Im Alltag sind Produkte aus Aluminium allgegenwärtig, etwa als Alu-Haushaltsfolie, Getränkedosen oder in Form von Fahrradrahmen. Aber auch aus vielen anderen Bereichen ist das Leichtmetall kaum mehr wegzudenken. So wird es unter anderem in der Baubranche, im Automobilbereich und Transportwesen, in der Energietechnik und im Maschinenbau sowie im Sport- und Freizeitbereich eingesetzt. Die Produktion von Reinaluminium aus Aluminiumoxid (Primäraluminium) im sogenannten Schmelzflusselektrolyse-Verfahren ist energieintensiv.

Aluminium-Herstellung benötigt Strom als Rohstoff

Zur Herstellung von einer Tonne Primäraluminium werden rund 14.500 Kilowattstunden Energie benötigt. Die Energie ist notwendig, um in dem elektrochemischen Verfahren das Aluminiumoxid in Aluminium und Sauerstoff aufzuspalten. Aber: Die Stromschienen, die die Elektrolyseöfen mit Energie versorgen, weisen aufgrund des elektrischen Widerstands Wärmeverluste auf. So beträgt der Spannungsabfall von zwei 600 Meter langen Stromschienen am Hamburger Standort des Aluminium-Herstellers TRIMET rund 12,5 Volt. Die Verlustleistung lässt sich hiermit auf rund 2.300 Kilowatt beziffern. Übertragen auf die Betriebsstunden der Produktion kommen jährlich etwa 20 Millionen Kilowattstunden Energieverluste zusammen. Basis dieser Rechnung ist der aktuell eingesetzte Gleichstrom mit 180.000 Ampere (verteilt auf die zwei Stromschienen mit je 90.000 Ampere). Bei einer von TRIMET angedachten Erhöhung der Stromstärke auf 200.000 Ampere würden die Verluste nochmals um mehr als 20 Prozent höher ausfallen. An dieser Stelle setzt das Reallabor der Energiewende SuprAL an. Dieses soll dabei helfen, den technisch bedingten, aber unproduktiven Energieverbrauch bei der Aluminiumerzeugung zu reduzieren und so die Klimaeffizienz zu verbessern.

Energieeffizienz der Aluminiumproduktion in Hamburg verbessern

© TRIMET

Die Produktionshallen der Aluminiumhütte von TRIMET in Hamburg erstrecken sich über eine sehr große Fläche und beheimaten 270 Öfen zur Aluminiumproduktion. © TRIMET | Die Produktionshallen der Aluminiumhütte von TRIMET in Hamburg erstrecken sich über eine sehr große Fläche und beheimaten 270 Öfen zur Aluminiumproduktion.

In SuprAL wollen die Projektpartner TRIMET und das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) sowie im Unterauftrag das Unternehmen Vision Electric Super Conductors (VESC) am Hamburger Standort eine Stromschiene mit Hochtemperatursupraleitern, kurz HTSL, installieren und in der Praxis erproben. Der Vorteil von HTSL: die Leiter können Strom nahezu verlustfrei transportieren und sind insbesondere für Anwendungen mit hohen Gleichströmen geeignet. Die Forschenden erwarten, dass sich so der Spannungsabfall auf unter 0,5 Volt und die elektrische Verlustleistung auf etwa 90 Kilowatt reduzieren lassen. Das würde eine Energieeinsparung von rund 90 Prozent bedeuten – im Vergleich ist das so viel Strom, wie rund 10.000 Zwei-Personen-Haushalte in einem Jahr verbrauchen. Somit könnte die Aluminiumproduktion ihre Energieeffizienz verbessern und jährlich etwa 8.000 Tonnen CO₂ einsparen.

