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KIT ndash Die Forschungsuniversitaumlt in der Helmholtz Gemeinschaft
KIT-ZENTRUM ENERGIE
wwwkitedu
Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland Mathias Noe Karlsruher Institut fuumlr Technologie
Institut fuumlr Technische Physik
Braunschweiger Supraleiterseminar 20 Juni 2017
KIT-Zentrum Energie 2 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Acknowledgement
Markus Abplanalp ABB Corporate Technology
Tabea Arndt Siemens Corporate Technology
Markus Bauer Theva
Michael Baumlcker d-nano
Wolfgang Reiser Vision Electric Super Conductors
Klaus Schlenga Bruker
Frank Werfel ATZ
My Co-workers at Institute of Technical Physics and many
project partners from industry and academia
KIT-Zentrum Energie 3 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
4
Pilot line for industrial HTS wire production Capacity 150 kmyr ( 12 mm-width) Typical production tape length 300 m
TPL2100 Cu laminated TPL4100
Cu plated
TPL1100
different wire types now available
Pro-Line HTS wires
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
5
Ic gt 360 A - 350m
Ic gt 500 A ndash 100 m
Improved wire performance
Pro-Line HTS wires
12 mm width 77K
12 mm width 77K
Expanded pilot line
- Opening of expanded pilot line in Rheinbach in 2016
- Annual capacity gt 200km technical HTS wire
6
- Chemical solution deposition (CSD) for all layers
- Price performance ratio
- Scalability
- Reliability
- Customized electrical and mechanical stabilization
Performance
7
- Single piece length gt100m
- Regular performance gt300Acmw (77Ksf)
- Copper and stainless steel laminate
- Bridge-type joints lt10nW
- Typical behaviour (B T)
- Lift factors 0-5T 20-77K
available
Innovation with Integrity 8
BRUKER HTS GmbH Milestones
bull BHTS milestones in HTS wire length (4mm wide)
2013 ndash 100m length
2014 ndash 200m length
2015 ndash 600m length
Ic in-field performance of long HTS tapes during ramp-up period
Run
All Rights Reserved PAGE
Samples taken from HTS tape start and end position of 600m batch PLD coating run
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH HTS wire performance
All Rights Reserved PAGE 9
bull Ic in-field performance of HTS wires at 42K
BHTS samples from HTS 600m tapes (tape ID 16037 16039)
Ic measured up to 30T Bc at 42K
D Abraimov DC Larbalestier et al (NHMFL) presented at WAMHTS-4 Barcelona in Feb 2017
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH Applications
All Rights Reserved PAGE 10
bull Application of BHTS coated conductors
Next generation of BRUKER BIOSPIN persistent super-conducting magnet for
NMR spectroscopy
EuCARD-2 Next generation of accelerator magnets for High-Energy-
Physics Collider at CERN
KIT-Zentrum Energie 11 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Status of HTS wire development
Manufacturer Country Width
mm
Stabilizer Piece
length1)
Ic 77 K sf
AMSC US 4 12 Brass Cu SS 200 250 Acm
Bruker Germany 4 12 Cu 600 m2) High field tape
d-nano Germany 4 12 Cu SS gt 100 m ~ 300 Acm
Fujikura Japan 4 10 12 Cu 300 m gt 500 Acm
Shanghai ST China 4 12 Cu up to 1 km 200-500 Acm
Shanghai CST China 4 6 12 Brass Cu SS gt 100 m 100-250 Acm
STI US 3410 Cu gt 100 m 250-500 Acm
Sunam Korea 4 12 Brass Cu 200 m 500 Acm
SuperPower US 234612 Cu 100 - 300 m gt 300 Acm
Superox RussiaJapan 4 12 Cu 300 m 300-500 Acm
Theva Germany 4 12 Cu 300 m ~ 500 Acm
1) Single piece length without splices
2) 600 m for 4 mm
For each application several suppliers
- Width 2-12 mm
- Stabilizer Brass Cu SS
- Piece length up to several 100 m
- Ic mostly between 200-500 Acm at 77 K sf
KIT-Zentrum Energie 12 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cost development for HTS tapes ordered at KIT
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2008 2009 2010 2012 2013 2014 2016 2017
Co
st p
er
kAm
in euro
kA
m
Date
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 2 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Acknowledgement
Markus Abplanalp ABB Corporate Technology
Tabea Arndt Siemens Corporate Technology
Markus Bauer Theva
Michael Baumlcker d-nano
Wolfgang Reiser Vision Electric Super Conductors
Klaus Schlenga Bruker
Frank Werfel ATZ
My Co-workers at Institute of Technical Physics and many
project partners from industry and academia
KIT-Zentrum Energie 3 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
4
Pilot line for industrial HTS wire production Capacity 150 kmyr ( 12 mm-width) Typical production tape length 300 m
TPL2100 Cu laminated TPL4100
Cu plated
TPL1100
different wire types now available
Pro-Line HTS wires
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
5
Ic gt 360 A - 350m
Ic gt 500 A ndash 100 m
Improved wire performance
Pro-Line HTS wires
12 mm width 77K
12 mm width 77K
Expanded pilot line
- Opening of expanded pilot line in Rheinbach in 2016
- Annual capacity gt 200km technical HTS wire
6
- Chemical solution deposition (CSD) for all layers
- Price performance ratio
- Scalability
- Reliability
- Customized electrical and mechanical stabilization
Performance
7
- Single piece length gt100m
- Regular performance gt300Acmw (77Ksf)
- Copper and stainless steel laminate
- Bridge-type joints lt10nW
- Typical behaviour (B T)
- Lift factors 0-5T 20-77K
available
Innovation with Integrity 8
BRUKER HTS GmbH Milestones
bull BHTS milestones in HTS wire length (4mm wide)
2013 ndash 100m length
2014 ndash 200m length
2015 ndash 600m length
Ic in-field performance of long HTS tapes during ramp-up period
Run
All Rights Reserved PAGE
Samples taken from HTS tape start and end position of 600m batch PLD coating run
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH HTS wire performance
All Rights Reserved PAGE 9
