1 Einleitung

Die Mittel- und Hochspannungskabelnetze, die die elektrische Energie in die Städte und Industriegebiete bringen und dort verteilen, sind zum Teil schon viele Jahrzehnte alt. Bei den Isolierungen wurden im Wesentlichen zwei verschiedene Systeme eingesetzt: während vor allem in Kabeln älterer Bauart eine mit Isoliermasse getränkte Papierisolierung zum Einsatz kam, wurde seit den späten Achtziger Jahren immer mehr und nach der Jahrtausendwende fast ausschließlich Kunststoff (vernetztes Polyethylen, VPE) zur Isolierung der Kabel verwendet.

Von einigen Schwierigkeiten bei der ersten Generation der Mittelspannungs-Kunststoffkabel einmal abgesehen, sind insbesondere die seit den späten Neunziger Jahren eingesetzten Kunststoffkabel von herausragender Qualität. Dies zeigt sich vor allem daran, dass Ausfälle im Betrieb sehr selten sind und häufig auf externe Beschädigung (Bagger) oder auf fehlerhafte Montagearbeiten zurückzuführen sind. Aber auch die älteren Masse-Papier-isolierten Kabel geben derzeit wenig Anlass zur Sorge, da sie, solange die Durchtränkung mit nachfließender Masse gegeben ist, über viele Jahrzehnte einen störungsfreien Betrieb ermöglichen.

Die vor allem in größeren Städten auch eingesetzten Hochspannungskabel der 110-kV-Spannungsebene basieren ebenfalls entweder auf getränkter Papierisolierung oder Kunststoffisolierung aus vernetztem Polyethylen. Der Unterschied zu den Mittelspannungskabeln zeigt sich meist durch aufwändigere Bauformen (Niederdruck-Ölkabel, Gasinnen‑/Gasaußendruck Kabel) oder durch eine zusätzliche Querwasserbarriere (Metallfolie), die verhindert, dass Feuchtigkeit an die Kunststoffisolierung gelangt.

2 Herausforderungen an städtische Kabelnetze

Die Belastung der bestehenden Kabelnetze konnte bisher mit Hilfe von Erfahrungswerten gut geplant werden und variierte nur in vergleichsweise engen Grenzen. Durch die Energiewende wird sich dies voraussichtlich deutlich verändern. Da zukünftig verschiedene fossile Energiequellen für den Bedarf in Städten nicht mehr oder zumindest nur noch sehr eingeschränkt zur Verfügung stehen, muss der Energiebedarf der in den Städten angesiedelten Bewohner, der Betriebe und auch für die Mobilität durch elektrische Energie gespeist werden. Das bedeutet, dass auch die Energie für Produktionsbetriebe, für Wärme und Kälte etc. aus elektrischer Energie bereitgestellt werden muss. Welche Flächenleistungsdichte zukünftig in Städten genau gebraucht wird und wie stark der Anstieg sein wird, lässt sich nur schwer vorhersagen. Klar ist aber, dass die Steigerung aus heutiger Sicht beachtlich sein wird und es wird schnell gehen.

Darüber hinaus muss davon ausgegangen werden, dass es mehr und häufigere Lastwechsel aufgrund der volatilen regenerativen Einspeiser geben wird. Flexible Verbraucher werden als eine wesentliche Säule der zukünftigen Energiesysteme ihren Teil dazu beitragen, dem schwankenden Energieangebot durch eine flexible Nachfrage Rechnung zu tragen. Das bedeutet aber auch, dass zukünftig häufiger von Volllast auf minimale Last gewechselt werden wird, was eine relativ neue Belastung für die vorhandenen gealterten Kabel darstellt.

