LU100160B1 - Verwendung einer supraleitenden Leiteranordnung und Transportsystem mit einer supraleitenden Leiteranordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer supraleitenden Leiteranordnung und ein Transportsystem mit einer supraleitenden Leiteranordnung. Die erfindungsgemäße Besonderheit liegt nun darin, dass das eigentlich störende Magnetfeld einer stromdurchflossenen supraleitenden Leiteranordnung zur Versorgung eines Verbrauchers gleichzeitig als elektromagnetisches Schwebesystem für ein Transportmittel genutzt wird. Die Leiteranordnung bildet daher „nebenbei" eine Träger- und/oder Führungsschiene für eine entlang der supraleitenden Leiteranordnung über die Länge körperkontaktfrei mittels des Magnetfeldes in Schwebe haltbaren und bewegbaren Transportkapsel. Der hohe Infrastrukturaufwand für eine sich über die Länge einer supraleitenden Stromleitung erstreckende Kühlung, deren Betrieb zudem hohe Kosten und Energie erfordert, fällt somit nur einmal an. Die dringend benötigten Stromtrassen werden somit zugleich auch ein modernes Transportsystem bzw. umgekehrt

Description

Verwendung einer supraleitenden Leiteranordnung und Transportsystem mit einer supraleitenden Leiteranordnung

Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer supraleitenden Leiteranordnung und ein Transportsystem mit einer supraleitenden Leiteranordnung.

Supraleiter (SL) sind dafür bekannt, dass bei Gleichstromanwendungen keine elektrischen Verluste auftreten und hohe Stromdichten möglich sind, wobei die sehr niedrigen Sprungtemperaturen unterhalb von 23 Kelvin den Einsatz von teuren Kühltechniken erfordern. Diese Supraleiter werden heute als Tieftemperatursupraleiter (TTSL) bezeichnet, da ihre Betriebstemperatur bei 4,2 Kelvin oder niedriger liegt. Seit Entdeckung der Supraleitung in Ba-La-Cu-O-Verbindungen sind zahlreiche Hochtemperatursupraleiter (HTSL) gefunden wurden, deren kritische Temperaturen zum Teil mehr als 100 Kelvin über denen der TTSL liegen. Die bisher höchsten Sprungtemperaturen unter Normaldruck wurden mit 133 Kelvin und 135 Kelvin an Hg-Ba-Ca-Cu-O-Verbindungen gemessen. Ein Teil der über fünfzig heute bekannten HTSL weisen Sprungtemperaturen auf, die über der Siedetemperatur des flüssigen Stickstoffs von 77 Kelvin liegen. Dies ermöglicht neue technische Anwendungen der Supraleitung, da die Kühlung mit flüssigem Stickstoff um Größenordnungen billiger als die mit flüssigem Helium ist, welchen die TTSL benötigen. Andere Flüssigkeiten kommen auch in Betracht, sofern ihr Siedepunkt unterhalb der Sprungtemperatur der verwendeten Supraleiter liegt. Es existieren auch

Mitteltemperatursupraleiter (MTSL), wie z. B. MgB2 mit einer Sprungtemperatur von 39 Kelvin und einer typischen Betriebstemperatur von 20-25 Kelvin. Es bestehen Konzepte zur Nutzung der HTSL zur nahezu verlustfreien Leitung eines hohen elektrischen Stromes, insbesondere in Gestalt von Stromschienen, die als Gleichstromverbindung für Hochstromverbraucher, insbesondere Aluminium-, Kupfer- oder Zink-Elektrolysen, Graphitisierungsanlagen, chemische Elektrolysen, wie z.B. Chlor- oder Fluorelektrolyse, DC-Netze oder auch in Rechenzentren mit Versorgung der Server auf DC-Basis, eingesetzt werden können. Derartige Stromschienen müssen Gleichstrom in Größenordnungen von ca. 10 bis mehreren 100 kA tragen.

