Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids

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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft KIT-ZENTRUM ENERGIE www.kit.edu Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Karlsruher Institut für Technologie Institut für Technische Physik 19. November 2015, VDE Kassel

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KIT-ZENTRUM ENERGIE

www.kit.edu

Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart GridsProf. Dr.-Ing. Mathias Noe, Karlsruher Institut für TechnologieInstitut für Technische Physik19. November 2015, VDE Kassel

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KIT-Zentrum Energie2

KIT – Seit 2009 der Zusammenschluss aus Universität Karlsruhe und Forschungszentrum Karlsruhe

Leib

niz

Frau

nhof

er

Max

-Pla

nck

Funding (federal:state in %)

90:1058:42 50:50 50:50 90:1010:100

Institutions

(1) Anteil öffentlicher Finanzierung 30 %

DFG

Uni

vers

ities

Hel

mho

ltz

Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik

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KIT-Zentrum Energie3

9,254 24,582Beschäftigte

Professoren

Studierende

Budget in Million Euro

359

KIT in Zahlen

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KIT-Zentrum Energie4

Netze und SystemeB

asic

Sc

ienc

e

Mar

kt

Goldacker NoeGrohmann Leibfried

Supraleitende Materialien

Komponenten und Anwendungen

Leiter und Spulen

Holzapfel Grilli

Supraleitung am KIT

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KIT-Zentrum Energie5

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

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Wesentlicher Inhalt des VortragesWie ist der aktuelle Entwicklungsstand supraleitender Netzkomponenten und wie können die in Stromnetzen angewendet werden?

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KIT-Zentrum Energie6

Warum Supraleitung?

Bei vernachlässigbarem WiderstandDC-Widerstand von Supraleitern ist

nahezu Null unterhalb Tc

Spez. Widerstand Kupfer:

0,0175 Ω mm2/m Temperatur

Spez

. Wid

erst

and

Metallischer Leiter

TC

Supraleiter

Höchste StromdichtenStromdichten im Supraleiter:

100 - 10000 A/mm2

(Stromdichte im Kupfer: 1 - 5 A/mm2)Stromdichte

Elek

tris

ches

Fel

d

1 V/cm

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KIT-Zentrum Energie7

Inhaltsübersicht

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Hochtemperatur-SupraleiterSupraleitende KabelSupraleitende rotierende MaschinenSupraleitende StrombegrenzerSupraleitende TransformatorenSupraleitende magnetische EnergiespeicherZusammenfassung

Stand der Entwicklung und Anwendungsmöglichkeiten

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KIT-Zentrum Energie8

Die Entdeckung von Supraleitern

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020Jahr der Entdeckung

Tem

pera

tur /

K

Hg Pb Nb

Ti-Ba-Ca-Cu-O

MgB2

Nb3Al

NbNNb3Sn

NbTi

Y-Ba-Cu-O

Bi-Sr-Ca-Cu-O

Nb3Ge

La-Ba-Cu-O

Hg-Ba-Ca-Cu-O

Flüssiger Wasserstoff 20 K

Flüssiger Stickstoff 77 K

Flüssiges Helium 4,2 K

Nachttemperatur auf dem Mond

Temperatur flüssiges Erdgas

Car

not f

acto

r/ %

1.42

34.5FeAs

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Hochtemperatur-Supraleiter sind unerlässlich für Anwendungen in der Energietechnik

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KIT-Zentrum Energie9

Technisch anwendbare SupraleiterMaterial Tc [K] Bc2[T] Kurzname

NbTi 9.3 14.5 NbTiNb3SN 18.3 27.9 Nb3SnMgB2 ~ 39 K 17 MgB2

Bi2-xPbxSr2Ca2Cu3Oy (y = 8 ÷ 10) ~ 110 > 100 Bi 2223 (1G)Bi2Sr2CaCu2Oy (y = 8 ÷ 10) ~ 80 > 100 Bi 2212REBa2Cu3O7-x (RE: Y, or other rare earth elements)

~ 90 > 100 Y 123 (2G)

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KIT-Zentrum Energie10

Inhaltsübersicht

Hochtemperatur-SupraleiterSupraleitende KabelSupraleitende rotierende MaschinenSupraleitende StrombegrenzerSupraleitende TransformatorenSupraleitende magnetische EnergiespeicherZusammenfassung

