Ziel der Entwicklung

Im Rahmen der Energiewende wurden alle Atomkraftwerke in Deutschland schrittweise abgeschaltet, ebenso weitere konventionelle Kraftwerke. Der Energiebedarf soll zunehmend mit erneuerbaren Energiequellen gedeckt werden. Die Windkraftanlagen im Norden und im Osten Deutschlands liefern dabei einen wesentlichen Anteil. Die größten Verbraucher, z.B. große Industrieanlagen, sind dagegen vorrangig im Süden und Westen Deutschlands angesiedelt. Das bestehende Stromnetz muss, um den neuen Anforderungen gerecht zu werden, in den kommenden Jahren erheblich ausgebaut werden. Insgesamt sollen bis zu 7500 km Leitungen neu gebaut oder erneuert werden. HGÜ-Leitungen (Höchstspannungs-Gleichstrom-Übertragungsleitungen) wie die Stromtrassen SuedLink und SuedOstLink spielen dabei eine bedeutende Rolle. Damit soll es möglich werden, die Energie europäisch bedarfsorientiert zu verteilen, z.B. Wasserkraft aus Norwegen, Windkraft aus Deutschland usw. Mit dem geplanten Ausbau des Stromnetzes in Deutschland sollen auch Erdkabel anstelle von Freileitungen zum Einsatz kommen. Die Problematik der hohen Übertragungsverluste ist hier vergleichbar mit der von Seekabeln. Daher erscheinen längere Erdkabelstrecken im Wechselspannungsbetrieb aufgrund der Effizienz nicht sinnvoll. Mit den Erdkabelstromtrassen entfallen zwar die Hochspannungsmasten, welche alternativ für Hochspannungs-Wechselstrom-Trassen gebaut werden müssten, dahingegen fallen die Umspannwerke für die HGÜ-Leitungen wegen der zusätzlich zu den Transformatoren benötigten Stromrichter sehr groß aus. Diese Flächen sind in größeren Städten kaum oder nicht mehr wirtschaftlich verfügbar. Supraleitende Stromkabel bieten hier einen vielversprechenden Ansatz. Die Übertragungsverluste sind deutlich geringer als bei HGÜ-Kabeln, somit ist eine wesentlich niedrigere Spannung ausreichend und damit reduziert sich auch die Baugröße der Umspannwerke signifikant. So wird für eine 110 kV-Wechselstromleitung ein Umspannwerk mit dem Platzbedarf einer Turnhalle benötigt, und z.B. für die supraleitende Leitung mit 10 kV in der Essener Innenstadt (AmpaCity) lediglich ein Umspannwerk in der Größe einer Doppelgarage. Supraleitende Kabel zur Energieübertragung bestehen im Wesentlichen aus dem eigentlichen Stromkabel und einem äußeren Mantel zur Kühlung. Das eigentliche Stromkabel bzw. die elektrischen Leiter sind aus supraleitendem Material gefertigt. Supraleitende und theoretisch ausreichend untersuchte Materialien gibt es in unterschiedlichen Ausführungsformen. Sie unterscheiden sich stark in ihrer Sprungtemperatur und damit den Kosten für die benötigte Kühlanlage sowie in ihrem Materialpreis oder auch in ihrer Verfügbarkeit. Ein Stromkabel aus Supraleitern verliert unterhalb der Sprungtemperatur seinen elektrischen Widerstand nahezu vollständig; infolgedessen überträgt das supraleitende Stromkabel den elektrischen Strom nahezu verlustfrei. Hierfür wird allerdings stets eine Kühlung benötigt. Fällt diese aus, wird das Kabel normal elektrisch leitend, der elektrische Widerstand steigt sprunghaft an, und der Strom kann nicht mehr verlustfrei übertragen werden. Als Kühlmedium wird für die derzeit verfügbaren Supraleiter flüssiger Stickstoff oder flüssiges Helium eingesetzt. Ziel des FuE-Vorhabens war die Entwicklung und Erprobung eines kostengünstigen, langlebigen und effizienten Kühlsystems in Form einer kompakten Einheit. Solche Einheiten können entlang supraleitender Stromtrassen aufgestellt werden, um vor Ort den zur Kühlung benötigten flüssigen Stickstoff bereitzustellen, alternativ zur gegenwärtigen Praxis, wobei der LN2 mit Fahrzeugen angeliefert werden muss. Die Einheiten bestehen jeweils aus einem aktiven Kryokühler mit Wärmeübertrager, einer Zirkulationspumpe (Kryoflüssigkeitspumpe), einem Ausgleichsbehälter und einer elektronischen Steuerung. Die supraleitenden Kabel der Stromtrasse werden mit LN2 gekühlt. Dabei erwärmt sich der flüssige Stickstoff, und ein Teil verdampft. Die Kühleinheit muss daher über ausreichend Kühlleistung und LN2 Speicherkapazität verfügen, um den erwärmten Teilstrom wieder zu unterkühlen und den verdampften Anteil wieder kondensieren zu können. Mit der regelbaren Förderpumpe kann dann der LN2-Volumenstrom bedarfsorientiert dem Supraleiter-Teilabschnitt zugeführt werden.