Ferner ist im Rahmen der Energiewende ein Netzausbau zu den weniger besiedelten Gebieten mit verstërkter Wind- bzw. Photovoltaikstromeinspeisung notwendig sowie eine umstrittene Nord-Süd-Verbindung. In konventioneller Technik wäre dazu ein massiver Einsatz an geeigneten leitfähigen Materialien, insbesondere Kupfer oder Aluminium nötig, welche zudem durch aufwändige Mechanik und Tragwerke gehalten und verlegt werden müssen. Infrastrukturmaßnahmen stoßen regelmäßig auf heftigen Widerstand der Anwohner und Öffentlichkeit. Auf längeren Strecken ergeben sich hohe elektrische Verluste, die durch die Verwendung von Supraleitern vermieden werden können. Jedoch muss eine Kühlung eingesetzt werden, deren Errichtung und Betrieb hohe Kosten und Energie erfordert.

Unabhängig davon werden elektromagnetische Schwebesysteme eingesetzt, beispielsweise bei der Magnetschwebebahn, einem spurgeführten Landverkehrsmittel, das durch magnetische Kräfte in der Schwebe gehalten, in der Spur geführt, angetrieben und gebremst wird. Die Technik ermöglicht hohe Geschwindigkeiten, Beschleunigungen und Steigungen. Bei magnetisch schwebenden Bahnen werden Magnetfelder genutzt, urn Fahrzeuge in einen Schwebezustand zu bringen. Bekannt sind das Elektromagnetisches Schwebesystem (electromagnetic suspension, EMS) und das Elektrodynamisches Schwebesystem (electrodynamic suspension, EDS). Bei EMS magnetisiert ein mit Gleichstrom erregter Elektromagnet das ferromagnetische Material auf der anderen Seite eines Luftspaltes, was eine Anziehungskraft bewirkt. Da das anziehende Verfahren ohne Regelung instabil ware, muss hier eine aktive Luftspaltregelung eingesetzt werden. Dafür sind schnelle und effiziente dynamische Regelungen von entscheidender Bedeutung. Um das Fahrzeug durch Anziehungskräfte anheben zu können, umgreift beim Transrapid System das Fahrwerk die Fahrbahn, wie beispielsweise beim Transrapid. Bei EDS werden magnetische Wechselfelder erzeugt, die auf der Gegenseite in nichtmagnetischen elektrischen Leitern, meist Aluminium, Wirbelströme hervorrufen, die das tiefere Eindringen des magnetischen Feldes verhindern, mit dem Ergebnis einer abstodenden Kraft, zum Beispiel JR-Maglev. EDS ist bei geringen und mittleren Geschwindigkeiten weniger energieeffizient. Bei hohen Geschwindigkeiten führt schon die Bewegung eines gleichförmigen erregenden Feldes zu Wirbelströmen, was den Energieaufwand von EDS senkt, den von EMS steigen lässt.

Wenn die beiden Système mit supraleitenden Spuien arbeiten, kann nahezu verlustfrei das zum Schweben erforderliche Magnetfeld aufgebaut werden. Anstelle von supraleitenden Spuien können auch massive Supraleiter, die in sich den Abstand zum Magnetfeld aufrecht halten, eingesetzt werden.

Unter dem Begriff „Hyperloop“ wird ein Konzept für ein Hochgeschwindigkeits-transportsystem diskutiert, das insbesondere durch Solarenergie elektrisch getriebene Transportkapseln mit Reisegeschwindigkeiten von bis zu etwa 1125 km/h mittels eines elektromagnetische Schwebesystems schwebend durch eine stark evakuierte Röhre befördern soil. Das Konzept sieht vor, auf Strecken von bis zu 1.500 Kilometern deutlich schneller als mit dem Flugzeug und gleichzeitig deutlich billiger als mit der Bahn zu reisen. Das Teilvakuum ermöglicht Reisegeschwindigkeiten bis knapp oberhalb der bei Normaldruck bestehenden Schallgeschwindigkeit, ohne die Schallmauer durchstoßen zu müssen. Das Konzept setzt in wichtigen Teilen auf die Verwendung bereits verbreiteter und günstig verfügbarer Technik und insgesamt ausschließlich auf bereits verfügbare Technik. Antrieb und Bremsung können beispielsweise über asynchrone Langstator-Linearmotoren erfolgen, die unter anderem auch bei Magnetschwebebahnen wie dem Transrapid verbaut worden sind. Für Notfälle sind zusätzlich eine mechanische Bremse und ein elektrischer Radantrieb vorgesehen.

