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antriebstechnik 8/2021

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antriebstechnik 8/2021

KOMPONENTEN UND SOFTWARE

KOMPONENTEN UND SOFTWARE DREHDURCHFÜHRUNGEN MIT SUPRALEITERN BIS IN DIE SPITZE Um die Nutzung von Windenergie effektiver zu machen, wurde ein auf Supraleitern basierender Generator konstruiert. Unabdingbar dafür ist es, den Generator mit einer funktionierenden Helium-Kühlung zu versorgen, ohne dass es durch die Rotation des Generators zu aufgewickelten Leitungen kommt. Hierfür war eine spezielle Drehdurchführung mit hoher Abdichtung nötig, denn das unter Druck stehende Helium als Arbeitsgas der Kältemaschinen durfte nicht durch die Umgebungsluft kontaminiert werden. DIE IDEE 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. Hieran beteiligt waren neben ECO 5 die Firmen Jeumont Electric, Envision Energy, Delta Energy Systems, Theva, SHI Cryogenics Group, DNV GL, das Fraunhofer-Institut für Windenergiesysteme sowie die Universität von Twente. Da 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. Hier wurde die Konstandin GmbH als Partner mit bereits vorhandener Erfahrung im Forschungsbereich hinzugezogen. SUPRALEITER FÜR EINEN VERLUSTFREIEN STROMFLUSS Für die Kühlung der Supraleiter im Generator war das Unternehmen SHI Cryogenics zuständig, die eng mit Konstandin zusammenarbeitete: „Konventionelle, direktangetriebene Windkraftgeneratoren arbeiten mit Permanentmagneten, um Strom zu erzeugen“, erklärt Hermann Boy, Business Development Manager von SHI Cryogenics. „Der Nachteil an dieser Technologie ist jedoch der große Platzbedarf und das Gewicht. In unserem Projekt benötigten wir aber einen kompakteren Generator mit weniger Gewicht und ohne Mehrkosten.“ Deswegen wurde ein leichter 3,6 MW-Genera- „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. Auch die Eignung für Temperaturen zwischen von - 20 bis + 50 °C bei gleichzeitigen 25 U/min haben wir bereitstellen können.“ Mathias Kraft, Leiter Technik, Konstandin GmbH 28 antriebstechnik 2021/08 www.antriebstechnik.de

KOMPONENTEN UND SOFTWARE tor entwickelt, der an einer bestehenden Turbine von Envision Energy in Dänemark in den Testbetrieb ging. Da die stromführenden Spulen einen großen Teil des Generatorvolumens und 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. „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. 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 heliumführende Leitungen besonders schwierig abzudichten“, erläutert Mathias Kraft, Leiter Technik bei der Konstandin GmbH. „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. Die sonderangefertigte Drehdurchführung lässt auf Grund ihrer Dichtgeometrie selbst auf molekularer Ebene keine fremden Stoffe von außen in die Leitungen 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.“ Fotos: Aufmacher: Sumitomo; Konstandin www.konstandin.com LÜCKENLOSE ABDICHTUNG AUF MOLEKULARER EBENE „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 U/min der Windturbine stellten für die Drehdurchführung von Konstandin damit kein Problem dar, ein reibungslos laufender Wellendichtring sorgte für einen unterbrechungslosen Betrieb. DENKBAR AUCH FÜR SCHIFFSANTRIEBE Mit dem neuartigen Generator gelang es dem Team, die anvisierte Leistung von mehr als 3 MW bei einem von 5,4 m auf 4 m verringerten Durchmesser zu erreichen und mehr als 650 Stunden 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 KISSsoft AG A Gleason Company T. +41 55 254 20 50 info@KISSsoft.com KISSsoft Features ▪ ▪ Kollisionsprüfung beim Honen und „Power Skiven“ ▪ Import des Messgitters für Stirnradflanken ▪ ▪ NEU Release 2021 Lagerberechnung mit innerer Geometrie in der „SKF Cloud“ Systemzuverlässigkeit auf einen Blick gemäss AGMA 6006-B20 Varianten von Verzahnungsmodifikationen vergleichen Kostenlose Testversion unter www.KISSsoft.com www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2021/08 29 Antriebstechnik_KISSsoft_Release2021_90x130mm.indd 1 19.05.2021 08:13:08

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