stellt bei höheren Einspeiseanteilen große Anforderungen an die Regelbarkeit der konventionellen Kraftwerke. Hier könnte der Einsatz schneller Elektrizitätsspeicher geboten sein und – abgesehen von den bekannten wirtschaftlichen Problemen – ihre Verfügbarkeit möglicherweise ein verstärktes Eindringen von Regenerativen in den Markt der Stromerzeugung erst ermöglichen.
4. Nukleare Erzeugungsanlagen erfordern eine stabile Betriebssituation und sind schlecht oder gar nicht geeignet, Lastschwankungen zu folgen. Sollte in ferner Zukunft die Vorstellung einer nuklearen Energieversorgung – sei es Kernspaltung oder Fusion – verwirklicht werden, so würde eine darauf basierende Struktur größere und vergleichsweise schnelle Speicher erfordern.
Vor dem Hintergrund der beschriebenen Potenziale der SMES sollte man sich die damit grundsätzlich in Verbindung stehenden Kosten-Nutzen-Verhältnisse vor Augen führen.
Die Anforderungen an das Kühlsystem für Hoch- und Tieftemperatursupraleiterringspulen der Ausgangstemperaturen minus 196, minus 253 und minus 269 Grad Celsius nehmen in dieser Reihenfolge zu. Die Kühlanforderungen sind als die elektrische Leistung definiert, die benötigt wird, um das Kühlsystem zu betreiben. Während die gespeicherte Energie um den Faktor 100 höher liegt, steigen die Kühlkosten nur um den Faktor zwanzig. Die Einsparungen der Kühlung sind für ein Hochtemperatursystem um 60 bis 70 Prozent größer als für Tieftemperatursysteme.
Ob Hochtemperatursupraleiter oder Tieftemperatursupraleiter wirtschaftlicher sind, hängt auch von anderen wesentlichen Komponenten ab, die die Gesamtkosten von SMES bestimmen, wie zum Beispiel Leiter bestehend aus Supraleiter und Kupferstabilisator sowie Kälteunterstützung. Diese sind bereits nennenswerte Kostenelemente an sich. Sie müssen beurteilt werden vor dem Hintergrund der Gesamteffizienz und Anlagenkosten. Andere Komponenten wie Vakuumbehälterisolation zeigten sich als kleiner Anteil im Vergleich zu den hohen Spulenkosten. Die kombinierten Kosten der Leiter, Struktur und Kühlung der Ringkerne werden durch die des Supraleiters dominiert. Der gleiche Trend zeichnet sich für die Magnetspulen ab. Hochtemperatursupraleiterspulen kosten das Doppelte bis Vierfache von Tieftemperaturspulen.
Um einen gewissen Einblick zu gewinnen, ist die Betrachtung der Aufschlüsselung nach den Hauptkomponenten für sowohl Hochtemperatursupraleiter als auch Tieftemperatursupraleiter für die drei typischen Energiespeicherniveaus von 2, 20 und 200 Megawattstunden hilfreich. Die Leiterkosten überwiegen die drei Kostenelemente für alle vorgenannten Fälle von Hochtemperatursupraleitern, insbesondere bei kleinen Abmessungen. Der Hauptgrund liegt in der vergleichbaren Stromdichte der Materialien von Hochtemperatursupraleitern und Tieftemperatursupraleitern. Der kritische Strom für Hochtemperatursupraleiterdrähte ist allgemein niedriger als der von Tieftemperatursupraleiterdrähten bei Betrieb in Magnetfeldern von fünf bis zehn Tesla. Nehmen wir einmal an, dass die Drahtkosten gleichermaßen ins Gewicht fallen. Da Hochtemperatursupraleiterdrähte niedrigere kritische Stromstärken aufweisen als Tieftemperatursupraleiterdrähte, bedarf es mehr Draht zur Erzeugung der gleichen Induktion. Aus diesem Grund sind die Drahtkosten viel höher als die von Tieftemperaturdrähten. Wenn die SMES-Größe von 2 über 20 bis 200 Megawattstunden zunimmt, steigen zudem die Leiterkosten von Tieftemperatursupraleitern ebenfalls schrittweise um den Faktor zehn. Die Hochtemperaturleiterkosten steigen ein wenig geringer, stellen aber bei Weitem den teuersten Baustein dar.
Die Strukturkosten von sowohl Hochtemperatursupraleitern als auch Tieftemperatursupraleiterm steigen gleichmäßig um den Faktor zehn für die besagten Schrittweiten. Allerdings sind die Kosten der Struktur der Hochtemperatursupraleiter höher, da bei diesen die Dehnungstoleranz (Keramiken können keine hohen Zugkräfte vertragen) geringer ist als bei Tieftemperatursupraleitern wie zum Beispiel Niob-Titan oder Niob-Zinn, wodurch mehr Strukturmaterial erforderlich ist. Somit können in den meisten Fällen die Kosten der Hochtemperatursupraleiter nicht einfach durch eine Reduktion der Spulengröße in einem entsprechen höheren Magnetfeld ausgeglichen werden.