In jedem Fall muss eine sich über die Lange der Strecke erstreckende Kühlung eingesetzt werden, deren Errichtung und Betrieb hohe Kosten bzw. Energie erfordert.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Verwendung einer supraleitenden Leiteranordnung bzw. ein verbesserte Transportsystem mit einer supraleitenden Leiteranordnung anzugeben.

Diese Aufgabe wird gelost durch eine Verwendung der supraleitenden Leiteranordnung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs, sowie ein Transportsystem mit einer supraleitenden Leiteranordnung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wurde zunächst erkannt, dass der Aufwand zur Errichtung und Betrieb einer supraleitenden Leiteranordnung über eine definierte Lange besser genutzt werden kann, wenn diese Leiteranordnung zwei Zwecke gleichzeitig erfüllt.

Zum einen dient die supraleitende Leiteranordnung auch hier dem Leiten eines elektrischen Stroms durch die supraleitende Leiteranordnung von einem Stromeinspeisepunkt entlang der Länge der supraleitenden Leiteranordnung bis zu einem elektrischen Verbraucher. Dies entspricht also einer normalen Stromversorgung zur Versorgung des Verbrauchers mit Strom, wobei die supraleitende Leiteranordnung für besonders lange Strecken bzw. nahezu verlustlose Stromleitung auch höchster Ströme geeignet ist. Der Strom, insbesondere die hier typischen sehr hohen Ströme von mindestens 20 kA bilden eine entsprechend starkes Magnetfeld, welches der Fachmann bislang als storend empfand, da das Magnetfeldes ab einer bestimmten Starke die Sprungtemperatur absinken lässt.

Die erfindungsgemäße Besonderheit liegt nun darin, dass das eigentlich storende Magnetfeld als elektromagnetisches Schwebesystem für ein Transportmittel genutzt wird. Die Leiteranordnung bildet daher „nebenbei“ eine Trager- und/oder Führungsschiene für eine entlang der supraleitenden Leiteranordnung über die Länge körperkontaktfrei mittels des Magnetfeldes in Schwebe haltbaren und bewegbaren Transportkapsel. Die Prinzipien „elektromagnetisches Schwebesystem“ und "Supraleiterschweben" sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt und werden hier nicht vertieft. Dabei ist es égal, welches konkrete Transportsystem verwendet wird, solange sich eine supraleitende Leiteranordnung entlang der Strecke erstreckt, bei welcher der Strom ebenfalls entlang der Stecke fließt. Die Leiteranordnung muss dabei nicht gerade verlaufen, sondern kann Schleifen, Spuien, Mäander Oder dgl. aufweisen.

Der hohe Infrastrukturaufwand für eine sich über die Länge einer supraleitenden Stromleitung erstreckende Kühlung, deren Betrieb zudem hohe Kosten und Energie erfordert, fällt somit nur einmal an. Die dringend benötigten Stromtrassen werden somit zugleich auch ein modernes Transportsystem.

