Development of a CMRC cooled 10 kA current lead for HTS applications

HTS-Anwendungen in elektrischen Netzwerken wie supraleitende Stromkabel und Stromschienen einerseits, sowie Motoren, Generatoren und Transformatoren hoher Leistung anderseits benötigen einige Kilowatt Kälteleistung bei Betriebstemperaturen von ca. 50-78 K. Ein Großteil der Kälteleistung, je nach Anwendung bis zu ca. 90 %, wird dabei zur Kühlung der Stromzuführung benötigt, die zwischen Umgebungstemperatur (300 K) und der kryogenen Arbeitstemperatur der Supraleiter betrieben werden. Zur Kühlung solcher Stromzuführungen sind kryogene Gemischkreisläufe (Cryogenic Mixed Refrigerant Cycle - CMRC) die optimale Lösung, da die Wärmeströme über den gesamten Temperaturbereich bei Temperaturdifferenzen von nur wenigen Kelvin abgeführt werden können. Die Anpassung der optimalen Temperaturniveaus erfolgt über die Zusammensetzung weitsiedender Kältemittelgemische, deren Komponenten entlang des Hauptwärmeübertragers auf der Hochdruckseite jeweils partiell kondensieren und auf der Niederdruckseite in Gegenstrom jeweils partiell verdampfen. Die Druckniveaus liegen in Bereichen, in denen kostengünstige Standardkomponenten aus der Kältetechnik verfügbar sind. Durch die hohe thermische Integration ist zu erwarten, dass die Gesamteffizienz von CMRCs in der Anwendung trotz deutlich niedriger Komplexität und Kosten durch den Verzicht auf kalte Expansionsmaschinen bzw. Kaskadenschaltungen im Bereich der Effizienz der Turbo-Brayton Prozesse liegt. Daraus ergibt sich ein hohes Potenzial, künftig eine neue Klasse geschlossener, effizienter, skalierbarer und kostengünstiger Kältemaschinen für HTS-Anwendungen zur Verfügung zu stellen. Die Wirtschaftlichkeit von HTS Anwendungen in der Energietechnik wird damit wesentlich verbessert. Das Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer 10 kA kryogenen Stromzuführung, welche mit einer kryogenen Gemischkälteanlage gekühlt wird (CMRC-CL). Um eine detaillierte Untersuchung des CL-Designs zu ermöglichen, wird ein bestehendes numerisches Wärmeübertragermodell modifiziert und in das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Berechnungsmodel für resistive Stromführungen implementiert. Vor der Implementierung wird eine Literaturrecherche zu den aktuellen Stromzuführungsdesigns und Kühlsystemen durchgeführt, welche numerisch untersucht und miteinander verglichen werden. Darauf aufbauend werden in dieser Arbeit eine klassische Rohr-in-Rohr und eine mikrostrukturierte CMRC Stromzuführung entwickelt und numerisch untersucht. Die erste entwickelte Stromzuführung besteht aus einem klassischen Rohr-in-Rohr-Wärmeübertrager, der um eine zylindrische Stromzuführung aus Kupfer gewickelt ist. Der zweite CMRC-CL Prototyp III besteht aus mehreren mikrostrukturierten Kupferblechen, die durch ein Diffusionsschweißverfahren miteinander verbunden sind. Der Protototyp III wurde im Rahmen dieser Arbeit numerisch untersucht, patentiert und am Institut für Mikroverfahrenstechnik (IMVT) hergestellt. Darüber hinaus wurden im CMRC-Prüfstand am Institut für Technische Thermodynamik und Kältetechnik (ITTK) experimentelle Untersuchungen am mikrostrukturiertem Wärmeübertrager aus Edelstahl (Prototyp II) durchgeführt und die Vorhersagequalitäten des modifizierten Wärmeübertragermodells wurde überprüft. In Kapitel 2 werden fünf verschiedene Stromzuführungsarten, die den Stand der Technik wiedergeben, vorgestellt