Im Projekt SupraGenSys 1 wurde ein vollsupraleitend ausgeführter und direkt angetriebener Generator für WEA (Windenergieanlagen) mit 10 MW Bemessungsleistung entworfen und optimiert. In diesem Projekt sind bereits wesentliche Ergebnisse erzielt worden. In diesem Projekt zeigte sich der Generator bereits mit beeindruckenden Kennzahlen und verspricht durch Absenkung der Stromgestehungskosten ein wesentlicher Fortschritt für den Ausbau der Windenergie zu werden. In dem Folgeprojekt SupraGenSys 2 soll ein Demonstrationsgenerator ( DG ) konstruiert und gefertigt werden. Die Projektpartner übernehmen die Berechnung des Generators, die Konstruktion des Generators und der Einzelteile, sowie die Materialbeschaffung. Die Krämer Energietechnik GmbH & Co. KG übernimmt die Konstruktion, Materialbeschaffung und Fertigung aller erforderlichen Vorrichtungen. Die Fertigung der HTS-Spulen und der geblechten Kerne sowie die Montage von Rotor, Stator und Kyrostat wird ebenfalls bei Krämer erfolgen. Die Prüfung der tiefgekühlten Spulen wird mit Unterstützung des KIT bei Krämer durchgeführt. Anschließend erfolgt die Endmontage des Generators durch Krämer bei Fraunhofer IEE in Kassel.
In SupraGenSys 2 soll der Demonstrator auf Basis eines optimierten 10 MW Voll-HTS (Hochtemperatur-Supraleitung) Generators entwickelt werden. Dafür sind umfangreiche Berechnungen, sowie der Entwurf und die Konstruktion der entsprechenden Teilsysteme notwendig, bis letztlich alles im Demonstrator zusammenkommt und das Konzept eines Voll-HTS Generators geprüft und erprobt werden kann. Dafür ist eine enge Zusammenarbeit des Konsortiums notwendig, welches sich bereits in SupraGenSys bewähren konnte und für SupraGenSys 2 auf Grund des Potentials erweitert wurde. Der Beitrag von ProFluxx fokussiert auf die Konstruktion des Demonstrators. ProFluxx hat langjährige Erfahrungen in der Konstruktion von elektrischen Maschinen insbesondere Synchrongeneratoren. Hierbei liegt der Schwerpunkt im Bereich von 2 MVA (1,6 MW) bis 20 MVA (16 MW) und deckt somit den Zielleistungsbereich des 10 MW Voll-HTS Generators ab. ProFluxx ist daher mit der Auslegung der sogenannten Passivteile (Gehäuse, Lagerung, etc.) für die Zielgröße vertraut und wird entsprechende Konzepte auf Demonstratorgröße entwickeln. Zusammen mit den Projektpartnern wird ProFluxx diese Konzepte unter Berücksichtigung der späteren Scale up activity bewerten und ein Konzept auswählen, das dann detailliert wird und letztendlich gefertigt wird. Ein bedeutender Aspekt bei der Konzept Bewertung ist das Verständnis der Neuartigkeit der sogenannten Aktivteile (Kryostate, HTS Wicklungen und Blechpakete für Stator und Rotor).
Zielsetzung: In diesem Forschungsvorhaben soll ein neuartiges, recyceltes Aktivmaterial aus einer Stahllegierung für elektrische Maschinen (EMn) mithilfe eines innovativen, nachhaltigen Herstellungsverfahrens entwickelt werden. Die Grundidee des Projekts besteht darin, eine Recyclingroute für Blechpakete aus ausgemusterten Statoren und Rotoren von EMn sowie für den bei der Herstellung neuer Blechpakete anfallenden Blechschrott zu etablieren. Diese neue Recyclingroute zeichnet sich dadurch aus, dass die für neue EMn benötigten Statoren und Rotoren durch das Verpressen von Metallspänen hergestellt werden – anstelle des üblichen Weges über Verschrottung, Einschmelzen, Stranggießen sowie anschließendes Warm- und Kaltwalzen. Die Antragsteller verfolgen das Konzept, sämtlichen Schrott zu zerkleinern, die entstehenden Späne chemisch zu beschichten und anschließend durch ein Umformverfahren in die finale Geometrie von Stator- und/oder Rotorbauteilen zu verpressen. Das gepresste Bauteil kann dann als Aktivmaterial oder als Teil davon, z.?B. in einem EM oder in Transformatoren, eingesetzt werden. Fazit: Das gepresste Bauteil kann anschließend als Aktivmaterial oder als Teil davon verwendet werden, z.?B. in einer elektrischen Maschine (EM) oder in Transformatoren. Der daraus resultierende neuartige Werkstoff „Compacted Chip Magnetic Composite“ (CCMC) besteht aus recycelten, isolierten Blechspänen und ähnelt damit den heute bekannten weichmagnetischen Pulververbundwerkstoffen (SMC – Soft Magnetic Composites). Zur Validierung dieser Idee wird der Einfluss verschiedener Spangeometrien, deren Isolierung sowie weiterer Prozess- und Systemparameter im Herstellungsprozess untersucht. Die Ergebnisse dieser Forschung sollen dazu beitragen, den Einsatz von recyceltem Blechschrott in der Elektromobilität und anderen Anwendungen (z.?B. Transformatoren und/oder andere elektrische Maschinen zur Magnetfeldinduktion) zu verbessern und die Nachhaltigkeit von EMn zu erhöhen. Gelingt es, den Energiebedarf für das Recycling von EMn deutlich zu senken, kann dies einen wesentlichen Beitrag zur Reduzierung des CO2-Fußabdrucks zukünftiger elektrischer Maschinen leisten. Die in den Kreislauf zurückgeführten Motorkomponenten helfen dabei, den Verbrauch nicht erneuerbarer Rohstoffe sowie den Energiebedarf, die CO2-Emissionen und den Wasserverbrauch zu verringern.
