und Serie miteinander verbunden. Da die Schaltelemente mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden müssen, befinden sich diese in einem Kryostaten. Hierzu ist der Kryostat mit einer Kältemaschine verbunden, die den flüssigen Stickstoff auf einer konstanten Temperatur von etwa 77 Kelvin hält. Derartige Strombegrenzer mit einer Schaltleistung von einem Megavoltampere werden von Industrieunternehmen hergestellt.
Synchronmaschinen können sowohl als Generator als auch als Motor eingesetzt werden. Im Rahmen des öffentlichen, nicht zuletzt auch durch politische Entscheidungsträger animierten Diskurses über Transportsysteme der Zukunft verdienen supraleitende Motoren als innovativer Beitrag zur Verkehrstechnik besondere Beachtung.
Möglich wurde ein solches Gedankenexperiment mit konkretem Realitätsbezug durch die Entdeckung der bereits zuvor erwähnten Hochtemperatursupraleiter (HTS) im Jahr 1986. Die hierdurch ausgelösten intensiven Forschungs- und Entwicklungsarbeiten konzentrierten sich auf Materialien wie Bismut-Strontium-Calcium-Kupferoxid (BSCCO 2223) und Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO 123), die unterhalb einer Sprungtemperatur von minus 163 Grad Celsius beziehungsweise minus 181 Grad Celsius zu widerstandslosen Stromleitern werden. Es mussten grundlegend neue Verfahren entwickelt werden, um aus diesen spröden Werkstoffen flexible Drähte für die industrielle Verarbeitung herzustellen.
Für die Drahtproduktion nach dem sogenannten Powder-in-tube-Verfahren werden mit Supraleiterpulver (BSCCO) gefüllte Silberrohre zu feinen Filamenten gezogen und gewalzt. BSCCO-Draht findet weltweit in Prototypen mit Supraleitertechnologie Verwendung. Für die meisten kommerziellen Anwendungen kann er mit einem Silberanteil von ca. 70 Prozent aber bestimmte Kostengrenzen nicht unterschreiten.
Als kosteneffiziente Alternative wurden Bänder mit supraleitender Beschichtung auf YBCO-Basis entwickelt. Mit neuen Verfahren bewältigte man nicht nur die Sprödigkeit der keramischen Leitersubstanz, es gelang auch, in der Beschichtung alle Kristalle des Leitermaterials gleichförmig auszurichten. Dies ist entscheidend, da der Ladungstransport in Hochtemperatursupraleitern stark richtungsabhängig ist und fast ausschließlich in bestimmten Schichten ihrer Kristallstruktur erfolgt. Bereits geringe Abweichungen würden die Übertragungsleistung deutlich schmälern.
Flexible Supraleiterbänder mit hoher Stromtragfähigkeit für energietechnische und industrielle Anwendungen, aber auch quasi einkristalline supraleitende Massivteile für Magnetlager, Stromzuführungen oder Magnetfeldabschirmungen wurden recht bald kommerziell hergestellt.
Eine Besonderheit stellen Rundleiter dar, die nur auf der Basis von BSCCO 2212 in die Entwicklung Eingang fanden. Sie sind vor allem von Interesse für einen Einsatz bei tiefen Temperaturen und extrem hohen Feldern wie sie z. B. in der Kernfusion benötigt werden. Aber auch für Beschleunigermagnete in der Hochenergiephysik bietet sich ihr Einsatz an.
Zum Themenbereich Transport ersann und erprobte man eine Reihe supraleitender Anwendungen, die in vielerlei Hinsicht den Mobilitätsanforderungen der Zukunft gerecht werden sollten. Hierzu sollen nachfolgend einige Beispiele näher beleuchtet werden.
Supraleitende Motoren mit Wechselstromsupraleitern wurden nach einigen Jahren erfolgreicher Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten bereits Stand der Technik.
Konventionelle Personenkraftwagen mit elektrischem Antrieb sind seit dem ersten Jahrzehnt des zweiten Jahrtausends in aller Munde. Zu ihnen zählen insbesondere Fahrzeuge mit Energieversorgung mittels Akkumulatoren. Das Hauptmanko solcher Elektroautos besteht primär in ihrer geringen Reichweite von weniger als 200 Kilometern und langen Ladezeiten von bis zu mehreren Stunden. Darüber hinaus ist das Gewicht der Batterien beträchtlich, was zu nennenswerten Begrenzungen des Stauraums beziehungsweise der zusätzlich für Personen oder Gepäck zu Verfügung stehenden Ladekapazität führen kann.
Das erste Elektroauto der Welt wurde bereits 1888 von dem Coburger Fabrikanten Andreas Flocken entwickelt, also 23 Jahre vor der Entdeckung der Supraleitung. Was hat ein Elektroauto mit „konventioneller“ Batterietechnik in meinen Ausführungen über Supraleitung zu suchen? Wir werden zum Thema Auto auf Supraleiterbasis in Bälde noch kommen.
