Supraleiter Drehdurchführung ermöglicht Kühlung von Supraleiter-Generator

Redakteur: Peter Königsreuther

Wie dichtet man reines Helium zur Kühlung von Supralteitersystemen gegen äußere Einflüsse ab? Die Antwort gibt das Projekt Ecoswing im Rahmen von Horizon 2020...

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Es wurde ein leichter 3,6-MW-Generator entwickelt, der auf Supraleitung basiert und, wie hier zu sehen, an einer Windkraftturbine von Envision Energy in Dänemark in den Testbetrieb ging.
Es wurde ein leichter 3,6-MW-Generator entwickelt, der auf Supraleitung basiert und, wie hier zu sehen, an einer Windkraftturbine von Envision Energy in Dänemark in den Testbetrieb ging.
(Bild: Sumitomo (SHI) Cryogenics of Europe)

„Horizon 2020“ wurde im Jahr 2014 als bisher größtes Förderprogramm der EU-Geschichte zu Forschung und Innovation mit einem Volumen von insgesamt 80 Mrd. Euro aufgelegt. Das Projekt „Ecoswing“ wurde dabei mit 10 Mio. Euro gefördert und startete auf Initiative des Beratungsunternehmens und Ingenieurbüros ECO 5 im Jahr 2015. Ziel war die Entwicklung eines konkurrenzfähigen Windkraftgenerators auf Supraleiterbasis innerhalb von vier Jahren. Beteiligt waren neben ECO 5 auch Jeumont Electric, Envision Energy, Delta Energy Systems, Theva, SHI Cryogenics Group, DNV GL, das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme sowie die Universität von Twente. Weil die für die Supraleiter notwendigen Kühlanlagen aus einem Kompressor und im rotierenden Teil des Generators verbauten Expansionsgeräten bestehen, zwischen denen Helium als Arbeitsgas zirkuliert, bedurfte es einer besonders dichten Drehdurchführung, heißt es. Um das Problem in den Griff zu bekommen, wurde die Konstandin GmbH als Partner mit bereits vorhandener Erfahrung im Forschungsbereich hinzugezogen.

Stromübertragung gelingt jetzt nahezu widerstandslos

Für die Kühlung der Supraleiter im Generator war SHI Cryogenics zuständig. Die Spezialisten arbeiteten deshalb eng mit Konstandin zusammen: „Konventionelle, direktangetriebene Windkraftgeneratoren arbeiten mit Permanentmagneten, um Strom zu erzeugen“, erklärt Hermann Boy, Business Development Manager von SHI Cryogenics. Der Nachteil an dieser Technologie sei der große Platzbedarf und das Gewicht. Im Projekt benötigte man aber einen kompakteren und auch noch leichteren Generator, der außerdem keine Mehrkosten verursachen sollte. Denn besonders bei Windkraftanlagen im Einsazt vor der Küste spiele das Gewicht eine große Rolle und entscheide über Profitabilität und Effizienz der Anlage. Deswegen wurde ein leichter 3,6-MW-Generator entwickelt, der an einer bestehenden Turbine von Envision Energy in Dänemark in den Testbetrieb ging. Weil die stromführenden Spulen einen großen Teil des Generatorvolumens und somit des Gewichts ausmachen, entschieden sich die Projektpartner für den Einsatz von Supraleitern. Durch gezielte Kühlung sinkt bei diesen Materialien unterhalb einer spezifischen, kritischen Temperatur der elektrische Widerstand auf nahezu Null. Boy dazu: „Durch die von Theva bereitgestellten Supraleiter, bestehend aus aufgewickelten, mit hauchdünner Keramik beschichteten Stahldrähten, konnte eine nahezu widerstandslose Stromübertragung gewährleistet werden. Das führte im Endergebnis zu enormen Einsparungen bei dem benötigten Durchmesser der Leitungen und damit bei Platz und Gewicht“, so Boy.

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Helium neigt sehr dazu, sich zu verflüchtigen!

