Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Karlsruher Institut für Technologie Institut für Technische Physik 19. November 2015, VDE Kassel KIT-ZENTRUM ENERGIE KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu 2 Helmholtz Max-Planck Leibniz Fraunhofer Funding (federal:state in %) Universities Institutions DFG KIT – Seit 2009 der Zusammenschluss aus Universität Karlsruhe und Forschungszentrum Karlsruhe 58:42 0:100 90:10 50:50 50:50 90:101 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik (1) Anteil öffentlicher Finanzierung 30 % KIT-Zentrum Energie KIT in Zahlen Beschäftigte 9,254 Studierende 24,582 359 Professoren Budget in Million Euro 3 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Supraleitung am KIT 4 Grilli Supraleitende Materialien Goldacker Leiter und Spulen Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik Grohmann Noe Komponenten und Anwendungen Leibfried Netze und Systeme KIT-Zentrum Energie Markt Basic Science Holzapfel Was ist ein Smart Grid? „Stromnetze, welche durch ein abgestimmtes Management mittels zeitnaher und bidirektionaler Kommunikation zwischen Netzkomponenten, Erzeugern, Speichern und Verbrauchern einen energie- und kosteneffizienten Systembetrieb für zukünftige Anforderungen unterstützen“. Nationale Technologieplattform Smart Grids Wesentlicher Inhalt des Vortrages Wie ist der aktuelle Entwicklungsstand supraleitender Netzkomponenten und wie können die in Stromnetzen angewendet werden? 5 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Höchste Stromdichten Stromdichten im Supraleiter: 100 - 10000 A/mm2 (Stromdichte im Kupfer: 1 - 5 A/mm2) Elektrisches Feld Warum Supraleitung? 1 V/cm Stromdichte DC-Widerstand von Supraleitern ist nahezu Null unterhalb Tc Spez. Widerstand Kupfer: 0,0175 Ω mm2/m 6 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik Spez. Widerstand Bei vernachlässigbarem Widerstand Metallischer Leiter Supraleiter TC Temperatur KIT-Zentrum Energie Inhaltsübersicht Hochtemperatur-Supraleiter Supraleitende Kabel Supraleitende rotierende Maschinen Supraleitende Strombegrenzer Supraleitende Transformatoren Supraleitende magnetische Energiespeicher Zusammenfassung Stand der Entwicklung und Anwendungsmöglichkeiten 7 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Die Entdeckung von Supraleitern 180 Temperatur flüssiges Erdgas Hg-Ba-Ca-Cu-O Temperatur / K 140 120 Nachttemperatur auf dem Mond Ti-Ba-Ca-Cu-O Bi-Sr-Ca-Cu-O 100 80 Y-Ba-Cu-O Flüssiger Stickstoff 77 K 34.5 FeAs 60 40 20 La-Ba-Cu-O MgB2 Carnot factor / % 160 Nb3Ge Flüssiger Wasserstoff 20 K Nb3Sn Nb3Al Hg 0 1900 Pb 1910 1920 Nb 1930 NbN 1940 1950 NbTi 1960 1970 1980 Flüssiges Helium 4,2 K 1990 2000 2010 1.42 2020 Jahr der Entdeckung Hochtemperatur-Supraleiter sind unerlässlich für Anwendungen in der Energietechnik 8 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Technisch anwendbare Supraleiter Material NbTi Nb3SN MgB2 Bi2-xPbxSr2Ca2Cu3Oy Bi2Sr2CaCu2Oy REBa2Cu3O7-x (y = 8 ÷ 10) (y = 8 ÷ 10) Tc [K] 9.3 18.3 ~ 39 K ~ 110 ~ 80 ~ 90 Bc2[T] 14.5 27.9 17 > 100 > 100 > 100 Kurzname NbTi Nb3Sn MgB2 Bi 2223 (1G) Bi 2212 Y 123 (2G) (RE: Y, or other rare earth elements) 9 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Inhaltsübersicht