Corporate Technology Entwicklung rotierender HTS Maschinen bei Siemens

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1 Corporate Technology Entwicklung rotierender HTS Maschinen bei Siemens Jörn Grundmann Siemens AG, CT PS 3 500m Bi 2223 tape,

2 Übersicht Entwicklung rotierender HTS Maschinen bei Siemens Dr. Jörn Grundmann Siemens Corporate Technology, Electromagnetic Systems & Superconductivity Inhalt Einleitung Siemens HTS Maschinenentwicklung Technologie HTS- Synchronmaschinen Eigenschaften HTS-Maschinen Anwendungen Seite 2 Mai 2008

3 Weltweite Entwicklung von HTS Maschinen Seite 3 Mai 2008

4 Anwendung der Supraleitung in rotierenden elektrischen Maschinen Supraleitung Hohe Stromdichten bei vernachlässigbaren Verlusten bei Gleichstrom in el.-mag. Gleichfeldern Verwendung in Erregerwicklung von Synchronmaschinen Geringe Masse & Volumen Hoher Wirkungsgrad Dynamische Eigenschaften Potentielle Anwendungen für HTS Technologie 15 min min min min -1 High Torque Machines, Windkraft Getriebelose Schiffsantriebe Industrieantriebe, High Speed Schiffsgeneratoren, Machines, Kraftwerksgeneratoren Seite 4 Mai 2008

5 Siemens-Maschinen mit Hochtemperatur-Supraleitern Inhalt Einleitung Siemens HTS Maschinenentwicklung Technologie HTS- Synchronmaschinen Eigenschaften HTS-Maschinen Anwendungen Seite 5 Mai 2008

6 HTS Maschinenentwicklung bei Siemens In gemeinsamen Entwicklungsprojekten von Siemens MAS, LD und CT erfolgreich entwickelte bzw. in der Entwicklung befindliche HTS Maschinen: 400kW HTS Motor im Test bis 2004 Status: gebaut und erfolgreich getestet 4 MVA HTS Generator im Test seit Juni Status: gebaut und erfolgreich getestet 4 MW HTS Schiffsantrieb Status: im Bau Seite 6 Mai 2008

7 Zukunft und Innovation der Energietechnik mit Hochtemperatur-Supraleitern Inhalt Einleitung Siemens HTS Maschinenentwicklung Technologie HTS- Synchronmaschinen Eigenschaften HTS-Maschinen Anwendungen Seite 7 Mai 2008

8 HTS Standardmaterial Multifilament-Leiter mit Ag-Matrix (Bi,Pb) 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O x Stücklängen bis etwa 2km Produktionskapazität etliche 100km/a Querschnitt etwa 4mm x 0.3mm Strom über 100A Leiterlieferant bei allen Maschinenprojekten Aber: Abhängigkeit der Leitereigenschaften (besonders I c ) von Umgebungsbedingungen (Temperatur, Magnetfeld) beachten. Im notwendigen Magnetfeld nur < 30K! Seite 8 Mai 2008

9 Entwicklungsaufgabe Flachbänder Spulen / Pole Kräfte (Drehmoment, Fliehkraft) Tiefkalt Rotierend Strom Ein hohes Magnetfeld erzeugen Zuverlässig, langlebig, kompakt, effizient, Betriebseigenschaften, wartungsarm, Anwendung / Normen Seite 9 Mai 2008

10 HTS-Modell-Motor 400kW Schema Motoraufbau und Kühlung Kaltkopf HTSL-Spule Cu-Wärmebus Ständer-Luftspaltwicklung Rot. Kryostat Vakuumgefäß A-Seite Ne Heat Pipe, vakuumisoliert Dichtung Gasraum-Luft Spulenaufhängung Lager Drehmomentausleitung (GFK) Seite 10 Mai 2008

11 Spulen- / Polfertigung Pol aus Rennbahnspulen (4MVA Geno) Spulenwickelei Sattelspule Röbelleiter (Hochstromanwendungen) Seite 11 Mai 2008

12 400 kw Synchronmaschine mit supraleitender Feldwicklung: Erfolgreicher Dauertest von 05/2001 bis 12/2002 einschließlich Umrichterbetrieb. geschlossenes Kryo-Kühlsystem Innovative Kühlkonzepte mit Thermosyphon und Pulsrohrkühler wartungsarm, ohne Pumpen, ohne bewegte Teile im Kaltteil Seite 12 Mai 2008

