Supraleitender Magnetischer Energiespeicher

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Supraleitende Magnetische Energiespeicher (SMES) speichern Energie in einem durch Gleichstrom in einer supraleitenden Spule erzeugten Magnetfeld. Die Spule wird mittels Kryotechnik unter die Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt.

Ein typischer SMES besteht aus einer supraleitenden Spule, einer Kühlung und einem Energieaufbereitungssystem. Wenn die supraleitende Spule einmal geladen ist, nimmt der Strom nicht ab und die magnetische Energie kann über längere Zeit gespeichert werden.

Die gespeicherte Energie kann wieder ins Netzwerk eingespeist werden, indem die Spule entladen wird. Das Energieaufbereitungssystem benutzt einen Wechselrichter/Gleichrichter, um den Wechselstrom in Gleichstrom, welcher im SMES gespeichert werden kann, und zurück in Wechselstrom umzuwandeln. Dabei kann je Wandelvorgang etwa 2 bis 3 % der Energie in Form von Wärmeabgabe nicht genutzt werden. SMES sind vergleichsweise effizient; beim Speichern selbst geht kaum Energie verloren.

Allerdings ist der Energieaufwand für die Kühlung hoch und durch die hohen Kosten von Supraleitern werden SMES vor allem zur kurzzeitigen Speicherung von Energie verwendet.

Vergleich mit anderen Methoden zur Energiespeicherung[Bearbeiten]

Der wohl wichtigste Vorteil von SMES ist die nur kurze Verzögerung beim Laden und Entladen. Die Energie ist sofort verfügbar und es kann eine hohe Leistung in einer kurzen Zeit bereitgestellt werden. Andere Methoden zur Energiespeicherung, wie zum Beispiel die Pumpspeicherwerke haben eine wesentlich größere Verzögerung von einigen Minuten, da die Energie von mechanischer in elektrische Energie umgewandelt werden muss. Weitere Vorteile sind, dass der Energieverlust extrem klein ist und dass sie sehr zuverlässig sind, da die wesentlichen Teile des SMES unbeweglich sind. Nachteilig sind der hohe Aufwand an Leistungselektronik und die Notwendigkeit der ständigen Kühlung auf extrem tiefe Temperaturen. Diese Kühlung muss aufgrund der niedrigen Sprungtemperaturen zum Teil mit teurem Helium erfolgen, die Verwendung von Hochtemperatur-Supraleitern ermöglicht zwar die Kühlung mit Stickstoff - jedoch sind diese Supraleiter zur Zeit noch teurer als jene, die mit Helium gekühlt werden. Hinzu kommt, dass die Speicherdichte sehr niedrig ist - so sind im Magnetfeld der Strahlregeldipolmagnete des Large Hadron Collider lediglich 55,3 kWh gespeichert.

Berechnung der gespeicherten Energie[Bearbeiten]

Um die in einem SMES gespeicherte Energie zu berechnen, multipliziert man die Hälfte der Induktivität mit dem Quadrat der Stromstärke.

E=\frac {1}{2}\cdot L\cdot I^2

Wobei

E = Energie in Joule
L = Induktivität in Henry
I = Stromstärke in Ampere

Praktischer Einsatz und Projekte[Bearbeiten]

Geschichte der SMES- Technologie[Bearbeiten]

Die ersten theoretischen Vorschläge für supraleitende magnetische Energiespeicher gehen bis in die 1960er Jahre zurück, in den 1980er Jahren wurden experimentelle Systeme in Japan gebaut. In den USA gab es zur selben Zeit Entwicklungen von Bechtel. Im Rahmen von SDI kam es für militärische Applikationen zu einer Reihe von Entwicklungen auf diesem Gebiet.[1][2] SMES sind Gegenstand einiger F&E-Programme u. a. von NASA, DOE und DARPA.[3][4][5]

Schneller Kompensator im Sägewerk[Bearbeiten]

Der erste SMES in Europa wurde vom Forschungszentrum Karlsruhe und von der Universität Karlsruhe gemeinsam entwickelt und in einem Sägewerk in Fischweier/Albtal am Niederspannungsnetz des Badenwerks eingesetzt. Es hat eine Speicherkapazität von maximal 200 Kilojoule[6] (kJ; beziehungsweise etwa 0,056 kWh) und eine Leistung von 80 kVA. Der SMES besteht aus 6 Magnetmodulen die als Solenoid zusammengesetzt sind. Jedes Magnetmodul enthält 1000 Windungen des 1,3 mm dicken NbTi-Supraleiters und hat einen Durchmesser von 36 cm. Damit erreicht der Gesamtaufbau eine Induktivität von 4,37 H und kommt mit einem Strom von 300 A aus, um die geforderte Energie zu speichern. Die Energiedichte beträgt etwa 150 kJ/m³, die Kühlung erfolgt mittels Helium.[7]

ARPA-E[Bearbeiten]

Das vom Department of Energy im Rahmen von ARPA-E (Advanced Research Projects Agency-Energy) mit 4,2 Millionen US-Dollar geförderte Projekt zur Erforschung der SMES-Technologie wird von ABB, SuperPower Inc., der University of Houston und dem Brookhaven National Laboratory gemeinsam durchgeführt. In einer Präsentation im Rahmen der 10. EPRI Superconductivity Conference in Tallahassee 2011 wurde ein Teil eines Prototyps mit 10 MVA Leistung und 20 MJ (circa 5,5 kWh) Speicherkapazität gezeigt, der in einem Stromnetz mit Wasserturbinen betrieben wird, um die Verbrauchsschwankungen eines Walzwerkes zu kompensieren.

Zudem sieht die Präsentation supraleitende Übertragungsleitungen in einem Netz der Zukunft vor. [8]

Siehe auch[Bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten]

  • Philip Varghese, et al.: Structures for superconductive magnetic energy storage. Energy, Volume 15, Issue 10, Oktober 1990, S.873-88, doi:10.1016/0360-5442(90)90069-E
  • Harold Weinstock: Applications of superconductivity. Kluwer Acad. Publ., Dordrecht 2000, ISBN 0-7923-6113-X.
  • Weijia Yuan: Second-generation high-temperature superconducting coils and their applications for energy storage. Springer, London 2011, ISBN 978-0-85729-741-9.

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Weijia Yuan: History of SMES Technology, S.27ff. in: ebender:Second-generation high-temperature superconducting coils and their applications for energy storage. Springer, London 2011, ISBN 978-0-85729-741-9.
  2. Richard L. Verga: Superconducting Magnetic Energy Storage and other large-scale SDI cryogenic applications programs. @nasa ads
  3. DOE Exploring Superconducting Magnet Scheme for Grid Energy Storage popsci.com, abgerufen am 5. Dezember 2011
  4. Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) Systems for GRIDS nextbigfuture.com
  5. Superconducting Magnetic Energy Storage for Maglifter Launch Assist sbir.gov; arpa-e.energy.gov abgerufen am 5. Dezember 2011
  6. Heise online, Technology Review, Phil McKenna: Strom in der Warteschleife, Abruf am 4. Januar 2015, 15:48
  7. LEW-Trends: Supraleitende Magnetische Energiespeicher: Hightech mit Super-Magneten, Abruf am 4. Januar 2015, 16:45
  8. Qiang Li, Drew W. Hazelton & Venkat Selvamanickam: "Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) for GRIDS" (presented by Traute Lehner), Abruf am 4. Januar 2015, 16:55