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Supraleiter

Supraleitende Generatoren für Windkraftanlagen

| Autor/ Redakteur: Stefanie Michel / Stefanie Michel

Bei Windkraftanlagen spielt das Gewicht eine immer größere Rolle. Dass Supraleiter eine Lösung sein können, zeigt ein beendetes Forschungsprojekt: Der Generator mit supraleitenden Spulen ist 40 % leichter bei gleicher Leistung und arbeitet erfolgreich.

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Der kompakte Generator mit supraleitenden Spulen spart nicht nur Platz, sondern auch Material und Gewicht. Im Bild wird er an der Plattform angedockt, um die Lasten der Rotorseite dynamisch einzuleiten.
Der kompakte Generator mit supraleitenden Spulen spart nicht nur Platz, sondern auch Material und Gewicht. Im Bild wird er an der Plattform angedockt, um die Lasten der Rotorseite dynamisch einzuleiten.
(Bild: Jan Meier)
  • Zukünftig könnten supraleitende Generatoren die Permanentmagnet-Generatoren in Windkraftanlagen ersetzen und damit das Gewicht der Gondel deutlich verringern.
  • Das EU-Projekt Ecoswing konnte zeigen, dass vor allem auch die Kryotechnik, die die supraleitenden Spulen auf rund -240 °C herunterkühlt, unter Realbedingungen verlässlich arbeitet.
  • Der Supraleiterspezialist Theva sieht in dieser Technologie eine Möglichkeit für Fortschritte in der Energieversorgung und Antriebstechnik.

Ähnlich wie im Flugzeugbau spielt bei Windenergie-Großanlagen das Gewicht eine immer größer werdende Rolle. Und dieses lässt sich bestens durch die Verwendung von Supraleitern reduzieren. Bei gleicher Leistung kann so, im Vergleich zu handelsüblichen Generatoren, Gewicht und gleichzeitig Material eingespart werden. Da der elektrische Widerstand bei dieser Technologie zudem nahezu null ist, wird der Leiterquerschnitt drastisch reduziert. Auch für das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme (IWES), einem der Projektpartner, ist sie eine vielversprechende Alternative für die Entwicklung zukünftiger Anlagengenerationen.

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Der Supraleiterspezialist Theva hat für den Windkraftgenerator des EU-Projekts Ecoswing die supraleitenden Spulen konstruiert und geliefert. Bei Windkraftanlagen spielt das Gewicht eine immer größere Rolle. Dass Supraleiter können eine Lösung sein können für zukünftige Mulitmegawatt-Anlagen, zeigt ein beendetes Forschungsprojekt: Der Generator mit supraleitenden Spulen ist 40 % leichter bei gleicher Leistung und wurde bereits auf dem Gondelprüfstand des Fraunhofer IWES getestet. Anschließend ersetzte er in einer vorhandene GC-1-Turbine von Envision Energy zum Testbetrieb den Permanentmagnet-Generator.

Nun hat der Generator im dänischen Thyborøn seine Zielleistung von 3 MW erreicht. Damit ist das Projekt offiziell beendet – erfolgreich. Über 600 Stunden lang speiste der Generator Strom ins Netz ein. Dr. Werner Prusseit, Geschäftsführer von Theva, freut sich: „Supraleiter sind in der Energieversorgung eine nicht mehr wegzudenkende Alternative geworden.“

Stabiles System aus Spulen und Kryotechnik

Im März vergangenen Jahres wurde der Ecoswing-Generator auf dem Teststand des IWES in Bremerhaven bereits erfolgreich getestet. Mit der Inbetriebnahme und dem Erreichen der 3 MW Einspeiseleistung in Thyborøn hat er nun seine Reifeprüfung bestanden. Insbesondere die Kryotechnik, welche die supraleitenden Spulen auf rund -240 °C herunterkühlt, und die supraleitenden Spulen selbst haben sich auch unter Realbedingungen als sehr robust und verlässlich erwiesen, wie der Hersteller mitteilt. So lief das Kryo-Kühlsystem des Windkraftgenerators in Thyborøn über die gesamten sieben Monate Betriebszeit stabil – ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zur Serienreife.

Ganz konkret sind im 3 MW leistungsstarken Generator 40 Spulen verbaut worden. Wie Dr. Markus Bauer, Vertriebsleiter bei Theva, berichtet, ist jede dieser Spulen rund 1,4 m lang und 0,2 m breit. Insgesamt kommen rund 25 km Supraleiterdraht zum Einsatz – derzeit ein Viertel der gesamten Theva-Jahresproduktion, die laut Bauer heute schon möglich ist.

Bis Supraleiter bei Windkraftanlagen allerdings den Durchbruch schaffen, braucht es noch ein paar Schritte. Die nächste Stufe ist eine Kleinserie, um Erfahrungen mit supraleitenden Generatoren im Dauerbetrieb zu sammeln. Theva erwartet, dass supraleitende Generatoren künftig einen relevanten Marktanteil bei großen Windkraftanlagen erreichen können.

Das Projekt Ecoswing Nach vier Jahren endete im April 2019 das Projekt Ecoswing. Im Rahmen des Projekts wurde ein supraleitender Generator für Windkraftanlagen entwickelt und unter realistischen Belastungen getestet – sowohl auf dem Prüfstand als auch im Feld. Zur Anbindung an den Prüfstand hat das Fraunhofer IWES die mechanischen Adaptionen konstruiert und dabei ein präzises Messsystem zur Erfassung der hohen Drehmomente entwickelt.

Fortschritt für die Energie- und Antriebstechnik

Theva selbst verfolgt mit der ersten Serienfertigung von Supraleitern in Deutschland verschiedene Ziele. Zum einen sollen Supraleiter preislich wettbewerbsfähig zu Kupferleitern werden. Zum anderen ermöglicht diese Technologie den notwendigen Fortschritt in den Bereichen Energieversorgung und Antriebstechnik. Dafür bietet das Unternehmen ein Portfolio von Supraleitern an, die auf die spezifische Anwendung hin optimiert wurden.

„Grundsätzlich ist alles machbar“, so Bauer. „Generatorenhersteller können mit unserem Material Spulen verschiedenster Geometrien und Leistungsklassen entwickeln und produzieren lassen.“ Die größte Faszination liege dabei in der Reduktion von Größe und somit auch von Gewicht in einem ohne Supraleitung nicht möglichen Maß. In der Folge lassen sich große Einsparungen – je nach Applikation – bei den Kosten für Fundament und Stützstruktur, Bauraum oder auch Logistik erzielen.

Das zunehmende Interesse unterschiedlicher Branchen und Industriezweige an Supraleitern findet auch in den Anstrengungen zur Normierung seinen Ausdruck: So arbeitet die Deutsche Kommission Elektrotechnik (DKE) zusammen mit der International Electrotechnical Commission (IEC) an gemeinsamen Lösungen. „Theva arbeitet als Vertreter aus Deutschland auch aktiv in diesem Normierungsgremium mit“, berichtet Bauer. „Wir haben uns zum Ziel gesetzt, internationale Normen für die zweite Generation der Bandleiter festzulegen, insbesondere mit Blick auf die Stromtragfähigkeit und die mechanischen Eigenschaften des Materials.“

* Weitere Informationen: Theva Dünnschichttechnik GmbH in 85737 Ismaning, Tel. (0 89) 92 33 46-0, info@theva.com

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