bull Ic in-field performance of HTS wires at 42K
BHTS samples from HTS 600m tapes (tape ID 16037 16039)
Ic measured up to 30T Bc at 42K
D Abraimov DC Larbalestier et al (NHMFL) presented at WAMHTS-4 Barcelona in Feb 2017
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH Applications
All Rights Reserved PAGE 10
bull Application of BHTS coated conductors
Next generation of BRUKER BIOSPIN persistent super-conducting magnet for
NMR spectroscopy
EuCARD-2 Next generation of accelerator magnets for High-Energy-
Physics Collider at CERN
KIT-Zentrum Energie 11 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Status of HTS wire development
Manufacturer Country Width
mm
Stabilizer Piece
length1)
Ic 77 K sf
AMSC US 4 12 Brass Cu SS 200 250 Acm
Bruker Germany 4 12 Cu 600 m2) High field tape
d-nano Germany 4 12 Cu SS gt 100 m ~ 300 Acm
Fujikura Japan 4 10 12 Cu 300 m gt 500 Acm
Shanghai ST China 4 12 Cu up to 1 km 200-500 Acm
Shanghai CST China 4 6 12 Brass Cu SS gt 100 m 100-250 Acm
STI US 3410 Cu gt 100 m 250-500 Acm
Sunam Korea 4 12 Brass Cu 200 m 500 Acm
SuperPower US 234612 Cu 100 - 300 m gt 300 Acm
Superox RussiaJapan 4 12 Cu 300 m 300-500 Acm
Theva Germany 4 12 Cu 300 m ~ 500 Acm
1) Single piece length without splices
2) 600 m for 4 mm
For each application several suppliers
- Width 2-12 mm
- Stabilizer Brass Cu SS
- Piece length up to several 100 m
- Ic mostly between 200-500 Acm at 77 K sf
KIT-Zentrum Energie 12 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cost development for HTS tapes ordered at KIT
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2008 2009 2010 2012 2013 2014 2016 2017
Co
st p
er
kAm
in euro
kA
m
Date
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 3 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
4
Pilot line for industrial HTS wire production Capacity 150 kmyr ( 12 mm-width) Typical production tape length 300 m
TPL2100 Cu laminated TPL4100
Cu plated
TPL1100
different wire types now available
Pro-Line HTS wires
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
5
Ic gt 360 A - 350m
Ic gt 500 A ndash 100 m
Improved wire performance
Pro-Line HTS wires
12 mm width 77K
12 mm width 77K
Expanded pilot line
- Opening of expanded pilot line in Rheinbach in 2016
- Annual capacity gt 200km technical HTS wire
6
- Chemical solution deposition (CSD) for all layers
- Price performance ratio
- Scalability
- Reliability
- Customized electrical and mechanical stabilization
Performance
7
- Single piece length gt100m
- Regular performance gt300Acmw (77Ksf)
- Copper and stainless steel laminate
- Bridge-type joints lt10nW
- Typical behaviour (B T)
- Lift factors 0-5T 20-77K
available
Innovation with Integrity 8
BRUKER HTS GmbH Milestones
bull BHTS milestones in HTS wire length (4mm wide)
2013 ndash 100m length
2014 ndash 200m length
2015 ndash 600m length
Ic in-field performance of long HTS tapes during ramp-up period
Run
All Rights Reserved PAGE
Samples taken from HTS tape start and end position of 600m batch PLD coating run
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH HTS wire performance
All Rights Reserved PAGE 9
bull Ic in-field performance of HTS wires at 42K
BHTS samples from HTS 600m tapes (tape ID 16037 16039)
Ic measured up to 30T Bc at 42K
D Abraimov DC Larbalestier et al (NHMFL) presented at WAMHTS-4 Barcelona in Feb 2017
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH Applications
All Rights Reserved PAGE 10
bull Application of BHTS coated conductors
Next generation of BRUKER BIOSPIN persistent super-conducting magnet for
NMR spectroscopy
EuCARD-2 Next generation of accelerator magnets for High-Energy-
Physics Collider at CERN
KIT-Zentrum Energie 11 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Status of HTS wire development
Manufacturer Country Width
mm
Stabilizer Piece
length1)
Ic 77 K sf
AMSC US 4 12 Brass Cu SS 200 250 Acm
Bruker Germany 4 12 Cu 600 m2) High field tape
d-nano Germany 4 12 Cu SS gt 100 m ~ 300 Acm
Fujikura Japan 4 10 12 Cu 300 m gt 500 Acm
Shanghai ST China 4 12 Cu up to 1 km 200-500 Acm
Shanghai CST China 4 6 12 Brass Cu SS gt 100 m 100-250 Acm
STI US 3410 Cu gt 100 m 250-500 Acm
Sunam Korea 4 12 Brass Cu 200 m 500 Acm
SuperPower US 234612 Cu 100 - 300 m gt 300 Acm
Superox RussiaJapan 4 12 Cu 300 m 300-500 Acm
Theva Germany 4 12 Cu 300 m ~ 500 Acm
1) Single piece length without splices
2) 600 m for 4 mm
For each application several suppliers
- Width 2-12 mm
- Stabilizer Brass Cu SS
- Piece length up to several 100 m
- Ic mostly between 200-500 Acm at 77 K sf
KIT-Zentrum Energie 12 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cost development for HTS tapes ordered at KIT
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2008 2009 2010 2012 2013 2014 2016 2017
Co
st p
er
kAm
in euro
kA
m
Date
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
4
Pilot line for industrial HTS wire production Capacity 150 kmyr ( 12 mm-width) Typical production tape length 300 m
TPL2100 Cu laminated TPL4100
Cu plated
TPL1100
different wire types now available
Pro-Line HTS wires
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
5
Ic gt 360 A - 350m
Ic gt 500 A ndash 100 m
Improved wire performance
Pro-Line HTS wires
12 mm width 77K
12 mm width 77K
Expanded pilot line
- Opening of expanded pilot line in Rheinbach in 2016
- Annual capacity gt 200km technical HTS wire
6
- Chemical solution deposition (CSD) for all layers
- Price performance ratio
- Scalability
- Reliability
- Customized electrical and mechanical stabilization
Performance
7
- Single piece length gt100m
- Regular performance gt300Acmw (77Ksf)
- Copper and stainless steel laminate
- Bridge-type joints lt10nW
- Typical behaviour (B T)
- Lift factors 0-5T 20-77K
available
