Was ist ein supraleitendes Kabel?
Supraleitende Kabel sind Kabel zur Übertragung von elektrischer Energie mit einem Leiter ohne elektrischen Widerstand.
Derzeit ist die Technologie technisch praktikabel, aber es sind noch einige Fragen zu klären, wie z. B. die Entwicklung von Kühlsystemen und die Verbindungstechnik von Kabel zu Kabel, bevor sie kommerziell genutzt und der breiten Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden kann.
Theoretisch haben supraleitende Kabel keinen elektrischen Widerstand, so dass es keine Verluste bei der Stromübertragung gibt. Dies ermöglicht den Bau von Stromübertragungssystemen über große Entfernungen. In der Praxis treten jedoch bei der Übertragung von Wechselstrom mit hohen Strömen Kabelverluste auf, wenn auch nicht in demselben Ausmaß wie bei herkömmlichen Kabeln.
Anwendungen für supraleitende Kabel
Der Verwendungszweck supraleitender Kabel, die mit Hilfe der Supraleitertechnologie hergestellt werden, ist die Übertragung von elektrischer Energie.
Theoretisch entsteht auch bei der Übertragung hoher Leistungen mit supraleitenden Kabeln keine Wärme und es kommt zu keinem Spannungsabfall, da es keinen elektrischen Widerstand im Kabel gibt. Das bedeutet, dass unabhängig von der Übertragungsdistanz große Mengen an Strom übertragen werden können. Allerdings gibt es einen leichten Verlust, der als AC-Verlust bezeichnet wird.
Bei der Verwendung supraleitender Kabel für die Wechselstromübertragung treten zwar geringe Verluste auf, aber im Vergleich zu herkömmlichen Kupferkabeln können die Übertragungsverluste um etwa 95 % reduziert werden.
Funktionsweise der Supraleitenden Kabel
Theoretisch ist der Widerstand supraleitender Kabel gleich Null, und die Querschnittsfläche des Übertragungskabels kann sehr klein gehalten werden. Dies ermöglicht eine Verkleinerung der riesigen Übertragungsanlagen, Sendetürme und Übertragungskabel, die Teil der Stromübertragungsinfrastruktur sind, was von großem Vorteil ist.
Da es bei der Stromübertragung über große Entfernungen keinen Spannungsabfall gibt, ist es möglich, große Strommengen mit niedrigen Spannungen zu übertragen, anstatt mit den derzeit verwendeten hohen Spannungen. Derzeit erfolgt die Stromübertragung mit Wechselstrom, aber mit supraleitenden Kabeln ist es möglich, Gleichstrom zu übertragen.
Die Gleichstromübertragung mit supraleitenden Kabeln befindet sich noch im Versuchsstadium, aber die technologische Entwicklung ist weltweit im Gange.
Arten von supraleitenden Kabeln
Supraleitende Kabel auf Yttriumbasis sind Materialien, die mit flüssigem Stickstoff supraleitend werden. Aufgrund ihres hohen kritischen Stroms und ihrer guten Magnetfeldeigenschaften können sie als Draht für supraleitende Energieanlagen wie Stromkabel und Transformatoren eingesetzt werden. Als hocheffiziente Stromübertragungstechnologie können die Übertragungsverluste im Vergleich zu herkömmlichen Kabeln um etwa ein Viertel reduziert werden. Es sind sowohl kompakte und leichte Kabel als auch supraleitende Kabel mit hoher Kapazität erhältlich.
Auswahl eines supraleitendes Kabels
Obwohl supraleitende Kabel große Energiemengen mit sehr geringen Verlusten übertragen können, gibt es Probleme, die bei supraleitenden Kabeln gelöst werden müssen.
Wenn supraleitende Kabel für die Wechselstromübertragung verwendet werden, treten Kabelverluste auf. Diese Kabelverluste hängen auch von der zu übertragenden Leistung ab, so dass bei der Übertragung großer Leistungen entsprechende Maßnahmen getroffen werden müssen. Darüber hinaus ist die kritische Temperatur der Supraleitung inzwischen auf -196 °C gestiegen, aber es ist wichtig, eine Technologie für Kühlsysteme mit flüssigem Stickstoff oder ähnlichem zu entwickeln.
Die meisten Stromerzeugungsanlagen für natürliche Energie, wie z. B. die Photovoltaik, arbeiten mit Gleichstrom, und der erzeugte Strom wird in Wechselstrom umgewandelt, übertragen und dann wieder in Gleichstrom umgewandelt, um ihn nach der Übertragung an die Haushalte zu nutzen. Die Gleichstromübertragung mit supraleitenden Kabeln reduziert die Übertragungsverluste im Vergleich zur Wechselstromübertragung um die Hälfte.
Aufbau der Supraleitenden Kabel
Supraleitende Kabel haben eine supraleitende Leiterschicht, die aus mehreren Lagen von supraleitenden Drahtbändern besteht, die spiralförmig um einen Spulenkörper in der Mitte des Kabels gewickelt sind. Der Former ist eine Kupferlitze, die für die mechanische Festigkeit des Kabels verantwortlich ist und als Bypass für Ströme dient, die bei Unfällen im Stromnetz entstehen.
Um die Außenseite der supraleitenden Leiterschicht ist ein elektrisches Isoliermaterial gewickelt, um eine elektrische Isolierschicht zu bilden. Das supraleitende Kabel ist spiralförmig um die darüber liegende supraleitende Abschirmschicht gewickelt.
Die supraleitende Abschirmschicht ist in der Lage, das durch den Strom, der durch die supraleitende Leiterschicht fließt, verursachte Magnetfeld abzuschirmen, ohne dass das Magnetfeld aufgrund des Induktionsstroms in der entgegengesetzten Richtung nach außen entweicht. Auf der Außenseite befindet sich eine Schutzschicht aus Kupferdraht, die eine Kabelseele für eine Phase bildet, die in einem Isolierrohr untergebracht ist. Das Isolierrohr hat eine Doppelrohrkonstruktion mit gewellten Edelstahlrohren, die ein Vakuum aufrechterhält und das Eindringen von Wärme von außen verhindert.