Hochtemperatur-Supraleiter Supraleitende Kabel Supraleitende rotierende Maschinen Supraleitende Strombegrenzer Supraleitende Transformatoren Supraleitende magnetische Energiespeicher Zusammenfassung 10 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Systemvorteile Supraleitender Kabel Legung Geringerer Flächen- und Trassenbedarf (Innenstädte, Teilerdverkabelung) Geringerer Aufwand bei der Kabellegung Umwelt und Marketing Keine elektromagnetischen Streufelder und Bodenerwärmung Hohe Energie- und Ressourceneffizienz Betrieb Höhere Übertragungsleistung bei niedrigerer Spannungsebene (Substitution von Hochspannung) bei gleichem Außendurchmesser (Wegerecht bei Retrofit) Niedrigere Impedanz Niedrigere Spannungsüberhöhung im Leerlauf Niedrigerer Spannungsfall Betrieb mit natürlicher Leistung möglich 11 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung Supraleitender AC Kabel Columbus LIPA Gochang Figure: LS Cable Ultera 13.2 kV, 3 kA, 200 m TriaxialTM Design BSCCO 2223 Inbetriebnahme 2006 Sehr hohe Verfügbarkeit 12 Bild: Ultera Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik Nexans 138 kV, 2.4 kA, 600 m Single coaxial design BSCCO 2223 Inbetriebnahme 2008 Bild: Nexans LS Cable 22.9 kV, 50 MVA, 100 m BSCCO 2223 Inbetriebnahme 2007 500 m Feldtest mit YBCO in 2011 KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung Supraleitender AC Kabel Hersteller Ort/Land/Jahr) Typ Daten HTSL Innopower Yunnan, CN, 2004 WD 35 kV, 2 kA, 33 m, 3-ph. Bi 2223 Sumitomo Albany, US, 2006 CD 34.5 kV, 800 A, 350 m, 3-ph. Bi 2223 Ultera Columbus, US, 2006 Triax 13.2 kV, 3 kA, 200 m, 3-ph. Bi 2223 Sumitomo Gochang, KR, 2006 CD 22.9 kV, 1.25 kA, 100 m, 3-ph. Bi 2223 LS Cable Gochang, KR, 2007 CD 22.9 kV, 1.26 kA, 100 m, 3-ph. Bi 2223 Sumitomo Albany, US, 2007 CD 34.5 kV, 800 A, 30 m, 3-ph. YBCO Nexans Hannover, D, 2007 CD 138 kV, 1.8 kA, 30 m, 1-ph. YBCO Nexans Long Island, US, 2008 CD 138 kV, 1.8 kA, 600 m, 3-ph. Bi 2223 Nexans Spain, 2008 CD 10 kV, 1 kA, 30 m, 1-ph YBCO Ultera New York, US, 2013 Triax 13.8 kV, 4 kA, 240 m, 3-ph. YBCO Nexans Long Island, US, 2011 CD 138 kV, 2.4 kA, 600 m, 1-ph. YBCO LS Cable Gochang, KR, 2011 CD 154 kV, 1 GVA, 100 m, 3-ph. YBCO LS Cable Seoul, KR, 2011 CD 22.9 kV, 50 MVA, 500 m, 3-ph. YBCO Sumitomo Yokohama, JP, 2012 CD 66 kV, 200 MVA, 200 m, 3-ph. Bi 2223 Sumitomo TEPCO, JP CD 66 kV, 5 kA to be defined Furukawa TEPCO, JP CD 275 kV, 3 kA Bi 2223 Sumitomo Chubu U., JP, 2010 CD 10 kV, 3 kA DC, 20 m, 200 m Bi 2223 VNIIKP Moscow, RU, 2010 CD 20 kV, 200 m Bi 2223 Nexans Essen, D, 2013 CD 10 kV, 2.4 kA, 1000 m, 3 ph. Bi 2223 13 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie AmpaCity Projekt, 40 MVA, 10 kV, 1 km Projektpartner: RWE, Nexans, KIT Projektziel: Entwicklung und Feldtest eines 40 MVA, 10 kV supraleitenden Kabels in Kombination mit einem supraleitenden Strombegrenzer Projektbeginn: September 2011 Start der Inbetriebnahme: Dezember 2013 L1 L2 L3 LN2 hin Dielektrikum 14 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik LN2 rueck KIT-Zentrum Energie RWE Zielnetz 2020 Innenstadt von Essen 15 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie RWE Zielnetz 2020 Innenstadt von Essen 16 