Die erfindungsgemäße Lehre kann auch umgekehrt auch auf einem Transportsystem statt einer Stromschiene aufbauen: Dieses Transportsystem weist zunächst eine Führungsstrecke auf, zum Tragen und Führen einer daran angepassten Transportkapsel für Personen und/oder Güter, welche entlang der Führungsstrecke verfahrbar ist. Diese Führungsstrecke kann wie beim Transrapid frei stehen oder wie beim Hyperloop in eine Transportröhre integriert sein. Die Führungsstrecke weist dabei ein elektromagnetisches Schwebesystem mit mindestens einer sich entlang der Führungsstrecke erstreckenden Träger- und/oder Führungsschiene mit einer supraleitenden Leiteranordnung zum körperkontaktfreien Inschwebehalten der Transportkapsel entlang der Transportröhre mittels eines Magnetfeldes auf. Ferner ist notwendigerweise ein Kühlsystem zum Kühlen der supraleitenden Leiteranordnung unterhalb ihrer Sprungtemperatur vorgesehen sowie ein

Stromeinspeisepunkt zum Einleiten des Stroms in die supraleitende Leiteranordnung zur Erzeugung des Magnetfeldes. Die erfindungsgemäße Besonderheit liegt nun darin, dass ein elektrischer Verbraucher außerhalb der Führungsstrecke in einem Abstand vom Stromeinspeisepunkt an die supraleitende Leiteranordnung angeordnet ist, welcher von dem Strom betrieben wird.

Der hohe Infrastrukturaufwand für eine sich über die Lange eines elektromagnetischen Schwebesystem mit supraleitender Leitungsanordnung erstreckende Kühlung, deren Betrieb zudem hohe Kosten und Energie erfordert, fällt somit nur einmal an. Das moderne Transportsystem wird somit zugleich auch eine Stromtrasse.

Vorzugsweise ist das Transportsystem als Hyperloop-System ausgelegt ist mit den entsprechenden Merkmalen, nämlich einer Führungsstrecke, als druckdichte unter Unterdruck stehende Fahrröhre ausgebildet; und/odereiner druckdichte Transportkapsel, die im Inneren der Fahrröhre verfahrbar ist; und/oder einer Trager- und/oder Führungsschiene, verlaufend entlang und im Inneren derTransportröhre.

Der Nutzen der Erfindung ist dann wirtschaftlich vorteilhaft, wenn die die supraleitende Leiteranordnung eine Stromtragfähigkeit von mindestens 20 kA, vorzugsweise 200 kA aufweist. Es können natürlich auch mehrere Leiteranordnungen mit diesen Stromstärken parallel vorgesehen sein.

Wenn mehrere supraleitende Leiteranordnungen vorgesehen sind, die als Hin- und Riickleiter ausgelegt sind, ergibt sich ein geschlossener definierte Stromfluss, wobei erfindungsgemäß auch ein alternativer Riickfluss iiber die Erde denkbar ware.

Wenn die Tragschiene den Hinleiter bildet und eine Vielzahl von Führungsschienen zusammen den Rückleiter bilden, kann dabei die Tragschiene ein besonders großes Magnetfeld aufbauen zum Tragen des Gewichts der Kapsel, während die schwächeren Magnetfelder der mehreren Führungsschienen nur zentrierend wirken.

Bevorzugt ist, dass die supraleitende Leiteranordnung in einem Hyperloop-System als Trager- und/oder Führungsschiene eingesetzt wird und die mittels der Magnetkraft in Schwebe haltbare und bewegbare Transportkapsel eine druckdichte Personen- Oder Gütertransportkapsel ist zur luftwiderstandsarmen schnellen Bewegung der Kapsel.

Wenn die supraleitende Leiteranordnung Hochtemperatursupraleiter umfasst, reduziert sich der Aufwand für Bereitstellung, Befüllung und Kühlung der Kühlanlage.

Zur Realisierung der Erfindung als Hyperloop, ist bevorzugt vorgesehen, dass die supraleitende Leiteranordnung und die Transportkapsel in einem druckdichten Unterdrucksystem untergebracht sind; und/oder ein Antriebssystem zum Bewegen der Masse entlang der Länge vorgesehen ist; und/oder Druckschleusen vorgesehen mittels welchen die Masse auf Umgebungsdruck Oder zumindest einen im Vergleich zum Unterdrucksystem höheren Druck bringbar sind.

