Abgespeckte Windturbinen mit 10 MW dank supraleitender Generatoren
Das Projekt SUPRAPOWER (SUPerconducting, Reliable, lightweight, And more POWERful offshore wind turbine) ist äußerst vielversprechend: Es handelt sich im einem supraleitenden (superconducting, SC) Generator mit Direktantrieb, der leicht, robust und zuverlässig genug ist, um das Energiepotenzial von küstennahem Wind in Europa ganz auszuschöpfen. Die daraus hervorgehenden Windkraftanlagen werden kleiner und weniger kostenintensiv sein, geringere Betriebs- und Wartungskosten bieten, eine erhöhte Zuverlässigkeit und Effizienz aufweisen sowie eine maximale Energieumwandlung ermöglichen. „Mehrere Konzepte für supraleitende Generatoren sind entwickelt worden oder befinden sich in der Entwicklung, manche der vorgeschlagenen Konzepte stehen jedoch immer noch technischen Herausforderungen gegenüber, welche die industrielle Machbarkeit für den äußerst anspruchsvollen Offshore-Windsektor erschweren. Hierzu zählen bspw. die hohen Kosten für das supraleitende Material oder die Verwendung kryogener Flüssigkeiten“, erklärt Iker Marino Bilbao, der Koordinator von SUPRAPOWER. „Unser supraleitender MgB2-Generator überwindet diese Herausforderungen.“ Ein herausfordernder Entwicklungsprozess Die Entwicklung des MgB2-Generators ist alles andere als ein Kinderspiel. „Angesichts der Neuheit dieser Technologie waren bezüglich wichtiger Aspekte wie etwa der rotierenden MgB2-Spulen kaum Erfahrungswerte verfügbar“, sagt Bilbao. „Wir mussten phasenweise vorgehen: zuerst zwei kleine Testspulen zur Validierung des Entwurfs und Herstellungsprozesses; dann eine Doppelflachspule in voller Größe zu Testzwecken; und schließlich Feldspulen im vollen Maßstab.“ Für den Kälteregler war ein ähnlicher Ansatz erforderlich, wobei zunächst eine Dummy-Version zum Einsatz kam, die auf experimentellen Resultaten basierte. Die finalen Kälteregler befinden sich derzeit in der Herstellung. „Eine weitere Herausforderung ist, dass sich jede Modifikation einer Komponente auf die anderen Komponenten auswirkt, da die unterschiedlichen Teile (Spulen, Stangen, Kälteregler usw.) in der maßstäblichen Maschine zusammengebaut werden. Die technische Koordinierung ist ebenso wie das Finden qualifizierter Hersteller für bestimmte Komponenten, die sich im Gegensatz zu unserer ersten Annahme als größere Herausforderung erwiesen haben, von entscheidender Bedeutung.“ Reduziertes Gewicht Das Projekt, das im Mai 2017 abgeschlossen sein soll, befindet sich auf einem guten Weg, die ehrgeizigen Ziele zu erfüllen. Der Konstruktionsentwurf des supraleitenden Generators (superconducting generator, SCG) ist vollendet worden und das Team konnte dessen Leistung mit der Leistung eines Dauermagnetgenerators (permanent magnet generator, PMG) an einer Windkraftanlage vergleichen. Es wurde eine Gewichtsreduktion der aktiven Teile der Windkraftanlage um 26 %, unter Berücksichtigung der Stützstruktur eine insgesamte Reduktion um 16 % sowie eine Reduktion des Turmgewichts um 11 % beobachtet. Dies wird erwähnenswerterweise zu einer wesentlichen Senkung der Versand- und Implementierungskosten führen. „Eine der herausforderndsten maritimen Operationen wird die Installation der Rotorblätter sein, die in beiden Fällen identisch sind“, merkt Bilbao an. Es wurde ebenfalls eine rotierende Maschine für den magnetischen Maßstab konstruiert, um das 10-MW-Generatorkonzept zu validieren. Diese besteht aus einem externen Rotor mit zwei supraleitenden Feldspulen, die sich derzeit in der finalen Herstellungsphase befinden. Die beiden Spulen setzen sich aus einem Stapel von neun Rennstrecken-MgB2-Doppelflachspulen zusammen, die zwischen zwei dicken Kupferplatten in Reihe geschaltet sind. Beide Feldspulen sind in einen modularen Kälteregler um eine Eisenstange gewickelt und die Wärme wird über einen Wärmekollektor abgeführt, der beide Spulen miteinander verbindet. Die Kälteregler befinden sich noch in der Konstruktionsphase, Dummy-Versionen sind jedoch bereits gefertigt und geprüft worden. Das rotierende Verbindungsteil wiederum wurde bereits entworfen, gefertigt und vollständig getestet. „Wir befinden uns momentan in der Phase der Herstellung aller maßstäblichen Maschinenelemente und wir rechnen damit, die experimentelle Validierung im Mai 2017 abzuschließen“, sagt Bilbao. Attraktiv für den Markt Auch wenn das Projektteam noch weitere Analysen zum Marktpotenzial durchführen muss, besteht große Zuversicht, dass sich die Implementierung gegenüber konventionellen Anlagen etwas einfacher gestaltet. Der Transport und die Installation lassen sich mit aktuell verfügbarem Equipment bewerkstelligen, ohne dass sich größere Unterschiede zu Windkraftanlagen im selben Stromleistungsbereich bemerkbar machen. Supraleitende Elemente sind äußerst zuverlässig und deren Wartung ist auf die Vakuumpumpen und Kryokühler beschränkt. Doch auch wenn es sich hierbei um sehr bewährte industrielle Komponenten handelt, bedeutet die Tatsache, dass diese Elemente nie zuvor für eine solche Anwendung verwendet worden sind, dass für die ersten Prototypen und kommerziellen Einheiten im vollen Maßstab zunächst eine spezielle Behandlung und Überwachung erforderlich ist. „Wenn wir die Machbarkeit und Vorteile dieses neuen Generatorkonzepts erfolgreich beweisen können, bestünde der nächste Schritt darin, einen Hersteller von Windkraftanlagen oder Windkraftgeneratoren für die Weiterentwicklung dieser Technologien und deren Validierung in der MW-Größenordnung zu gewinnen“, schlussfolgert Bilbao.
Schlüsselbegriffe
Windkraftanlagen, Leistungsskalierbarkeit, SUPRAPOWER, supraleitend, leicht, kryogenfreie Kühlung