Das Vorhaben baut auf die im Projekt SupraGenSys (Förderkennzeichen 03EE3010B) erarbeiteten Ergebnisse zum Entwurf und zur Optimierung eines vollsupraleitend ausgeführten und direkt angetriebenen Generators für WEA (Windenergieanlagen) mit 10 MW Bemessungsleistung auf. Die sich abzeichnende Verringerung der Stromgestehungskosten spielt eine wesentliche Rolle und verspricht den Ausbau der Windenergienutzung zu beschleunigen. Bisher durchgeführte Berechnungen berücksichtigen komplexe Systeme und deren Abhängigkeiten voneinander. Daraus ergibt sich die Wichtigkeit eines 'Proof-of-Concept', um anhand experimenteller Untersuchungen an einem Demonstrationsgenerator die ökonomische und technische Sinnhaftigkeit zu bestätigen und nachzuweisen, dass die Realität durch die Berechnungsmodelle hinreichend gut abgebildet wird. So kann das Vertrauen der Industrie in diese vielversprechende Technologie gestärkt werden. Ziel des Vorhabens ist somit die Entwicklung und der Aufbau eines 250-kW-Demonstrationsgenerators im Labor auf Basis des optimierten 10-MW-Voll-HTS-Generators. Mit Hilfe dieser Maschine werden die in SupraGenSys erarbeiteten Ergebnisse validiert und die entwickelten Berechnungsroutinen überprüft. Die Siemens AG trägt innerhalb des Konsortiums im Rahmen ihres Teilvorhabens zum Konzept und zum konzeptionellen Design des Demonstrationsgenerators bei. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Untersuchung und Optimierung von Wechselstromverlusten in den supraleitenden Spulen von Rotor und Stator des neuartigen Generators. Die langjährige Erfahrung bei der Entwicklung von Elektromaschinen mit supraleitenden Rotorwicklungen fließt in die elektromagnetische Auslegung des 250-kW-Voll-HTS-Generators ein. Schließlich werden die Testergebnisse auf einen Multi-MW-Generatorentwurf übertragen.
Ziel des Teilprojekts in Zusammenarbeit mit den Partnern ist Design, Fertigung und Test eines 'HTS retrofit Rotors' für einen mid-speed Generator für die Windkraft. Dabei unterstützt das KIT ITEP in mehreren Arbeitspaketen mit der besonderen Expertise in Hochtemperatursupraleitern (HTS), in Kryotechnologie und im Design von HTS-basierten rotierenden Maschinen.
Zielsetzung: Entwicklung einer Windpumpenanlage fuer Schwachwindgebiete, die mit einer Kopplung von Verdichter (am Rotor) und pneumatisch betriebener Tiefbrunnenpumpe arbeitet. Insbesondere muessen dazu ein Verdichter mit an die Erfordernisse angepasster Kennlinie und eine geeignete Pumpe entwickelt werden. Das Prinzip erscheint aussichtsreich fuer den Einsatz in technisch niedrig entwickelten Trockengebieten. Arbeitsprogramm: Voruntersuchungen zur Realisierbarkeit und Abschaetzung der erreichbaren Leistungsfaehigkeit von Verdichter, Pumpe und Leistungsuebertragung sowie des Gesamtwirkungsgrades. Parallel dazu Konkretisierung der Einsatzbedingungen; Konstruktion der Komponenten der Anlage; Bau und Erprobung zunaechst an der Hochschule, dann im Anwenderland.
Um die Energieausbeute zu erhöhen wurden in den vergangenen Jahren Windenergieanlagen mit zunehmend größerem Rotordurchmesser entwickelt. Eine weitere signifikante Vergrößerung der Rotoren erfordert die Entwicklung neuer Konzepte und Technologien, um einen überproportionalen Anstieg von Gewicht und Herstellungskosten zu vermeiden und die Energie-Erzeugungskosten zu senken. Das gemeinsame Ziel des Forschungsschwerpunktes besteht in der Entwicklung und Bewertung innovativer Konzepte zur Lastenkontrolle. Im beantragten Teilvorhaben soll eine hochgenaue CFD-basierte Berechnungskette weiterentwickelt und zur Berechnung der instationären Lasten einer Windenergieanlage mit bzw. ohne aktivierter Lastenkontrolle angewendet werden. Dabei soll eine realitätsnahe atmosphärische Zuströmung mit zeitlich aufgelöster Turbulenz betrachtet werden. Die Komplexität der betrachteten Konfiguration sowie der Zuströmung wird dabei sukzessive erhöht, um spezifische Einflüsse gezielt untersuchen zu können, Vergleiche mit Windkanalversuchen der Univ. Oldenburg und der TU Darmstadt zu ermöglichen und schließlich Daten zur Verbesserung vereinfachter Berechnungsverfahren der TU Berlin und der TU Darmstadt zu liefern. Da sich die Windkanalversuche nur im Modellmaßstab durchführen lassen wird das entwickelte numerische Verfahren zur Bewertung der Wirksamkeit des Lastenkontrollkonzepts für eine generische Anlage im Original-Maßstab unter atmosphärischen Bedingungen genutzt.
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