Vorteile und Lösungen

Umfangreiche numerische Simulationen bilden die Grundlage für die Systemauslegung. Betrachtet wurde einerseits das Abkühlen der Gasphase von 300 K auf 80 und andererseits der Vorgang der Verflüssigung bei Temperaturen um 78 K. Beide Vorgänge wurden als transiente Simulationen durchgeführt. Die Geometrie, die Oberfläche und die Temperaturen wurden als Randbedingungen vorgegeben. Ermittelt wurden die räumliche Zirkulation, der Kälteleistungsbedarf, die Abkühldauer und der N2-/ LN2-Volumenstrom. Die numerische Simulation erfolgt dabei schrittweise, beginnend mit der Vorgabe der Geometrie des Behälters und des Wärmeübertragers (WÜ). Im nächsten Schritt muss die Geometrie mit dem Rechennetz belegt werden, anschließend werden die Randbedingungen wie Temperaturen, Fluid und Druck sowie die zu verwendenden Rechenmodelle (Energiegleichungen, K-Epsilon-Modell für Strömungssimulation und VOF-Modell für Phasenübergang) vorgegeben. Es folgt die eigentliche numerische Berechnung. Die Anzahl der Netzelemente und die verwendeten Rechenmodelle beeinflussen die Rechenzeit. In Bodennähe eines 100 l-Behälters als typischen Anwendungsfall zeigt sich ein großer ausgeprägter Wirbel, angetrieben vom kalten schwerkraftinduzierten N2-Strom. Am Eintritt ist, infolge des sich abkühlenden Gases im Behälter,
nachströmendes warmes (300 K) N2 zu sehen. Die beschriebene Simulation beinhaltet noch keinen Phasenübergang. Aus den Ergebnissen der Simulation zum Abkühlen wurden Erkenntnisse zur Strömung im Behälter, zur Abkühldauer, zur Temperaturverteilung, zur thermischen Schichtung und zur notwendigen Kälteleistung für das Abkühlen von gasförmigem Stickstoff gewonnen. Daraus können wiederum Anpassungen der Größe des WÜ und der beim Einkühlen zuzuführende N2-Volumenstrom abgeleitet und bestimmt werden, um den Druck im Behälter aufrecht zu halten. Auffallend ist die thermische Schichtung im Volumen sowie die fallende Strömung unter dem WÜ. So wie sich die Temperatur in deutlichen Schichten darstellt, sollte der WÜ möglichst weit oben im Behälter angebracht werden, um zu vermeiden, dass sich über dem WÜ eine „warme“ Schicht ausbildet. Der Fallstrom unter dem WÜ
reicht dagegen nicht aus, um die Schichtung zu zerstören und nennenswerte Wärmemengen in den kalten Bereich zu transportieren. Aus der Form des nach unten gerichteten Fallstromes kann ein günstigeres Design der Rippen abgeleitet werden. Werden die Rippen radial anstatt parallel angeordnet, kann das gasförmige N2 über den kompletten Umfang der Mantelfläche in den WÜ einströmen und anschließend wieder nahe der Mitte nach unten abströmen. Mit den Ergebnissen und Erkenntnissen aus der Simulation wurde der Entwurf des WÜ mit Designstudien zu möglichen Geometrien begonnen. Bei dem Modell „parallel“ sind die Rippen einfach zu fertigen, die Zuströmung von gasförmigem N2 über den