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Konfiguration in Essen Vorher Nachher 17 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Supraleitende HVDC Kabel „Single Core“ Design 18 Konzentrisches Design 1 LN2 Kühlkanal 1 LN2 Kühlkanal 2 flexibler Former 2 flexibler Former 3 HTS Tapes 3/5 HTS Tapes 4 PPLP elektrische Isolation 4/6 PPLP elektrische Isolation 5 Kupferschirm 7 Kupferschirm 6 LN2 Kühlkanal 8 LN2 Kühlkanal 7 Kryostat 9 Kryostat Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik Quelle: M. Stemmle, B. West, E. Marzahn, N. Lallouet, F. Schmidt, High Temperature Superconducting Power Cables for HVDC Applications, CIGRE Colloquium 2012, KIT-Zentrum Energie Anwendungen Supraleitender DC Kabel Industriehochstromschienen Bild: Vision Electric Einbindung regenerativer Energien Bild: J. Minervini, MIT Teilerdverkabelung von HVDC Leitungen Bild: Nexans 19 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik Fernübertragung großer Energiemengen Bild: C. Rubbia, IASS Anbindung von Datencentern Bild: J. Minervini, MIT Degaussing von Schiffen Bild: B. Fitzpatrick, HTS Peerreview2010 KIT-Zentrum Energie Inhaltsübersicht Hochtemperatur-Supraleiter Supraleitende Kabel Supraleitende rotierende Maschinen Supraleitende Strombegrenzer Supraleitende Transformatoren Supraleitende magnetische Energiespeicher Zusammenfassung 20 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Systemvorteile supraleitender rotierender Maschinen Supraleitung ermöglicht Höhere Stromdichte Höhere Flussdichte im Luftspalt Verzicht auf Eisen Vorteile supraleitender rotierender Maschinen (z.B. Synchronmaschine) Kleineres Bauvolumen und Gewicht (VSL/VKONV≈0,5) Kleinere synchrone Reaktanz (XdSL/XdKONV≈0,2) Größerer Stabilitätsbereich Höherer kapazitiver Blindleistungsbereich Höhere Überlastbarkeit (MKIPP/Mnenn)SL>3 Unempfindlicher gegen Lastschwankungen Höherer Wirkungsgrad (Vernachlässigbare Erregerverluste) Geringere Geräuschentwicklung und weniger Vibrationen Hohe Dynamik und höhere Geschwindigkeiten 21 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Anwendungsmöglichkeiten supraleitender rotierender Maschinen 10000 rpm Elektr. Industrie Flugzeug Motor 1000 rpm 100 rpm Elektro‐ auto Kraftwerks Generator Hydro Schiffs‐ Generator antrieb Windkraft Generator 10 rpm 0.1 MW 1 MW 10 MW 100 MW 1000 MW Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen für supraleitende rotierende Maschinen. 22 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung supraleitender rotierender Maschinen Schiffsantrieb EU „Hydrogenie“ Wasserkraftgenerator Schiffsantrieb Picture from: Nature Physics 2, 794 - 796 (2006) doi:10.1038/nphys472 Wired for the future John Clarke & David C. Larbalestier Image Courtesy of Converteam AMSC 36.5 MVA, 6 kV 120 rpm 8 pole, 75 to Wirkungsgrad > 97 % Abmessungen: 3,4m x 4,6m x 4,1m 23 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik GE/Converteam 1.790 MW, 5.25 kV 214 rpm, 77.3 kNm 28 pole, 32.7 to 4.7 m x 5.2 m x 3.5 m Tests in 2012 Image Courtesy of Siemens Siemens 4 MW, 3.1 kV 120 rpm, 320 kNm 37 to 50 km HTSL Test in 2010 KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung supraleitender rotierender Maschinen Hersteller / Land AMSC (US) Zeit 5 MW demo-motor 2004 8 MVA, 12 MVA synchronous condenser 2005/2006 (Feldtest) 40 MVA generator design study 2006 36 MW ship propulsion motor 8 MW wind generator design study 2008 2010 100 MVA utility generator 2006 (beendet) 5 MVA homopolar induction motor 2008 LEI (US) 5 MVA high speed generator 2006 Reliance Electric (US) 10.5 MVA generator design study 2008 Kawasaki (JP) 1 MW ship propulsion 200? IHI Marine, SEI (JP) 365 kW ship propulsion motor 2007 2.5MW ship propulsion motor 2010 1 MVA demo-generator 2007 5 MW motor ship propulsion 2011 4 MVA industrial generator 2008 (Feldtest) 4 MW ship propulsion motor 2010 1.25 MVA hydro-generator 2012 500 kW demo-generator 2008 8 MW wind generator design study 2010 GE (US) Doosan, KERI (Korea) Siemens (Germany) Converteam (UK), now GE 24 Maschine Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung 4 MW Synchrongenerator, Siemens 4 MW HTS II – Langzeittest in der Siemens Motorenfabrik in Nürnberg Test Ergebnisse: Verluste reduziert um 50 % 100 % kapazitive Leistung Hohe Überlaststabilität Geringer Spannungsfall Geringe Netzrückwirkungen Mehr als 7500 h Betriebsstunden Sicherer Betrieb Figure: Siemens Durch HTSL und Kühlung wurde kein Ausfall verursacht! Alle Betriebszustände und Schalthandlungen wurden von dem System toleriert! 25 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik, KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung Suprapower Projekt (www.suprapower-fp7.eu) Daten: 10 MW, 8.1 rpm und 11.8 MN·m MgB2 supraleitende Erregerspule 60 warme Eisenpole 230 kAm 11.9 m Durchmesser Luftspalt 0.52 m Länge Gesamtgewicht ~ 200 t Vollastwirkungsgrad > 95% Wartungsintervall 1 Jahr Projektziel: Entwicklung eines Designs für 10 MW supraleitender Windkraftgenerator und Bau und Test eines 500 kW Demonstrators 26 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten Bisherige Ankoppung von konventionellen off-shore Windkraftanlagen Zukünftig mit HTS DC Windkraftgeneratoren Weniger Komponenten. Höherer Wirkungsgrad. 27 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Inhaltsübersicht Hochtemperatur-Supraleiter Supraleitende Kabel Supraleitende rotierende Maschinen Supraleitende Strombegrenzer Supraleitende Transformatoren Supraleitende magnetische Energiespeicher Zusammenfassung 28 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Normalbetrieb Kurzschluß Strom unbegrenzt begrenzt KIT-ZENTRUM ENERGIE Zeit Idealer Strombegrenzer Schnelle Strombegrenzung Vernachlässigbare Impedanz im Normalbetrieb Schnelle und automatische Widereinsatzbereitschaft Eigensicher Geeignet für Hochspannung Wirtschaftlich KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu Normalbetrieb Kurzschluß Strom unbegrenzt begrenzt KIT-ZENTRUM ENERGIE Zeit Idealer Strombegrenzer Schnelle Strombegrenzung Vernachlässigbare Impedanz im Normalbetrieb Schnelle und automatische Widereinsatzbereitschaft Eigensicher Geeignet für Hochspannung Wirtschaftlich KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu Normalbetrieb Kurzschluß Erholung Strom unbegrenzt unbegrenzt KIT-ZENTRUM ENERGIE Zeit Idealer Strombegrenzer Schnelle Strombegrenzung Vernachlässigbare Impedanz im Normalbetrieb Schnelle und automatische