Supraleitung
Prozessbeschreibung
Supraleiter sind Materialien, die bei Abkühlung auf sehr tiefe Temperaturen ihren elektrischen Widerstand komplett verlieren. Bereits 1911 wurden Materialien entdeckt, die dieses Phänomen zeigen. Die Sprungtemperatur (kritische Temperatur), unterhalb welcher der Effekt auftritt, liegt für diese Materialien nur knapp oberhalb des absoluten Nullpunktes, sodass eine Kühlung mit flüssigem Helium (Temperatur: -169 °C) erforderlich ist.
Durch Supraleitung lassen sich extrem hohe Magnetfelder erzeugen. Diese werden z.B. in der Medizintechnik, in der Forschung, oder bei der Kernfusion benötigt. Wegen der sehr teuren Heliumkühlung sind die Anwendungsmöglichkeiten allerdings begrenzt. Eine Heliumversorgung für solche Anwendungen gehört aber zum regulären Lieferprogramm von Messer.
1986 entdeckten die Wissenschaftler Georg Bednorz und Alexander Müller Materialien, deren Sprungtemperatur in der Nähe des Siedepunktes von Flüssigstickstoff (-196 °C) liegen und wurden hierfür 1987 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Weil diese sogenannten Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) mit Flüssigstickstoff gekühlt werden können, ergibt sich heute eine breite Anwendungspalette für die Supraleitung, beispielsweise bei Strombegrenzern, Elektromotoren und Generatoren.
Eine neue Anwendung für diese Materialien ist die nahezu verlustfreie Übertragung von Elektroenergie durch Stromkabel. Damit lassen sich sehr hohe Energiemengen durch vergleichsweise dünne Kabel transportieren. Dies ist insbesondere in Großstädten und Industriegebieten ein großer Vorteil, da hier die Verlegung herkömmlicher Kupferkabel wegen des großen Platzbedarfs oft zu Schwierigkeiten führt. Außerdem erzeugen die HTSL-Kabel keine magnetischen Felder, was die Installation weiter vereinfacht. Wegen der großen Stromtragfähigkeit ist es zudem möglich, große Energiemengen mit geringerer Spannung zu transportieren. Dadurch lassen sich Umspannstationen einsparen und elektrische Verluste der Transformatoren vermeiden.
Weitere Anwendungsgebiete sind die Stromzuführungen von Elektrolysezellen in der chemischen Industrie oder bei der Aluminiumherstellung sowie Hochstromanbindungen von elektronischen Datenspeichen.
Gaseanwendung
Hochtemperatur-Supraleiter lassen sich einfach und energieeffizient mit flüssigem Stickstoff kühlen. Strombegrenzer beispielsweise werden dabei in einen vakuumisolierten Kryostaten eingebaut, dem über eine Füllstandsregelung kleine Mengen an flüssigem Stickstoff zugeführt wird, um die wenn auch geringen aber dennoch unvermeidlichen Kälteverluste auszugleichen.
Für die Kühlung von Stromkabeln ist der Aufwand allerdings erheblich größer. Hierbei wird unterkühlter Flüssigstickstoff durch den Kabelkryostaten gepumpt, um die einfallende Wärme abzuführen. Dazu muss der Flüssigstickstoff bis auf -206 °C, also 10 °C unterhalb seiner Siedetemperatur bei Normaldruck, abgekühlt werden.
Messer-Lösung
Für die Kühlung von supraleitenden Energieversorgungskabeln hat Messer eine Kühlanlage gemäß folgendem Schema entwickelt:
Vereinfachtes Funktionsdiagramm der Kühlanlage
Die Anlage besteht im Wesentlichen aus einem Unterkühler, einem Kühlkreislauf und einem Vorratsbehälter für flüssigen Stickstoff. Die Außenseite des Unterkühlers wird über ein Entspannungsventil mit flüssigem Stickstoff aus dem Lagerbehälter beaufschlagt. Hier verdampft der Stickstoff, dadurch entsteht die Kälte im Unterkühler.
Lässt man den Stickstoff von der Außenseite des Unterkühlers direkt in die Atmosphäre abströmen, so verdampft er bei seiner Siedetemperatur, also bei -196 °C. Diese Kühl-temperatur ist allerdings nicht ausreichend. Deshalb wird eine Vakuumpumpe an den Unterkühler angeschlossen, sodass der Stickstoff im Unterdruck (bei 150 mbar) verdampft. Auf diese Weise lässt sich die Verdampfungstemperatur auf -209 °C absenken. Eine weitere Temperaturreduzierung ist nicht möglich, da Stickstoff bei -210 °C gefriert.
Im Inneren des Unterkühlers befindet sich ein Wärmeaustauscher. Durch diesen wird der als Kälteträger fungierende Flüssigstickstoff gepumpt, der sich dabei auf eine Temperatur von -206 °C abkühlt. Die Kälteerzeugung und die Kälteübertragung wird also mit dem selben Betriebsmittel durchgeführt.
Der im Wärmetauscher unterkühlte Flüssigstickstoff strömt durch das Supraleiter-Kabel, um die dort eingedrungene Wärme abzuführen. Dabei erwärmt sich der Stickstoff geringfügig, er bleibt aber stets flüssig und verdampft nicht. Anschließend gelangt er wieder zur Pumpe und dann in den Unterkühler, wo die Rückkühlung auf die Kühltemperatur von -206 °C stattfindet. Auf diese Weise entsteht ein geschlossener Kühlkreislauf. An diesen ist über eine Ausgleichleitung der Flüssigstickstoff-Vorratsbehälter angeschlossen, um Volumen- und Druckschwankungen auszugleichen.
Alle Komponenten der Kühlanlage (mit Ausnahme des Lagerbehälters) werden in ein Rahmengestell aus Stahlprofilen eingebaut und vollständig verrohrt, verkabelt und isoliert. Für die Vakuumpumpen ist ein eigenes Gestell vorgesehen. Diese „Skids“ sind voll funktionsfähige Einheiten, die im Herstellerwerk vollständig getestet werden. Dadurch ist der Montageaufwand am Aufstellungsort gering, und die Inbetriebnahme ist zügig und effizient zu erledigen.
Funktionstest der Kühlanlage