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KIT-Zentrum Energie11

Systemvorteile Supraleitender Kabel

LegungGeringerer Flächen- und Trassenbedarf (Innenstädte, Teilerdverkabelung)Geringerer Aufwand bei der Kabellegung

Umwelt und MarketingKeine elektromagnetischen Streufelder und BodenerwärmungHohe Energie- und Ressourceneffizienz

BetriebHöhere Übertragungsleistung

bei niedrigerer Spannungsebene (Substitution von Hochspannung)

bei gleichem Außendurchmesser (Wegerecht bei Retrofit)

Niedrigere ImpedanzNiedrigere Spannungsüberhöhung im LeerlaufNiedrigerer SpannungsfallBetrieb mit natürlicher Leistung möglich

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Ultera13.2 kV, 3 kA, 200 mTriaxialTM Design BSCCO 2223Inbetriebnahme 2006Sehr hohe Verfügbarkeit

Columbus

Nexans138 kV, 2.4 kA, 600 mSingle coaxial design BSCCO 2223Inbetriebnahme 2008

LIPA Gochang

LS Cable22.9 kV, 50 MVA, 100 mBSCCO 2223Inbetriebnahme 2007500 m Feldtest mit YBCO in 2011

Bild: Ultera

Bild: Nexans

Figure: LS Cable

Stand der Entwicklung Supraleitender AC Kabel

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KIT-Zentrum Energie13

Stand der Entwicklung Supraleitender AC KabelHersteller Ort/Land/Jahr) Typ Daten HTSL

Innopower Yunnan, CN, 2004 WD 35 kV, 2 kA, 33 m, 3-ph. Bi 2223Sumitomo Albany, US, 2006 CD 34.5 kV, 800 A, 350 m, 3-ph. Bi 2223Ultera Columbus, US, 2006 Triax 13.2 kV, 3 kA, 200 m, 3-ph. Bi 2223Sumitomo Gochang, KR, 2006 CD 22.9 kV, 1.25 kA, 100 m, 3-ph. Bi 2223LS Cable Gochang, KR, 2007 CD 22.9 kV, 1.26 kA, 100 m, 3-ph. Bi 2223Sumitomo Albany, US, 2007 CD 34.5 kV, 800 A, 30 m, 3-ph. YBCONexans Hannover, D, 2007 CD 138 kV, 1.8 kA, 30 m, 1-ph. YBCONexans Long Island, US, 2008 CD 138 kV, 1.8 kA, 600 m, 3-ph. Bi 2223Nexans Spain, 2008 CD 10 kV, 1 kA, 30 m, 1-ph YBCOUltera New York, US, 2013 Triax 13.8 kV, 4 kA, 240 m, 3-ph. YBCONexans Long Island, US, 2011 CD 138 kV, 2.4 kA, 600 m, 1-ph. YBCOLS 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. YBCOSumitomo Yokohama, JP, 2012 CD 66 kV, 200 MVA, 200 m, 3-ph. Bi 2223Sumitomo TEPCO, JP CD 66 kV, 5 kA to be definedFurukawa TEPCO, JP CD 275 kV, 3 kA Bi 2223Sumitomo Chubu U., JP, 2010 CD 10 kV, 3 kA DC, 20 m, 200 m Bi 2223VNIIKP Moscow, RU, 2010 CD 20 kV, 200 m Bi 2223Nexans Essen, D, 2013 CD 10 kV, 2.4 kA, 1000 m, 3 ph. Bi 2223

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KIT-Zentrum Energie14

AmpaCity Projekt, 40 MVA, 10 kV, 1 km

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Projektpartner: RWE, Nexans, KITProjektziel: Entwicklung und Feldtest eines 40 MVA, 10 kV supraleitenden Kabels in Kombination mit einem supraleitenden StrombegrenzerProjektbeginn: September 2011Start der Inbetriebnahme: Dezember 2013

L1 L2 L3LN2 hin

LN2 rueckDielektrikum

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RWE Zielnetz 2020 Innenstadt von Essen