Innovation with Integrity 8
BRUKER HTS GmbH Milestones
bull BHTS milestones in HTS wire length (4mm wide)
2013 ndash 100m length
2014 ndash 200m length
2015 ndash 600m length
Ic in-field performance of long HTS tapes during ramp-up period
Run
All Rights Reserved PAGE
Samples taken from HTS tape start and end position of 600m batch PLD coating run
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH HTS wire performance
All Rights Reserved PAGE 9
bull Ic in-field performance of HTS wires at 42K
BHTS samples from HTS 600m tapes (tape ID 16037 16039)
Ic measured up to 30T Bc at 42K
D Abraimov DC Larbalestier et al (NHMFL) presented at WAMHTS-4 Barcelona in Feb 2017
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH Applications
All Rights Reserved PAGE 10
bull Application of BHTS coated conductors
Next generation of BRUKER BIOSPIN persistent super-conducting magnet for
NMR spectroscopy
EuCARD-2 Next generation of accelerator magnets for High-Energy-
Physics Collider at CERN
KIT-Zentrum Energie 11 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Status of HTS wire development
Manufacturer Country Width
mm
Stabilizer Piece
length1)
Ic 77 K sf
AMSC US 4 12 Brass Cu SS 200 250 Acm
Bruker Germany 4 12 Cu 600 m2) High field tape
d-nano Germany 4 12 Cu SS gt 100 m ~ 300 Acm
Fujikura Japan 4 10 12 Cu 300 m gt 500 Acm
Shanghai ST China 4 12 Cu up to 1 km 200-500 Acm
Shanghai CST China 4 6 12 Brass Cu SS gt 100 m 100-250 Acm
STI US 3410 Cu gt 100 m 250-500 Acm
Sunam Korea 4 12 Brass Cu 200 m 500 Acm
SuperPower US 234612 Cu 100 - 300 m gt 300 Acm
Superox RussiaJapan 4 12 Cu 300 m 300-500 Acm
Theva Germany 4 12 Cu 300 m ~ 500 Acm
1) Single piece length without splices
2) 600 m for 4 mm
For each application several suppliers
- Width 2-12 mm
- Stabilizer Brass Cu SS
- Piece length up to several 100 m
- Ic mostly between 200-500 Acm at 77 K sf
KIT-Zentrum Energie 12 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cost development for HTS tapes ordered at KIT
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2008 2009 2010 2012 2013 2014 2016 2017
Co
st p
er
kAm
in euro
kA
m
Date
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
5
Ic gt 360 A - 350m
Ic gt 500 A ndash 100 m
Improved wire performance
Pro-Line HTS wires
12 mm width 77K
12 mm width 77K
Expanded pilot line
- Opening of expanded pilot line in Rheinbach in 2016
- Annual capacity gt 200km technical HTS wire
6
- Chemical solution deposition (CSD) for all layers
- Price performance ratio
- Scalability
- Reliability
- Customized electrical and mechanical stabilization
Performance
7
- Single piece length gt100m
- Regular performance gt300Acmw (77Ksf)
- Copper and stainless steel laminate
- Bridge-type joints lt10nW
- Typical behaviour (B T)
- Lift factors 0-5T 20-77K
available
Innovation with Integrity 8
BRUKER HTS GmbH Milestones
bull BHTS milestones in HTS wire length (4mm wide)
2013 ndash 100m length
2014 ndash 200m length
2015 ndash 600m length
Ic in-field performance of long HTS tapes during ramp-up period
Run
All Rights Reserved PAGE
Samples taken from HTS tape start and end position of 600m batch PLD coating run
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH HTS wire performance
All Rights Reserved PAGE 9
bull Ic in-field performance of HTS wires at 42K
BHTS samples from HTS 600m tapes (tape ID 16037 16039)
Ic measured up to 30T Bc at 42K
D Abraimov DC Larbalestier et al (NHMFL) presented at WAMHTS-4 Barcelona in Feb 2017
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH Applications
All Rights Reserved PAGE 10
bull Application of BHTS coated conductors
Next generation of BRUKER BIOSPIN persistent super-conducting magnet for
NMR spectroscopy
EuCARD-2 Next generation of accelerator magnets for High-Energy-
Physics Collider at CERN
KIT-Zentrum Energie 11 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Status of HTS wire development
Manufacturer Country Width
mm
Stabilizer Piece
length1)
Ic 77 K sf
AMSC US 4 12 Brass Cu SS 200 250 Acm
Bruker Germany 4 12 Cu 600 m2) High field tape
d-nano Germany 4 12 Cu SS gt 100 m ~ 300 Acm
Fujikura Japan 4 10 12 Cu 300 m gt 500 Acm
Shanghai ST China 4 12 Cu up to 1 km 200-500 Acm
Shanghai CST China 4 6 12 Brass Cu SS gt 100 m 100-250 Acm
STI US 3410 Cu gt 100 m 250-500 Acm
Sunam Korea 4 12 Brass Cu 200 m 500 Acm
SuperPower US 234612 Cu 100 - 300 m gt 300 Acm
Superox RussiaJapan 4 12 Cu 300 m 300-500 Acm
Theva Germany 4 12 Cu 300 m ~ 500 Acm
1) Single piece length without splices
2) 600 m for 4 mm
For each application several suppliers
- Width 2-12 mm
- Stabilizer Brass Cu SS
- Piece length up to several 100 m
- Ic mostly between 200-500 Acm at 77 K sf
KIT-Zentrum Energie 12 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cost development for HTS tapes ordered at KIT
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2008 2009 2010 2012 2013 2014 2016 2017
Co
st p
er
kAm
in euro
kA
m
Date
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
Expanded pilot line
- Opening of expanded pilot line in Rheinbach in 2016
- Annual capacity gt 200km technical HTS wire
6
- Chemical solution deposition (CSD) for all layers
- Price performance ratio
- Scalability
- Reliability
- Customized electrical and mechanical stabilization
Performance
7
- Single piece length gt100m
- Regular performance gt300Acmw (77Ksf)
- Copper and stainless steel laminate
- Bridge-type joints lt10nW
- Typical behaviour (B T)
- Lift factors 0-5T 20-77K
available
Innovation with Integrity 8
BRUKER HTS GmbH Milestones
bull BHTS milestones in HTS wire length (4mm wide)
2013 ndash 100m length
2014 ndash 200m length
2015 ndash 600m length
Ic in-field performance of long HTS tapes during ramp-up period
Run