Für die nur unter sehr niedrigen Temperaturen funktionsfähigen Supraleiter war jedoch ein umfangreiches Kühlungssystem erforderlich. Das als Arbeitsgas eingesetzte Helium musste von dem stationären Kompressor über Leitungen zu den Expansionsgeräten im Generator gelangen, die sich wiederum im drehenden Rotor befanden – hierfür war eine spezielle Drehdurchführung nötig. „Helium ist ein Edelgas mit sehr kleinen Molekülen, die durch jeden noch so winzigen Spalt entweichen können. Daher sind Helium führende Leitungen besonders schwierig abzudichten“, erläutert Mathias Kraft, Leiter Technik bei Konstandin. „Hinzu kam bei diesem Projekt, dass die Abdichtung trotz eines Drucks von 24 bar sichergestellt sein musste.“ Im Falle einer auch nur minimalen Undichtigkeit der Gasleitung kommt es einerseits auf Dauer zu einem unerwünschten Druckverlust und andererseits zu einer Kontamination des Heliums durch die Umgebungsluft. Da die einzelnen Bestandteile der Luft jedoch nicht wie Helium selbst bei sehr tiefen Temperaturen gasförmig bleiben, sondern gefrieren und damit fest werden, führt eine Verunreinigung zum möglichen Stillstand der Kühlung und damit zu einer Unterbrechung der Stromerzeugung im Generator. Zusätzlich musste die Drehdurchführung auch bei niedrigen Außentemperaturen stabil arbeiten, da die Generatoren in Windkraftanlagen aufgrund ihrer Höhe und häufig auch wegen ihrer Lage vor der Küste Minustemperaturen ausgesetzt sind. Nicht zuletzt musste ebenso die Rotation der Turbine berücksichtigt werden. Je nach Windstärke bewegte sich diese zwischen 15 und 20 min-1, im Einzelfall konnte sie jedoch auch 25 min-1 erreichen. Höhere Drehzahlen bedeuten eine stärkere Erwärmung und höheren Verschleiß, was ein widerstandsfähiges Material erforderlich machte.

Auch bei molekularen Dimensionen absolut dicht

„Nach unseren Erfahrungen in vergangenen Projekten konnten wir dem Team von EcoSwing eine Drehdurchführung anbieten, die so gut abgedichtet ist, dass selbst auf molekularer Ebene keine fremden Stoffe von außen in die Leitung eindringen können“, erklärt Kraft. „Möglich wird dies durch eine angepasste Dichtgeometrie.“ Damit stellte die Verbindung des statischen Kompressors kein Problem mehr dar. Dank der eingesetzten Materialien wie FKM und einem Kunststoff-Verbundwerkstoff mit modifizierter PTFE-Matrix ist die Drehdurchführung für Umgebungstemperaturen von -20 bis 50 ̊ C geeignet und arbeitet somit selbst im Winter und bei Offshore-Einsätzen fehlerfrei. Auch die geforderten 25 min-1 der Windturbine stellten für die Drehdurchführung von Konstandin damit kein Problem dar, ein reibungslos laufender Wellendichtring sorgte für einen unterbrechungslosen Betrieb.

Nicht nur für Windkraftanwendungen attraktiv

Im Ergebnis konnte das Projekt Ecoswing im April 2019 erfolgreich abgeschlossen werden, sodass die Drehdurchführung insgesamt mehr als 5000 Betriebsstunden verbuchen konnte. Mit dem neuartigen Generator gelang es dem Team, die anvisierte Leistung von mehr als 3 MW bei einem von 5,4 auf 4 m verringerten Durchmesser zu erreichen und mehr als 650 h Energie in das dänische Netz einzuspeisen. „Die Drehdurchführung von Konstandin hat von Anfang bis Ende einwandfrei funktioniert, sodass wir mit der Kühlung keinerlei Probleme und keine Stillstandszeiten hatten“, berichtet Boy. „Das ist nicht selbstverständlich bei einem Pilotprojekt wie diesem, bei dem Neuland betreten wird und kaum Erfahrungswerte vorliegen.“

„Neben der Anwendung in der Windkraft eignet sich die Drehdurchführung auch für andere Einsatzzwecke: So könnte man damit ebenso Antriebe auf Schiffen ausstatten“, führt Kraft an. „Ein Supraleiter-Motor mit Drehdurchführung würde dort vergleichbare Vorteile im Hinblick auf den deutlich geringeren Platzbedarf und die höhere Leistungsfähigkeit bieten.“

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