Energieübertragung durch tiefstgekühlte, besonders supraleitende Kabel. Elektrospeicherfahrzeuge: 203. Sitzung am 5. Januar 1972 in Düsseldorf PDF
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Rheinisch -Westfalische Akademie der Wissenschaften Natur-, Ingenieur- und Wirtschaftswissenschaften Vortrage . N 223 Herausgegeben von der Rheinisch-Westfalischen Akademie der Wissenschaften PETER A. KLAUDY Energietibertragung durch tie£stgektihlte, besonders supraleitende Kabel THEODOR WASSERRAB Elektrospeicherfahrzeuge \YJ estdeutscher Verlag . Opladen 203. Sitzung am 5. Januar 1972 in Dusseldorf ISBN-13: 978-3-531-08223-3 e-ISBN-13: 978-3-322-90073-9 DOl: 10.1007/978-3-322-90073-9 © 1973 by Westdeutscher Verlag GmbH Opladen Gesamtherstellung Westdeutscher Verlag GmbH Inhalt Peter A. Klauc!J, Graz Energieiibertragung durch tiefstgekiihlte, besonders supraleitende IZabel ..................................................... 7 Summary.................................................. 62 Resume................................................... 62 Literatur .................................................. 63 Diskussionsbeitrage Professor Dr.-Ing. August Wilhel1l1Quick; Professor Dr. techno Peter A. Klauc!J; Professor Dr. phil. Martin Sch1l1eijer; Professor Dr. rer. nat. Gunther von Minnigerode; Professor Dr. rer. nat. Rudolf Schulten; Pro fessor Dr.-Ing. Dr.-Ing. E. h. Hans Ebner; Professor Dr.-Ing. Volker Aschoff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .. 65 Theodor Wasserrab, Aachen Elektrospeicherfahrzeuge .................................... 75 Summary .................................................. 109 Resume ................................................... 110 Literatur .............. '. ................................... . 111 Diskussions beitrage Professor Dr. rer. nat. Rudolf Schulten; Professor Dr. techno Theodor Wasserrab; Dr.-Ing. Hans-Georg Muller; Professor Dr.-Ing. Dr. h. c. Dr. h. c. Herwart Opitz; Professor Dr. rer. nat. Gunther von Minnige rode; Hermann Jos~f Werhahn; Professor Dr.-Ing. Eugen Flegler; Konsul Richard Talbot; Professor Dr. phil. Martin Schllleijer; Pro- fessor Dr. rer. nat. Gunther Otto Sche12ck ........................ 113 Energietibertragung durch tiefstgektihlte, besonders supraleitende Kabel Von Peter A. Klaucfy, Graz Der Energiebedarf moderner Industriestaaten wachst stark an und ver doppelt sich derzeit jeweils innerhalb von 10 Jahren. Wahrend die Er zeugung der in Kurze benotigten groBen Energiemengen in Atom- und kalorischen Kraftwerken moglich erscheint, bildet die Frage des Energie transportes von den Erzeugungsstatten zu den Verbraucherzentren ein schwerwiegendes Problem. Hochspannungsleitungen konventioneller Bau art sind zur Ubertragung von Leistungen von mehr als etwa 1000 MVA namlich nicht mehr recht geeignet, weil die Ubertragungsspannungen nicht wesentlich uber etwa 1 000 000 Volt gewahlt werden konnen. (Isolations und Durchschlagsschwierigkeiten, Koronaverluste, groBer Platzbedarf fur die Masten, groBer Leiterabstand und damit zusammenhangend schwierige Wegerechtprobleme, Behinderung des Flugverkehrs, Beeintrachtigung des Landschafts bildes usw.) 1m Laufe der letzten Jahre wurde deshalb an den Einsatz konventioneller Hochleistungskabel fur den Energietransport gedacht. Bei groBen Uber tragungsleistungen und damit hohen Leitungsstromen und Spannungen treten in solchen Kabeln daher hohe Energieverluste 2 (/2 L+ ) Pv= 3 R U. (1) R~s auf (I und U Phasenstrom und Phasenspannung, RL und Ris aquivalente Wirkwiderstande in den Leitern und in def Isolation, siehe Abb. 1). Boden erwarmung und Bodenaustrocknung waren die Folge, so daB forcierte Ol und Wasserkuhlung in Aussicht genommen werden muB, abgesehen von den hohen Kosten. Es wird deshalb auch die Frage studiert, ob die bei tiefsten, nahe dem absoluten Nullpunkt liegenden Temperaturen gunstigeren Eigenschaften von Leitern und Isolatoren fur den Bau von Hochleistungskabeln nutz bringend verwertet werden konnen. Die Temperatur in Metallen wird durch die GroBe ihrer Gitterschwin gungen gekennzeichnet. Stromleitung in Metallen kommt durch die Be wegung kleinster negativ geladener Elementarteilchen (der Elektronen) 8 Peter A. Klaudy durch das Atomgitter der Metalle (siehe Abb. 1 a), mit dem sie in Wechsel wirkung treten (zusammenstoBen), zustande. Je tiefer die Temperatur, je geringer also die Gitterschwingungen der Metalle sind, desto kollisionsfreier konnen sich die Elektronen durch das Metallgitter bewegen. Der spezifische elektrische Widerstand von Metallen nimmt deshalb mit sinkender Tempe ratur Tab (Abb. 2a). Neben diesem fUr alle Metalle geltenden Verhalten zeigen gewisse Stoffe, die sogenannten Supraleiter, bei tiefsten Temperaturen iiberhaupt keinen Widerstand. Gleichstrom und damit elektrische Gleichstromenergie liiBt sich in Supraleitern deshalb verlustfrei iibertragen. Dariiber hinaus wird die IsoIierfestigkeit der Isolatoren bei tiefsten Temperaturen infolge der ge ringeren Ionisationsneigung und geringeren chemischen Alterung in wiin schenswerter Weise erhoht (Abb. 1 b). I I Hochleistungskabel (P>500MVA) trotz U (-3~5 kV) weil [2RL gro(J und U2/RiS gro(J (-Bodenerwiirmung und Austrocknung) Tiefgekiihlte Kabel I RL - klein Ris - groB Abb. 1: Energietibertragung bei Tiefktihlung Energieiibertragung durch tiefstgekiihlte, besonders supraleitende Kabel 9 Die Anwendung tiefster Temperaturen fiir den Bau von Energieiiber tragungskabeln erscheint grundsatzlich sinnvoll und vertretbar, weil - als Nebenergebnis der Weltraumforschung - in letzter Zeit so groBe Fort schritte in der Kiihlmaschinen- und Kalteisoliertechnik erzielt worden sind, daB auch groBere Raume auf tiefsten in der Nahe des absoluten Null punktes (-273°C) liegenden Temperaturen ohne allzu groBen Leistungs aufwand fiir die Kiihlmaschinen gehalten werden konnen. TieJgekiiblte Reinstmetall-Gleichstromkabel Bei der Temperatur des fliissigen Wasserstoffes unter Atmospharendruck (200K) betragt der Widerstand technisch reiner Kupferdrahte beispiclsweise nur etwa ein Fiinfhundertstel des Widerstandes gleichdimensionierter Kup ferleiter unter normalen Betriebsbedingungen (3000K) (siehe Abb. 2a). In solchen Driihten tritt deshalb bei gleicher Strombelastung nur etwa ein Fiinfhundertstel der ohmschen Warme auf, die in gleichstarken Kupfer leitern unter normalen Bedingungen entstehen wiirde (ahnliches gilt fiir Reinstaluminiumdrahte) . Zur Abfuhr der in den Leitern bei tiefen Temperaturen auftretenden ohmschen Verlustleistung PL in die umgebende Atmosphare mit der Tem peratur Tu = 300 Kist jedoch nach dem zweiten Hauptsatz der Thermo dynamik und zufolge von Unvollkommenheiten der Kiihlmaschinen eine Kiihlmaschinenleistung von etwa PM 4 P (Tu - Tk)/Tk aufzubringen R::; L (siehe Abb. 2b), d. h. etwa 50 Watt fiir jedes entstehende Verlustwatt im Kabel (siehe Abb. 2a). \'Venn