All Rights Reserved PAGE
Samples taken from HTS tape start and end position of 600m batch PLD coating run
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH HTS wire performance
All Rights Reserved PAGE 9
bull Ic in-field performance of HTS wires at 42K
BHTS samples from HTS 600m tapes (tape ID 16037 16039)
Ic measured up to 30T Bc at 42K
D Abraimov DC Larbalestier et al (NHMFL) presented at WAMHTS-4 Barcelona in Feb 2017
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH Applications
All Rights Reserved PAGE 10
bull Application of BHTS coated conductors
Next generation of BRUKER BIOSPIN persistent super-conducting magnet for
NMR spectroscopy
EuCARD-2 Next generation of accelerator magnets for High-Energy-
Physics Collider at CERN
KIT-Zentrum Energie 11 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Status of HTS wire development
Manufacturer Country Width
mm
Stabilizer Piece
length1)
Ic 77 K sf
AMSC US 4 12 Brass Cu SS 200 250 Acm
Bruker Germany 4 12 Cu 600 m2) High field tape
d-nano Germany 4 12 Cu SS gt 100 m ~ 300 Acm
Fujikura Japan 4 10 12 Cu 300 m gt 500 Acm
Shanghai ST China 4 12 Cu up to 1 km 200-500 Acm
Shanghai CST China 4 6 12 Brass Cu SS gt 100 m 100-250 Acm
STI US 3410 Cu gt 100 m 250-500 Acm
Sunam Korea 4 12 Brass Cu 200 m 500 Acm
SuperPower US 234612 Cu 100 - 300 m gt 300 Acm
Superox RussiaJapan 4 12 Cu 300 m 300-500 Acm
Theva Germany 4 12 Cu 300 m ~ 500 Acm
1) Single piece length without splices
2) 600 m for 4 mm
For each application several suppliers
- Width 2-12 mm
- Stabilizer Brass Cu SS
- Piece length up to several 100 m
- Ic mostly between 200-500 Acm at 77 K sf
KIT-Zentrum Energie 12 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cost development for HTS tapes ordered at KIT
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2008 2009 2010 2012 2013 2014 2016 2017
Co
st p
er
kAm
in euro
kA
m
Date
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
Performance
7
- Single piece length gt100m
- Regular performance gt300Acmw (77Ksf)
- Copper and stainless steel laminate
- Bridge-type joints lt10nW
- Typical behaviour (B T)
- Lift factors 0-5T 20-77K
available
Innovation with Integrity 8
BRUKER HTS GmbH Milestones
bull BHTS milestones in HTS wire length (4mm wide)
2013 ndash 100m length
2014 ndash 200m length
2015 ndash 600m length
Ic in-field performance of long HTS tapes during ramp-up period
Run
All Rights Reserved PAGE
Samples taken from HTS tape start and end position of 600m batch PLD coating run
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH HTS wire performance
All Rights Reserved PAGE 9
bull Ic in-field performance of HTS wires at 42K
BHTS samples from HTS 600m tapes (tape ID 16037 16039)
Ic measured up to 30T Bc at 42K
D Abraimov DC Larbalestier et al (NHMFL) presented at WAMHTS-4 Barcelona in Feb 2017
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH Applications
All Rights Reserved PAGE 10
bull Application of BHTS coated conductors
Next generation of BRUKER BIOSPIN persistent super-conducting magnet for
NMR spectroscopy
EuCARD-2 Next generation of accelerator magnets for High-Energy-
Physics Collider at CERN
KIT-Zentrum Energie 11 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Status of HTS wire development
Manufacturer Country Width
mm
Stabilizer Piece
length1)
Ic 77 K sf
AMSC US 4 12 Brass Cu SS 200 250 Acm
Bruker Germany 4 12 Cu 600 m2) High field tape
d-nano Germany 4 12 Cu SS gt 100 m ~ 300 Acm
Fujikura Japan 4 10 12 Cu 300 m gt 500 Acm
Shanghai ST China 4 12 Cu up to 1 km 200-500 Acm
Shanghai CST China 4 6 12 Brass Cu SS gt 100 m 100-250 Acm
STI US 3410 Cu gt 100 m 250-500 Acm
Sunam Korea 4 12 Brass Cu 200 m 500 Acm
SuperPower US 234612 Cu 100 - 300 m gt 300 Acm
Superox RussiaJapan 4 12 Cu 300 m 300-500 Acm
Theva Germany 4 12 Cu 300 m ~ 500 Acm
1) Single piece length without splices
2) 600 m for 4 mm
For each application several suppliers
- Width 2-12 mm
- Stabilizer Brass Cu SS
- Piece length up to several 100 m
- Ic mostly between 200-500 Acm at 77 K sf
KIT-Zentrum Energie 12 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cost development for HTS tapes ordered at KIT
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2008 2009 2010 2012 2013 2014 2016 2017
Co
st p
er
kAm
in euro
kA
m
Date
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
Innovation with Integrity 8
BRUKER HTS GmbH Milestones
bull BHTS milestones in HTS wire length (4mm wide)
2013 ndash 100m length
2014 ndash 200m length
2015 ndash 600m length
Ic in-field performance of long HTS tapes during ramp-up period
Run
All Rights Reserved PAGE
Samples taken from HTS tape start and end position of 600m batch PLD coating run
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH HTS wire performance
All Rights Reserved PAGE 9
bull Ic in-field performance of HTS wires at 42K
BHTS samples from HTS 600m tapes (tape ID 16037 16039)
Ic measured up to 30T Bc at 42K
D Abraimov DC Larbalestier et al (NHMFL) presented at WAMHTS-4 Barcelona in Feb 2017
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH Applications
All Rights Reserved PAGE 10
bull Application of BHTS coated conductors
Next generation of BRUKER BIOSPIN persistent super-conducting magnet for
NMR spectroscopy
EuCARD-2 Next generation of accelerator magnets for High-Energy-
Physics Collider at CERN
KIT-Zentrum Energie 11 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Status of HTS wire development
Manufacturer Country Width
mm
Stabilizer Piece
length1)
Ic 77 K sf
AMSC US 4 12 Brass Cu SS 200 250 Acm
Bruker Germany 4 12 Cu 600 m2) High field tape
d-nano Germany 4 12 Cu SS gt 100 m ~ 300 Acm
Fujikura Japan 4 10 12 Cu 300 m gt 500 Acm
Shanghai ST China 4 12 Cu up to 1 km 200-500 Acm