Widereinsatzbereitschaft Eigensicher Geeignet für Hochspannung Wirtschaftlich KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu Normalbetrieb Kurzschluß Erholung Strom unbegrenzt begrenzt KIT-ZENTRUM ENERGIE Zeit Idealer Strombegrenzer SSB Schnelle Strombegrenzung Vernachlässigbare Impedanz im Normalbetrieb Schnelle und automatische Widereinsatzbereitschaft Eigensicher Geeignet für Hochspannung Wirtschaftlich KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu Supraleitende Strombegrenzer Wirtschaftliche Vorteile Verzögerung von Netzausbau oder von Erneuerungsinvestitionen z.B. beim Zubau von neuen Kraftwerken durch Einhalten der zulässigen Kurzschlußleistung z.B. bei der Einspeisung erneuerbarer Energien durch Einhaltung des Spannungsbandes über Kopplung von MS-Sammelschienen Geringere Dimensionierung von Betriebsmitteln, Anlagen und Netzteilen z.B. im Kraftwerkseigenbarf Ersatz oder Wegfall von Betriebsmitteln z.B. Wegfall von redundanten Einspeisungen durch Teilnetzkopplung Erhöhung der Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit z.B. durch Kupplung von Teilnetzen Geringere Verluste z.B. durch gleichmäßige Lastaufteilung von parallel geschalteten Transformatoren Supraleitende Strombegrenzer können Einsparungen von einigen 100 k€ in der Mittelspannungs- und einigen Mio. € in der Hochspannungsebene erzielen 34 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Verschiedene Arten von Strombegrenzern Resistiver Typ Stromzu‐ führung HTS Modul DC vormagnetisierter Eisenkern „saturated iron core“ L1 L2 BGrid BGrid Abgeschirmter Eisenkern „Inductive“ Eisenkern Cu Spule HTS Spule LN2 Kryostat einfaches Konzept kein Quench des SL eigensicher schnelle Wiedereinsatz‐ bereitschaft kompakt, leicht Stromzuführungen zu tiefen Temperaturen 35 Bsat Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik keine Stromzuführungen zu tiefen Temperaturen eigensicher einstellbarer Triggerstrom Hohes Volumen Hohe Impedanz im Normalbetrieb Hohes Gewicht KIT-Zentrum Energie Anwendungen Supraleitender Strombegrenzer HöS 380 kV HS 110 kV MS 10‐30 kV NS 0,4 kV © M. Noe, KIT Supraleitende Strombegrenzer besitzen eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Spannungsebenen 36 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Anwendungsmöglichkeiten Kopplung von Hochspannungsteilnetzen 380 kV 380 kV SSB 110 kV A 380 kV 110 kV B 220 kV 220 kV 220 kV 380 kV Für Details: C. Neumann, SCENET Workshop on Superconducting Fault Current Limiters, Siegen, Germany, June 28-29 2004 37 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung (Feldtest bis 2000) Phase-Phase Voltage / kVRMS Status: 2000 100 10 1 ‘96 Resistive DC biased iron core Others 0.1 10-2 10-1 1 10 Current / kARMS 38 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung (Feldtest bis 2010) High voltage Phase-Phase Voltage / kVRMS Status: 2010 ‘10 ‘12 100 ‘08 ‘12 ‘96 ‘09 ‘10 10 ‘08 1 ‘09 ‘11 ’09 ‘10 ‘04 Medium voltage ‘10 ‘10 ‘05 Resistive DC biased iron core Others 0.1 10-2 10-1 1 10 Current / kARMS 39 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung Bi 2212 Massiv‐ material YBCO Bandleiter 12 kV, 100 A Bi 2212 MM Commercial Projects 12 kV, 800 A Bi 2212 MM 12 kV, 400 A Bi 2212 MM 10/2009 