Von Stephanie Gust
Fließen Elektronen durch einen metallischen Leiter, tritt unweigerlich ein ohmscher Widerstand auf. Dadurch entstehen Energieverluste, der Leiter wird warm und die nutzbare Stromstärke ist durch die Hitzeentstehung limitiert. Es gibt jedoch Materialien, bei denen unterhalb einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Sprungtemperatur, der Widerstand verschwindet. Strom lässt sich dann praktisch verlustfrei weiterleiten. Dieser Effekt ist seit mehr als 100 Jahren bekannt und tritt bei sehr tiefen Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts (-273 Grad Celsius) auf. Diese sogenannten Supraleiter sind deshalb bisher nur zur Erzeugung hoher Magnetfelder (etwa in der Medizintechnik) im Einsatz.
Derartige Minustemperaturen lassen sich auf einer langen Kabelstrecke dauerhaft nur mit viel Aufwand erreichen und sind nicht wirtschaftlich. 1986 kam jedoch Schwung in das Thema, als Georg Bednorz und Karl Alexander Müller keramische Materialien entdeckten, die bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden.
Für diese Hochtemperatur-Supraleiter erhielten sie schon im Folgejahr den Physik-Nobelpreis. In Folge gelang es, die Sprungtemperaturen auf über 90 Kelvin (-180 Grad Celsius) zu steigern und erstmals ließ sich so flüssiger Stickstoff statt teurem Helium zur Kühlung einsetzen. Das war der Grundstein für supraleitende Stromkabel, Energiespeicher und Magnetlager. In Essen wurde 2014 mit dem Projekt Ampacity zum ersten Mal eine supraleitende 10-Kilovolt-Leitung in einer deutschen Innenstadt in Betrieb genommen (siehe Kasten) und über lange Jahre erfolgreich getestet.
Durchbruch bei 110 Kilovolt
In München ist ein weiterer Meilenstein erreicht: Dort ging mit Superlink der weltweit erste Prototyp eines Hochspannungs-Supraleiterkabels in Betrieb, genauer gesagt im Hauptumspannwerk der Stadtwerke München (SWM) im Stadtteil Menzing. Dort läuft seit November 2024 noch bis Juni 2025 eine 150 Meter lange Teststrecke.
"Die Stromnetze der Zukunft müssen flexibler und leistungsfähiger sein, um die steigenden Lasten – etwa von Rechenzentren, Wärmepumpen und Elektromobilität zu bewältigen", erklärt Peter Michalek, Superlink-Projektkoordinator und Leiter Betrieb Netze bei der Netztochter der Stadtwerke München. Daher habe man das Projekt schon 2016 mit drei Industriepartnern – NKT, Theva sowie Linde – und zwei Hochschulen – dem Karlsruher Institute of Technology (KIT) und der Fachhochschule Südwestfalen – gestartet.
"Ziel ist, das Netz im urbanen Raum zu stärken, es wirtschaftlicher und mit geringerem Platzbedarf auszubauen", so Michalek. Weil das Vorhaben nicht nur für München interessant ist, sondern bundesweit, wird Superlink von der Bundesregierung über den Projektträger Jülich gefördert.
Vorteile Superlink
"Superlink ist ein Hochspannungskabel mit 110 Kilovolt, das 500 Megawatt überträgt – das wäre mit normalen Kabeln auf dieser Spannungsebene nicht möglich", erklärt Werner Prusseit, Geschäftsführer der Theva Dünnschichttechnik. Die Übertragungskapazität dieser "Stromautobahn" sei um bis zu sechsmal höher als bei konventionellen Hochspannungskabeln. Und das bei einer sehr kompakten Bauweise von etwa 15 bis maximal 20 Zentimetern Durchmesser. Zudem entfallen Leitungsverluste, was zu einer deutlich verbesserten Effizienz und weniger CO2-Emissionen führt, ergänzt Michalek von den Stadtwerken München.
Die richtige Kühlung ist das A und O
Erstmals kommen die günstigeren Hochtemperatur-Supraleiter der zweiten Generation zum Einsatz: dünne Stahlbänder, die mit dem Hochtemperatur-Supraleitermaterial beschichtet sind und von Theva seit mehr als 20 Jahren vor den Toren Münchens entwickelt werden.
Auch die Kühlung im städtischen Umfeld lässt sich bewerkstelligen: Das Supraleiterkabel soll später einmal über Umspannstationen verlaufen; die Stadtviertel werden mit Abgängen versorgt. Die Stationen liegen im Schnitt drei bis fünf Kilometer auseinander. "Ein gut isolierender Kryostat – der außen liegende Vakuummantel, der wie eine Thermoskanne funktioniert – und ein Design zur Optimierung der Wechselstromverluste waren daher zentrale Entwicklungsziele", so Prusseit. Die Endverschlüsse, in denen der Kalt-Warm-Übergang unter Hochspannung stattfindet und flüssiger Stickstoff als Kühlmittel eingespeist wird, sind ihm zufolge die komplexesten Komponenten des Kabelsystems. Hier habe man im Projekt sogar mehrere Varianten zur Optimierung realisiert.
Erhöhte Übertragungskapazität
In der aktuellen Versuchsreihe verläuft Superlink oberirdisch, damit die Stadtwerke die Leitung auf Herz und Nieren prüfen können. Alle technischen Meilensteine sind inzwischen erreicht und nachgewiesen, so Prusseit von Theva. Auch die SWM gehen davon aus, dass der Prototyp alle an ihn gestellten Anforderungen erfüllen wird. Dazu gehören neben technischen auch wirtschaftliche Voraussetzungen. Auch hier sind die SWM und Theva zuversichtlich: Ein Supraleiter soll bis zu fünf herkömmliche Kabelsysteme ersetzen. Damit reduzieren sich vor allem die enormen Kosten für Tiefbau und Oberflächenwiederherstellung im urbanen Bereich.
"In München liegen die Kosten für 'normale' 110-kV-Kabellegungen bei über drei Millionen Euro pro Kilometer. Damit ist der Benchmark für den Supraleiter gesetzt. Genaue Kosten stehen allerdings noch nicht fest", stellt Michalek klar.
Laufen die Tests, wovon die Projektpartner ausgehen, soll in München die erste kommerzielle Hochspannungsleitung verlegt werden: eine 15 Kilometer lange Verbindung zwischen dem Hauptumspannwerk Menzing und dem Energiestandort Süd in Sendling – diesmal unterirdisch. "Diese Innovation wird weit über Münchens Stadtgrenzen hinaus dazu beitragen, Stromnetze noch effizienter, stabiler und klimaschonender zu machen", ist sich Michalek sicher. Denn das Interesse an dem Projekt ist groß: "Wir erhalten Anfragen dazu aus Deutschland, Europa und auch aus anderen Teilen der Welt. Superlink könnte zum Gamechanger für die Stromnetze der Zukunft werden."