Shanghai CST China 4 6 12 Brass Cu SS gt 100 m 100-250 Acm
STI US 3410 Cu gt 100 m 250-500 Acm
Sunam Korea 4 12 Brass Cu 200 m 500 Acm
SuperPower US 234612 Cu 100 - 300 m gt 300 Acm
Superox RussiaJapan 4 12 Cu 300 m 300-500 Acm
Theva Germany 4 12 Cu 300 m ~ 500 Acm
1) Single piece length without splices
2) 600 m for 4 mm
For each application several suppliers
- Width 2-12 mm
- Stabilizer Brass Cu SS
- Piece length up to several 100 m
- Ic mostly between 200-500 Acm at 77 K sf
KIT-Zentrum Energie 12 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cost development for HTS tapes ordered at KIT
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2008 2009 2010 2012 2013 2014 2016 2017
Co
st p
er
kAm
in euro
kA
m
Date
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH HTS wire performance
All Rights Reserved PAGE 9
bull Ic in-field performance of HTS wires at 42K
BHTS samples from HTS 600m tapes (tape ID 16037 16039)
Ic measured up to 30T Bc at 42K
D Abraimov DC Larbalestier et al (NHMFL) presented at WAMHTS-4 Barcelona in Feb 2017
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH Applications
All Rights Reserved PAGE 10
bull Application of BHTS coated conductors
Next generation of BRUKER BIOSPIN persistent super-conducting magnet for
NMR spectroscopy
EuCARD-2 Next generation of accelerator magnets for High-Energy-
Physics Collider at CERN
KIT-Zentrum Energie 11 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Status of HTS wire development
Manufacturer Country Width
mm
Stabilizer Piece
length1)
Ic 77 K sf
AMSC US 4 12 Brass Cu SS 200 250 Acm
Bruker Germany 4 12 Cu 600 m2) High field tape
d-nano Germany 4 12 Cu SS gt 100 m ~ 300 Acm
Fujikura Japan 4 10 12 Cu 300 m gt 500 Acm
Shanghai ST China 4 12 Cu up to 1 km 200-500 Acm
Shanghai CST China 4 6 12 Brass Cu SS gt 100 m 100-250 Acm
STI US 3410 Cu gt 100 m 250-500 Acm
Sunam Korea 4 12 Brass Cu 200 m 500 Acm
SuperPower US 234612 Cu 100 - 300 m gt 300 Acm
Superox RussiaJapan 4 12 Cu 300 m 300-500 Acm
Theva Germany 4 12 Cu 300 m ~ 500 Acm
1) Single piece length without splices
2) 600 m for 4 mm
For each application several suppliers
- Width 2-12 mm
- Stabilizer Brass Cu SS
- Piece length up to several 100 m
- Ic mostly between 200-500 Acm at 77 K sf
KIT-Zentrum Energie 12 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cost development for HTS tapes ordered at KIT
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2008 2009 2010 2012 2013 2014 2016 2017
Co
st p
er
kAm
in euro
kA
m
Date
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
Innovation with Integrity
BRUKER HTS GmbH Applications
All Rights Reserved PAGE 10
bull Application of BHTS coated conductors
Next generation of BRUKER BIOSPIN persistent super-conducting magnet for
NMR spectroscopy
EuCARD-2 Next generation of accelerator magnets for High-Energy-
Physics Collider at CERN
KIT-Zentrum Energie 11 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Status of HTS wire development
Manufacturer Country Width
mm
Stabilizer Piece
length1)
Ic 77 K sf
AMSC US 4 12 Brass Cu SS 200 250 Acm
Bruker Germany 4 12 Cu 600 m2) High field tape
d-nano Germany 4 12 Cu SS gt 100 m ~ 300 Acm
Fujikura Japan 4 10 12 Cu 300 m gt 500 Acm
Shanghai ST China 4 12 Cu up to 1 km 200-500 Acm
Shanghai CST China 4 6 12 Brass Cu SS gt 100 m 100-250 Acm
STI US 3410 Cu gt 100 m 250-500 Acm
Sunam Korea 4 12 Brass Cu 200 m 500 Acm
SuperPower US 234612 Cu 100 - 300 m gt 300 Acm
Superox RussiaJapan 4 12 Cu 300 m 300-500 Acm
Theva Germany 4 12 Cu 300 m ~ 500 Acm
1) Single piece length without splices
2) 600 m for 4 mm
For each application several suppliers
- Width 2-12 mm
- Stabilizer Brass Cu SS
- Piece length up to several 100 m
- Ic mostly between 200-500 Acm at 77 K sf
KIT-Zentrum Energie 12 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cost development for HTS tapes ordered at KIT
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2008 2009 2010 2012 2013 2014 2016 2017
Co
st p
er
kAm
in euro
kA
m
Date
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 11 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Status of HTS wire development
Manufacturer Country Width
mm
Stabilizer Piece
length1)
Ic 77 K sf
AMSC US 4 12 Brass Cu SS 200 250 Acm
Bruker Germany 4 12 Cu 600 m2) High field tape
d-nano Germany 4 12 Cu SS gt 100 m ~ 300 Acm
Fujikura Japan 4 10 12 Cu 300 m gt 500 Acm
Shanghai ST China 4 12 Cu up to 1 km 200-500 Acm
Shanghai CST China 4 6 12 Brass Cu SS gt 100 m 100-250 Acm
STI US 3410 Cu gt 100 m 250-500 Acm
Sunam Korea 4 12 Brass Cu 200 m 500 Acm
SuperPower US 234612 Cu 100 - 300 m gt 300 Acm
Superox RussiaJapan 4 12 Cu 300 m 300-500 Acm
Theva Germany 4 12 Cu 300 m ~ 500 Acm
1) Single piece length without splices
2) 600 m for 4 mm
For each application several suppliers
- Width 2-12 mm
- Stabilizer Brass Cu SS
- Piece length up to several 100 m
- Ic mostly between 200-500 Acm at 77 K sf
KIT-Zentrum Energie 12 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cost development for HTS tapes ordered at KIT
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2008 2009 2010 2012 2013 2014 2016 2017
Co
st p
er
kAm
in euro
kA
m
Date
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 12 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cost development for HTS tapes ordered at KIT
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
2008 2009 2010 2012 2013 2014 2016 2017
Co
st p
er
kAm
in euro
kA
m
Date
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
HTS bulk fabrication Top seeding melt texture procedure (TSMG)
bull Cold seeded crystal growth
bull exact lateral orientation of the seeds
bull 3-seed samples 67 x 34 x 15 preferred
Sizes
bull Dia 35 ndash70 mm 15 mm thickness single grain