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KIT-Zentrum Energie16

RWE Zielnetz 2020 Innenstadt von Essen

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KIT-Zentrum Energie17

Konfiguration in Essen

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Vorher

Nachher

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KIT-Zentrum Energie18

Supraleitende HVDC Kabel„Single Core“ Design

1 LN2 Kühlkanal2 flexibler Former3 HTS Tapes4 PPLP elektrische Isolation5 Kupferschirm6 LN2 Kühlkanal7 Kryostat

1 LN2 Kühlkanal2 flexibler Former3/5 HTS Tapes4/6 PPLP elektrische Isolation7 Kupferschirm8 LN2 Kühlkanal9 Kryostat

Konzentrisches Design

Quelle: M. Stemmle, B. West, E. Marzahn, N. Lallouet, F. Schmidt, High Temperature Superconducting Power Cables for HVDC Applications, CIGRE Colloquium 2012,

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KIT-Zentrum Energie19

Anwendungen Supraleitender DC Kabel

Industriehoch-stromschienen

Einbindung regenerativer Energien

Anbindung vonDatencentern

Teilerdverkabelung von HVDC Leitungen

Fernübertragung großer Energiemengen

Degaussing von Schiffen

Bild: Nexans

Bild: Vision Electric

Bild: C. Rubbia, IASS

Bild: J. Minervini, MIT Bild: J. Minervini, MIT

Bild: B. Fitzpatrick, HTS Peerreview2010

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KIT-Zentrum Energie20

Inhaltsübersicht

Hochtemperatur-SupraleiterSupraleitende KabelSupraleitende rotierende MaschinenSupraleitende StrombegrenzerSupraleitende TransformatorenSupraleitende magnetische EnergiespeicherZusammenfassung

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KIT-Zentrum Energie21

Systemvorteile supraleitender rotierender MaschinenSupraleitung ermöglicht

Höhere StromdichteHöhere Flussdichte im LuftspaltVerzicht 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 StabilitätsbereichHöherer kapazitiver BlindleistungsbereichHöhere Überlastbarkeit (MKIPP/Mnenn)SL>3Unempfindlicher gegen Lastschwankungen

Höherer Wirkungsgrad (Vernachlässigbare Erregerverluste) Geringere Geräuschentwicklung und weniger VibrationenHohe Dynamik und höhere Geschwindigkeiten

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KIT-Zentrum Energie22

Anwendungsmöglichkeiten supraleitender rotierender Maschinen

0.1 MW 1 MW 10 MW 100 MW 1000 MW

10 rpm

100 rpm

1000 rpm

10000 rpm

Kraftwerks Generator

Windkraft Generator

Schiffs‐antrieb

Elektro‐auto

IndustrieMotor

Elektr.Flugzeug

HydroGenerator

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Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen für supraleitende rotierende Maschinen.

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Stand der Entwicklung supraleitender rotierender Maschinen

AMSC36.5 MVA, 6 kV120 rpm8 pole, 75 toWirkungsgrad > 97 %Abmessungen: 3,4m x 4,6m x 4,1m

Schiffsantrieb

GE/Converteam1.790 MW, 5.25 kV214 rpm, 77.3 kNm28 pole, 32.7 to4.7 m x 5.2 m x 3.5 mTests in 2012

EU „Hydrogenie“Wasserkraftgenerator

Image Courtesy of Converteam

SchiffsantriebPicture from:Nature Physics 2, 794 - 796 (2006)doi:10.1038/nphys472Wired for the futureJohn Clarke & David C. Larbalestier

Siemens4 MW, 3.1 kV120 rpm, 320 kNm37 to50 km HTSLTest in 2010

Image Courtesy of Siemens

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KIT-Zentrum Energie24

Stand der Entwicklung supraleitender rotierender Maschinen

Hersteller / Land Maschine ZeitAMSC (US) 5 MW demo-motor 2004

8 MVA, 12 MVA synchronous condenser 2005/2006 (Feldtest)40 MVA generator design study 2006

36 MW ship propulsion motor8 MW wind generator design study

20082010

GE (US) 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

Doosan, KERI (Korea) 1 MVA demo-generator 2007

5 MW motor ship propulsion 2011

Siemens (Germany) 4 MVA industrial generator 2008 (Feldtest)4 MW ship propulsion motor 2010

Converteam (UK), now GE 1.25 MVA hydro-generator 2012

500 kW demo-generator 2008

8 MW wind generator design study 2010

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KIT-Zentrum Energie25 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik,

Stand der Entwicklung 4 MW Synchrongenerator, Siemens

Test Ergebnisse: Verluste reduziert um 50 % 100 % kapazitive Leistung Hohe Überlaststabilität Geringer Spannungsfall Geringe Netzrückwirkungen Mehr als 7500 h Betriebsstunden Sicherer Betrieb

4 MW HTS II – Langzeittest in der Siemens Motorenfabrik in Nürnberg

Figure: Siemens

Durch HTSL und Kühlung wurde kein Ausfall verursacht!Alle Betriebszustände und Schalthandlungen wurden von dem System toleriert!

