Neues supraleitendes Material für die Energieübertragung über große Entfernungen

175th Knowledge Seekers Workshop June 8, 2017 (Juni 2019).

Anonim

Die Energielandschaft in Europa verändert sich rapide und der Anteil erneuerbarer Energien steigt stetig. In Deutschland beispielsweise lieferten Solar- und Windenergie im Jahr 2015 durchschnittlich 33% der gesamten Stromproduktion. Und der Ausstieg aus der Kernenergie als Teil der Energiewende oder der Energiewende wird zum Ausbau der Stromerzeugung führen lokales Stromnetz.

Erneuerbare Energien hängen jedoch von den lokalen Wetterbedingungen ab, von der Möglichkeit, dass Strom von einer Region zur anderen geleitet wird, und auch vom Bau eines neuen Fernleitungsnetzes, das die Länder in Europa verbindet.

Mit der bestehenden Technologie sind Hochspannungs-Gleichstrom-Freileitungen derzeit die günstigste Variante. Die ländliche Bevölkerung und die Umweltgruppen sind jedoch stark gegen diese Lösung mit ihren unansehnlichen Pylonen.

Eine Alternative ist die unterirdische Verlegung von Kupfer- oder Aluminium-Hochspannungsleitungen, eine Lösung, die in bewohnten Gebieten zum Einsatz kommt, aber aufgrund der viel höheren Kosten im Vergleich zu Freileitungen wird dies wahrscheinlich nicht über lange Strecken angewendet.

Ein weiterer Nachteil des Energietransports durch Kupfer- oder Aluminiumleitungen sind Übertragungsverluste, die durch den elektrischen Widerstand dieser Drähte verursacht werden. Dieser Widerstand verursacht die Erwärmung von Drähten und den Verlust von Energie. Bei langen Leitungen kann der Energieverlust bis zu 10 Prozent der übertragenen Energie betragen. Auf europäischer Ebene entspricht das einer Produktion von 3 bis 5 Großkraftwerken.

Im Jahr 1911 identifizierte die niederländische Physikerin Heike Kamerling Onnes Supraleiter. Er entdeckte, dass einige Metalle, wenn sie auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt abgekühlt werden, jeglichen elektrischen Widerstand verlieren. Zum Beispiel fließt ein Strom, der in einer geschlossenen Niobschleife fließt, die praktisch auf dem absoluten Nullpunkt gehalten wird, für immer. Der Wissenschaftler schlug vor, dass supraleitende Drähte eine gute Idee für den Energietransport sein könnten.

Der erste praktische Vorschlag wurde vor 50 Jahren vom amerikanischen Physiker Richard Garwin formuliert. Er schlug vor, dass eine 1000-km-Übertragungsleitung, die 100 Gigawatt (zu dieser Zeit die gesamte in den USA erzeugte Energie) transportiert, durch ein einziges unterirdisches supraleitendes Kabel mit nur 30 cm Breite inklusive Kühlsystem übertragen werden könnte. Der Nachteil war, dass eine Abkühlung des Drahtes auf ein paar Grad über dem absoluten Nullpunkt zu teuer gewesen wäre.

In den 1980er Jahren entdeckten Wissenschaftler neue keramische Materialien, die bei viel höheren Temperaturen, bis zu 70 Grad über dem absoluten Nullpunkt, supraleitend werden. Obwohl das Kühlen viel billiger wäre, sind diese Hochtemperatursupraleiter schwierig herzustellen und für die Verwendung über lange Strecken zu teuer. Wegen der hohen Kosten sind die Energieversorger skeptisch gegenüber ihrer Nutzung im Energietransport.

Aber im Jahr 2001 entdeckten Forscher in Japan, dass eine ziemlich einfache Verbindung, Magnesiumdiborid (MgB 2), bei einer Temperatur von 39 Grad über dem absoluten Nullpunkt (39 K) supraleitend wird. Im Jahr 2011 initiierte der Physik-Nobelpreisträger Carlo Rubbia am Institut für Advanced Sustainability Studies (IASS) in Potsdam einen Forschungscluster, der die Anwendung von supraleitenden Leitungen für den Energietransport untersucht.

Magnesiumdiborid ist nur in Pulverform erhältlich, aber Forscher von Columbus Supraleitern in Genua, Italien, stellten fest, dass das Material in langen Strängen hergestellt werden konnte, indem Kupfer- oder Nickelrohre mit dem Pulver gefüllt und gesintert wurden. "Hohe Kosten haben den Weg für den Energietransport über lange Strecken mit Supraleitern versperrt. MgB 2 hat das Spiel wirklich verändert", sagt Giovanni Grasso, Generaldirektor und Mitbegründer des Unternehmens.

2014 bestätigte ein erster Test des MgB 2 -Drahtes am CERN, dass das Material eine gute Wahl wäre. "Der MgB 2- Draht wurde mit einem sehr hohen Strom von bis zu 20.000 Ampere getestet, und dieses Experiment bestätigte das Potenzial von MgB 2 als Supraleiter der Wahl für den Energietransport über große Entfernungen", sagt Adela Marian, Physikerin am IASS.

Das Institut beteiligt sich an einer Studie zu Supraleitern im Rahmen des europäischen Projekts Best Paths mit CERN, Columbus und anderen Forschungsgruppen. Sie planen nun eine Demonstration, bei der ein MgB 2 -Kabel unter Bedingungen getestet wird, die denen zukünftiger Energieübertragungssysteme entsprechen.

Bei einer Spannung von 200-320 kV und einem Gleichstrom von bis zu 10.000 Ampere wird das Experiment die Übertragung von 3, 2 Gigawatt, die äquivalente Leistung von drei großen Kraftwerken, durch ein supraleitendes Kabel von 12, 5 mm Durchmesser demonstrieren. Dieses Kabel wird zusammen mit seinem Kühlsystem in einer Röhre untergebracht, die es auf einer optimalen Temperatur von 20 K hält.

Das zukünftige Design des Kühlsystems wird noch untersucht. Es wird in zwei Stufen arbeiten: Erstens wird ein äußeres Kühlsystem, das mit Stickstoff arbeitet, die Temperatur auf 70 K senken, und dann wird die Temperatur des Kabels selbst auf 20 K abgesenkt. Das Kühlmittel wird entweder flüssiger Wasserstoff oder Heliumgas sein.

"Das kryogene System, auf dem wir noch arbeiten müssen, ist der Hauptaspekt, der diese Anwendung noch einschränkt", sagt Christian Eric Bruzec, Projektleiter bei Nexans, einem französischen Unternehmen, das ebenfalls Teil des europäischen Projekts ist, das die von Kolumbus.

Die Jury ist noch nicht da. Letztlich wird erwartet, dass unterirdische MgB 2 -Kabel sogar mit Freileitungen konkurrieren, sagt Marian.

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