Die existierenden Kabelnetze sehen sich also zwei Herausforderungen gegenübergestellt: es wird einen deutlichen Anstieg der Last geben und es wird häufigere intensive Lastwechsel geben. Während noch nicht bei allen Isoliersystemen vollständig geklärt ist, ob häufigere starke Lastwechsel aufgrund der damit verbundenen Aufheiz- und Abkühleffekte die Kabelisolierung oder die Garnituren schädigen oder schneller altern lassen, so gibt es aber bereits Hinweise darauf, dass getränkte Papierisoliersysteme durch die Herausforderungen ungewohnt stark belastet werden. Der Anstieg der Last hat hingegen klare Grenzen, die durch die Leitermaterialien und Querschnitte sowie die eingesetzten Isoliersysteme gegeben sind. Werden die Kabel über die maximale Belastungsgrenze beansprucht, droht ein irreversibler thermischer Schaden der Isolierung.

Somit ist klar, dass die Kabelnetze in den Städten für ein Gelingen der Energiewende ausgebaut und auch erneuert werden müssen. Häufig wird ein Austausch älterer Kabelsysteme eine sinnvolle Option sein.

Um mehr elektrische Energie in die Städte zu leiten und dort zu verteilen, gibt es grundsätzlich verschiedene Ansätze. Sie reichen von einer stückweisen Verstärkung der bestehenden Kabelsysteme bis hin zum Bau neuer Kabelnetze, die dem zukünftigen Bedarf aus heutiger Sicht entsprechen. Dabei sind alle städteplanerischen Aspekte, demografische Entwicklungen sowie Quartierskonzepte zu berücksichtigen. Ein Netzausbau wird aber mit großer Wahrscheinlichkeit erforderlich sein.

Erst wenn klar ist, wieviel elektrische Leistung zukünftig an Orte in der Stadt transportiert werden muss, wo bisher nur Kabel mit kleinen Querschnitten lagen, wird das Ausmaß der Umgestaltung erkennbar. Es werden dann vermutlich deutlich größere Leistungen als heute auf der 110-kV-Spannungsebene und auch auf der Mittelspannungsebene transportiert werden müssen. Dieses Ergebnis zeigen mehrere Untersuchungen verschiedener Verteilnetzbetreiber in Deutschland. Für die Stadt München ist beispielsweise davon auszugehen, dass es einen zusätzlichen innerstädtischen Transportbedarf von 500 MVA gibt. Ähnliche Aufgaben werden auf fast alle städtischen Netzbetreiber zukommen.

Natürlich kann die genannte Leistung auch mit Hilfe von konventionellen 110-kV-VPE-Kabeln transportiert werden, nur muss bei der Wahl der erforderlichen Querschnitte (und der damit einhergehenden Biegeradien) die Bauraumanforderungen im Erdreich in der Stadt (Abstand und Bodenerwärmung) und auch die potenzielle Beeinflussung anderer Infrastrukturen (Fernwärme, Energie etc.) beachtet werden, um die Realisierbarkeit derartiger Versorgungsaufgaben rechtzeitig zu prüfen.

3 Supraleitende Kabel als Alternative zu Standard-VPE-Kabeln

Es ist davon auszugehen, das eine Lösung der beschriebenen Herausforderungen mit Standard-VPE-Kabeln zwar grundsätzlich machbar, jedoch aus mehreren Gründen extrem aufwändig ist. Innovative supraleitende Kabel kommen als mögliche Alternative in Betracht.

Supraleitende Kabel basieren auf der Idee, den konventionellen Aluminium- oder Kupferleiter eines Kabels durch einen supraleitenden Leiter zu ersetzen. Supraleitende Materialien sind bereits seit vielen Jahren bekannt und lassen sich grob in sogenannte

  • Tieftemperatur-Supraleiter (TTS) und

  • Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)

einteilen. Während TTS bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes (0 K bzw. −273 °C) betrieben werden und heute in allen Magnetresonanztomographen Anwendung finden, sind HTS bereits bei Temperaturen um 77 K supraleitend und können schon mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Dieses Kühlmedium ist in industriellem Maßstab verfügbar, leicht zu handhaben und ermöglicht somit, im HTS-Leiter sehr viel elektrischen Strom in extrem kleinen Querschnitten nahezu widerstandsfrei fließen lassen kann.

