Der Ausbau erneuerbarer Energien stellt das deutsche Stromnetz vor neue Herausforderungen. Im Forschungsprojekt CURL380 entwickeln Wissenschaft und Industrie supraleitende Strombegrenzer für das 380-kV-Höchstspannungsnetz. Die Technologie soll Kurzschlussströme in Millisekunden begrenzen, die Netzstabilität erhöhen und den sicheren Betrieb der Energieinfrastruktur langfristig unterstützen.
Der Umbau des deutschen Energiesystems bringt nicht nur neue Windparks und Solaranlagen hervor, sondern stellt auch die Stromnetze vor immer größere Herausforderungen. Je mehr dezentrale Erzeugungsanlagen ans Netz angeschlossen werden, desto komplexer wird der sichere Betrieb der Übertragungsnetze. Forscher arbeiten deshalb an innovativen Lösungen, um die Infrastruktur besser gegen Kurzschlüsse und hohe Fehlerströme zu schützen.
Ein vielversprechender Ansatz sind supraleitende Strombegrenzer. Im Forschungsprojekt CURL380 entwickeln Wissenschaftler gemeinsam mit Industriepartnern Technologien, die künftig im deutschen 380-kV-Höchstspannungsnetz eingesetzt werden könnten. Ziel ist es, Kurzschlussströme innerhalb von Millisekunden automatisch zu begrenzen, ohne den normalen Netzbetrieb zu beeinträchtigen. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert und vereint unter anderem die TH Köln, das Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Siemens Energy, TenneT und weitere Partner.
Die Energiewende verändert die Struktur der Stromversorgung grundlegend. Früher floss Elektrizität überwiegend von wenigen Großkraftwerken über die Übertragungsnetze zu den Verbrauchern. Heute speisen hunderttausende Photovoltaikanlagen, Windparks, Batteriespeicher und andere dezentrale Anlagen an unterschiedlichsten Stellen Strom ein.
Diese Entwicklung erhöht die Flexibilität des Energiesystems, verändert aber gleichzeitig die physikalischen Eigenschaften des Stromnetzes. Vor allem an wichtigen Netzknoten können im Fehlerfall sehr hohe Kurzschlussströme entstehen. Werden diese nicht schnell begrenzt, können Schaltanlagen, Transformatoren oder Leitungen beschädigt werden.
Netzbetreiber investieren deshalb nicht nur in neue Leitungen, sondern auch in moderne Schutztechnik. Innovative Strombegrenzer könnten dabei künftig eine wichtige Ergänzung zu bestehenden Sicherungssystemen darstellen.
Im Gegensatz zu klassischen Schutzsystemen arbeiten supraleitende Strombegrenzer nicht mit mechanischen Schaltern oder aufwendiger Leistungselektronik. Stattdessen nutzen sie besondere Materialeigenschaften sogenannter Hochtemperatur-Supraleiter.
Diese Materialien besitzen bei Temperaturen von rund minus 196 Grad Celsius nahezu keinen elektrischen Widerstand. Dadurch entstehen im normalen Netzbetrieb praktisch keine zusätzlichen Energieverluste.
Kommt es jedoch zu einem Kurzschluss und steigt die Stromdichte über einen kritischen Wert, verändert sich der Zustand des Materials innerhalb kürzester Zeit. Der Supraleiter wird normalleitend und baut einen elektrischen Widerstand auf. Dadurch wird der Fehlerstrom automatisch reduziert, bevor Schäden an der Netzinfrastruktur entstehen können.
Sobald der Fehler beseitigt ist, kühlt das Material wieder ab und kehrt selbstständig in den supraleitenden Zustand zurück. Dieser Prozess erfolgt ohne mechanischen Verschleiß und kann mehrfach wiederholt werden.
Mit dem Forschungsprojekt CURL380 verfolgen die beteiligten Partner das Ziel, eine neue Generation supraleitender Strombegrenzer für das deutsche Höchstspannungsnetz zu entwickeln. Im Mittelpunkt steht dabei nicht nur der eigentliche Strombegrenzer, sondern das gesamte technische System, das für einen zuverlässigen Einsatz auf der 380-kV-Ebene erforderlich ist. Dazu zählen unter anderem supraleitende Module, leistungsfähige Hochspannungsdurchführungen, moderne Kryotechnik sowie die elektrische Auslegung und Isolierung sämtlicher Komponenten.
Eine besondere Herausforderung stellt die Entwicklung der Hochspannungsdurchführungen dar. Sie bilden die Schnittstelle zwischen den stromführenden Leitungen außerhalb des Kryostaten und den supraleitenden Bauteilen im Inneren des Systems. Während die Leitungen unter Höchstspannung stehen, werden die Supraleiter kontinuierlich mit flüssigem Stickstoff auf Temperaturen von rund minus 196 Grad Celsius gekühlt. Die verwendeten Bauteile müssen deshalb nicht nur elektrische Spannungen von mehreren hundert Kilovolt dauerhaft sicher isolieren, sondern gleichzeitig extremen Temperaturunterschieden von mehr als 200 Grad Celsius standhalten.
