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08. Aug. 18

Prototyp eines zweiflügligen Windrads im dänischen Thyborøn: Hier soll der Generator von EcoSwing in der Praxis erprobt werden. Es ist das erste Mal, dass ein supraleitender Generator in eine existierende Windkraftanlage eingebaut wird.

Schrumpfkur für Generatoren

Windräder werden immer größer und schwerer, Transport und Aufbau immer teurer und aufwendiger. Im EU-Projekt EcoSwing entwickeln Ingenieure deshalb die Windräder der Zukunft – mit leichten, supraleitenden Generatoren.

Im Teststand des Fraunhofer IWES in Bremerhaven überprüfen Ingenieure die Eigenschaften des kompakten Generators.

Von Denis Dilba

Um die 200 Tonnen bringt heute allein die Gondel einer durchschnittlichen Windkraftanlage mit drei bis fünf Megawatt Leistung auf die Waage. Werden die Windräder noch leistungsfähiger und größer, steigt auch das Gewicht der Gondel.

Nicht nur bei den Fundamenten ist man bei diesen Giganten daher allmählich an den Grenzen des Machbaren und vor allem des sinnvoll Finanzierbaren angekommen. Auch beim Transport nehmen die Herausforderungen mit zunehmenden Dimensionen der Gondel inklusive des Generators zu: Ab vier Meter Gondeldurchmesser kommen die Schwertransporter nicht mehr problemlos durch alle Straßen.

Das Nadelöhr der Branche ist dabei der Hamburger Elbtunnel. Wer von Dänemark und Norddeutschland aus mit Windkraftkomponenten auf dem Anhänger in den Süden möchte, muss das einkalkulieren. Alternative Routen und das Ab- und Wiederaufbauen von Ampeln und Laternen kosten viel Geld.

Die supraleitenden Drähte liefert das Unternehmen Theva aus dem bayerischen Ismaning. Daraus werden Spulen für den Generator gewickelt.

Der Vorteil von supraleitenden Generatoren: Sie sind kleiner und leichter

Wenn es nach Jürgen Kellers geht, werden supraleitende Generatoren diese Probleme in Zukunft lösen. „Mit Supraleitern kann man extrem hohe Stromdichten erzielen und damit auch extrem hohe Magnetfelddichten generieren. Womit man wiederum extrem hohe Schubdichten im Generator und damit extrem hohe Leistungsdichten erzeugen kann“, sagt der 54-jährige Chemiker.

„Oder kürzer: Das Windrad wird bei gleicher Leistungsfähigkeit kleiner und leichter.“

Kellers ist Geschäftsführer von Eco 5 aus Bonn, einem Ingenieurdienstleister und Spezialisten für Supraleitung und Hocheffizienztechnologie. Er weiß, wovon er spricht: Sein Unternehmen lieferte das Design und die Idee zum EU-Projekt EcoSwing, einem supraleitenden Windkraftgenerator in voller Baugröße

Das Gesamtbudget der bereits seit März 2015 laufenden Arbeiten beträgt 13,8 Millionen Euro – 10,5 Millionen davon kommen von der EU, den Rest investieren die neun EcoSwing-Partner aus Industrie und Forschung.

Prototyp eines zweiflügligen Windrads im dänischen Thyborøn: Hier soll der Generator von EcoSwing in der Praxis erprobt werden. Es ist das erste Mal, dass ein supraleitender Generator in eine existierende Windkraftanlage eingebaut wird.

Praxistest im Zweiflügler: Der Generator wird in ein spezielles Windrad eines chinesischen Herstellers eingesetzt

Das ambitionierte Projekt sei eine Premiere, sagt Holger Neumann, Kryotechnikexperte vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT). Zwar habe es schon viele spannende Untersuchungen und Studien in der Windkraft zum Thema Supraleitung gegeben. „Doch bisher waren diese Projekte fast immer theoretisch oder beschäftigten sich im praktischen Teil mit dem Aufbau und der Funktion von tiefgekühlten supraleitenden Spulen unter Rotationsbedingungen – wie wir in unserem abgeschlossenen Suprapowerprojekt“, sagt Neumann, der mit dem EcoSwing-Team in losem Austausch steht.

Die EcoSwing-Partner hingegen konstruierten und fertigten nicht nur einen kompletten supraleitenden Generator, sagt Eco-5-Geschäftsführer Kellers: „Wir bauen ihn auch in eine Windkraftanlage ein und testen ihn in der Praxis.“

Prädestiniert dafür sei der Prototyp GC-1 des chinesischen Windrad-Herstellers Envision mit zwei Rotorblättern. Dessen dänisches Tochterunternehmen Envision Energy ApS koordiniert EcoSwing.