Langjährige Forschungsförderung im Bereich HTSL zahlt sich aus

Das Reallabor der Energiewende SuprAL baut damit auf mehrere Forschungsprojekte auf, die das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Forschungsfeld HTSL gefördert hat. So profitiert SuprAL etwa von den Erkenntnissen und Entwicklungen aus den Vorhaben 3S – SupraStromSchiene und DEMO200. Diese haben gezeigt, dass der Einsatz von HTSL in einer industriellen Anwendung grundsätzlich möglich ist. In DEMO200 hat ein Forschungsteam alle wichtigen Einzelkomponenten für die neue Stromschiene in Hamburg vorab erprobt. Von der Entwicklung über die Integration bis hin zur Anwendung haben die Projektpartner in den beiden Forschungsprojekten viele wichtige Erkenntnisse sammeln können, die nun in das Reallabor der Energiewende SuprAL einfließen werden.

HTSL-Technologie soll energieintensive Aluminium-Stromschiene ablösen

In der Hamburger Aluminiumhütte sind 270 Elektrolyse-Öfen auf zwei Linien aufgeteilt, die sich über eine Länge von 600 Metern erstrecken. Der Strom wird hintereinander durch die Öfen geführt. Sobald der Elektrolyseprozess abgeschlossen ist, wird die elektrische Energie beidseitig neben den Öfen über eine Aluminium-Stromschiene zurück zum Gleichrichter geleitet. Diese soll auch weiterhin als Redundanz erhalten bleiben: Die neue HTSL-Schiene wird daneben errichtet und elektrisch parallelgeschaltet.

Die Hochtemperatursupraleiter werden in einem doppelten Kryostaten untergebracht. Der innere Teil ist mit Heliumgas gefüllt und kühlt so auf eine Betriebstemperatur von unter 20 Kelvin, also etwa minus 250 Grad Celsius, herunter. Im äußeren Bereich sorgt flüssiger Stickstoff im Temperaturbereich von 80 Kelvin (minus 190 Grad Celsius) als Kälteschild. Die Projektpartner in SuprAL nutzen HTSL aus der ersten Generation. Auch wenn die Stromtragfähigkeit gegenüber der neuen, zweiten Generation geringer ist, sind hier die geringeren Kosten ein entscheidender Faktor. Im Reallabor der Energiewende wollen die Projektpartner die Hochtemperatursupraleitung für eine größere Anwendung in der Aluminiumindustrie erproben und so den weiteren Weg in die Praxis ebnen.

Reallabor der Energiewende wird Vorreiter für größeren industriellen Einsatz von HTSL-Anwendungen

Die neue HTSL-Stromschiene im Reallabor der Energiewende SuprAL zeigt neue Chancen auf – sowohl für die HTS-Technologie als auch für die Aluminiumindustrie und weitere Branchen. Bei der Aluminiumproduktion machen die Stromkosten mit rund 40 Prozent den größten Anteil der Gesamtkosten aus. Steigen die Strompreise weiter, wäre eine solche stromintensive Industrie in Deutschland und Europa nicht mehr wettbewerbsfähig möglich (zum Hintergrund: 1990 gab es noch 36 Aluminiumhütten in Europa. 2018 waren es nur noch 15). In der Industrie kann Hochtemperatursupraleitung daher zukünftig einen wichtigen Beitrag leisten: den Energieverbrauch senken, Voraussetzungen für die klimaneutrale Energiewende schaffen und einen entscheidenden Wettbewerbsvorsprung erschließen. So ist die Anwendung von HTS nicht nur in der Aluminiumindustrie, sondern auch in der chemischen Industrie, bei der Herstellung weiterer Nichteisenmetalle oder auch bei der Wasserstoffelektrolyse sowie in weiteren Branchen denkbar.

Wichtig dafür ist es, die Praxistauglichkeit der innovativen Technologie nachzuweisen. Dies wollen die Projektpartner mit SuprAL tun: Sie wollen demonstrieren, dass sich HTSL zuverlässig im dauerhaften Betrieb bei hohen Strömen einsetzen lassen, und so bisherige Grenzen der Supraleiteranwendungen signifikant erweitern. Die HTSL-Anwendung im Reallabor der Energiewende SuprAL ist weltweit einmalig.