Die Vorteile der Erfindung kommen besonders zum Tragen über lange Strecken, die im Prinzip beliebig lang sein könnten. Als Minimalwerte wird vorgeschlagen, dass die die supraleitenden Leiteranordnung eine Lange von mindestens 10 km, vorzugsweise 50 km, insbesondere vorzugsweise 100 km aufweist. Dabei ist nicht die Leiterlänge selber gemeint, die ja auch Schleifen, Spuien, Mäander oder dgl. durchlaufen kann, sondern die Länge der Strecke des elektromagnetischen Schwebesystems bzw. des Transportmittels.

Der erfindungsgemäße Anschluss eines gewünschten elektrischen Verbrauchers ist von einem zufälligen, technisch bedingten Stromverbrauch im Sinn einer Verlustleistung des elektromagnetischen Schwebesystems abgegrenzt, dass der angeschlossene Verbraucher eine elektrische Leistung abnimmt bzw. abnehmen kann, welche urn den Faktor 1.000, vorzugsweise 10.000, insbesondere vorzugsweise 100.000 über der in der supraleitende Leiteranordnung auftretenden Verlustleistung liegt.

Die Erfindung kombiniert synergistisch den Stromtransport mit einem modernen Personen-und Gütertransport. Es werden die durch hohe Ströme erzeugten starken Magnetfelder genutzt, mit welchen magnetisches Schweben und Fahren ohne Roll- oder Gleitreibung fast verlustfrei möglich ist. Die idealen Leiter für diese hohen elektrischen Ströme sind Hochtemperatur-Supraleiter (HTS). HTS sind vergleichsweise einfach unter die relativ hohe Sprungtemperatur kühlbar. HTS leiten hohe DC-Ströme ohne elektrischen Widerstand völlig verlustfrei. HTS erlauben magnetisches Schweben ohne Verluste.

Der Vortrieb der Kapsel kann elektrisch oder auf beliebig andere Methode erfolgen, wozu auf den umfangreichen Stand derTechnik verwiesen wird.

In den Transport bzw. Führungsschienen kann elektrische Leistung in der Größenordnung der neuen für die Energiewende geplanten Stromtrassen übertragen werden. Der Strom kann mit einer Stromreglung für das Schweben konstant gehalten oder der Last einsprechend angepasst werden. Der Energietransport kann dem volatilen Bedarf über Spannungsregelung angepasst werden. Beide Technologien sind seit einigen Jahren vorhanden.

Das Magnetfeld im Inneren des Pod geht konstruktionsbedingt gegen Null und stellt somit für Passagiere (mit z.B. Herzschrittmacher) keine Beeinträchtigung dar.

Anhand der Fig. 1 wird eine Ausgestaltung der Erfindung stark vereinfacht skizziert. Es handelt sich urn ein Hyperloop-System, welches erfindungsgemäß zum kombinierten Strom-und Material- bzw. Personentransport genutzt wird. 1st es mit einem HTS-Hochstromsystem kombiniert und stellt damit eine äußerst energieeffizient Realisierung dar. Die Trageschiene 1 ist zugleich der Hinleiter und erzeugt dabei das tragende Magnetfeld auf dem die Transportkapsel 2, auch Hyperloop-Pod genannt, schwebt. Nachdem der Strom den Hinleiter verlassen hat und den nicht dargestellten elektrischen Verbrauch durchflossen hat, wird er auf die beiden Rückleiter verteilt, die Bestandteil der beiden Führungsschienen 3 sind. Diese sorgen für die seitliche Führung innerhalb der Transportröhre 4, welche unter Unterdruck steht.

