HTS (supergeleidend)
Het is een zeer kleine nichemarkt met een hoog science-fictiongehalte. Supergeleidende kabels: ze zijn er, maar ze zijn nog niet praktisch.
Supergeleiding is een natuurkundig verschijnsel dat in sommige materialen optreedt als je ze heel ver afkoelt. Wanneer het materiaal nog slechts een paar graden boven het absolute nulpunt van -273°C is, verdwijnt plotseling de elektrische weerstand volledig. Een elektrische stroom kan zonder hinder door de draad lopen en zal deze niet opwarmen. Zo kan men door een supergeleidende draad zo dun als een dropveter een paar duizend ampère laten lopen en als men de spanningsbron wegneemt terwijl de supergeleidende kabel in een rondje wordt gelegd, blijft de stroom zelfs vanzelf rondlopen. Supergeleiding klinkt te mooi om waar te zijn en inderdaad is het vooral iets voor op de labtafel, maar in specifieke gevallen is het echt mogelijk in het stroomnet.
Reclame-afbeelding van kabelfabrikant Nexans, van een supergeleidende driefasenkabel zoals gebruikt in AmpaCity Essen (zie lagerop deze pagina). De kabel wordt gekoeld met vloeibare stikstof. Beeld: Nexans, via deze publicatie.
Geen koud kunstje
Supergeleiding als verschijnsel is welhaast magisch, maar supergeleidende kabels zijn allesbehalve magisch. In praktisch opzicht zijn het ondingen voor gebruik in de openbare ruimte. Supergeleidende materialen moeten actief worden gekoeld en dat gaat door de benodigde diepe kou niet met glycol of ammoniak. De eerste supergeleidende materialen die buiten laboratoria toepassing kregen stonden in onderzoekscentra met zware magneten, deeltjesversnellers of in zeer specialistische apparatuur zoals MRI-scanners. Ze moesten met vloeibaar helium worden gekoeld. Dat is technisch razend ingewikkeld, duur en zeker niet geschikt voor civiele toepassingen.
In de jaren 80, 90 en 00 kwam er schot in de zaak. Een onverwachte doorbraak in de vorm van hogetemperatuursupergeleiding (inclusief terechte Nobelprijs) gaf een forse slinger aan supergeleiding als praktisch toepasbare techniek. Neem hogetemperatuur met een korrel zout, want er was bij deze nieuwe materialen, cupraten genaamd, nog steeds een temperatuur rond -200°C nodig voordat ze supergeleidend raken. Toch was dat een grote stap omdat koeling nu mogelijk werd met vloeibare stikstof in plaats van vloeibaar helium.
Waarom deze cupraten precies hun sprongpunt al rond -200°C hebben is een van de grotere onopgeloste vragen in de natuurkunde. Dát ze het doen, waarom dan ook, is in tussentijd al wel praktisch aan te wenden. Onderzoek naar supergeleiding werd haalbaar op civiele schaal en dat zette ook de kabelbedrijven aan het denken. Als we van dat ingewikkelde gedoe met vloeibaar helium af zijn en je aan een vat vloeibare stikstof al genoeg om een cupraat supergeleidend te maken voor onderzoek, dan is het een kleine stap om een geïsoleerde, gekoelde HTS-kabel te maken met cupraat als geleidend materiaal.
Een Mingvaas oprollen
Cupraten zijn materialen die meer lijken op keramiek dan op metaal. Keramische materialen zijn wel enigszins buigbaar (je kan een glasvezel immers ook oprollen) maar de bochtstraal moet groot zijn. De breekbaarheid en noodzaak tot koeling met stromende vloeibare stikstof zodat de kabel een coaxiale opbouw met twee koelkanalen heeft, maakt supergeleidende kabels met cupraten complex van opbouw waardoor fabricage prijzig is, zelfs al is het materiaal cupraat zelf niet eens bijzonder duur (enkele tientjes per gram, 2024). Er komt bij dat de kabel actief moet worden gekoeld zodat een betrouwbare koelinstallatie nodig is en die kost onderhoud, voegt complexiteit toe en kost zelf ook energie, zodat het verdwijnen van het netverlies in de kabel deels wordt weggestreept.
Ook moet de kabel geïsoleerd in de grond liggen. Voor plekken zoals een onderzoeksinstituut of een grote magneet is dat allemaal geen probleem. Dat zijn plekken waar je de kabels vol sensors kan stoppen en waar geen burgers rondlopen of fietsen.
Supergeleidend materiaal in de deeltjesversneller van CERN, in dit geval een niet-cupraat zodat het heel buigbaar is maar wel met helium gekoeld moet worden. Het draadje op de voorgrond kan 12,5 kA aan, ter vergelijking een pakket kopergeleiders voor dezelfde stroomsterkte bij kamertemperatuur. Beeld: Rama, CC BY-SA, via Wikipedia.