Umfang ist nur lokal im Bereich der Schlitze gegeben. Die Rippen sind nur auf einer Seite an die Kältequelle angekoppelt. Das Abtropfen der flüssigen Phase wird nicht begünstigt. Im „spiralen“ Design ergibt sich eine Kante, an der Flüssiganteile entlanggeführt werden. Die aktive Fläche ist im Vergleich zu den „radial“ Entwürfen kleiner. Die Fertigung ist eine Herausforderung. Im „radial“ und „radial untersetzt“ Design sind die Bohrungen zur Befestigung des WÜ am Kaltkopf zugänglich, die Rippen sind an zwei Seiten thermisch kontaktiert. Das konische Ende unterstützt das Abtropfen der Flüssiganteile. Im letzten Entwurf sind große aktive Flächen und eine gute volumetrische Ausnutzung des Materials umsetzbar. Zur Regelung des Systems sind einige Besonderheiten zu
beachten. Die Kompressoren müssen beim Erreichen des maximalen Füllstandes abschalten. Die Förderpumpe zur LN2-Entahme darf sich nur anschalten lassen, wenn der Füllstand ausreichend hoch und die Pumpe untergetaucht ist. Die Entnahmemenge ist dabei über die Hubfrequenz der Förderpumpe regelbar. Getestet wurde in Kombination das
Ansteuern der Kompressoren, der Förderpumpe und das Regeln der Kaltkopftemperaturen auf Sollwerte durch Anlegen einer Heizleistung. Dabei mussten die optimalen Regelparameter der Steuerung, speziell der programmierten PID-Regler für die Heizungen, ermittelt werden. Der Kältepuffer stellt neben dem Kühlsystem die Hauptkomponente der Einheit dar. In den Behälter wurden die Zirkulationspumpe und die beiden Kühler mit dem Verflüssiger integriert. Hinzu kommen noch die Mess- und Sicherheitstechnik sowie Anschlüsse für die N2 Versorgung. Die Kryoflüssigkeitspumpe arbeitet als doppeltwirkende Tauchpumpe. Auch der Linearantrieb der KFP arbeitet im tiefkalten LN2. Dadurch reduziert sich der ohmsche Widerstand der Kupferspulen / Statorwicklung sehr stark. Das wirkt sich positiv auf die Effizienz der Pumpe aus. Mit der elektronischen Steuerung wird die Hub-Frequenz vorgegeben, womit der zu fördernde Volumenstrom bedarfsgerecht geregelt werden kann.

Zielgruppe und Zielmarkt

Funktionsmuster des Kühlsystems vor, welches zugleich als Versuchsstand nutzbar ist, und andererseits können wissenschaftlich-technische Kenntnisse zum Systemdesign, für Speziallösungen und zur Weiterentwicklung der einzelnen Komponenten verwendet werden.Die zu entwickelnde Technologie des Kühlsystems soll mit Projektabschluss an einen Industriepartner transferiert werden. Insbesondere der bestehende Kontakt zur Fa. SAMAD stellt hierfür eine vielversprechende Grundlage dar. Es ist geplant, in diesem Zusammenhang folgende Leistungen zu erbringen:
– Verkauf des Prototypen des Kühlsystems einschließlich erweiterter Sensorik etc.,
– Know-how-Transfer inklusive von Schutzrechten (bisher existent für die Kryoflüssigkeitspumpe),
– Mitwirkung an Anpassungen für die industrielle Fertigung.