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KIT-Zentrum Energie26

Stand der Entwicklung Suprapower Projekt (www.suprapower-fp7.eu)

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Daten:10 MW, 8.1 rpm und 11.8 MN·mMgB2 supraleitende Erregerspule 60 warme Eisenpole230 kAm11.9 m Durchmesser Luftspalt0.52 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

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KIT-Zentrum Energie27

Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten

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Bisherige Ankoppung von konventionellen off-shore Windkraftanlagen

Zukünftig mit HTS DC Windkraftgeneratoren

Weniger Komponenten. Höherer Wirkungsgrad.

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KIT-Zentrum Energie28

Inhaltsübersicht

Hochtemperatur-SupraleiterSupraleitende KabelSupraleitende rotierende MaschinenSupraleitende StrombegrenzerSupraleitende TransformatorenSupraleitende magnetische EnergiespeicherZusammenfassung

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KIT-ZENTRUM ENERGIE

www.kit.edu

Idealer Strombegrenzer Schnelle Strombegrenzung Vernachlässigbare Impedanz im Normalbetrieb Schnelle und automatische Widereinsatzbereitschaft Eigensicher Geeignet für HochspannungWirtschaftlich

begrenzt

Normalbetrieb Kurzschluß

Zeit

unbegrenzt

Stro

m

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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

KIT-ZENTRUM ENERGIE

www.kit.edu

begrenzt

Normalbetrieb Kurzschluß

Zeit

unbegrenzt

Stro

m

Idealer Strombegrenzer Schnelle Strombegrenzung Vernachlässigbare Impedanz im Normalbetrieb Schnelle und automatische Widereinsatzbereitschaft Eigensicher Geeignet für HochspannungWirtschaftlich

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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

KIT-ZENTRUM ENERGIE

www.kit.edu

unbegrenzt

Normalbetrieb Kurzschluß

Zeit

Erholung

Stro

m

Idealer Strombegrenzer Schnelle Strombegrenzung Vernachlässigbare Impedanz im Normalbetrieb Schnelle und automatische Widereinsatzbereitschaft Eigensicher Geeignet für HochspannungWirtschaftlich

unbegrenzt

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KIT – Universität des Landes Baden-Württemberg undnationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

KIT-ZENTRUM ENERGIE

www.kit.edu

Idealer Strombegrenzer Schnelle Strombegrenzung Vernachlässigbare Impedanz im Normalbetrieb Schnelle und automatische Widereinsatzbereitschaft Eigensicher Geeignet für HochspannungWirtschaftlich

begrenzt

SSB

Normalbetrieb Kurzschluß

Zeit

unbegrenzt

Stro

m

Erholung

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KIT-Zentrum Energie34

Supraleitende Strombegrenzer

Wirtschaftliche VorteileVerzögerung von Netzausbau oder von Erneuerungsinvestitionen

z.B. beim Zubau von neuen Kraftwerken durch Einhalten der zulässigen Kurzschlußleistungz.B. bei der Einspeisung erneuerbarer Energien durch Einhaltung des Spannungsbandes über Kopplung von MS-Sammelschienen

Geringere Dimensionierung von Betriebsmitteln, Anlagen und Netzteilenz.B. im Kraftwerkseigenbarf

Ersatz oder Wegfall von Betriebsmittelnz.B. Wegfall von redundanten Einspeisungen durch Teilnetzkopplung

Erhöhung der Verfügbarkeit und Zuverlässigkeitz.B. durch Kupplung von Teilnetzen

Geringere Verlustez.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

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Page 34: Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids

KIT-Zentrum Energie35

Verschiedene Arten von Strombegrenzern

Abgeschirmter Eisenkern„Inductive“

keine Stromzuführungen zu tiefen Temperaturen eigensicher Hohes Volumen Hohes Gewicht

HTS Spule

Cu SpuleEisenkern

Resistiver Typ

einfaches Konzept eigensicher kompakt, leicht Stromzuführungen zu tiefen Temperaturen