Die HTS-Materialklasse wurde 1986 gefunden (Physik-Nobelpreis für Bednorz und Müller, IBM-Laboratorium, Zürich) und ist seitdem im Fokus für Anwendungen in der Energietechnik. Es dauerte dennoch bis zum Jahr 2001 bis das erste HTS-Kabel seinen Probebetrieb in Dänemark aufnahm. Bis heute wurden immer größere Pilotprojekte in Europa, den USA und in Asien realisiert, die eindrucksvoll die Fähigkeiten und die Zuverlässigkeit von HTS-Kabeln gezeigt haben (Beispiel Deutschland: Projekt AmpaCity [1, 2]).

Das eigentliche Material, aus dem HTS gefertigt werden, ist im weitesten Sinne Keramik. Da sich aber die Struktur einer Keramik nicht sonderlich gut für biegsame Kabel eignet, wurde zunächst das HTS-Material in eine Matrix aus Silber gebettet und zu schmalen Bändern ausgewalzt. Diese lassen sich dann helixförmig um einen Rundleiter oder auch Hohlleiter wickeln. Das bringt die für Kabel erforderliche Flexibilität mit sich. Da Silber an sich aber bereits vergleichsweise kostenintensiv ist, wurde der HTS-Draht der zweiten Generation entwickelt. Dieser wird ebenfalls als Bandleiter mit einer Breite von einigen Millimetern gefertigt. Seine Struktur ist dagegen vollkommen anders aufgebaut: auf dem Grundmaterial aus einer Stahlfolie wird das HTS-Material abgeschieden und anschließend versiegelt. Dieser Prozess lässt sich günstig in industrielle Größenordnungen überführen, was wiederum für die erforderliche Kostensenkung und Kapazitätsausweitung erforderlich ist, da die Kosten im Unterschied zu Kupferleitern fast ausschließlich in der Fertigung auftreten. Die Materialkosten sind bei HTS-Leitern der zweiten Generation überraschend gering. Deshalb ist eine skalierbare industrielle Fertigung der Bandleiter für die weitere Verbreitung dieser Technologie von großer Bedeutung.

Wie bereits erwähnt, kann HTS-Material sehr viel Strom ohne nennenswerten Widerstand durch sehr kleine Querschnitte leiten. Damit kann das Strom-Spannungs-Paradigma, demzufolge für den Transport größerer Leistungen höhere Spannungsebenen benötigt werden, um die Leiterquerschnitte handhabbar und kostenmäßig überschaubar zu halten, ein Stück weit aufgeweicht werden. Die Übertragung hoher Leistungen kann mit HTS-Kabeln gegenüber konventionellen Kabeln auf niedrigeren Spannungsebenen erfolgen. Dies ist ein unschätzbarer Vorteil, wenn bei begrenztem Bauraum unter der Straße in Innenstädten zukünftig deutlich mehr Leistung transportiert werden soll.

Vollkommen widerstandsfrei sind HTS-Leiter streng genommen nur bei Gleichstrom. Bei Wechselstrom wird durch die entstehenden Magnetfelder ein sehr geringer Widerstand dadurch verursacht, dass die magnetischen Feldlinien vom Supraleiter verdrängt werden. Kapazitive und induktive Blindwiderstände bleiben davon unberührt und sind vom Material im Feldraum und der Geometrie abhängig.

