Supraleitende magnetische Spule

Energiespeicher auf Basis supraleitender magnetischer Spulen bestehen zumindest aus einer supraleitenden Spule, einem System zur Stromkonditionierung, einer Tieftemperatur-Kühleinrichtung sowie einem Isoliergefäß oder Kühlgefäß zur Kühlhaltung der Spule.

Spulen speichern Energie in einem Magnetfeld, das mithilfe von in der Spule kreisendem Gleichstrom erzeugt wird. Wie lange der Strom und wie viel Energie mithilfe des durch die Spule kreisenden Stromes gespeichert wird, ist abhängig vom elektrischen Widerstand der Spule. Je geringer der Leitungswiderstand ist, desto länger kann die Energie gespeichert werden. Besonders geeignet für die Stromspeicherung sind aus diesem Grund sogenannte supraleitende Spulen. Diese Spulen sind in der Lage, unterhalb einer bestimmten vom Material abhängigen kritischen Temperatur Strom ohne messbaren Widerstand zu leiten. Als Material für die Herstellung der supraleitenden magnetischen Energiespeicher dienen zumeist Niob-Titan (NbTi) oder Niob-Zinn (Nb₃Sn).

Zwar kann der Strom im elektromagnetischen Feld mithilfe dieser Materialien nahezu beliebig lange gespeichert werden. Jedoch bedarf einer kritischen Temperatur oder Sprungtemperatur von weit unter -200 °C oder 73 K. Dazu ist eine ausreichenden Kühlung notwendig, die derzeit nur mithilfe von flüssigem Helium und somit auf sehr energieintensive Weise zu erreichen ist. Der sonst sehr gute Wirkungsgrad der Speicher von ca. 90 bis 95 Prozent wird dadurch geschmälert.

Die Forschung konzentriert sich deshalb vor allem auf die Entwicklung neuer supraleitender Materialien, deren kritische Temperatur oder Sprungtemperatur über der der bekannten Supraleiter liegt. Ab einer Sprungtemperatur von 23 K oder von – 250 °C spricht man von Hochtemperatur-Supraleitern. Solche Hochtemperatur-Supraleiter weisen den Nachteil des hohen Kühlbedarfs nicht auf. Allerdings sind die Materialkosten für neuartige Hochtemperatur-Supraleiter wesentlich höher als bei konventionellen Tieftemperatur-Supraleitern. Die Entwicklung dieser Hochtemperatur-Supraleitung befindet sich überwiegend noch in der Grundlagenforschung. Vereinzelt kommt sie bereits heute zur Anwendung.

Supraleitende magnetische Spulen kommen für die Sicherung der Netzstabilität innerhalb eines Verteilungssystems und für die Aufrechterhaltung der Stromqualität in produzierenden Betrieben zum Einsatz. Bislang werden supraleitende Spulen vor allem als Kurzschlussstromquelle eingesetzt.

Eine supraleitende magnetische Spule kann binnen weniger Millisekunden die maximale Leistung erreichen. Diese Leistung kann allerdings nur über einen kurzen Zeitraum gehalten werden. Die Spulen eignen sich daher insbesondere für Anwendungen, bei denen wiederholt rasche Be- und Entladungen gefordert werden.

Der Leistungsbereich der aktuell betriebenen supraleitenden magnetischen Spulen reicht bis 3 MW.

So liefert im österreichischen Gleisdorf eine elektromagnetische Spule für eine Dauer von 0,8 Sekunden eine Leistung von 1,4 MW. Im nordrhein-westfälischen Schwerte-Geisecke arbeitet eine Spule, die für eine Sekunde 0,8 MW Leistung liefern kann. Möglich wäre auch eine Einsatz zur Glättung der Einspeisung von Photovoltaik- oder Windenergieanlagen im Kurzzeitbereich.

Für einen breiten Einsatz als Speicher und Bereitsteller von Spitzenleistung ist die Technologie allerdings durch den großen Kühlaufwand und die damit verbundenen hohen Betriebskosten bisher noch nicht geeignet. Der Kühlaufwand bewirkt eine Selbstentladung. Auch ist noch ungeklärt, ob die erzeugten starken Magnetfelder sich negativ auf die Gesundheit auswirken können.

Die Nutzungsdauer wird auf der Basis der aktuellen Kenntnisse mit 500.000 Nutzungszyklen angegeben. Die volumetrische Energiedichte liegt bislang zwischen 0,5 und 2 Wh/l. und die volumetrische Leistungsdichte zwischen 1.000 und 4.000 W/l. Der Wirkungsgrad wird ohne Berücksichtigung von Übergangsverlusten zwischen Gleich- und Wechselstrom mit 90-95 Prozent angegeben.

Englische Übersetzung(en):

superconducting magnetic energy storage