HTS-Generatoren in der Windturbine

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1 HTS-Generatoren in der Windturbine Dipl.-Ing. Christian Broer, Prof. Dr.-Ing. Jan Wenske, Fraunhofer IWES, Antriebs- und Systemtechnik

2 WIND ASSURING CONFIDENCE THROUGH COMPETENCE Fraunhofer Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik IWES Gegründet: Forschungsbereiche: Windenergie von der Materialentwicklung bis zur Netzoptimierung Energiesystemtechnologie für regenerative Energien Haushalt 2012: 32.5 Mio. Euro Personal: 500 Mitarbeiter Forschungsverbund Windenergie mit DLR und ForWind

3 Forschungsbereiche: Windturbine als Summe von dynamisch interagierenden Subsystemen

4 Hier sind wir: Hauptstandort Abteilung Arbeitsgruppe

5 STAND UND TRENDS DER WINDENERGIE

6 Trends bei WEA Segment 1 bis 2,5 MW Serienproduktion Onshore Mit und ohne Getriebe Konkurrenzdruck 5 bis x MW Manufaktur Offshore Leistungssteigerung Quelle: Kenersys Quelle: Enercon

7 WEA über 5 MW Hersteller Übersetzung Nennleistung [MW] Generator Alstom Direkt 6,0 PMSG Areva Niedrig 5,0 PMSG Enercon Direkt 7,5 EESG Repower Hoch 6,2 DFIG Siemens Direkt 6,0 PMSG Vensys / Goldwind Direkt 6,0 PMSG Vestas Mittel 7,0 PMSG

8 Dimensionen von Multi-Megawatt-WEA 6 7MW - Klasse Turmkopfmasse vs. Rotormessungen A 3800 m 2 70 m 75t - 125t A 5000 m 2 80 m 100t - 160t A 8500 m m 200t - 320t A m m 230t - 500t 170 m 1,5 MW 2,5 MW 3,6 MW 5,4 MW

9 Anlagenwachstum Technologischer Fortschritt Turmkopfmasse m in [t] Technologischer Fortschritt Überstrichende Rotorfläche A [m 2 ] Rotordurchmesser D [m] Quelle: Klinger

10 Cost of Energy These: E [kwh] ~ P [W] Ertrag ~ Nennleistung Anlagenkosten ~ Masse Direct Drive (PMSG): Generatormasse ca. 90 % des Triebstranges Quelle: Siemens

11 ANFORDERUNGEN AN WINDTURBINEN

12 Massen hier von 5MW Offshore-WEA Messmast FINO 1 Areva M5000 REpower 5M ton m ünn

13 sowie Kräfte auf Multi-Megawatt-WEA Quelle: REpower Rotorhauptwelle: ca. 6,5 MNm = x Merced es SLS AMG V8 6,2L 650 Nm

14 Dynamik des Windes Auslegung Turmschatten Teillast 5000 h p.a. Volllast 1500 h p.a. WEA-Manöver, Regelung Netzausfall Quelle: Messstation FINO1

15 Betriebszeit / Gebrauchsdauer einer Windturbine [Jahre] Off-Highway Anwendungen 10 -uptime - einer Windturbine 20 [std.] Automotiv Anwendungen ,5* ~ [min.] ~10 7 [sek.] ,5*10 9 ~0,63*10 9

16 Technische Zuverlässigkeit - Verfügbarkeit Technische Zuverlässigkeit der Windenergie-Anlagen und ihrer Komponenten über 20 Jahre!

17 Anforderungen Triebstrang offshore Umgebungstemperatur: -40 / 60 C Schlechte Erreichbarkeit und Wartbarkeit Drehmomentrippel Biegemomente im DD-Generator Lebensdauer h Betriebsbereitschaft jederzeit

18 VERGLEICH PMSG UND EESG (HTS)

19 Beispielauslegung 7 MW PM HTS Magn. Flussdichte B 1 T 2 T Durchmesser Luftspalt D 7,2 m 5,1 m Bauraum V 60 m³ 31 m³ Randbedingungen: Drehzahl: 12 U/min Stack Length: 1,5 m

20 Beispielauslegung 7 MW Ertrag HTS Wirkungsgrad ggü. PM +2 Prozentpunkte Extra Leistung 140 kw Volllaststunden p.a h Energie p.a kwh Einspeisevergütung gemittelt 0,104 / kwh Überschuss nach 20 Jahren ~

21 Beispielauslegung 7 MW - Kühlung Leistungsbudget Kühlung 0,5% Wirkungsgrad Kryokühler T HTS 30 K => T = 270 K Kühlleistung Kühlbetrieb p.a. Energiebedarf p.a. HTS 35 kw 2 % 700 W 8000 h ~ kwh

22 Beispielauslegung 7 MW Ertrag II HTS HTS mit Kühlung Wirkungsgrad ggü. PM +2 Prozentpunkte 1,5 Prozentpunkte Extra Leistung kw N/A Volllaststunden p.a h N/A Energie p.a kwh kwh Einspeisevergütung gemittelt 0,104 / kwh 0,104 / kwh Überschuss nach 20 Jahren ~ ~

23 Fazit Pro Höherer Ertrag Kompakte Bauweise Leichterer Generator => Einsparung Sekundärmassen Ermöglichung weiterer Leistungssteigerungen Contra Kühlungsaufwand Versorgung mit Kühlmedium (Neon) Komplexität Voraussetzungen Preis für HTS wird konkurrenzfähig (1/2) Serienfertigung von HTS-Wicklungen Kryokühler erreichen Lebensdauer von h

24 Danksagung Das Fraunhofer IWES wird gefördert durch: Land Bremen Senator für Umwelt, Bau, Verkehr und Europa Senator für Wirtschaft und Häfen Senatorin für Bildung und Wissenschaft Bremerhavener Gesellschaft für Investitions-Förderung und Stadtentwicklung GmbH Land Hessen Land Niedersachsen und BMU Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit BMBF Bundesministerium für Bildung und Forschung mit Unterstützung durch Europäischer Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) Niedersachsen EUROPÄISCHE UNION: Investition in ihre Zukunft Europäischer Fonds für regionale Entwicklung

25 Vielen Dank! Windturbinen benötigen intelligente Lösungen!

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