Die Konstruktion von HTS-Mittel- oder HTS-Hochspannungskabeln ist, wenn von dem speziellen Aufbau des Leiters abgesehen wird, am ehesten mit Öl/Papier-Kabeln vergleichbar. Nach einer leiterglättenden Lage, werden Kunststoff- oder beschichtete Papierbänder als elektrische Isolation auf den Leiter gewickelt und mit flüssigem Stickstoff imprägniert. Als Schirm kann grundsätzlich Kupfer verwendet werden. Es empfiehlt sich aber, auch den Schirm aus HTS-Material herzustellen, da auf diesem Wege vermieden wird, dass Magnetfelder nach außen dringen. Zwar liegen die drei Phasen bei einem supraleitenden Kabel sehr dicht beieinander, jedoch ist auch der Strom mit einigen Kiloampere sehr hoch, wodurch ein resultierendes Magnetfeld entsteht. Zudem würden im Kupferschirm induzierte Ströme Strom-Wärmeverluste erzeugen, die zusätzliche Kühlleistung erfordern würden.

4 HTS-Kabel im Projekt SuperLink

Für das im Projekt SuperLink verwendete Kabel werden drei HTS-Kabeladern in einem Rohr zusammengeführt, durch das flüssiger Stickstoff als Kühlmedium und gleichzeitig als imprägnierendes Isoliermittel fließt (Abb. 1). Zur thermischen Isolierung ist dieses Rohr seinerseits in einem Isolierrohr (Kryostaten) untergebracht, in dem ein Isoliervakuum herrscht.

Abb. 1
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Aufbau eines 110-kV-HTS-Kabels mit optionalem Stickstoffrückleiter für 500 MVA. (Quelle: NKT)

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Flüssiger Stickstoff ist ein ausgesprochen leistungsfähiges flüssiges Isoliermedium mit hoher elektrischer Festigkeit und sehr niedriger Dielektrizitätszahl. Der Stickstoff wird durch das Rohr gepumpt, in dem sich die drei Kabeladern befinden, durchsetzt damit auch die gewickelte Isolierung vergleichbar mit Isolieröl bei papierisolierten Kabeln, und wird am Ende des Kabels in einem Kühlkreislauf rückgeführt. Selbst bei einem Ausfall der Kühlung kann das HTS-Kabel aufgrund seiner Wärmekapazität viele Stunden normal weiterbetrieben werden und ist schwarzstartfähig. Ist die Unterbrechung der Kühlung jedoch von größerer Dauer, so steigt die Temperatur nach dieser Zeit über die kritische Temperatur an (77 K) und der Leiter verliert seine supraleitende Eigenschaft. Eigene Berechnungen haben ergeben, dass dies frühestens nach ca. 15 h der Fall wäre. Eine Wiederinbetriebnahme setzt in einem solchen Fall einer längeren Unterbrechung eine Kühlung der gesamten Kabelanlage von einigen Tagen voraus.

Mit dem beschriebenen Kabelaufbau ist es zum Beispiel möglich, ein 110-kV-Kabel auf HTS-Basis zu bauen, welches bei einem Außendurchmesser von weniger als 200 mm mehr als 500 MVA elektrische Leistung transportieren kann. Das vorstehend beschriebene HTS-Kabel wird in einem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klima der Bundesrepublik Deutschland unterstützen Projekt in München im Projekt SuperLink derzeit gefertigt und der nächste Schritt ist ein Test unter realen Bedingungen im Netz für eine Zeitdauer von sechs Monaten.

Die Vorteile von HTS-Kabeln können zusammenfassend wie folgt beschrieben werden.

  • Vermeidung von Strom-Wärme-Verlusten

    Dadurch, dass das Kabel nahezu keinen Widerstand hat, werden Strom-Wärme-Verluste vermieden und somit auch das CO2, welches für diese Verlustleistung freigesetzt werden müsste, eingespart.

  • Vermeidung von Erwärmung des Erdbodens

    Der Kryostat schützt nicht nur vor Erwärmung des Kühlmittels, sondern vermeidet zugleich einen ungewollten Temperaturaustausch mit der Umgebung. Dadurch kann das HTS-Kabel z. B. auch direkt neben einer Fernwärmeleitung verlegt werden.