Insgesamt können damit in den ersten 3 Jahren nach Projektabschluss 150 T€ erlöst werden. Ein weiterer Anteil in Höhe von insgesamt 60 T€ resultiert aus Ingenieurleistungen zu Design von Kühlsystemen, die an spezielle Einsatzanforderungen bzw. Kundenwünsche angepasst sind. Diese Planung basiert auf der Annahme, dass das im Vorhaben erworbene Know-how weiterhin vom Industriepartner genutzt wird.

Ein weiterer Teil der internen Projekt-Refinanzierung ist durch die eigenständige Vermarktung und Weiterentwicklung der einzelnen Komponenten zu erwarten. Hierzu gehören folgende Segmente:
– Sonderlösungen bzgl. Adaptionen der Kaltfläche zur Anbindung weiterer Komponenten oder von thermischen Schilden,
– Kryokühler mit Verdichter,- Pufferbehälter mit Kryoflüssigkeitspumpe,
– Kryokühler für tiefere Temperaturen.Hierdurch wird im Zeitraum von 2026 bis 2027 mit einem jährlichen Erlös von je ca. 150 T€ gerechnet.

Die deutliche Steigerung gegenüber der ursprünglichen Planung resultiert aus bereits aktuell gebundenen Aufträgen. Dies betrifft insbesondere eine Systementwicklung im Bereich mobiler Wasserstoffanwendungen, was die Tragfähigkeit des Konzepts bestätigt. Ab 2028 wird zudem die Vermarktung des Wasserstoff-tauglichen Kühlers prognostiziert, woraus weitere signifikante Umsätze resultieren werden.Die externe Projekt-Refinanzierung ergibt sich im Wesentlichen aus zwei Positionen:
– Induzierte Umsätze sowie- Induzierte Kosteneinsparungen.Die induzierten Umsätze resultieren dabei sowohl aus der Vermarktung der Kühllösungen für Stromschienen als auch aus speziellen Entwicklungen zur Werkzeugkühlung etc. einschließlich weiterer Systementwicklungen. Aufgrund der bereits bestehenden Kompetenz des potentiellen Vermarktungspartners SAMAD und der bereits abgeschlossenen FuE-Aufträge ist mit einer zügigen Markterschließung zu rechnen.Die induzierten Umsätze basieren somit auf der Annahme eines auch durch den Demonstrator initiierten, erfolgreichen Markteintrittes im Jahre 2026. In Summe wird nach fünf Jahren nach Projektabschluss somit ein induzierter Umsatz von 4,8 Mio. EUR erwartet. Der Anteil von 1.500 T€ in 2030 entspricht einer Stückzahl von ca. 30 bei Annahme der Leistungsparameter des Entwicklungsgegenstands. Für ein System zur Werkzeugkühlung ist eher die doppelte Stückzahl für diesen Umsatz erforderlich. In Kombination aller geplanten Anwendungen ist ein entsprechender Marktanteil realisierbar. In Kooperation mit der Firma SAMAD zusammen ergaben sich zudem neue Ansätze zur Vermarktung. Dies betrifft sowohl solarstrombetriebene Kühllösungen mit Flüssigstickstoff-Generatoren als auch Energiespeichersysteme mit Stickstoff unter Nutzung tiefkalter Druckwechsel-Adsorptionsprozesse.Weiterhin prognostiziert werden ca. 500 T€ an induzierten Kosteneinsparungen. Diese resultieren beispielsweise aus Effizienzsteigerungen für Bearbeitungsprozesse an gekühlten Werkzeugmaschinen und aus eingesparten Betriebskosten, insbesondere aufgrund der geschlossenen Kühlkreisläufe.