DC vormagnetisierter Eisenkern

„saturated iron core“

kein Quench des SL schnelle Wiedereinsatz‐bereitschaft einstellbarer Triggerstrom Hohe Impedanz im Normalbetrieb

Kryostat

LN2

HTS Modul

Stromzu‐führung

L1 L2

Bsat

BGrid BGrid

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KIT-Zentrum Energie36

Anwendungen Supraleitender Strombegrenzer

© M. Noe, KIT

HöS 380 kV

HS 110 kV

MS 10‐30 kV

NS 0,4 kV

Supraleitende Strombegrenzer besitzen eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Spannungsebenen

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KIT-Zentrum Energie37

AnwendungsmöglichkeitenKopplung von Hochspannungsteilnetzen

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SSB 380 kV

220 kV

220 kV

380 kV

220 kV

380 kV

380 kV

110 kVB

110 kVA

Für Details: C. Neumann, SCENET Workshop on Superconducting Fault Current Limiters, Siegen, Germany, June 28-29 2004

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KIT-Zentrum Energie38

Stand der Entwicklung (Feldtest bis 2000)

10

100

10-2 10-1 1 100.1

Phas

e-Ph

ase

Volta

ge /

kVR

MS

1

Current / kARMS

Status: 2000

‘96

ResistiveDC biased iron coreOthers

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KIT-Zentrum Energie39

Stand der Entwicklung (Feldtest bis 2010)

10

100

10-2 10-1 1 100.1

Phas

e-Ph

ase

Volta

ge /

kVR

MS

1

Current / kARMS

Status: 2010

‘04‘96 ‘09

‘08

ResistiveDC biased iron coreOthers

‘08

‘05

‘09 ’09 ‘10

‘10

‘10

‘10

‘10

‘12

High voltage

Medium voltage

‘11

‘12

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KIT-Zentrum Energie40

Stand der Entwicklung12 kV, 800 ABi 2212 MM

10 kV, 600 AYBCO Bandleiter

12 kV, 100 ABi 2212 MM

12 kV, 400 ABi 2212 MM

10 kV, 2.3 kAYBCO Bandleiter

20 kV, 1 kAYBCO Bandleiter

11/2009

10/2011 2013

201110/2009

2013

Bi 2212 Massiv‐material

YBCO Bandleiterwww.eccoflow.org

Commercial Projects

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KIT-Zentrum Energie41

Inhaltsübersicht

Hochtemperatur-SupraleiterSupraleitende KabelSupraleitende rotierende MaschinenSupraleitende StrombegrenzerSupraleitende TransformatorenSupraleitende magnetische EnergiespeicherZusammenfassung

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KIT-Zentrum Energie42

Systemvorteile supraleitender TransformatorenSupraleitung ermöglicht:

Höhere Stromdichte jNL = 3 - 5 A/mm2 jSL > 100 A/mm2

Geringe Verluste

Vorteile supraleitender TransformatorenProduktion und Transport

Kompakt und leicht (~50 % Reduktion)Umwelt und Marketing

Ressourcen schonendEnergieeinsparung (~50 % Reduktion)Nicht brennbar (kein Öl)

BetriebGeringere Kurzschlussspannung

Höhere Kurzschlußleistung im NormalbetriebAktive Fehlerstrombegrenzung mit Rückkühlung unter Last

Schutz der BetriebsmittelReduktion von Investitionskosten

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Page 42: Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids

KIT-Zentrum Energie43

Anwendungen Supraleitender Transformatoren

HöS 380 kV

HS 110 kV

MS 10‐30 kV

NS 0,4 kV

Netz‐transformator

Ortsnetz‐transformator

Block‐transformator

Verteil‐transformator

Blockeigenbedarfs‐transformator

Vielfältige Möglichkeiten in Elektroenergiesystemen und bei Bahn-, Schiffs- oder Off-shore Plattform Transformatoren

© M. Noe, KIT

Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik

Page 43: Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids

KIT-Zentrum Energie44

Stand der Entwicklung supraleitender Transformatoren

Nagoya University Waukesha/SuperPower

2 MVA Demonstrator22kV/6.6 kVPrimär Bi 2223 Bandleiter Sekundär YBCO BandleiterErfolgreicher Test in 2009

28 MVA Prototyp69 kVPrimär und sekundär mit YBCO Bandleitern

Courtesy: N

. Hayakaw

a

Source: W

aukesha

Gallaghan Innovation

1 MVA Demonstrator11 kVPrimär und sekundär mit YBCO BandleiternTests in 2012

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KIT-Zentrum Energie45

Stand der Entwicklung supraleitender Transformatoren

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Daten

Einphasige Repräsentation eines1MVA-DrehstromtransformatorsPrimärwicklung: 20kV / 28,87ASekundärwicklung: 1kV / 577,35AKurzschlußspannung uk < 3%Warmer EisenkernBmax im Kern = 1,5TKühlung auf 77K mit LN2 beiNormaldruck

