Antonio Magnanimo

Antonio Magnanimo M.Sc.

Supercap-basierte Stromversorgung für Tokamaks

Forschungsvorhaben

Kernfusion ist der Prozess, der die Sterne und die Sonne antreibt und das Leben auf der Erde ermöglicht. Man nennt ihn „Fusion“, weil die Energie durch die Kombination von leichten Kernen wie Wasserstoffisotopen bei extrem hohen Temperaturen erzeugt wird. Bei diesem Prozess wird ein Teil der Masse der Reaktanten in kinetische Energie der Reaktionsprodukte umgewandelt, die wiederum zur Erzeugung elektrischer Energie in einem Standard-Dampfturbinenzyklus verwendet werden kann.

Gegenwärtige und zukünftige Fusionsexperimente haben einen hohen Bedarf an gespeicherter elektrischer Energie die durch sog. „Supercaps“ bereit gestellt werden könnte.

ASDEX Upgrade ist Deutschlands größtes wissenschaftliches Fusionsexperiment vom Typ „Tokamak“. Es wird am Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) in Garching betrieben. Dort werden bis zu drei Schwungradgeneratoren vor Beginn eines Fusionsexperiments (der sog. „Plasma-Schuß“) mit insgesamt 15 Megawatt Antriebsleistung für mehrere Minuten aufgeladen, um deren gespeicherte Energie von mehreren Gigajoule während des kurzen Plasma-Schusses (von ca. 10 sec) mit bis zu 450 Megawatt Spitzenleistung wieder abzugeben. Der älteste und größte Schwungradgenerator (EZ2) ist seit 1973 in Betrieb. Im Falle eines schwerwiegenden Fehlers oder Unfalls gäbe es keinen Ersatz, da Generatoren dieser Größenordnung nicht mehr hergestellt werden. Aus diesem Grund gibt es Anstrengungen nach neuen Speicherkonzepten hoher Energie- und Leistungsdichte zu suchen.

Die Situation ist anders für die Anforderungen eines zukünftigen Kraftwerks wie DEMO. Hier ist die Dauer eines Plasmaschusses viel länger (2 Stunden für den gegenwärtigen EU-DEMO-Vorschlag), und der Hauptgrund für den hohen Bedarf an gespeicherter Energie ist der Einsatz von Stromrichtern auf Thyristorbasis in Kombination mit stark induktiven Lasten (Magneten).

Aus diesem Grund wäre es vorteilhaft, Stromrichter auf Thyristorbasis durch DC-Zwischenkreis-basierte Topologien zu ersetzen, die lokalen Speicher mit hohem Energieinhalt (DC-Zwischenkreis) bereitstellen. In diesem Fall wäre die Blindleistung von der Netzseite aus nicht sichtbar, sondern nur die viel geringere Wirkleistung. Die gespeicherte Energie würde lokal zwischen Umrichter und Last pendeln. Um den Platzbedarf solcher Gleichstromzwischenspeicher zu reduzieren, wäre es vorteilhaft, die kommende Supercap-Technologie mit einer viel höheren Energiedichte als bei herkömmlichen Folienkondensatoren zu nutzen.

Projektziele

• Validierung der sog. „MMC-Topologie“ (Modular Multilevel Converter), um den Anforderungen von DEMO gerecht zu werden.

• Entwicklung eines einzigen, auf Supercaps basierenden Schaltmoduls, das für den uneingeschränkten Parallelbetrieb vorbereitet ist.

• Realisierung eines MMC-Arms mit einer Ausgangsspannung von 3 kV (kompatibel mit den ASDEX Upgrade Toroidalfeldspulen).

• Realisierung eines Ladekreises incl. Ladekontrolle.

• Duplizierung des Arms und Demonstration des Parallelbetriebs.

• Betrieb von mindestens zwei Armen in serieller Verbindung, um den realen MMC-Bipolar-Betrieb mit AC-Ausgang zu demonstrieren, der eine hohe DEMO-Relevanz hat.

• Elektrisches und mechanisches Konzept

• Konzept für die Integration in eine IPP-Umgebung zur Unterstützung (und zukünftigen Ersetzung) des EZ2-Schwungradgenerators.

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