bull 67 mm x 35 mm x 14 mm 2-3 seeds
bull 90 mm x 60 mm x 20 mm up to 8 seeds
Radially seeded YBCO (SmBCO seeds)
seed crystal
Top seeded melt growth strategy
growth boundary growth sector
c
b a
ATZ
46 90 x 60 8 seeds
55 30 67 x 34 3 seeds
55
46 x 46
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
Shaft
Cu cylinder PM rings
Fe flux
collector
YBCO
bulk
Magnetic
gap
r z
L
B(rz) excitation w HTS
Field gradient radial stiffness dFrdr 1L
Field varies axially shift induces currents
dFzdz 1L
cos
sin)exp()0(
Lz
Lz
L
rB
B
B
z
r
High-gradient bulk HTS bearing
ATZ
Fabricated bearing
PM rotor dia 200 mm
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
HTS Maglev crystat and train demonstrators
Supra-Trans II Dresden 80 m
U Jiaotong Chengdu CN 45 m
Univ R de Janeiro BR 200 m ATZ
Stainless Steel
Vacuum connectionMechanical support
G- 10 plate
LN2 filling tubeLN2
Bulk HTS
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
HTS bulk mission scenario
YBCO bulk Mission
YBCO back
Magnetic excitation Trapped field pattern
Comparisonanalysis
ATZ
Result after 6 months HTS bulk have no changes in magnetic and electric
properties
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
MFX ndash Design Details
Turbomolecular Pump
Cryo Cooler (Stirling compressor)
Cryo Cooler (cold finger)
Cryostat
Data Handling System (eCube) with thermo sensors
ATZ
Largest HTS superconductor in space Study of interaction of HTS with Earth magnetic field
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 18 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 19 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
HTS Roumlbelwire for Accelerator Magnets
15 strands Bruker 12 mm tape
20 μm Cu layer
Transposition pitch 226 mm
129 kA at 25 K
Worldwide first test of HTS Roumlbelwire in future Accelerator Magnet (Tapes
from Bruker and Roumlbelwire from KIT) G Kirby etal ldquoFirst Cold Powering Test of REBCO Roebel Wound
Coil for the EuCARD2 Future Magnet Development Projectldquo IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY VOL 27 NO 4 JUNE 2017
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 20 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Cross-Conductor High Current Conductor (KIT)
64 CroCo 42 CroCo 32 CroCo
Number of
REBCO tapes
20 x 6 mm
10 x 4 mm
16 x 4 mm
16 x 2 mm
16 x 3 mm
8 x 2 mm
Oslash incl tube 91 mm 68 mm 57 mm
Ic(42 K 12 T) 8000 A 4800 A 3200 A
Ic(77 K sf) 3000 A 1800 A 1300 A
Ic(68 K sf)
Min bending
radius Rmin 60 cm 40 cm 30 cm
Continous manufacturing
Small twist pitch
Low resistive terminations (30-50 nOhm)
Applicable for AC and DC
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 21 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 22 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
AmpaCity
Siehe Beitrag Herr Dr Allweins Nexans
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Ziele und Status des Projekts 3S Entwicklung einer einpoligen HTS-Stromschiene fuumlr 20 kA DC und einer Laumlnge
von 25m
Test der Stromschiene gemaumlszlig den Anforderungen im industriellen Umfeld
Status
Stromzufuumlhrung auszligerhalb des Projektes entwickelt und getestet
Alle Technologien (Stromschiene Verbinder Kuumlhlung etc) entwickelt und getestet
Subscale Modell im Aufbau und Aufbau aller Komponenten startet in Q3 2017
21062017 23
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Stromzufuumlhrung und Verbinder
21062017 24
resistive
current path
copper baffles
HTS stack
first cooling
stage second cooling
stage
third cooling
stage
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
3S-SupraStromSchienen Supraleitendes Hochstromsystem fuumlr DC-Anwendungen
Projektpartner
Elementverbindung Video
21062017 25
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 26 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Year Place Country Application
Length
m
Current
A Voltage HTS
2017 Ludwigshafen Germany Chlorelektrolyse 25 20000 1 kV YBCO
2017 St Petersburg Russland
Verbindung
Substations 2500 2500 20 kV Bi 2223
2016 Ishikari Japan Testanordnung 1000 2500 20 kV Bi 2223
2015 Ishikari Japan
PV Datencenter
Verbindung 500 5000 20 kV Bi 2223
2015 Jeju Island Korea
Verbindung
Substations 500 3250 80 kV YBCO
2014 CERN Schweiz Testanordnung 20 20000 - MgB2
2013 Kunitachi Japan
Verbindung von
Bahnumrichtern 30 6000 15 kV Bi 2223
2012 Gongyi China Aluminiumwerk 360 10000 13 kV Bi 2223
2010 Chubu Japan Testanordnung 200 2000 10 kV Bi 2223
2006 Chubu Japan Testanordnung 20 2200 20 kV Bi 2223
Stand der Entwicklung von DC
Hochstromleitungen
Weltweit erstes modulares Stromschienensystem mit Hochtemperatur-Supraleitung
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 27 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
28
bull Funded by the European Unionrsquos FP7 Programme under grant agreement 308793
bull Time scope Dic 2012 ndash May 2017 bull Total Budget 54 Meuro EC funding 39 Meuro bull TECNALIA leads a consortium of 8 partners
Coordinator
SUPRAPOWER project Outline
SUPRAPOWER project Outline
Research centres and Universities
Industrial Partners
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
29
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
10 MW SG SMV Power 10 MW 550 kW - Speed 81 rpm 1215
rpm
30 rpm
Torque 118 MNmiddotm
432 kNmiddotm
-
Number of poles 48 4 2 Frequency 324 Hz 405 Hz - Location of armature External Internal - Operating temperature 20 K 20 K 20 K Armature winding Copper Copper - Magnetic core length 744 mm 528 mm 528 mm Armature current density 3 Amm2 3 Amm2 -
Induction peak value in airgap
15 T 15 T 15 T
Peak field in the superconductor
137 T 136 T 125 T
Working point in the load line
65 65 60
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
30