Man sollte an dieser Stelle anmerken, dass die Kosten der Kühlung in allen betrachteten Fällen nur einen begrenzten Einfluss auf die Gesamtsystemkosten haben. Dies bedeutet auch, dass in Fällen von Hochtemperatursupraleitern, die besser bei niedrigen Temperaturen (z. B. minus 250 Grad Celsius) betrieben werden können, eine solche Betriebstemperatur sinnvoll erscheint. In Fällen sehr kleiner SMES können reduzierte Kühlungskosten positivere signifikante Auswirkungen haben.
Die Ausmaße supraleitender Spulen nehmen mit der Menge der gespeicherten Energie zu. Man kann ebenfalls feststellen, dass der maximale Durchmesser des Torus des Tieftemperatursupraleiters stets kleiner ist für einen Hochtemperatursupraleitermagnet im Vergleich zu einem Tieftemperatursupraleiter aufgrund des höheren Magnetfeldbetriebs. Im Fall von Magnetspulen ist die Höhe oder die Länge ebenfalls kleiner für Hochtemperatursupraleiterspulen, aber noch viel größer als bei Tori (aufgrund niedriger externer Magnetfelder).
Eine Zunahme in Spitzenmagnetfeldern führt zu einer Abnahme in sowohl Volumen (höhere Energiedichte) als auch Kosten (reduzierte Leiterlänge). Kleineres Volumen bedeutet höhere Energiedichte und die Kosten werden reduziert aufgrund der Abnahme der Leiterlänge. Es gibt einen optimalen Wert des Spitzenmagnetfeldes von etwa sieben Tesla. Wenn das Feld weiter erhöht wird, sind weitere Volumenreduktionen bei minimaler Kostenzunahme möglich. Die Grenze, bis zu der das Feld gesteigert werden kann, ist üblicherweise nicht wirtschaftlich, obgleich physikalisch möglich.
Materialentwicklungen sind Schlüsselthemen im Bereich Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der SMES. Entwicklungen konzentrieren sich auf die Erhöhung der kritischen Stromstärke, Umfang des Dehnungsbereichs sowie Reduktion der Herstellungskosten supraleitender Drähte.
Bei der Suche nach den elementaren Bausteinen unserer Welt erwies sich die Supraleitung als zentrales Vehikel zu deren Auffinden. Am CERN, der Europäischen Organisation für Kernforschung im schweizerischen Kanton Genf, wird diesem Umstand dienende physikalische Grundlagenforschung betrieben.
Dem Aufbau der Materie wird mithilfe großer Teilchenbeschleuniger nachgegangen. Mit den großen Teilchenbeschleunigern werden Elementarteilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht. Mit einer Vielzahl unterschiedlicher Teilchendetektoren werden dann die Flugbahnen der bei den Kollisionen entstandenen Teilchen rekonstruiert. Hierdurch lassen sich wiederum Rückschlüsse auf die Eigenschaften der kollidierten beziehungsweise der neu entstandenen Teilchen ziehen.
Am Anfang der Experimente stehen Beschleuniger, die den Teilchen die für die Untersuchungen notwendige kinetische Grundenergie verleihen. Hierzu zählen das „Super Proton Synchrotron“ (SPS) für die besagte Vorbeschleunigung und der „Large Hadron Collider“ (LHC). Dieser große Hadronen-Speicherring ist der größte Teilchenbeschleuniger der Welt. Der Beschleunigerring hat einen Umfang von ca. 26,5 Kilometern, verläuft unterirdisch sowohl auf schweizerischem als auch auf französischem Staatsgebiet und enthält 9.300 Magnete.
Zur Durchführung der Experimente muss der Speicherring in zwei Schritten auf die Betriebstemperatur heruntergekühlt werden. Im ersten Schritt werden die Magnete mithilfe von flüssigem Stickstoff auf minus 193,2 Grad Celsius und in einem zweiten Schritt mittels flüssigen Heliums auf minus 271,25 Grad Celsius heruntergekühlt. Anschließend wird die Anlage kontrolliert hochgefahren. Die Teilchen werden in mehreren Umläufen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und mit extrem hoher kinetischer Energie zur Kollision gebracht.
Am 10. Juni 1955 erfolgte die Grundsteinlegung des CERN durch seinen ersten Generaldirektor Felix Bloch. Dieser hatte zuvor als Schweizer Physiker bedeutsame Arbeiten zum Ferromagnetismus sowie zur magnetischen Kernspinresonanz (NMR), wie bereits eingangs beschrieben, publiziert. Für seine Arbeiten auf dem Gebiet der NMR erhielt er 1952 zusammen mit dem Amerikaner Edward Mills Purcell den Nobelpreis für Physik.
Um die bei den Experimenten anfallenden ungeheuren Datenmengen verarbeiten zu können, werden die notwendigen Rechnersysteme permanent aktualisiert. Um Forschungsergebnisse unter den Wissenschaftlern des CERN schnellstmöglich