  • Vermeidung von Magnetfeld-Emissionen

    Die für die Übertragung der hohen Leistung erforderlichen Ströme erzeugen auch hier Magnetfelder. Da aber der Schirm der einzelnen Adern aus HTS-Material besteht, ergibt sich nach außen eine vollständige Magnetfeldkompensation (widerstandsfreie Schirmung).

  • Vermeidung von Beeinflussung anderer Medien

    Ein HTS-Kabel ist nach außen hin vollständig neutral: keine Erwärmung des Bodens (thermische Isolation durch den Kryostaten), keine Magnetfelder (durch einen Schirm aus HTS-Material) und wie bei konventionellen Kabeln auch, keine elektrischen Felder.

  • Weniger Tiefbau, weniger Belastung durch Baustellen (minimale Verkehrs-Eingriffe)

    Für eine Leistung, die von einem HTS-Kabel auf der 110-kV-Ebene übertragen werden kann (Beispiel: 500 MVA, entsprechend einem Betriebsstrom von ca. 2,7 kA) ist ein Biegeradius ≤ 3 m für das komplette Kabel mit Kryostaten ansetzbar. Alternativ dazu könnten drei 110-kV-VPE-Kabelsysteme mit Aluminiumleiter und einem Leiterquerschnitt von 2500 mm2 gelegt werden. Die Biegeradien liegen bei einem VPE-Kabel dieser Bauart bei 2,65 m bei Legung. Zusammen mit dem ungleich breiteren Grabenprofil wird die Verlegung dieser VPE-Alternative im Stadtbereich problematisch. Daher ist ein Vergleich eher mit fünf 110-kV-VPE Kabelsystemen mit einem Leiterquerschnitt von 630 mm2 zum Beispiel als Stadtkabel sinnvoll (fünf Stadtkabelsysteme mit einem Biegeradius von 3,3 m pro System). Auch in diesem Vergleich ist der Aufwand für Graben und Legung bei dem HTS-Kabel deutlich geringer (Abb. 2). Durch die geringen Abmaße des HTS-Kabels aber vor allem dadurch, dass nur ein System benötigt wird, wird vor allem der Tiefbau erheblich günstiger. Zudem können HTS-Kabel in einem Graben mit deutlich kleinerem Grabenprofil verlegt werden (theoretisch ist sogar ein Mittelspannungskabel-Grabenprofil möglich). Abstände zu anderen Energiekabeln oder Leitungen sind wegen der thermischen Isolierung nicht notwendig. Das reduziert die Anzahl der Baustellen erheblich. Tatsächlich ist das bei beengten Verhältnissen in Innenstädten der bei Weitem überzeugendste Vorteil, der solche HTS-Kabelsysteme auch wirtschaftlich interessant macht.

  • Keine Alterung

    Da das Kabel bei einer Temperatur von ca. 77 K betrieben wird, kann davon ausgegangen werden, dass es hier keine thermische Alterung gibt. Das dürfte vor allem dann ein großer Vorteil sein, wenn die geforderten Leistungen stetig ansteigen und sich somit die Isolierung konventioneller Kabel durch die Strom-Wärme-Verluste stärker als in der Vergangenheit erwärmt und somit auch altern wird. Dies ist bei einem HTS-Kabel nicht zu erwarten. Das HTS-Kabel kann bis zu dem kritischen Strom belastet werden, ohne dass sich ein Strom-Wärme-Verlust ergibt. Auch haben aktuelle Untersuchungen im Rahmen des Projektes SuperLink gezeigt, dass das Isoliersystem aus Kunststoffbändern getränkt mit flüssigem Stickstoff extrem hohe Festigkeiten und eine erstaunliche Resistenz gegenüber Teilentladungen aufweist [3].

Abb. 2
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Übertragung von 500 MVA im städtischen Bereich mit fünf VPE-Kabelsystemen (Stadtkabel 630 mm2 mit einem Durchmesser eines Rohres je System von 159 mm) oder ein HTS-Kabelsystem (Durchmesser ca. 200 mm)

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Die Übersicht zeigt, dass HTS-Kabel eine ganze Reihe von bedeutenden Vorteilen mit sich bringen. Vorteile, die gerade in Bezug auf den Netzausbau als Grundlage der Energiewende, an einigen Stellen keine technisch sinnvolle Alternative zu HTS-Kabeln erkennen lassen.

