Supraleiterkabel. eine Machbarkeitsstudie

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Bettina Weiner
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1 Supraleiterkabel eine Machbarkeitsstudie Beate West Nexans Deutschland GmbH 12. Mai

2 Inhalt Supraleitende Kabelsysteme LIPA-Projekt Machbarkeitsstudie 2

3 Inhalt Supraleitende Kabelsysteme LIPA-Projekt Machbarkeitsstudie 3

verbindet die Kabelenden mit anderen Hochspannungs-Bauteilen gleicht Temperaturunterschiede zwischen flüssigem Stickstoff

4 Komponenten eines HTS-Kabelsystems Kabelkern Stromtransport Spannungsfestigkeit Kabel-Kryostat thermische Isolierung hält das Kabel kalt (Betriebstemperatur ~ 75 K (~ -200 C)) transportiert den flüssigen Stickstoff Endverschlüsse Muffen verbindet die Kabelenden mit anderen Hochspannungs-Bauteilen gleicht Temperaturunterschiede zwischen flüssigem Stickstoff und Umgebungstemperatur aus Verbindung zum Kühlsystem Verbindung zwischen Kabelstücken eventuell Verbindung mit Kühlsystem Kühlsystem 4

5 Supraleitende Drähte BSCCO: Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10 (Bi-2223) YBCO: YBa 2 Cu 3 O 7 (Yi-123) Material der ersten Generation (1G) Material der zweiten Generation (2G) multifilamentäre Struktur in einer beschichteter Leiter mit Silber-Matrix Mehrfachschicht-Struktur in Kilometerlängen verfügbar zukünftig deutlich günstiger ein Draht trägt bis zu 200 A herzustellen als 1G Drahtgeometrie: 4,3 mm 0,4 mm ein Draht trägt derzeit bis zu 100 A Drahtgeometrie: 4,4 mm 0,4 mm 5

Eigenschaften (trockene Biegung) Dielektrikum ist in flüssigem Stickstoff unter Druck getränkt Blasen in diesem werden

6 Hochspannungsisolierung Dielektrikum gewickeltes Dielektrikum aus PPLP (polypropylene laminated paper) geringer Verlustfaktor tan δ hohe dielektrische Festigkeit Verarbeitung auf konventionellen Papierwickelmaschinen gute mechanische Eigenschaften (trockene Biegung) Dielektrikum ist in flüssigem Stickstoff unter Druck getränkt Blasen in diesem werden dadurch vermieden. Niedriger Verlustfaktor ist besonders bei höheren Spannungsebenen wichtig, da alle Verluste im Kabel weggekühlt werden müssen. 6

Thermische Isolierung Kryostat 1. inneres Wellrohr 2. Abstandshalter mit geringen thermischen Verlusten 3. Superisolierung (Aluminiumbedampfte Folien und Vlies) 4. Vakuumzwischenraum (<10-5 mbar) 5.

7 Thermische Isolierung Kryostat 1. inneres Wellrohr 2. Abstandshalter mit geringen thermischen Verlusten 3. Superisolierung (Aluminiumbedampfte Folien und Vlies) 4. Vakuumzwischenraum (<10-5 mbar) 5. äußeres Wellrohr 6. PE-Außenmantel (optional) Herstellung: Nexans UNIWEMA Maschinen Qualitätskontrolle: Helium-Lecktest mit hoher Empfindlichkeit zur Gewährleistung eines langzeitstabilen Vakuums 7

8 Aufbau HTS-Kabel HTS-Kabel mit kaltem Dielektrikum HTS-Kabel mit warmen Dielektrikum konzentrische HTS-Kabel 8

9 HTS-Kabel mit kaltem Dielektrikum äußere Kabelhülle flüssiger Stickstoff als Kühlmittel HTS-Leiter Kupferkern Hochspannungsisolierung HTS-Schirm Kupferschirm inneres Kryostat-Wellrohr äußeres Kryostat-Wellrohr 9

10 HTS-Kabel mit warmem Dielektrikum äußere Kabelhülle Kupferschirm Hochspannungsisolierung flüssiger Stickstoff als Kühlmittel Former HTS-Leiter Schutzlage flüssiger Stickstoff als Kühlmittel inneres Kryostat-Wellrohr äußeres Kryostat-Wellrohr 10

11 Konzentrisches HTS-Kabel äußere Kabelhülle äußeres Kryostat-Wellrohr inneres Kryostat-Wellrohr Flüssiger Stickstoff Kupferschirm Hochspannungsisolierung HTS-Leiter Former Flüssiger Stickstoff 11

12 Kabelfertigung 12

Dielektrikums berücksichtigt die mechanischen Anforderungen beim Biegen sowie die Erfordernisse

13 Kabelfertigung II Kabelfertigung erfolgt auf konventionellen Verseilmaschinen als industrieller Prozess Anpassung der vorhandenen Maschinen an die Anforderungen des HTS-Materials Aufbau des Dielektrikums berücksichtigt die mechanischen Anforderungen beim Biegen sowie die Erfordernisse für die Hochspannungsisolierung Fertigung des Kabel-Kryostaten mit UNIWEMA Technologie um die Kabelader 13

14 Kabelverlegung Kaltes Dielektrikum Konzentrische Phasen 3 Phasen in einem Kryostaten 3 separate Phasen MS Betriebsspannung HS 14

15 Endverschlüsse Vertikaler Teil: Aufnahme des Temperaturgradienten (von 65 bis 300 K) Verbindung zum Netz Horizontaler Teil: Verbindung zum HTS-Kabel Ausgleich des Schrumpfungsvorganges beim Abkühlen 15

