Generator mit Supraleitung (Forschung)

Supraleitung in der Windkraft ermöglicht enorme Gewichtseinsparung

Supraleitende Materialien sind eine vielversprechende Technologie in der Elektrotechnik. Sie ermöglichen die widerstandsfreie Übertragung von Strom. Dadurch können große Mengen an Strom auf sehr kompakte Weise übertragen werden. Supraleitung entsteht bei entsprechenden Materialien (in der Regel Metalle, oder Keramiken) wenn sie auf tiefe Temperaturen gekühlt wird. Dabei wird zwischen Tieftemperatur Supraleitern nahe dem Absoluten Nullpunkt (-273 °C) und Hochtemperatur Supraleitern, die eine Arbeitstemperatur von 30 K bis 110 K (-163 °C) haben, unterschieden. Das europäische Konsortium EcoSwing hat erstmals einen Generator für Windkraftanlagen gebaut, getestet und installiert, der mit supraleitenden Spulen ausgestattet ist.

Eine Herausforderung liegt darin den supraleitenden Teil zu kühlen und thermisch von der Umgebung zu isolieren. In dem Generator befindet sich daher ein annähernd konventioneller Stator aus Kupfer in dem ein Rotor mit supraleitenden Erregerwicklungen eingebaut ist. Diese werden in einem Vakuumzylinder kalt gehalten. Die Drehmomentübertragung von den kalten Supraleiterspulen auf die warme Welle zeichnet sich durch besonders geringe Wärmeleitfähigkeit aus, sodass die eindringende Umgebungswärme effektiv begrenzt wird. Durch diese Maßnahmen sind die wesentlichen Voraussetzungen für einen geschlossenen Kühlkreislauf gegeben, der notwendig ist um eine energiesparsame Kühlung auf 30 K zu ermöglichen, die die Supraleitenden Spulen als Arbeitstemperatur benötigen. Lediglich 1 % der Gesamtleistung der WKA wird für die kryogene Kühlung aufgewendet.

Durch die Verwendung innovativer Supraleiter ist die Drehmomentdichte bei diesem Generator doppelt so hoch wie bei konventioneller Konkurrenz. Durch die hohe Drehmomentdichte wird eine Gewichtseinsparung von 40 % des gesamten Generators erreicht. Demnach werden vor allem das Kupfer für den Stator und andere Magnete eingespart, sowie strukturelle Komponenten des Generators. Letztlich hat die Gewichtsreduktion, aber auch positive Auswirkung auf die Gondelkonstruktion und den Turmbau.

Den Praxistest bestand der EcoSwing-Generator im DyNaLab, einem Prüfstand des Fraunhofer IWES. Hier wurden die Betriebsparameter der Elektromaschine validiert und es wurde ein erster Leistungstest bestanden. Aktuell wird ein Praxistest unter Realbedingungen auf einer 3,6MW Windkraftanlage in Dänemark durchgeführt.

Forschungsprojekt EcoSwing

Pin Forschung Forschungspartner:
Envision Energy (Dänemark), ECO 5 GmbH, Jeumont Electric SAS, Delta Energy System GmbH, THEVA Dünnschichttechnik GmbH, Sumitomo Cryogenics of Europe, Ltd, DNV GL Renewables Certification, Universität Twente, Fraunhofer Institut für Windenergiesysteme

Gefördert durch:
Horizont 2020, dem Rahmenprogramm der Europäischen Union für Forschung und Innovation, unter Förderkennzeichen 656024.

Projektwebsite: ecoswing.eu/