13 400kW Modell-Motor Stator mit Luftspaltwicklung Herkömmliche Wicklung Führung mag. Fluss durch Eisenzähne und Joch (Wicklung in Nuten) Flussdichte durch Sättigung begrenzt Quelle für Oberschwingungen, Geräusche, Vibration HTS-Maschinen: Hohe Flussdichten, daher nicht geeignet Flusslinien Luftspaltwicklung Fluss durchsetzt Spulen Wicklung mit Litzen Weiterhin Joch zur Führung, aber keine Eisenzähne Reduzierte Eisenverluste Mehr Kupfer je Volumen möglich Seite 13 Mai 2008

14 Zukunft und Innovation der Energietechnik mit Hochtemperatur-Supraleitern Inhalt Einleitung Siemens HTS Maschinenentwicklung Technologie HTS- Synchronmaschinen Eigenschaften HTS-Maschinen Anwendungen Seite 14 Mai 2008

15 HTS Maschinen Eigenschaften Höherer Wirkungsgrad Betriebskosten, Umweltschutz Reduziertes Volumen & Gewicht Extrem Kompakt Kleine Synchronreaktanz Momentenüberlastbarkeit Stabilität / Steifigkeit Spannungshaltung / Höchste Blindleistungsbereitstellung Stator mit Luftspaltwicklung Keine Nutoberschwingungen / geringer Klirrfaktor Geräuscharm Verminderte Vibrationen Ermöglicht neue Konzepte / Lösungen Seite 15 Mai 2008

16 HTS-Modell-Motor Betriebsverhalten U [V] Synchrone Längsreaktanz x d = 0, Current Voltage time [ms] Voll-Lastaufschaltung von 0 auf 380 kw demonstriert höchst stabiles Betriebsverhalten unter extremen Lastschwankungen (ohne Eingriff Regelung der Erregung) I [A] Seite 16 Mai 2008

17 HTS-Modell-Motor 400kW Besondere Eigenschaften der HTSL-Maschine HTSL-Modell- Motor konv. Synchronmaschine extrem steifes Betriebsverhalten sehr kleine synchrone Reaktanz x d 15% 250% sehr kleiner Polradwinkel ϑ el 8 50 dyn. Spannungsänderung ΔU 3% 15% hohe Überlastbarkeit M K /M N 700% 150% untererregter Betrieb ja nein hoher Dauerkurzschlussstrom I KD /I N 7 1,1 geringer Oberwellengehalt geräuscharm schwingungsarm geringer Oberwellengehalt THD 0,15% 3% Seite 17 Mai 2008

18 4MVA Generator Skalierung der Leistung (x10) 4MVA/3600rpm Generator (getestet 2005) Highlights: Gewicht 11t 7t Erstmalig am Netz 0 Juni 2005 Mechanische Eigenschaften HTS- Rotor und Kühlsystem Untererregt bis cos ϕ = 0 Wirkungsgradf (Kryokühlung inklusive) 98,7% (state of the art: ~97%) Tauglichkeit im kommerziell interessanten Marktbereich nachgewiesen Kompakt Effizient Seite 18 Mai 2008

19 4MVA Generator Losses 100% 80% 60% 40% 20% Cryo Rotor field ohmic Stray load Armature ohmic Core Friction & Windage 0% Conventional HTS η = 97 % η = 98.7 % Seite 19 Mai 2008

20 HTS Machines Siemens Development Today 4MW/120rpm Ship Propulsion Motor ( ) HTS Comparison to conventional syn. machine Power 4 MW Same Torque > 300 knm Same Weight Design Goals < 40 to Reduction by more than 1/3 Volume < 40 m 3 Reduction by more than 1/3 Efficiency > 96% < 95% for conventional Classification rules of Germanischer Lloyd Design chosen to demonstrate all benefits (compactness and efficiency) Industrial Design (Cost) Seite 20 Mai 2008

21 HTS Machines Siemens Development Today Herausforderungen Vergleich zum 4MVA Generator Drehmoment 30x höher 7x mehr Supraleiter benötigt, 50km geliefert von EHTS GmbH, Alzenau Größe, Gewicht (Handling, Logistik) Seite 21 Mai 2008