16 Kühlsystem Rücklauf Vorlauf Kühlanlage LN 2 Tank 16

17 Vorteile von HTS-Kabeln höhere Übertragungsleistung bei gleicher Spannungsebene gleiche Übertragungsleistung bei niedriger Spannungsebene geringer Platzbedarf Die vorhandene Infrastruktur und Kabeltrassen können verwendet werden. thermisch autark keine Bodenaustrocknung sehr gute EMV nahezu keine äußeren Magnetfelder 17

18 Inhalt Supraleitende Kabelsysteme LIPA-Projekt Machbarkeitsstudie 18

LIPA-Projekt Projektpartner: AMSC, Nexans, Air Liquid, Long Island Power Authority (LIPA) Ort: Schaltanlage Holbrook, Long Island Schaltstation Elektrische Eigenschaften: Spannung/Strom 138 kv/2400

19 LIPA-Projekt Projektpartner: AMSC, Nexans, Air Liquid, Long Island Power Authority (LIPA) Ort: Schaltanlage Holbrook, Long Island Schaltstation Elektrische Eigenschaften: Spannung/Strom 138 kv/2400 A, 574 MVA Kurzschlußstrom A für 200 ms Physikalische Eigenschaften: 600 Meter Länge: 600m HTS-Länge: ~155 km (BSCCO) Aufbau: Einleiterkabel, kaltes Dielektrikum Besonderheiten: geschlossenes Kühlsystem Holbrook Schaltanlage Einzug in HDPE-Rohre Inbetriebnahme: April

20 Prüfung des Kabels und der Endverschlüsse Testprogramm für das Kabel und die Endverschlüsse wurde mit dem US Department of Energy und den Projektpartnern abgestimmt Testprogramm basiert zu größten teil auf vorhandenen Normen Prüffeld wurde speziell für HTS- Kabel aufgebaut 20

21 Helium-Lecktest 21

22 Transport 22

23 Verlegung 23

24 Kühlanlage 24

25 Endverschlüsse 25

26 Online-Überwachung des Systems 26

27 LIPA2-Projekt Existierende Endverschlüsse HTS-Kabel (2G) SCADA Power Heat Muffe Return Redundant Cooling & Control Bulk LN 2 Storage Supply 600 m langes Kabel mit 2G-Material Kabelmuffe Handhabung der thermischen Ausdehnung im Kabel reparierbarer Kryostat 27

28 Inhalt Supraleitende Kabelsysteme LIPA-Projekt Machbarkeitsstudie 28

29 Machbarkeitsstudie Studie zur technischen und wirtschaftlichen Machbarkeit des Einsatzes supraleitender Kabel am Beispiel der Innenstadt von Essen 29

30 Autoren Peter Anders, RWE Rhein-Ruhr Verteilnetz GmbH Joachim Bock, Nexans SuperConductors Wilfried Goldacker, KIT Francesco Grilli, KIT Achim Hobl, Nexans SuperConductors Lutz Hofmann, Leibniz Universität Hannover Martin Kleimaier, Nexans SuperConductors Frank Merschel, RWE Rheinland Westfalen Netz AG Mathias Noe, KIT (Federführend) Astrid Petermann, RWE Rheinland Westfalen Netz AG Christian Prause, RWE Netzservice Bernd Rüdiger Oswald, Hannover Klaus Schippl, Nexans Deutschland Frank Schmidt, Nexans Deutschland Bernhard Slomka, RWE Rhein-Ruhr Netzservice GmbH Rainer Soika, Nexans Deutschland Mark Stemmle, Nexans Deutschland Thomas Theisen, RWE Rheinland Westfalen Netz AG 30

31 Konventionelles Stadtnetz 31

32 Stadtnetz mit Mittelspannung-HTS-Kabeln - 12,1 km 110-kV-Kabelsystem - 12 x 110-kV-Leitungsschaltfelder - 5 x 110/10-kV-Transformatoren und Schaltfelder + 23,4 km HTS-Kabelsystem + 16 x 10-kV-Leitungsschaltfelder + 3 x 10-kV-Kupplungsfelder 32

33 Grabenprofile im Vergleich N2XS(FL)2Y 1 x 300 RM/35 NA2XS2Y 1 x 630 RM/35 Nexans HTS 10/40 33

HTS-Kabelaufbau Dauerleistung 40 MVA 1G Drähte: einlagiges Design (I c = 160-190 A) Nennspannung Dauerstrom Länge 10 kv

34 HTS-Kabelaufbau Dauerleistung 40 MVA 1G Drähte: einlagiges Design (I c = A) Nennspannung Dauerstrom Länge 10 kv 2309 A 1 km 77 km HTS-Drähte / 1 km Kabel 2G Drähte: zweilagiges Design (I c =70-90 A) 184 km HTS-Drähte / 1 km Kabel 34

35 Zusammenfassung Durch den Einsatz von 10-kV-Kabeln können vier von zehn 110/10-kV- Umspannstationen in der Innenstadt von Essen entfallen. Der Ausbau mit konventionellen 10-kV-Kabeln stellt wegen des hohen Trassenbedarfs und der hohen Verluste keine sinnvolle Alternative dar. Der Netzausbau mit HTS-Kabeln ermöglicht gegenüber dem 110-kV- Zielnetz eine einfachere Netzstruktur bei geringerem Trassen- und Flächenbedarf. Beim Netzausbau mit HTS-Kabeln lassen sich im Vergleich zum 110-kV- Zielnetz die Gesamtkosten senken. 35

36 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 36

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