Claims (11)

1. I

   1. Verwendung einer supraleitenden Leiteranordnung (1,3) einer bestimmten Länge a) zum Leiten eines elektrischen Stroms über diese Lange durch die supraleitende Leiteranordnung von einem Stromeinspeisepunkt zu einem elektrischen Verbraucher zur Versorgung des Verbrauchers mit Strom unter Bildung eines Magnetfeldes entlang der Lange der supraleitenden Leiteranordnung, und gleichzeitig b) als elektromagnetische Schwebesystem mit einer Träger- und/oder Führungsschiene für eine entlang der supraleitenden Leiteranordnung über die Länge körperkontaktfrei mittels des Magnetfeldes in Schwebe haltbaren und bewegbaren Transportkapsel (2).
2. 2. Transportsystem mit einer Führungsstrecke (4, 1, 3) zum Tragen und Führen einer daran angepassten Transportkapsel (2) für Personen und/oder Güter, welche entlang der Führungsstrecke verfahrbar ist; einem elektromagnetischen Schwebesystem mit mindestens einer sich entlang der Führungsstrecke erstreckenden Trager (1) - und/oder Führungsschiene (3) mit einer supraleitenden Leiteranordnung zum körperkontaktfreien Inschwebehalten der Transportkapsel (2) entlang der Führungsstrecke mittels eines Magnetfeldes; einem Kühlsystem zum Kühlen der supraleitenden Leiteranordnung unterhalb ihrer Sprungtemperatur; einem Stromeinspeisepunkt zum Einleiten des Stroms in die supraleitende Leiteranordnung zur Erzeugung des Magnetfeldes, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Verbraucher außerhalb der Führungsstrecke in einem Abstand vom Stromeinspeisepunkt an die supraleitende Leiteranordnung angeordnet ist, welcher von dem Strom betrieben wird.
3. 3. Transportsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportsystem als Hyperloop-System ausgelegt ist; und/oder die Führungsstrecke eine druckdichte unter Unterdruck stehende Fahrröhre (4) umfasst ist; und/oder die Transportkapsel (2) druckdicht ist und im Inneren der Fahrröhre verfahrbar ist; und/oder die Träger- und/oder Führungsschiene (1,3) entlang und im Inneren der Transportröhre (4) verläuft;
4. 4. Verwendung oder Transportsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Leiteranordnung eine Stromtragfähigkeit von mindestens 20 kA, vorzugsweise 200 kA aufweist.
5. 5. Verwendung oder Transportsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere supraleitende Leiteranordnung vorgesehen sind, welche als zumindest Hin- und Rückleiter ausgelegt sind.
6. 6. Verwendung oder Transportsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragschiene den Hinleiter bildet und eine Vielzahl von Führungsschienen zusammen den Rückleiter bilden.
7. 7. Verwendung oder Transportsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Leiteranordnung in einem Hyperloop-System als Trager- und/oder Führungsschiene eingesetzt wird und die mittels der Magnetkraft in Schwebe haltbare und bewegbare Transportkapsel eine druckdichte Personen- oder Gütertransportkapsel ist.
8. 8. Verwendung oder Transportsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Leiteranordnung Hochtemperatursupraleiter umfasst.
9. 9. Verwendung oder Transportsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitende Leiteranordnung und die Transportkapsel in einem druckdichten Unterdrucksystem untergebracht sind; ein Antriebssystem zum Bewegen der Masse entlang der Lange vorgesehen ist; Druckschleusen vorgesehen mittels welchen die Masse auf Umgebungsdruck oder zumindest einen im Vergleich zum Unterdrucksystem höheren Druck bringbar sind.
10. 10. Verwendung oder Transportsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die supraleitenden Leiteranordnung eine Lange von mindestens 10 km, vorzugsweise 50 km, insbesondere vorzugsweise 100 km aufweist.
11. 11. Verwendung oder Transportsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrischer Verbraucher eine elektrische Leistung abnimmt bzw. abnehmen kann, welche urn den Faktor 1.000, vorzugsweise 10.000, insbesondere vorzugsweise 100.000 über der in der supraleitende Leiteranordnung auftretenden Verlustleistung liegt.