Scale Machine Validator a comparison to full scale and scale generator (SG)
Double Pancake Coil in Cryostat Scale Machine Validator
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 31 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
ECOSWING
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 32 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 33 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
June 2017 Copyright THEVA Duumlnnschichttechnik GmbH
34
HTS coils
Type test result showing expected performance
ldquoEcoSwing has received funding from the European Unionrsquos Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 656024rdquo ldquoHerein we reflect only the authors view The Commission is not responsible for any use that may be made of the information it containsrdquo
14 m
Coil winding and casting technology was developed bull Resin potted bull double pancake coils bull About 200 turns bull Operating at 30 K bull Conduction cooled Ongoing Small series production of more than 30 coils for a 36 MW windpower generator within the EcoSwing project Technology can be adapted for different size number of turns and wire width 2 x 87 turn double layer test coil
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
20170504ndash Tabea
Arndt
Page 35 Corporate Technology
Rotating machines for electric aircrafts based on
HTS technology
HTS technology as an enabler for sustainable electric aircraft propulsion
Details
bull High power density
bull High efficiency
bull Power rating several megawatt
bull partnering with Airbus and others
funded project ldquoTELOSrdquo in the german
LuFo-Program
httpwwwsiemenscompressenfeature2016corporate2016-04-electric-
flightphpcontent[]=Corp
Press Release
Airbus Group and Siemens Sign Long-Term Cooperation
Agreement
in the Field of Hybrid Electric Propulsion Systems
Munich 2016-Apr-07
Both companies take significant joint development decision
Assemble joint development team of some 200 employees
Target breakthrough innovation in aerospace e-mobility
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 36 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitende Leichtbaukabel fuumlr
hybrid-elektrische Flugzeugantriebe
BMWi-Projekt TELOS - Thermisch-elektrisch
optimierte Luftfahrtantriebssysteme
Laufzeit 012016 - 032019
Partner Airbus Group Innovations
Muumlnchen Airbus Operations
Hamburg Siemens Erlangen
KIT (ITEP) Neue Materialien Bayreuth TU Muumlnchen
KIT-Beitrag Supraleitendes Leichtbaukabel zur Leistungsuumlbertragung
Leistungsuumlbertragung bis ca 10 MW
Spannungslevel 1 kV (DC)
Geringes Gewicht
Geringe Verluste
Batterie
Gasturbine +
Generator
DCDC DCDC
ACDC ACDC
Leistungs-
uumlbertragung
Antriebsmotor 1 DCAC DCAC
Antriebsmotor 2 DCAC DCAC
Antriebsmotor n DCAC DCAC
copy Airbus
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
ASuMED Advanced Superconducting Motor
Experimental Demonstrator (H2020 started May 2017)
Participants
OSWALD Elektromotoren GmbH Germany
ROLLS-ROYCE PLC United Kingdom
UNIVERSITY OF CAMBRIDGE United Kingdom
KARLSRUHER INSTITUT FUER TECHNOLOGIE Germany
HOCHSCHULE FUR ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN ASCHAFFENBURG Germany
AIR LIQUIDE ADVANCED TECHNOLOGIES SA France
DeMaCo Holland bv Netherlands
SuperOx Russian Federation
Institute of Electrical Engineering Slovak Academy of Sciences Slovakia
K amp S GMBH PROJEKTMANAGEMENT Germany
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
Purpose
bull Demonstrate benefits of a new fully superconducting motor with a power density of 20kWkg In particular
bull design an appropriate motor topology
bull develop a high-temperature superconducting (HTS) stator with an electric loading of gt450kAm
bull develop a rotor using HTS stacks operating like permanent magnets providing an average magnetic loading of gt25 T
bull integrate a magnetization system into the stator area
bull implement a highly efficient cryostat for motor combined with integrated cryogenic cooling system and associated power converter
bull Demonstrate above technologies in a prototype with approximately 1 MW power at 10000rpm and a thermal loss lt01
bull Design innovative modular inverter topology with enhanced failure protection to realize highly dynamic and robust control of superconducting machines
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 39 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 40 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzer Nexans
Quelle Nexans
12 kV 1600 A resistiver SSB installiert in Sammelschiene bei Western Power
Distribution Chester Street Birmingham seit Ende 2015
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 41 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
MTU onsite energy GmbH
Substation Lechhausen
Installation site of SFCL
Visitors (IEA) at SFCL site Installation area
Installed vessels Inauguration ceremony
SFCL based Solution (SFCL+switchgear+control+DAQ) successfully
installed and inaugurated in 032016
Details
bull Collaboration of Siemens EM CT amp
Stadtwerke Augsburg
bull Integration of MTUrsquos extended testing facility
of combined heat and power unit requires
reduction of short-circuit current
bull Combination of superconducting 15 MVA
SFCL with ultrafast breaker and parallel
series reactor
bull Closed cooling system (cold heads included)
ndash no blow-off during limitation
bull Reduction of losses compared to
conventional solution
bull Increased system stability no voltage drop
bull Large area breaker up-grade dispensable
bull Timeline
bull Apr 15 2014 project start
bull Mar 15 2016 official inauguration
bull till Jan 15 2017 data acquisition amp
monitoring (to Siemens Erlangen)
bull Continued operation after project end