11/2009 2011 10 kV, 600 A YBCO Bandleiter 20 kV, 1 kA YBCO Bandleiter 10 kV, 2.3 kA YBCO Bandleiter www.eccoflow.org 10/2011 40 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik 2013 2013 KIT-Zentrum Energie Inhaltsübersicht Hochtemperatur-Supraleiter Supraleitende Kabel Supraleitende rotierende Maschinen Supraleitende Strombegrenzer Supraleitende Transformatoren Supraleitende magnetische Energiespeicher Zusammenfassung 41 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Systemvorteile supraleitender Transformatoren Supraleitung ermöglicht: Höhere Stromdichte Geringe Verluste jNL = 3 - 5 A/mm2 jSL > 100 A/mm2 Vorteile supraleitender Transformatoren Produktion und Transport Kompakt und leicht (~50 % Reduktion) Umwelt und Marketing Ressourcen schonend Energieeinsparung (~50 % Reduktion) Nicht brennbar (kein Öl) Betrieb Geringere Kurzschlussspannung Höhere Kurzschlußleistung im Normalbetrieb Aktive Fehlerstrombegrenzung mit Rückkühlung unter Last Schutz der Betriebsmittel Reduktion von Investitionskosten 42 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Anwendungen Supraleitender Transformatoren Blockeigenbedarfs‐ transformator HöS 380 kV Block‐ transformator Netz‐ transformator HS 110 kV Verteil‐ transformator MS 10‐30 kV Ortsnetz‐ transformator NS 0,4 kV © M. Noe, KIT Vielfältige Möglichkeiten in Elektroenergiesystemen und bei Bahn-, Schiffs- oder Off-shore Plattform Transformatoren 43 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung supraleitender Transformatoren Waukesha/SuperPower 2 MVA Demonstrator 22kV/6.6 kV Primär Bi 2223 Bandleiter Sekundär YBCO Bandleiter Erfolgreicher Test in 2009 44 Gallaghan Innovation Source: Waukesha Courtesy: N. Hayakawa Nagoya University Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik 28 MVA Prototyp 69 kV Primär und sekundär mit YBCO Bandleitern 1 MVA Demonstrator 11 kV Primär und sekundär mit YBCO Bandleitern Tests in 2012 KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung supraleitender Transformatoren Technologieentwicklung am KIT Daten Einphasige Repräsentation eines 1MVA-Drehstromtransformators Primärwicklung: 20kV / 28,87A Sekundärwicklung: 1kV / 577,35A Kurzschlußspannung uk < 3% Warmer Eisenkern Bmax im Kern = 1,5T Kühlung auf 77K mit LN2 bei Normaldruck 45 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik Vakuumisolierter GFK-Kryostat Cu Primärwicklung Sekundärwicklung KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung supraleitender Transformatoren Land 46 Inst. Anwendung Switzerland ABB Distribution Japan Fuji Electric Kyushu Uni Germany Phase Jahr HTSL 630 kVA/18,42 kV/420 V 3 Dyn11 1996 Bi 2223 Demonstrator 500 kVA/6,6 kV/3,3 kV 1 1998 Bi 2223 Siemens Demonstrator 100 kVA/5,5 kV/1,1 kV 1 1999 Bi 2223 USA Waukesha Demonstrator 1 MVA/13,8 kV/6,9 kV 1 Bi 2223 USA Waukesha Demonstrator 5 MVA/24,9 kV/4,2 kV 3 Dy Bi 2223 Japan Fuji Electric U Kyushu Demonstrator 1 MVA/22 kV/6,9 kV 1 < 2001 Bi 2223 Germany Siemens Railway 1 MVA/25 kV/1,4 kV 1 2001 Bi 2223 EU CNRS Demonstrator 41 kVA/2050 V/410 V 1 2003 P-YBCO S- Bi 2223 Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA/22,9 kV/6,6 kV 1 2004 Bi 2223 Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA/22 