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Heliumkompressoren

Energie erzeugen nach dem Vorbild der Sonne

| Autor / Redakteur: Stelios Flessas / Rebecca Vogt

Die Iter-Baustelle aus der Luft. Nach dem Vorbild der Sonne soll hier in der Zukunft Energie erzeugt werden.
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Die Iter-Baustelle aus der Luft. Nach dem Vorbild der Sonne soll hier in der Zukunft Energie erzeugt werden. (Bild: ITER Organization)

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Das Iter-Projekt folgt der Vision, die Stromversorgung der Zukunft zu sichern. Auf der Großbaustelle in Südfrankreich kommen dabei auch Heliumverdichter von Sauer Compressors zum Einsatz.

Im südfranzösischen Cadarache wird an der Umsetzung einer spektakulären Vision gearbeitet: Nach dem Vorbild der Sonne soll die Fusionsanlage Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor) durch Kernfusion Energie gewinnen und so in Zukunft die Stromversorgung der Menschheit sichern. Zu den größten Herausforderungen zählt die hohe Temperatur im Inneren des Reaktors. Bei dessen Kühlung spielt eine von Sauer Compressors entwickelte Technologie eine zentrale Rolle: das weltweit größte System zur Heliumrückgewinnung.

Unter gewaltiger Hitze verschmelzen beim Prozess der Kernfusion die Wasserstoffsorten Deuterium und Tritium zu einem Plasma. Große Mengen an Energie werden freigesetzt. Forscher versprechen sich eine unerschöpfliche Energiequelle, die zudem völlig emissionsfrei und ungefährlich ist. Das Prinzip ist bereits erprobt. Allerdings musste bislang für die Aufheizung des Plasmas auf die Zündtemperatur von rund 100 Mio. °C mehr Energie aufgewandt werden als anschließend per Fusion zurückgewonnen werden konnte.

Ziel: Heliumverluste möglichst gering halten

Die Iter-Versuchsanlage verfügt über einen Fusionsreaktor vom Typ „Tokamak“, der mit einem Volumen von 840 m³ erheblich größer ist als alle bisherigen Anlagen dieser Bauart. Mit dem Reaktor soll zehnmal mehr Energie erzeugt werden können, als für die Zündung des Plasmas erforderlich ist. Aufgrund der hohen Temperatur lässt sich das Fusionsplasma nicht in materiellen Gefäßen einschließen. Stattdessen werden gigantische magnetische Felder genutzt, um den schwebenden Brennstoff wärmeisolierend zu umfassen und von den Gefäßwänden zu trennen.

Die supraleitenden Magnetspulen, die das nötige magnetische Feld erzeugen, werden mit großen Mengen Helium bei hohem Druck und einer Eintrittstemperatur von 4,5 K gekühlt. Allerdings ist das Edelgas aufgrund seines besonderen Diffusionsvermögens ein anspruchsvolles Kühlmedium. Helium hat einen sehr geringen Atomdurchmesser und kann selbst kleinste Öffnungen und Poren bei Metallen und Verschraubungen durchdringen. Da das Edelgas sehr teuer ist, muss der Verlust durch Verdunstung und Leckagen möglichst gering gehalten werden. Die Planer des Fusionsreaktors Iter suchten daher nach einer Anlage zur Rückgewinnung des bei der Kühlung abgedampften Gases. Ein zusätzliches System sollte für die Verdichtung von Leckagen im Heliumkreislauf installiert werden.

Kolbenkompressoren eigens für das ITER-Projekt entwickelt

Spezialisten von Sauer Compressors gelang es, diese Anforderungen zu erfüllen. Sie kombinierten beide in Kiel produzierten und getesteten Systeme in der Montagehalle der französischen Gesellschaft Girodin-Sauer SAS zu einer zusammenhängenden Anlage. Diese besteht aus fünf Heliumverdichtern auf einem vierteiligen Grundrahmen von 8 m × 8 m und ist damit das größte System dieser Art. Im Anschluss konnte die komplett gasdichte Rückgewinnungsanlage mit Edelstahlverrohrung an den Kunden Air Liquide ausgeliefert werden. Seit dem Sommer 2017 erfolgt die Installation im Fusionsreaktor Iter.

Die Rückgewinnungsanlage sammelt das bereits zur Kühlung genutzte Helium in zehn Auffangballons mit einem Volumen von jeweils 100 m³. Anschließend sorgen vier Heliumverdichter vom Typ WP6305 Bas-Seal-HE-B für die Rückverdichtung. Die kompakten Kolbenkompressoren mit zwei Verdichtungsstufen und sechs Zylindern wurden von Sauer Compressors eigens für diese Anwendung entwickelt. Sie erzeugen bei minimalen Schall- und Vibrationsemissionen einen Enddruck von 22 bar (relativ) und einen Volumenstrom von 535 m³/h. Ein integriertes Wasserkühlsystem ermöglicht die direkte Kühlung der Zylinder und der Zylinderventile (Einzelzylinderkühlung sowie Kühlung zwischen den Stufen). Weitere Merkmale sind die einzigartige doppelte Wellenabdichtung, die gasdichten Sicherheitsventile und eine Rückführung des Gases von den Abscheidern.

Das Rückgewinnungsmodul wird im Fusionsreaktor Iter rund vier Stunden täglich betrieben und im Normalbetrieb eine Rückverdichtungsleistung von 1 Gramm Helium pro Sekunde erreichen. Allerdings ist die Anlage darauf ausgelegt, bis zu 100 Gramm Helium pro Sekunde zu verdichten. So wird gewährleistet, dass im Falle eines Blackouts des Fusionsreaktors die gesamte Menge an Helium, welche sich zu diesem Zeitpunkt in der Anlage befindet, zurückgewonnen werden kann. Aus eben diesem Grund verfügt das Rückgewinnungssystem als einziger Anlagenbestandteil über eine eigenständige Notstromversorgung.

Die statische Leckagerate der Kompressoren liegt unter 0,1 mbar · l/s. Im Vergleich zu optimierten Luftkompressoren für die Heliumverdichtung, reduzieren sich die Verluste um den Faktor 8. Die statischen und dynamischen Leckageraten der Maschinen wurden von Sauer Compressors auf einem speziellen Heliumprüfstand unter realen Bedingungen ermittelt und testiert. Sämtliche Komponenten der Rückverdichtung inklusive der Pufferbehälter und des Filtrationssystems stammen aus einer Hand.

Hohe Gasdichtigkeit reduziert Heliumverluste

Zur Verdichtung von Leckagen im Heliumkreislauf der Anlage dient ein zusätzliches System von Sauer Compressors. Ein spezieller Heliumverdichter vom Typ Passat WP156L Bas-Seal-HE-B rückverdichtet Leckagen, die an einer dort installierten mechanischen Dichtung auftreten. Der dreistufig luftgekühlte Kolbenkompressor wird im Dauerbetrieb laufen. Er erreicht einen Enddruck von 20,5 bar (relativ) bei einem Volumenstrom von 96 m³/h. Auch dieser Kompressor hat eine Leckagerate von unter 0,1 mbar · l/s eine außergewöhnlich hohe Gasdichtigkeit.

Die Installation der gesamten Helium-Rückgewinnungsanlage wird im Laufe des Jahres 2018 abgeschlossen. Der Fusionsreaktor Iter kann die supraleitenden Magnetspulen mit minimalem Heliumverbrauch kühlen und die Betriebskosten dauerhaft niedrig halten.

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