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 42 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Supraleitender Strombegrenzer SMARTCOIL
Siehe Beitrag Herr Dr Schacherer Siemens
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
Cost effective FCL using advanced supercon tapes for future HVDC grids
Significant advances of the economical attractiveness of SCFCLs by
improving REBCO tapes especially in their current limitation mode
bull Advanced REBCO tape Low standard deviation in term of critical current (Ic ) over the tape length
Electric field higher than 100 Vm (50 ms)
Critical current higher than 1000 Acm-w at 65 K (self-field)
bull Emerging REBCO tape Tape with enhanced propagation velocity (CFD concept)
Sapphire substrate REBCO tape with ultra high electric fields
bull Smart module of a HVDC apparatus Current and voltage in the range of 051 kA and 3050 kV
New functionality such as quench detection through optical fiber
Extensive testing of the module in relevant operating conditions
bull H2020 project
bull 42 months
bull Starting 012017
bull Coord CNRS (FR)
bull Total budget 9 Meuro
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 44 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (lt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Phase Superconductor
ACCELNexansSC D acute04 12 kV 600 A 3-ph Bi 2212 bulk
CESI RICERCA Italy acute05 32 kV 220 A 3-ph Bi 2223 tape
Siemens AMSC D USA acute07 75 kV 300 A 1-ph YBCO tape
LSIS Korea rsquo07 24 kV 630A 3-ph YBCO tape
Hyundai AMSC Korea acute07 132 kV 630 A 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea acute07 229 kV 630 A 3-ph Bi 2212 bulk
Toshiba J 2008 66 kV 72 A 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2009 12 kV 100 A 3-ph Bi 2212 bulk
Nexans SC D 2009 12 kV 800 A 3-ph Bi 2212 bulk
RSE I 2011 9 kV 250 A 3-ph Bi 2223 tape
RSE I 2012 9 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
KEPRI Korea 2011 229 kV 3 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC D 2011 12 kV 800 A 3-ph YBCO tape
Rolls Royce UK - 115 kV 400 A 3-ph MgB2 wire
Nexans SC D2013 10 kV 24 kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC EU 2013 24 kV 1 kA 3-ph YBCO tape
Applied Materiaks US 2013 15 kV 1kA 3-ph YBCO tape
Nexans SC UK2015 12 kV16 kA 3-ph YBCO tape
Siemens D 2016 10 kV 15 MVA 3-ph YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 45 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Strombegrenzerentwicklung (gt 100 kV)
Lead Company YearCountry 1) Data 2) Type Phase HTS
Innopower China 2011 220 kV 300 MVA DC biased iron core 3-ph BSCCO
AMSC Siemens US D 2012 115 kV 12 kA Res 1-ph YBCO tape
KEPRI Korea2015 154 kV 2 kA Res 1-ph YBCO tape
Applied Materials US 2016 115 kV 550 A Res 3-ph YBCO tape
IEE CAS China 2017 220 kV Res YBCO tape
IEE CAS China 2017 500 kV DC biased iron core BSCCO
IEE CAS China 160 kV DC Res YBCO tape
Superox Russia 2018 220 kV Res YBCO tape
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 46 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 47 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Name Value
Nominal power 5774 kVA
Primary winding Cu 20 kV
289 A
Secondary winding
HTS
1 kV
5774 A
Fault duration 60 ms
Current lim 1st HW 1355 kA
Limitation 1st HW in
resp to prosp Current 714
Current limitation 6th
HW 65 kA
Limitation 6th HW in
resp to prosp current 357
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 48 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 49 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Strombegrenzender Transformator (ABB-KIT)
Video Strombegrenzung
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 50 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Entwicklung supraleitender
Transformatoren (gt 500 kVA seit 2000)
Country Inst Application Data Phase Year HTS
Japan Fuji Electric Demonstrator 1 MVA 22 kV69 kV 1 2001 Bi 2223
Germany Siemens Railway 1 MVA 25 kV14 kV 1 2001 Bi 2223
Korea U Seoul Demonstrator 1 MVA 229 kV66 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Fuji Electric Railway 4 MVA 25 kV12 kV 1 2004 Bi 2223
Japan Kuyshu Uni Demonstrator 2 MVA 66 kV69 kV 1 2004 Bi 2223
China IEE CAS Demonstrator 630 kVA 105 kV400 V 3 2005 Bi 2223
Japan U Nagoya Demonstrator 2 MVA 22 kV66 kV 1 2009 P-Bi 2223S-YBCO
Australia Callaghan Innovation
Demonstrator 1 MVA 11 kV415 V 3 Dy 2013 YBCO
China IEE CAS Demonstrator 125 MVA 105 kV400 V 3 Yyn0 2014 Bi 2223
Germany KITABB Demonstrator 577 kVA 20 kV1 kV 1 2016 P-CuS-YBCO
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 51 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Stand der Supraleitermaterial‐ und
Anwendungsentwicklung in Deutschland
Material- und Bandleiter
REBCO Bandleiter
YBCO Massivmaterial
Leiterkonzepte
Roumlbelleiter
Cross-Conductor
Energietechnische Anwendungen
Kabel und Stromschienen
Rotierende Maschinen
Strombegrenzer
Transformatoren
Schwungmassenspeicher
Zusammenfassung
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 52 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Schwungmassenspeicher
Siehe Beitrag Herr Hobl
Babcock Noell
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
KIT-Zentrum Energie 53 M Noe Stand der Supraleitermaterial‐ und Anwendungsentwicklung in Deutschland
Zusammenfassung
Die Fortschritte sind beachtlich
HTS Materialentwicklung ermoumlglicht Prototypen und erste
kommerzielle Anwendungen
Weltweit erste erfolgreiche Netzanwendungen bei Kabel
(AmpaCity) und Strombegrenzer
Weitere Pionieranwendungen (Flugzeuggeneratoren
Smartcoil FCL Windkraftgenerator modulare
Hochstromschiene) auf dem Weg
Es gibt noch viel zu tun
Weitere zielgerichtete Material ndash und
Technologieentwicklung erforderlich
Anwenderanreize schaffen