nur ohmsche Verluste zu beach ten waren, wiirde die Anwendung tiefgekiihlter Kupferleiter (oder Aluminiumleiter) an Stelle von konven tionellen Kupferleitern in Gleichstromkabeln daher eine Ersparnis an Ver lustenergie von etwa 90% erbringen. Tatsachlich kommt zu den ohms chen Verlusten, die als \'Varme in Er scheinung treten, jedoch noch die Warme, die von auBen in das Kalte schutzsystem des Kabels durch Leitung und durch Strahlung dringt und die durch Fliissigkeitsreibung im stromenden Kiihlmittel (fliissigen Wasser stoff) und im zusatzlich gegebenenfalls als Kalteschild verwendeten stro menden fliissigen Stickstoff entsteht, hinzu und muB von der Temperatur von 20 K (bzw. 77 K) in die umgebende Atmosphare bei etwa 300 K ab gefiihrt werden. Mit tiefgekiihlten Reinstmetallkabeln laBt sich aus diesem Grund nur eine erheblich geringere Energieersparnis, als sie auf Grund des reinen 10 Peter Ao Klaudy Q..-..J ~~ I ~ ~ - ........ c - ~ " Q..~ .~ ~ .... t:s 0.0"..}. >-1 ~ ~ ~ ::2 :;3 .., ,..!<I " o.!l ~t ~ ..b..!.J I- -....;. b" J 8 N £? ..ci .D ,I <: '1 \ c.0. , c ~ ~r aII a ~ ~ Q..-..J C ~ -I~ 1O ~ £? II iI II I Q..~ I c0 I <I\Ij :::> ! O-U '"'- 0 ':01 10'- c -I I- oO~=d Energieiibertragung durch tiefstgekiihlte, besonders supraleitende Kabel 11 Widerstandsverhaltnisses der Leiter allein berechnet werden kann, erzielen. Da die Warmeverluste, besonders die Warmeleitungsverluste, aber auch die Kosten fur das Kalteschutzsystem und die Kuhlmaschinen weniger als ver haltnisgleich mit der Kabelleistung steigen, werden auf 20 K gekuhlte Reinstmetall-Gleichstromkabel erst bei groBen Kabelleistungen (uber etwa 1000 MW) wirtschaftlich. Tiefgekiihlte Reinstmetall-Wechselstromkabel Ungunstigere Verhaltnisse liegen noch bei tiefgekuhlten Reinstmetall Wechselstromkabeln vor. Zufolge der hohen spezifischen Leitfahigkeit u der reinen Metalle bei tiefsten Temperaturen tritt in ihnen ein gegenuber dem Gleichstromwider stand R entsprechend der Beziehung GZ RGZ d ,/ Rw= -- vnfu fl (2) 4 hoherer Wechselstromwirkwiderstand Rw auf, wenn d den Leiterdurch messer in Metern, fl die Permeabilitat in Vs/Am und f die Frequenz des Wechselstromes bezeichnen. Durch Unterteilung der Leiter auf eine groBere Zahl dunner elektrisch parallel geschalteter Drahte ist es moglich, den Wechselstromwiderstand zu verringern. Die einzelnen Drahte sind aber gegeneinander elektrisch zu iso lieren, was Platz verlangt und sich in schlechterer Ausnutzung des fUr die Leiter verfugbaren Querschnittes im Vergleich zu Gleichstromkabeln aus wirkt. Hinzu kommen Schwierigkeiten bei der Kuhlung und der elektri schen Verbindung der zahlreichen dunnen Einzeldrahte. SchlieJ31ich treten dielektrische Verluste in der Leiterisolation auf, deren aquivalente Warme wieder unter 40mal hoherem Kuhlmaschinenleistungsaufwand an die Atmo sphiire abgefuhrt werden muB. Die Verwendung tiefgekuhlter Reinstmetall-Wechselstromkabel an Stelle konventioneller Wechselstromkabel erscheint daher nicht aussichtsreich, es sei denn, daB besondere Bedingungen zu erfullen sindl. 1 Wie z. B. im Fall eines interessanten Projektes, das gegenwartig von der General Electric untersucht wird: Wechselstromhochspannungskabel mit Reinstmetall Aluminiumleitern verhaltnismaI3ig kurzer Lange, die durch fliissigen Wasserstoff gekiihlt sind und in ein bestehendes Wechselstromhochspannungsnetz eingebaut werden sollen.
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