Um diese anspruchsvollen Anforderungen zu erfüllen, untersuchen die Wissenschaftler verschiedene Isolationsmaterialien, Fertigungsverfahren und Bauformen. Ergänzend kommen umfangreiche Computersimulationen zum Einsatz, mit denen sich elektrische Feldverteilungen, thermische Belastungen und mögliche Schwachstellen bereits vor dem Bau von Prototypen analysieren lassen. Ziel ist es, eine robuste und langlebige Lösung zu entwickeln, die den hohen Sicherheits- und Zuverlässigkeitsanforderungen im deutschen Höchstspannungsnetz dauerhaft gerecht wird.
Neben Laboruntersuchungen setzen die Wissenschaftler umfangreiche Computersimulationen ein. Sie analysieren unter anderem die Spannungsverteilung innerhalb der supraleitenden Spulen sowie das Verhalten bei Überspannungsimpulsen, die beispielsweise durch Blitzeinschläge oder Schalthandlungen entstehen können.
Zur praktischen Validierung entsteht an der TH Köln ein rund vier Meter hoher Testkryostat mit einem Fassungsvermögen von etwa 10.000 Litern Flüssigstickstoff. In dieser Anlage sollen die entwickelten Komponenten unter realistischen Bedingungen getestet werden.
Nach Angaben der Projektpartner wurden vergleichbare Untersuchungen zur Spannungsfestigkeit von Flüssigstickstoff bei großen Isolationsabständen bislang kaum durchgeführt. Die Ergebnisse könnten deshalb auch international von Bedeutung sein.
An dem Vorhaben beteiligen sich neben Hochschulen und Forschungseinrichtungen auch Unternehmen aus der Energiewirtschaft. Dazu gehören unter anderem Siemens Energy und der Übertragungsnetzbetreiber TenneT.
Während Forschungseinrichtungen die physikalischen Grundlagen sowie neue Materialien untersuchen, liefern Industriepartner ihre Erfahrung bei der Entwicklung marktreifer Komponenten und möglicher Einsatzszenarien im Stromnetz.
Das Karlsruher Institut für Technologie verfolgt dabei das langfristige Ziel, die Schlüsseltechnologien für einen supraleitenden Strombegrenzer mit einer Spannung von 380 Kilovolt und einer Leistung von mehreren Gigavoltampere zu entwickeln. Gelingt dies, könnte anschließend ein Prototyp für den praktischen Netzbetrieb entstehen.
Nach Ansicht der Projektbeteiligten könnte diese Technologie insbesondere im Zuge der Energiewende an Bedeutung gewinnen. Mit dem wachsenden Anteil erneuerbarer Energien und der zunehmenden Vernetzung der Strominfrastruktur steigen auch die Anforderungen an die Stabilität des Höchstspannungsnetzes. Innovative Schutzkonzepte könnten dazu beitragen, bestehende Anlagen länger zu nutzen und gleichzeitig die Versorgungssicherheit zu erhöhen.
Prof. Dr. Christof Humpert vom Institut für Elektrische Energietechnik der TH Köln erklärt die Grundidee der Technologie:
„Als Alternative bietet sich der Einsatz supraleitender Materialien an, die mit ihren spezifischen Fähigkeiten Fehlerströme sicher reduzieren können – daher der Name Strombegrenzer.“
Die Aussage verdeutlicht, warum viele Experten der Technologie großes Potenzial zuschreiben. Da die Strombegrenzung unmittelbar durch die physikalischen Eigenschaften des Materials erfolgt, kann sie innerhalb von Millisekunden einsetzen. Dadurch lassen sich Kurzschlussströme bereits in einer sehr frühen Phase begrenzen, was die Belastung für Leitungen, Transformatoren und Schaltanlagen reduziert. Sollte sich das Konzept im Praxiseinsatz bewähren, könnten supraleitende Strombegrenzer künftig einen wichtigen Beitrag zu einem sicheren, leistungsfähigen und zukunftsfähigen Stromnetz leisten.
Sollte sich die Technologie im praktischen Betrieb bewähren, ergeben sich mehrere Vorteile. Bestehende Schaltanlagen könnten länger genutzt werden, weil ihre Kurzschlussfestigkeit seltener überschritten würde. Gleichzeitig ließen sich Netzengpässe möglicherweise kostengünstiger beherrschen, ohne sämtliche Anlagen austauschen zu müssen.
Auch für den weiteren Ausbau erneuerbarer Energien wäre dies ein wichtiger Baustein. Denn je mehr Photovoltaik-, Windkraft- und Speicheranlagen in das Stromnetz integriert werden, desto wichtiger werden intelligente Schutzsysteme, die schnell und zuverlässig auf Fehler reagieren.
Bis zu einem flächendeckenden Einsatz wird allerdings noch einige Entwicklungsarbeit erforderlich sein. Zunächst müssen sämtliche Komponenten umfangreiche Labor- und Hochspannungstests bestehen. Anschließend wären Demonstrationsanlagen unter realen Netzbedingungen notwendig, bevor eine kommerzielle Einführung erfolgen könnte.
Dennoch gilt das Projekt CURL380 bereits heute als wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer modernen Stromnetzinfrastruktur. Die Kombination aus Supraleitung, Kryotechnik und Hochspannungstechnik könnte künftig dazu beitragen, Deutschlands Übertragungsnetze robuster, effizienter und besser auf die Anforderungen einer vollständig erneuerbaren Energieversorgung vorzubereiten.