22 Zukunft und Innovation der Energietechnik mit Hochtemperatur-Supraleitern Inhalt Einleitung Siemens HTS Maschinenentwicklung Technologie HTS- Synchronmaschinen Eigenschaften HTS-Maschinen Anwendungen Seite 22 Mai 2008

23 Energieerzeugung Schiffbau ( Inselnetz ) Aggregatevergleich: Diesel vs. Gasturbine Volumen auf 1/3 Gewicht 85t 10t Aber: Gasturbine i.d.r. höherer Brennstoffverbrauch Seite 23 Mai 2008

24 Energieerzeugung Schiffbau, Offshore Öl & Gas ( Inselnetz ) On demand Bereitstellung (Kühlung) Containerlösung > 5MW in Standardcontainern Einfacher Transport Plug `n Play Flexibilität Extended Exploitation Mehr Leistung bei gleichem Volumen, Gewicht Seite 24 Mai 2008

25 Energieerzeugung HTS Kraftwerksgenerator - Entwicklungsschritte HTS: hohe Stromdichte bei vernachlässigbaren Verlusten Retrofit (Schritt 1) 1) Konventioneller Konventioneller Stator Stator gleiches gleiches Gewicht/ Gewicht/ Volumen Volumen Ersetzen Ersetzen des des konventionellen konventionellen Rotors Rotors durch durch HTS HTS Rotor Rotor Höhere Höhere Wirkungsgrad Wirkungsgrad Erhöhtes Erhöhtes Blindleistungsvermögen Geringer Geringer Supraleiterbedarf Supraleiterbedarf Nutzung Nutzung der der Rotorkühlkapazität Rotorkühlkapazität für für Ständerkühlung Ständerkühlung Max. Max. Leistungsdichte (Schritt 2) 2) Höchstfeld Höchstfeld HTS HTS Rotor Rotor kombiniert kombiniert mit mit Hochleistungsstator Hochleistungsstator (mit (mit Luftspaltwicklung) Luftspaltwicklung) Geringere Geringere Masse Masse // Volumen Volumen (Faktor (Faktor 2 bis bis 3 gegenüber gegenüber konventionell konventionell möglich) möglich) Höherer Höherer Wirkungsgrad Wirkungsgrad Voll Voll übererregter übererregter und und untererregter untererregter Betrieb Betrieb bei bei Bemessungsleistung Seite 25 Mai 2008

26 Energieerzeugung HTS Kraftwerksgenerator Generatorwirkungsgrad [%] Inkrementelle Wirkungsgradverbesserung durch Optimierung der konventionellen Technik Durchschnittlich 0.5% Wirkungsgradverbesserung mit HTS Rotor HTS Technologie Konventionelle Technologien Seite 26 Mai 2008

27 Energieerzeugung Gesamtwirkungsgrad Konventionell HTS Retrofit Vergleich 900 MVA Generator Verluste 53 % 100 % Wirkungsgrad Kraftwerk 48.0 % 48.3 % Verluste [kw] Seite 27 Mai 2008

28 Antriebe Innenbord Propellermotor (Schiff) Systemstudie mit ThyssenKrupp Marine Systems (Blohm & Voss) Schiff mit ~ 12MW Antriebsleistung, Einsparungen (HTS Innenbordmotor & HTS-Generatoren) Gewicht ca. 70t Volumen ca. 70m 3 Wirkungsgrad 1,5% + 2% Leistung ca. 420kW } An den Maschinen allein, weitere Einsparungen (Fundament, Hilfsbetriebe ) und hydrodynamische Effekte noch nicht berücksichtigt. Seite 28 Mai 2008

29 Antriebe POD (Schiff) Systemstudie mit ThyssenKrupp Marine Systems (Blohm & Voss) und Schiffbauversuchsanstalt Potsdam Seite 29 Mai 2008

30 Antriebe POD (Schiff) Systemstudie mit ThyssenKrupp Marine Systems (Blohm & Voss) und Schiffbauversuchsanstalt Potsdam Seite 30 Mai 2008

31 Antriebe POD (Schiff) Systemstudie mit ThyssenKrupp Marine Systems (Blohm & Voss) und Schiffbauversuchsanstalt Potsdam Seite 31 Mai 2008

32 Corporate Technology Vielen Dank! Seite 32 Mai 2008