und numerisch untersucht. Die entsprechenden Wärmeströme am kalten Ende, die sogenannten CL-Formfaktoren, die optimalen Kältemittelmassenströme und die theoretische Leistungsaufnahme der Systeme sind in dem Kapitel zusammengefasst. Nach dem Wiedemann-Franz-Gesetz, das den Zusammenhang zwischen dem spezifischen elektrischen Widerstand und der Wärmeleitfähigkeit von Metallen beschreibt, kann jeder metallische Werkstoff als Stromleiter verwendet werden. Jedes Material führt zu einer anderen optimalen Geometrie der Stromzuführung und daher werden die thermophysikalischen Eigenschaften relevanter Materialien bewertet und miteinander verglichen. Die Untersuchung der Stromzuführung allein reicht nicht aus, um die Effizienz des gesamten Systems zu bewerten, daher werden verschiedene Kühlsysteme die den Stand-der-Technik wiedergeben in Kapitel 3 vorgestellt und diskutiert. Dabei wird der jeweilige Gesamtstromverbrauch inklusive der benötigten Kälteleistung des Kühlsystems und der elektrischen Verlustleistung der Stromleitung berechnet und diskutiert. Es wird eine detaillierte Analyse des Linde-Hampson-Kältekreislaufs, der den CMRCs zugrunde liegt, vorgestellt. Ein numerisches Modell zur Berechnung von CMRC-CLs wird in Kapitel 4 präsentiert und beinhaltet die numerischen Untersuchungen des klassischen und des mikrostrukturierten Designs. Um ein optimales Kältemittelgemisch zu identifizieren, werden mehrere Parameterstudien mit dem klassischen CMRC-CL Design durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass in der Auslegung des CMRC-CL ein Kältemittelgemisch mit einer höheren Zusammensetzung des Tiefsieders Methan eine geeignete Wahl ist. Die klassische CMRC-CL führt zu einer deutlichen Reduzierung des Wärmestromes am kalten Ende und des Gesamtstromverbrauchs im Vergleich zu anderen Kühlsystemen die in einem geschlossenen Kühlkreislauf arbeiten. Das klassische CMRC-CL Design in Kombination mit einem Kryokühler ergibt einen spezifischen thermischen Wärmestrom an der 80 K kalten Stufe von 14 W/kA bei einer Gesamtleistungsaufnahme von etwa 600 W/kA. Im Vergleich zu einer konventionellen, kontaktgekühlten Stromzuführung (CCCL), die von einem Kryokühler gekühlt wird, bedeutet dies eine 67 % Reduzierung der thermischen Last bei einer um 50 % reduzierten Gesamtleistungsaufnahme. Deutlich kleinere Werte werden nur bei einer optimierten, autarken gasgekühlten Stromzuführung (ss-VCCL) erreicht. Der Wärmestrom am kalten Ende beträgt hier etwa 9 W/kA bei einer Leistungsaufnahme von 280 W/kA, hat jedoch den Nachteil eines offenen Systems, das eine kontinuierliche Versorgung mit LN2 erfordert. Das klassische Wärmeübertragerdesign führt zu mehreren Skalierbarkeitsproblemen die in Kapitel 4.8 beschrieben sind. Die Anpassung dieses Designs an größere elektrische Ströme führt zu relativ großen geometrischen Abmessungen. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit ein neues mikrostrukturiertes CMRC-CL Design entwickelt, patentiert und ein Prototyp in IMVT hergestellt. Es besteht aus mehreren mikrostrukturierten Kupferblechen mit einer Dicke von 0.5 mm, die eine gewisse Anzahl von geätzten Kanälen für den Fluidstrom aufweisen. Die Gesamtanzahl der Platten hängt von der elektrischen Stromstärke und dem Kältemittelmassenstrom ab, welche für die Aufnahme der Joule`schen Wärme, Wärmestrahlung und Wärmestrom durch Wärmeleitung aus der Umgebung benötigt wird. Alle Bleche werden