Technologieentwicklung am KIT

Sekundärwicklung

Vakuumisolierter GFK-Kryostat

CuPrimärwicklung

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KIT-Zentrum Energie46

Stand der Entwicklung supraleitender Transformatoren

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Land Inst. Anwendung Daten Phase Jahr HTSL

Switzerland ABB Distribution 630 kVA/18,42 kV/420 V 3 Dyn11 1996 Bi 2223

Japan Fuji Electric Kyushu Uni

Demonstrator 500 kVA/6,6 kV/3,3 kV 1 1998 Bi 2223

Germany 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-YBCOS- 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 2223S-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 2 MVA 3 2012 YBCO

Australia Callaghan Innovation

Demonstrator 1 MVA 3 2013 YBCO

Page 46: Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids

KIT-Zentrum Energie47

Inhaltsübersicht

Hochtemperatur-SupraleiterSupraleitende KabelSupraleitende rotierende MaschinenSupraleitende StrombegrenzerSupraleitende TransformatorenSupraleitende magnetische EnergiespeicherZusammenfassung

Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik

Page 47: Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids

KIT-Zentrum Energie48

2IL21Q

IP LU

Gespeicherte Energie

Leistung

SMES Energiedichte0

2max

2B

VQ

Charakteristische Größen

z.B. 5 T = 2,7 kWh/m³

I = I0 et- L

R =

Speicherprinzip supraleitender magnetischer Energiespeicher

Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik

Page 48: Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids

KIT-Zentrum Energie49

Systemvorteile supraleitender magnetischer Energiespeicher

Kurze Reaktionszeit in msSchnelle Auf- und EntladungVollentladung möglichUnabhängige Bereitstellung von Wirk- und Blindleistung Hoher Wirkungsgrad > 95%Keine AlterungUmweltfreundlichSehr hohe Leistungsdichten (kW/kg)

Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik

Page 49: Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids

KIT-Zentrum Energie50

2.5 MJ YBCO Bandleiter, 22 km550 A20 K leitungsgekühltBmaxII 6.24 TTest in 2011

814 kJBi 2212 Bandleiter315 A20 K leitungsgekühltDurchmesser: 300/814 mmHöhe: 222 mm

KERI, KoreaNetzqualität

CNRS, FrankreichMilitärische Anwendung

1 MJ , 1 MWBi 2212 Bandleiter500 A 5 K leitungsgekühltSpannung: 2.5 kV

Chubu, JapanSpannungsqualität

Figure: C

hubu

Electric

Figure: KER

I

Figure: CNRS

Stand der Entwicklung supraleitender magnetischer Energiespeicher

Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik

Page 50: Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids

KIT-Zentrum Energie51

Stand der Entwicklung supraleitender magnetischer Energiespeicher

Lead Institution

Country Year Data Super-conductor

Application

KIT D 1997 320 kVA, 203 kJ NbTi Flicker compensation

AMSC USA 2 MW, 2,6 MJ NbTi Grid stability

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

KERI 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

Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik,

Page 51: Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids

KIT-Zentrum Energie52 Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik,

Inhaltsübersicht

Einführung und MotivationHochtemperatur-SupraleiterSupraleitende KabelSupraleitende rotierende MaschinenSupraleitende StrombegrenzerSupraleitende TransformatorenSupraleitende magnetische EnergiespeicherZusammenfassung

Page 52: Widerstand zwecklos – Supraleiter erobern Smart Grids

KIT-Zentrum Energie53

Zusammenfassung

TechnologieDemonstration

Windkraftgen.

AC Kabel

MS SSB

KW Generator

Transformator

HS SSB

Schiffsantrieb

Hydro Gen.

HTSL SMES

DC Kabel

Prof. Dr.-Ing. Mathias Noe, Institut für Technische Physik

Große Prototypen im Netz

Erste kommerzielle Produkte

Markt-erschliessung