Letzte Tests in Bremerhaven: Schon in wenigen Wochen soll der Generator an die dänische Westküste verschifft und in den Prototyp von Envision eingesetzt werden.

Der neue Generator wiegt 40 Prozent weniger – Transport und Aufbau werden leichter

Der GC-1-Prototyp, vor sechs Jahren errichtet in Thyborøn an der dänischen Westküste, hat einen sogenannten permanentmagneterregten Synchrongenerator und ist damit getriebelos. Zudem ist der 3,6-Megawatt-Generator der Anlage nicht wie üblich direkt an der Nabe angeflanscht, sondern deutlich dahinter.

„Daher können wir den GC-1-Generator einfacher ausbauen und durch den EcoSwing-Generator ersetzen“, erklärt Kellers.

Der sei mit einem Durchmesser von vier Metern gegenüber 5,4 Metern straßentauglicher als der alte Generator und bei gleichen Rahmenbedingungen um 40 Prozent leichter. Hauptverantwortlich für die Verschlankung sind die 40 ultrakompakten Spulen aus dem hochtemperatursupraleitenden Bandleiter des EcoSwing-Partners Theva.

„Jede dieser Spulen ist rund 1,40 Meter lang und 40 Zentimeter breit“, sagt Markus Bauer, Vizechef von Theva Business Development. Rund 20 Kilometer Supraleiterdraht seien in EcoSwing verarbeitet, sagt der Experte. Das ist ein Fünftel der gesamten Jahresproduktion, die laut Bauer heute schon möglich ist.

„Jetzt muss unser Generator nur noch auf der Turbine zeigen, was er kann“ Jürgen Kellers, Chef von Eco 5

Erst der Langzeittext wird zeigen, wie sich der EcoSwing-Generator schlägt

Ende Februar 2019 soll das EcoSwing-Projekt abgeschlossen sein. Aktuell befinde man sich auf der Zielgeraden, sagt Kellers.

Erst vor einigen Wochen hat der EcoSwing-Generator auf dem Teststand des Fraunhofer-Instituts für Windenergiesysteme (IWES) in Bremerhaven seine Reifeprüfung bestanden: Insbesondere auch die Gas-Kryotechnik, welche die supraleitenden Spulen auf rund minus 240 Grad Celsius herunterkühlt, habe sich als sehr verlässlich erwiesen.

„EcoSwing ist fertig entwickelt, fertig gebaut und fertig getestet – jetzt muss unser Generator im Prinzip nur noch in das Windrad eingebaut werden und auf der Turbine zeigen, was er kann“, sagt Kellers.

In ein paar Wochen tritt der Generator daher die Schiffsreise nach Thyborøn an. Nach dem Einbau dort soll EcoSwing „einfach nur laufen“, sagt Kellers. „So können wir das Betriebsverhalten und das Langzeitverhalten studieren und untersuchen, wie Wartungsarbeiten an einem supraleitenden Generator ablaufen.“

Als nächstes ist eine Kleinserie geplant – und irgendwann dann die Eroberung des Windkraftmarkts

Klar ist für Kellers aber, dass es auch nach EcoSwing „noch Schritte braucht, bis die Supraleitung in der Windkraft ihre Marktdurchdringung erreicht.“ Die nächste Stufe sei eine Kleinserie: „Da werden drei, vier, fünf identische supraleitende Generatoren, fast wie EcoSwing, gebaut werden müssen, die dann wieder einfach nur laufen, um noch mehr Erfahrungen im Betrieb zu sammeln“, sagt der Eco-5-Chef.

Positive Ergebnisse vorausgesetzt, folgten danach eine mittelgroße Serie und der Ausstieg aus der Handfertigung. „Erst dann kann man darüber nachdenken, in die Großserie einzusteigen“, so der Experte weiter. Jeder dieser Schritte werde mindestens zwei, drei Jahre dauern.

„Mein persönlicher frommer Wunsch wäre, dass sich die Supraleitung in gut zehn Jahren einen Marktanteil von rund 30 Prozent erarbeitet hat“, sagt Kellers. Wenn es so kommt, war EcoSwing einer der größten und wichtigsten Schritte auf dem Weg in diese Zukunft der Windenergie.

Volker Kühn
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