nach einem bestimmten Stapelmuster zusammengestapelt, dann von einer oberen und einer unteren Platte bedeckt und in einem Diffusionsschweißverfahren irreversibel verbunden. Das neue Design ermöglicht eine einfache Anpassung der Blechanzahl, der Anzahl der Kanäle pro Blech, der Stromzuführungslänge und des Kältemittelmassenstroms für einen gewünschten elektrischen Strom. Das entsprechende numerische Modell wurde entwickelt und Stromzuführungen für elektrische Ströme von 10 kA und 20 kA entworfen und numerisch untersucht. Eines der untersuchten CMRC-CL Designs C, ergibt einen Wärmeeintrag von 6.5 W/K bei einer Temperatur von 85 K. Im Vergleich zu einem CCCL, das in diesem Temperaturbereich arbeitet, ist dies eine 85 % Reduzierung des Wärmestroms am kalten Ende und damit die größte Reduzierung gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik. Eine Erweiterung des CMRC-CL-Designs C um eine zusätzliche Kältemaschine (GM-AL60), damit am kalten Ende die verbleibende thermische Last absorbiert und die Temperatur weiter abgesenkt werden kann, führt zu einer Gesamtleistungsaufnahme von 490 W/kA und ist somit das effizienteste geschlossene Stromzuführungssystem. Es ist jedoch anzumerken, dass es realistisch ist, CMRC-CL Systeme zu entwickeln die keinen zusätzlichen Kryokühler benötigen und Temperaturen unterhalb von 85 K durch eine Anpassung des Kältemittelgemisches und/oder des Kältemittelkreislaufs möglich sind. Darüber hinaus ist die entwickelte und gefertigte mikrostrukturierte CMRC Stromzuführung ein solider und wichtiger Design-Meilenstein in der Entwicklung zukünftiger Stromzuführungen. Experimentelle Ergebnisse, die mit dem mikrostrukturierten Wärmeübertrager Prototyp II aus Edelstahl durchgeführt wurden, werden in Kapitel 5 vorgestellt und diskutiert. Die Betriebseigenschaften und die Leistung des Prototyps werden bewertet und die Messdaten mit den Ergebnissen des numerischen Modells verglichen. Die durchgeführten Experimente zeigten einen Temperaturabfall auf etwa 85 K mit Kältemittelgemisch auf Kohlenwasserstoffbasis. Das numerische Modell zeigte eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Temperaturdaten entlang des Wärmeübertragers bei Temperaturen über 170 K, jedoch liegt eine Abweichung der Temperaturgradienten bei niedrigeren Temperaturen vor und wird in dieser Arbeit untersucht. Versuche mit neonhaltigen Mischungen zeigten keine weitere Abkühlung des Systems, stattdessen erhöhte sich die Temperatur am kalten Ende aufgrund der durch die Beimischung von Neon geringer gewordenen spezifischen Kälteleistung. Um diesen Effekt zu überwinden, können weitere Versuche mit sogenannten LRS-Mischungen durchgeführt werden, die eine erheblich größere spezifische Kälteleistung aufweisen. Zusammenfassend belegen die numerischen und experimentellen Ergebnisse zu den mikrostrukturierten Wärmeübertragerdesign, dass es möglich ist ein CMRC-System zu entwickeln, das eine supraleitende Anwendung mindestens auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff herunterkühlen kann, ohne dass zusätzliche Kryokühler benötigt werden. Darüber hinaus ermöglicht das neue mikrostrukturierte CMRC-CL Design eine einfache Anpassung seiner geometrischen und hydraulischen Parameter für einen vordefinierten elektrischen Strom und es wäre möglich, Stromzuführungen sogar für die großen elektrischen Ströme von Aluminiumwerken auszulegen, die typischerweise bei 200-500 kA arbeiten