Nog een ander probleem is dat de supergeleidende toestand ook verdwijnt als de supergeleider in een (te) groot extern magneetveld wordt gelegd. Een supergeleider is impermeabel voor een extern magneetveld, maar als dat veld van buitenaf te sterk wordt houdt de supergeleider het niet meer tegen. De supergeleidende staat verdwijnt instantaan en dan zit je in een fractie van een seconde diep in de penarie. Een blikseminslag of een kortsluitstroom met groot magneetveld in een nabije kabel of installatie zou een supergeleidende kabel plaatselijk boven zijn sprongpunt kunnen brengen en hem in één klap ernstig beschadigen. En dan komt reparatie: hoe verbind je op een plek uiteraard ergens onhandig onder een autoweg deze hoogtechnologische kabel weer aan elkaar met een mof? Zelfs als dat kan, dan nog is het niet in een middagje gepiept. Dit soort bezwaren maken supergeleidende kabels in de openbare ruimte een strategisch risico.
Praktijkvoorbeeld AmpaCity in Essen
Netbeheerders zijn altijd wat huiverig met toepassing van nieuwe technieken. Dat heeft een goede reden, want leveringszekerheid, reparatiezekerheid en zogeheten vendoronafhankelijkheid (je wil niet je ziel en zaligheid in handen van één kabelfabrikant leggen) zijn de kern van correct netbedrijf. Nieuwe technieken moeten zich eerst bewijzen, alleen hoe geef je ze de kans dat te doen? Door deze tegenstrijdige belangen gaat er tijd zitten en in die aanloopfase is de toepassing van de nieuwe techniek met opzet nog beperkt. Gaat het niet goed, dan valt de schade nog mee en heb je niet al je halve net er al mee uitgerust. Het debacle met nekaldietmoffen (zie bij HTPE) zal nog lang nazingen in netbeheerderland.
Soms moet je als netbeheerder een keer ballen hebben. ‘Kijk, bij dit project zijn de omstandigheden perfect voor een proef, en nou gaan we dit gewoon doen.’
In het centrum van het Duitse Essen deed zo’n situatie zich voor in het net van beheerder Westnetz. Daar was een oude 110 kV-installatie op station Dellbrügge aan uitbreiding en vervanging van de invoedende grondkabel toe. Het was onmogelijk om op die plek nog meer trafo’s in het krappe gebouw te proppen. Het geheel verwijderen van de 110/10 kV transformatiestap zou ruimte vrijspelen om de 10 kV-installatie te vergroten en alsnog binnen het bestaande gebouw te blijven, maar de 110/10 kV-stap was er niet voor niets: de stroomvraag was zo hoog dat het bijna niet te doen was om dat met 10 kV-kabels vanaf het naburige station Herkules met grondkabels naar Dellbrügge te transporteren. Er hadden er dan minimaal vijf parallel aangelegd moeten worden.
AmpaCity op de netkaart. Dat ene iele 10 kV-kabeltje kan 40 MVA vermogen aan en kan zich meten met de lijn naar station Herkules. Dellbrügge is het voormalige 110/10 kV-station waarin geen ruimte meer was voor nog meer 110/10 kV trafo’s.
Westnetz dacht na, belde met de universiteit van Karlsrühe en kabelfabrikant Nexans maakte een twaalfhonderd meter lange supergeleidende coaxiale kabel met cupraatmateriaal die met vloeibare stikstof kon worden gekoeld. De kabel kon in zijn eentje maar liefst 40 MVA vermogen transporteren op 10 kV. Zo kon de hele 110 kV-stap worden weggehaald iot Dellbrügge terwijl er alsnog genoeg vermogen kon binnenlopen zonder een hele kabelspaghetti. AmpaCity kwam in gebruik in 2014 en in de jaren erna traden nauwelijks problemen op. Op luchtfoto’s lijkt vanaf 2022 het vat met vloeibare stikstof op de site te zijn verdwenen, zodat niet bekend is of de kabel nog steeds in dienst is. Het kan ook zijn dat het vat is vervangen door een exemplaar binnen.
Ook in Amerika zijn een paar zulke projecten te vinden. In Nederland was er enige tijd sprake van dat de oude 110 kV-oliedrukkabel tussen Enschede Heekstraat en Vechtstraat (ook aan vervanging toe) eveneens een proefproject voor een supergeleidende kabel zou worden, maar dan op 110 kV. Dit is helaas niet doorgegaan, Tennet koos uiteindelijk alsnog voor een gangbare XLPE om de kabel mee te vernieuwen. We zullen dus nog wat langer moeten wachten op supergeleiding op hoogspanningsniveau.