nachfüllmechanismus notwendig Kosten für Kühlerwartung Offenes system 29 Nachfüllen im Normal und Fehlerbetrieb Schnelles Rückkühlen nach Begrenzung KeineWartungskostenfürdie Kältemaschine Großer LN2 Tank notwendig Zusätzliche LN2 Verluste im Tank Nachfüllmechanismus notwendig Häufiges Nachfüllen des Vorratstanks 29

30 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 30