Investigation of cryogenic mixed-refrigerant cooled current leads in combination with Peltier elements

Current leads supply electrical energy from a room-temperature power supply to a superconducting application, representing thus a major thermal load. State-of-the-art cooling solutions use either open (vapor cooled) or multi-stage closed cycle systems. The multi-stage concept can be integrated in one cryogenic mixed refrigerant cycle (CMRC), where a wide-boiling fluid mixture absorbs the heat load continuously along the current lead. In this paper, we study the combination of CMRC cooling with Peltier elements at the warm end of DC current leads. The Peltier cooling may cause a temperature drop on the order of 80 K. This allows an optimization of the CMRC mixture composition towards lower temperatures, avoiding the use of high-boilers that risk to freeze out at low temperatures. Our studies suggest that Peltier and CMRC cooling can reduce the thermal load at the cold end by 30 to 45% compared to conventional conduction-cooled current leads

Development of 10 kA Current Leads Cooled by a Cryogenic Mixed-Refrigerant Cycle

Current leads used to supply electrical energy from a room-temperature power supply to a superconducting application represent a major thermal load and therefore largely determine the operating cost. This paper presents a concept to minimize the thermal load at the cold end by integrating the recuperative heat exchanger of a cryogenic mixed-refrigerant cycle (CMRC). A mixture of non-flammable components is used to absorb the distributed thermal load continuously over the entire temperature range. The paper describes the numerical model that consists of an electric model coupled with a thermal modelling framework, allowing the optimization of the mixture composition and the temperature profiles. Simulations yield a reduction of the thermal load at the cold end by 45 % compared to conventional conduction-cooled current leads

Calculation of temperature profiles and pressure drop in concentric three-phase HTS power cables

In recent years, many cities have faced an increasing power demand, while the space for urban cable channels is limited. Due to the low transmission losses at large power densities, high temperature superconducting (HTS) cables offer an increasingly attractive alternative to conventional cable solutions. HTS cables allow a simpler grid structure with less space for cable routing and lower overall cost in comparison to conventional cables. They require operation below critical values of temperature, current density and magnetic field strength of the superconductor. Since HTS materials lose their electrical resistance at temperatures close to the normal boiling point of liquid nitrogen, LN2 is a common coolant in many HTS applications. This work presents a differential equation model for three-phase concentric HTS cables, describing the temperature distribution in the various cable layers and in the liquid nitrogen flow. The model considers the AC losses in the superconducting phases in addition to the external thermal load, as well as pressure losses in the coolant flow. The integrity of the algorithm is verified through energy conservation, yielding negligible numerical solver errors. The final application study shows options for extending the cable length up to factor five, using a second cooling unit in combination with a mixed coolant

Evaluation of the Use of Superconducting 380 kV Cable

Diese Studie führt eine Auslegung von supraleitenden Kabeln für die Anwendung im 380-kV-Drehstromnetz durch und erläutert allgemeine Aspekte des Einsatzes solcher Kabel im Höchstspannungsnetz. Dabei vergleicht sie die Supraleitungstechnologie unter vielen verschiedenen Kriterien mit anderen Leitungstechnologien

Evaluation of the Use of Superconducting 380 kV Cable

This study describes the design of superconducting cables for use in the 380 kV three-phase network and explains general aspects of the use of such cables in the extra-high voltage grid. It compares the superconducting technology with other line technologies under many different criteria

Bewertung des Einsatzes supraleitender 380-kV-Kabel

Diese Studie führt eine Auslegung von supraleitenden Kabeln für die Anwendung im 380-kV-Drehstromnetz durch und erläutert allgemeine Aspekte des Einsatzes solcher Kabel im Höchstspannungsnetz. Dabei vergleicht sie die Supraleitungstechnologie unter vielen verschiedenen Kriterien mit anderen Leitungstechnologien

Evaluation of the Use of Superconducting 380 kV Cable

This study describes the design of superconducting cables for use in the 380 kV three-phase network and explains general aspects of the use of such cables in the extra-high voltage grid. It compares the superconducting technology with other line technologies under many different criteria