Als Nachteile der HTS-Kabel sind aus heutiger Sicht der Preis und die Notwendigkeit eines zusätzliche Kühlkreislaufs zu nennen. Es ist jedoch aus den dargelegten Gründen zu erwarten, dass der Preis für das HTS-Kabel durch Preis-Mengen-Effekte in Zukunft noch deutlich sinken wird. Auch bei der Kühltechnik sind noch Innovationen zu erwarten, die zu einer Effizienzsteigerung führen werden, sobald sich aus dem HTS-Kabel ein „standardisiertes Betriebsmittel“ entwickelt und ein Markt entsteht.

5 Wirtschaftlichkeit von supraleitenden Hochleistungskabel

Häufig stellt sich an dieser Stelle die Frage, ob denn eine HTS-Kabelverbindung auch wirtschaftlich vorteilhaft gegenüber den vergleichbaren VPE-Systemen wäre. Insbesondere die für die Kühlung erforderliche Kälteleistung und die dafür aufzuwendende Energie werden kritisch gesehen. Vergleiche und Berechnungen anlässlich des SuperLink-Projektes haben aber deutlich gezeigt, dass die Stromwärme-Verluste konventioneller Kabel den Kälteenergiebedarf bei diesem HTS-Kabel übersteigen. Insgesamt zeigen wirtschaftliche Vergleichsrechnungen, dass HTS-Kabel unter den angesprochenen Bedingungen in Bezug auf den Barwert (also unter Zugrundelegung der Betriebs- und Investitionskosten über 40 Jahre) deutlich günstiger sind als leistungsgleiche VPE-Kabelsysteme [4]. Dies dürfte sich noch zugunsten der HTS-Kabel verstärken, da die Preise für Energie, CO2-Zertifikate, Tiefbau etc. vermutlich in Zukunft eher steigen werden und sich so vorteilhaft zugunsten der Wirtschaftlichkeit des HTS-Kabels auswirken.

Hinzu kommt, dass bei neuen Betriebsmitteln, wie bei einem HTS-Kabel, noch sehr viel Innovationspotenzial besteht, welches bei den Standardkabeln bereits weitgehend ausgeschöpft ist. So ist zu erwarten, dass durch neue innovative Kryostate der Durchmesser der hier dargestellten HTS-Kabel (110 kV, 500 MVA) auf zum Beispiel 150 mm reduziert werden kann. Das würde den Einsatz als Retrofit von Gasinnen- oder Gasaußendruckkabeln ermöglichen. Auch ist, wie bereits erwähnt, zu erwarten, dass Innovationen im Herstellungs- und auch im Kühlbereich für zusätzliche Kostensenkungspotenziale sorgen.

Netzberechnungen im Rahmen des Projektes Superlink haben zudem gezeigt, dass durch den Einbau von HTS-Kabeln das bestehende Kabelnetz massiv entlastet und Verluste im umliegenden Netz erheblich gesenkt werden. Das würde die gealterten Bestandskabel schonen und den Zeitraum für einen Austausch vergrößern [5].

6 Zusammenfassung

HTS-Kabelsysteme können zukünftig ein bedeutender Bestandteil beim Netzausbau im Rahmen der Energiewende sein, vorausgesetzt, die hohen Leistungen kommen zum Tragen, wovon aber ausgegangen werden muss. Dann jedoch sind HTS-Kabel technisch und wirtschaftlich in sehr vielen Fällen im Stadtbereich alternativlos. Es bleibt zu hoffen, dass dies auch von den Netzbetreibern erkannt wird und diesem neuen und sehr innovativen Kabeltyp ein fester Platz als neue Standard-Netzkomponente zuteil werden wird.