GE-Tests mit richtungsweisender Hochtemperatur-Supraleitertechnologie für Stromerzeugungssysteme der nächsten Generation erfolgreich abgeschlossen

• Kompakte Hydrogenie Stromerzeugungstechnologie in Rugby, England, bei Betriebstemperaturen von 50 K erprobt
• Supraleitertechnologie-Forschung von GE erschließt signifikante Leistungsvorteile bei kleinerer Baugröße, reduzierter Masse und geringerem Gewicht gegenüber konventionellen Maschinen
• Enormes Potenzial für Stromerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen

(industrietreff) - PARIS - 4. April 2013 - Der Geschäftseinheit Power Conversion von GE (NYSE: GE) ist bei der Erprobung möglicher Wege zur Erzeugung von großen Strommengen aus erneuerbaren Energiequellen unter Einsatz von Supraleitern bei relativ hohen Betriebstemperaturen ein bedeutsamer Fortschritt gelungen.

Das Unternehmen hat seine Versuche mit Hydrogenie, einem Stromgenerator auf Basis bahnbrechender Technologie für hoch effiziente Stromversorgung auf kleinem Raum, erfolgreich abgeschlossen. Hydrogenie nutzt Supraleiter anstelle von Kupfer für die Rotorwicklungen auf dem Motor und läuft bei 43 Grad Kelvin – oder -230 °C. Der Generator wurde Ende vergangenen Jahres bis weit über seine volle Nennlast von 1,7 MW bei Umdrehungen von 214 min-1 getestet und hat dabei alle Erwartungen und konstruktiven Berechnungen voll erfüllt. Die Tests wurden bei GE Power Conversion in Rugby, England, durchgeführt.

Bis vor kurzem konnte Supraleitfähigkeit erst bei ca. 4 K (-269 °C) erreicht werden. Neue „Hochtemperatur-Supraleiter“ (HTS) zeigen dieses Phänomen jedoch schon bei weit weniger tiefen Temperaturen. Entsprechende Maschinen werden weniger komplexe Isoliersysteme und eine geringere Kühlleistung benötigen, als sie bisher bei Geräten wie Magneten für Kernspintomographen erforderlich sind.

„Diese Technologie ist ein echter Durchbruch“, sagt Martin Ingles, Hydrogenie Project Manager bei GE Power Conversion. „Sie könnte die Leistungsfähigkeit von Anlagen zur Stromerzeugung aus Wasser und Wind drastisch verbessern und sich dann auch für weitere Anwendungen eignen.“

Neueste Supraleiter werden durch Auftragen einer supraleitenden Keramikschicht auf ein relativ kostengünstiges Trägermaterial hergestellt. Sie haben so gut wie keinen elektrischen Widerstand, wenn sie auf sehr tiefe Temperaturen herabgekühlt werden, was Wicklungen mit Drahtdurchmessern von lediglich 2 % einer konventionellen Kupferdrahtwicklung ermöglicht.

So passen mehr Wicklungen auf die Elektromagnetspulen, was zu stärkeren Magneten führt, die erheblich kleiner bzw. leichter als bisher sind. Supraleitfähige Maschinen bieten signifikante Leistungsvorteile und Gewichtseinsparungen gegenüber herkömmlicher Bauweise. Die größten Vorteile der geringeren Abmessungen und Masse zeichnen sich bei Anwendungen ab, in denen üblicherweise Maschinen mit hohen Drehmomenten eingesetzt werden, wie beispielsweise direktangetriebene Systeme für Windturbinen, Schiffsantriebe oder Laufwasserkraftwerke.

GE ist es gelungen, einige der wesentlichen technischen Herausforderungen der Tieftemperaturkühlung und thermischen Isolierung zu meistern, die erforderlich sind, um die Supraleiter auf Betriebstemperatur zu halten. Zu diesem Zweck wird extrem kaltes Helium durch eine rotierende Kupplung in den Rotor der Maschine geleitet und zirkuliert dann um die einzelnen Spulen. „Fast so als wollte man Eiswürfel auf einem Rost in einem sehr heißen Herd gefroren halten“, sagt Ingles. „Nur dass unser Rost eher Hightech ist.“

Der Rotor sitzt in einem Vakuum, hat aber mit der äußeren Umgebung noch einen gewissen direkten Kontakt über seine Welle. Daraus ergibt sich ein Problem bezüglich der massiven Temperaturdifferenzen entlang der Welle. Die Hydrogenie-Maschine nutzt eine patentierte Methode zur Übertragung des Drehmoments von der kalten HTS-Spule auf den Rotor. Widerstandsarme Wärmeausdehnungsfugen und Bauteile minimieren die erforderliche Kühlleistung für die Spulen. In der Tat zeigt die Maschine bereits alle technologischen Merkmale, um sie kommerziell zu verwirklichen. Ein Großteil der Entwicklungsarbeit am Hydrogenie 1,7 MW 214 min-1 HTS-Generator wurde von GE Power Conversion als Teil eines von der EU im 6. Forschungsrahmenprogramm (RP6) geförderten Projekts von 2006 bis 2010 durchgeführt.

Der erfolgreiche Abschluss des Hydrogenie-Projekts setzt den Rahmen für die weitere Erforschung und Entwicklung supraleitender Maschinen. Ein spezifisches Feld, das davon künftig profitieren könnte, ist die Aufrüstung älterer Laufwasserkraftwerke. In Kombination mit dem Betrieb der Maschine/Turbine bei veränderlichen Drehzahlen ließen sich Leistungssteigerungen von bis zu 12 % bei Teillast erzielen. Darüber hinaus eignen sich die in diesem Projekt entwickelten Technologiebausteine auch für andere Bereiche, in denen Langsamläufer mit hohen Drehmomenten eingesetzt werden. Unmittelbarer Bedarf besteht dafür beispielsweise in der Stromerzeugung aus Windenergie und bei Schiffsantrieben.

Bei Windturbinen können supraleitende Generatoren die montierten Massen am Anlagenturm reduzieren, mit entsprechenden Kosteneinsparungen beim Turm selbst sowie beim Fundament. Aktuelle Studien im Auftrag von GE Power Conversion zeigen für eine supraleitende Windturbine gegenüber einer konventionellen Maschine mit 10 MW im Offshore- oder Onshore-Betrieb eine mögliche Energiekosteneinsparung von bis zu 20 % über die Lebensdauer.

Auf Schiffen kann die HTS-Technologie in Kombination mit Gleichstrom- oder drehzahlveränderlichen Wechselstromsystemen zu Treibstoffeinsparungen von bis zu 4 % führen. Gleichzeitig bietet die reduzierte Baugröße der Motoren dem Schiffbauingenieur attraktive Möglichkeiten für mehr Frachtraum oder Passagierkabinen.

Weitere Teilnehmer neben GE Power Conversion am RP6-Projekt „Entwicklung und Felderprobung eines kompakten HTS-Wasserkraftgenerators mit geringeren Investitionskosten, weniger Umweltbelastung und stark erhöhter Leistung zur Reduzierung der Energiekosten pro kWh“ waren Zenergy Power, KEMA Nederland, Stirling Cryogenics & Refrigeration, Politechnika Śląska, Cobham CTS und E.ON Wasserkraft.

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