Das Elektroauto des Herrn Flocken wurde dadurch möglich, dass im gleichen Jahr die Accumulatoren-Fabrik Tudorschen Systems Büsche & Müller OHG in Hagen, die Keimzelle der Varta, die ersten Akkumulatoren mit entsprechender Energiedichte von 27 Wattstunden pro Kilogramm industriell gefertigt wurden. Bei dem Flocken-Elektrowagen handelte es sich ursprünglich, ähnlich der Motorkutsche von Gottlieb Daimler, um eine Chaise, die aber mit einem Elektromotor versehen wurde. Es handelte sich um einen hochrädrigen Kutschwagen mit einem Elektromotor, dessen Kraft per Lederriemen auf die Hinterachse des Drehschemel-Viersitzers übertragen wurde. Das Fahrzeug entsprach dabei noch weitgehend einer Pferdekutsche. Der Elektromotor des Flockenwagens wurde durch Akkumulatoren nach der Konstruktion des luxemburgischen Ingenieurs Henri Tudor (1859–1928) gespeist. Die Accumulatoren-Fabrik Tudorschen Systems Büsche & Müller OHG stellte zu der Zeit als einziges deutsches Unternehmen Bleiakkumulatoren industriell her.
Tudor hatte den 1859 von Gaston Plante entwickelten Bleiakkumulator leistungsstärker, effizienter und zuverlässiger gemacht. Die Akkus erreichten um 1890 schon eine Energiedichte von 27 Wattstunden pro Kilogramm. Die Akkus des Flockenwagens hatten ein Gewicht von rund 100 Kilogramm. 2012 wurde die Marke Flocken im deutschen Patent- und Markenamt eingetragen.
Etwa 125 Jahre nach der Geburtsstunde des Elektrofahrzeugs bedurfte es einmal mehr einer Energiekrise, um sich alternativen Fahrzeugantrieben verstärkt zuzuwenden. Nach dem im Jahr 2013 geäußerten Willen der deutschen Bundesregierung sollten bis zum Jahr 2020 eine Million Elektroautos fahren. Bis Ende 2013 lag die Anzahl der tatsächlich in Deutschland zugelassenen Elektroautos jedoch nur bei etwa 13.000. Die Preise für Akkus sind und werden ein entscheidender Faktor für die Marktentwicklung von Elektroautos sein. Lag im Jahr 2011 der Akkupreis noch bei 500 Euro pro Kilowattstunde, so waren 2014 aufgrund eines stattlichen Preisverfalls gerade noch gut 80 Euro fällig. Somit könnte man sich zur Überwindung der Markteintrittsschwelle für eine zunehmende Verbreitung von Elektroautos im Wesentlichen auf die Reichweitenzunahme konzentrieren.
Gemäß einer Anfang 2014 veröffentlichen Studie des Fraunhofer-Instituts für System und Innovationsforschung ISI zu „Markthochlaufszenarien für Elektrofahrzeuge“ wurde der Frage nachgegangen, welcher Marktanteil an Elektrofahrzeugen bis zum Jahr 2020 zu erwarten sei.
Es wurde ausgeführt, dass es zwar eine hohe Unsicherheit beim Markthochlauf von Elektrofahrzeugen gäbe, da dieser stark von externen Rahmenbedingungen wie der Batterie-, Rohöl- und Strompreisentwicklung abhinge, eine Zahl von einer Million Elektroautos aber unter günstigen Bedingungen auch ohne Kaufförderung möglich erscheine. Selbst unter ungünstigen Rahmenbedingungen, wurde prognostiziert, könnte bis 2020 eine nennenswerte Zahl von Elektrofahrzeugen von 150.000 bis 200.000 Exemplaren in den Markt kommen.
Eine Besonderheit des Elektroantriebs bietet sich aufgrund seiner Konzeptimmanenz dadurch an, dass derartige Fahrzeuge nicht grundsätzlich nur den Antrieb durch einen einzigen Motor nutzen können, sondern den Antrieb direkt über die einzelnen Radnaben ermöglichen. Radnabenmotoren kamen bereits im 20. Jahrhundert in Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Schon Ferdinand Porsche rüstete ein Elektroauto für die Weltausstellung im Jahr 1900 mit lenkbaren Radnabenmotoren aus. Zu Beginn des zweiten Jahrzehnts dieses Jahrhunderts wurden im Bereich von Forschung und Entwicklung mehrere Prototypen für leistungsfähige Elektroautos mit Direktantrieb vorgestellt.
Hauptvorteil von Elektroradnabenmotoren ist der Wegfall des klassischen Antriebsstrangs von Antriebskonzepten mit zentralem Motor. Dessen Übertragungsverluste durch Komponenten wie (Schalt-)Getriebe, Kardanwelle, Differentialgetriebe und Antriebswellen bergen Potenziale zur Wirkungsgradsteigerung des gesamten Antriebssystems. Weiterhin bieten Antriebskonzepte mit Radnabenmotoren unter anderem wegen reduzierter Drehträgheit des Antriebsstrangs und der viel prompteren Regelung des Antriebsmoments eine wesentlich verbesserte Dynamik, die beispielsweise für Fahrsicherheitssysteme und die Fahrdynamikregelung genutzt werden kann.
Die „klassische“ Antriebstechnologie von Elektroautos ist die mit zentralem Motor. Der Ladevorgang kann wie folgt umrissen werden. Die Ladezeit hängt nicht nur von der Kapazität der Traktionsbatterie, sondern auch von der Ladetechnik und des zur Aufladung verwendeten Stromanschlusses ab. So steht zum Beispiel der