kV/6,6 kV 1 2009 P-Bi 2223 S-YBCO Germany KIT Demonstrator 1 MVA, 20 kV 1 2015 P-Cu/S-YBCO USA Waukesha Prototype 28 MVA/69 kV 3 2013 YBCO Japan Kyushu Demonstrator 3 2012 YBCO Australia Callaghan Innovation Demonstrator 3 2013 YBCO Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik Daten 2 MVA 1 MVA KIT-Zentrum Energie Inhaltsübersicht Hochtemperatur-Supraleiter Supraleitende Kabel Supraleitende rotierende Maschinen Supraleitende Strombegrenzer Supraleitende Transformatoren Supraleitende magnetische Energiespeicher Zusammenfassung 47 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Speicherprinzip supraleitender magnetischer Energiespeicher I = I0 e - t =L R Charakteristische Größen Gespeicherte Energie Q 1 2 LI 2 Leistung P UL I SMES Energiedichte Q max B2 V 2 0 z.B. 5 T = 2,7 kWh/m³ 48 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Systemvorteile supraleitender magnetischer Energiespeicher Kurze Reaktionszeit in ms Schnelle Auf- und Entladung Vollentladung möglich Unabhängige Bereitstellung von Wirk- und Blindleistung Hoher Wirkungsgrad > 95% Keine Alterung Umweltfreundlich Sehr hohe Leistungsdichten (kW/kg) 49 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung supraleitender magnetischer Energiespeicher KERI, Korea Netzqualität 1 MJ , 1 MW Bi 2212 Bandleiter 500 A 5 K leitungsgekühlt Spannung: 2.5 kV 2.5 MJ YBCO Bandleiter, 22 km 550 A 20 K leitungsgekühlt BmaxII 6.24 T Test in 2011 CNRS, Frankreich Militärische Anwendung Figure: KERI Figure: Chubu Electric Chubu, Japan Spannungsqualität 50 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik Figure: CNRS 814 kJ Bi 2212 Bandleiter 315 A 20 K leitungsgekühlt Durchmesser: 300/814 mm Höhe: 222 mm KIT-Zentrum Energie Stand der Entwicklung supraleitender magnetischer Energiespeicher Lead Institution KIT AMSC Year Data D 1997 320 kVA, 203 kJ NbTi Flicker compensation 2 MW, 2,6 MJ NbTi Grid stability USA Superconductor Application KIT D 2004 25 MW, 237 kJ NbTi Power modulator Chubu J 2004 5 MVA, 5 MJ NbTi Voltage stability Chubu J 2004 1 MVA, 1 MJ Bi 2212 Voltage stability Korea 2005 750 kVA, 3 MJ NbTi Power quality Ansaldo I 2005 1 MVA, 1 MJ NbTi Voltage stability Chubu J 2007 10 MVA, 19 MJ NbTi Load compensation CAS China 2007 0,5 MVA, 1 MJ Bi 2223 - KERI Korea 2007 600 kJ Bi 2223 Power-, Voltage quality CNRS F 2008 800 kJ Bi 2212 Military application KERI Korea 2011 2.5 MJ YBCO Power quality BNL USA 2013 3 MJ YBCO Grid storage KERI 51 Country Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik, KIT-Zentrum Energie Inhaltsübersicht Einführung und Motivation Hochtemperatur-Supraleiter Supraleitende Kabel Supraleitende rotierende Maschinen Supraleitende Strombegrenzer Supraleitende Transformatoren Supraleitende magnetische Energiespeicher Zusammenfassung 52 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik, KIT-Zentrum Energie Zusammenfassung Technologie Demonstration Große Prototypen im Netz Erste kommerzielle Produkte Markterschliessung DC Kabel AC Kabel MS SSB HS SSB KW Generator Schiffsantrieb Hydro Gen. Windkraftgen. HTSL SMES Transformator 53 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik KIT-Zentrum Energie
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