Hochstromkomponenten für Wasserstoff & Fusion

Eine nachhaltige Energiewirtschaft erfordert sowohl einen effizienten Umgang mit den Ressourcen als auch geeignete Energieträger und Übertragungswege. Unsere Arbeiten im Forschungsthema „Hochstromkomponenten für Wasserstoff & Fusion“ unterstützen das.

Wasserstoff – insbesondere in tiefkalter, flüssiger Form als LH2 - ist ein klimafreundlicher Energieträger mit einer etwas höheren Energiedichte als komprimiertes Erdgas. Die enthaltene hochwertige Kälte sollte zur Effizienzerhöhung weiter genutzt werden. Dazu bieten sich Hochtemperatursupraleiter (HTS) an. Der erforderliche Kühlaufwand entfällt bei der Kombination der beiden Technologien HTS & LH2 und erlaubt damit hocheffizienten Anwendungen der Energie- und Elektrotechnik auch schon bei kleineren Leistungsklassen. Hier arbeiten wir (in Zusammenarbeit mit den anderen Forschungsthemen und Instituten des KIT) insbesondere bezüglich der Anwendungen:

  • Hybride Energieübertragung (chemisch mittels LH2, elektrisch mittels HTS)
  • Verflüssigung, Speicherung und Transport von LH2
  • Passive Komponenten für die Energietechnik
  • Antriebsstränge basierend auf LH2 und HTS (LKW, Züge, Schiffe, Flugzeuge)

 

Um die Energieproduktion unserer Sonne auf ungefährliche Weise auf der Erde nachzubilden, muss ein geeignetes verdünntes Gas auf Temperaturen von etwa Hundert Millionen °C erhitzt werden, sodass es zur Fusion von Atomkernen kommt. Dieses Gas muss eingeschlossen und von der Wandung des Gefäßes ferngehalten werden, da es sonst  zu schnell abkühlt und die Wandung unnötig erhitzt. Für diesen Einschluss werden extrem starke Magnetfelder benutzt, die energieeffizient mit supraleitender Magnetspulen erzeugt werden können. Diese Supraleiter haben bei sehr tiefen Temperaturen (ca. -270°C) keinen Widerstand und verursachen hierdurch fast keine Verluste. Das Einschlussprinzip mit supraleitenden Hochstrom-Magnetspulen ist unter anderem in Deutschland bei W7-X gezeigt und wird in den nächsten Jahren unter anderem in den Anlagen JT-60SA (Japan) und ITER (Frankreich) demonstriert werden.

 

Das ITEP hat über Jahre die Entwicklung dieser Technik z.B. für W7-X, JT-60SA und ITER gestützt – unter anderem durch den Bau und Test von supraleitenden Modellspulen für die Fusion und von Stromzuführungen. Die gewonnene Expertise und die geschaffenen Experimentiereinrichtungen werden heute  genutzt um

  • Hochstromleiter, wie den HTS Kreuzleiter aus den vergleichsweise neuen Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) herzustellen
  • Die Anwendbarkeit dieses HTS Kreuzleiter (engl. CrossConductor = CroCo) für künftige Fusionsspulen zu untersuchen
  • EU- und weltweite Zusammenarbeiten zur Anwendung von HTS Materialien in der Fusion voranzutreiben (EuroFUSION und HTS4Fusion)
  • Kryogene Funktions- und Strukturmaterialien sowie Bauteile im Hinblick auf künftige Fusionsmagnete zu untersuchen
  • Hochspannungsuntersuchungen an fusionsrelevanten Bauteilen durchzuführen

     

Neben diesen direkt fusionsbezogenen Arbeiten ist auch der Transfer des vorhandenen Know-hows zu Fragestellungen und Anwendungen außerhalb der Fusion im Fokus. Beispiele hierfür sind