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Die neuen Grid-Codes besser einhalten: HTSL-Generatoren und -Motoren bringen entscheidende Systemvorteile

Hochtemperatur-Supraleiter (HTSL) in rotierenden Maschinen erhöhen nicht nur den Wirkungsgrad entscheidend, sondern die neue Technik verbessert auch das Verhalten auf Systemebene: genau das, wonach Smart Grids verlangen.

Die HTS-Technik steigert den Wirkungsgrad von Generatoren deutlich Bildquelle: © Siemens

Die HTS-Technik steigert den Wirkungsgrad von Generatoren deutlich

Der größte Teil der elektrischen Energie geht zweimal durch rotierende Maschinen: einmal bei der Erzeugung durch Generatoren und zum zweiten durch Motoren. Ungefähr zwei Drittel des gesamten Stromverbrauchs der Industrie „fressen“ rotierende Maschinen. Also wäre es nach Meinung von Dr. Wolfgang Nick von Siemens Corporate Technology, eine gute Idee, hier Supraleiter einzusetzen, die zu einer höheren Effizienz dieser Maschinen führen. HTS-Leiter bieten sich hier aus technischer Sicht an.

Allerdings ist er sich auch im Klaren darüber, dass HTS eine »eine radikal innovative Technik« ist, die zur Markteinführung eines strukturierten Langzeit-Entwicklungsprogramms bedarf. So hatte Siemens schon 1999 bis 2002 eine HTS-Modellmaschine entwickelt.

Für Motoren im Leistungsbereich von einigen MW/MVA, die einen hohen Wirkungsgrad erreichen sollen, sich durch eine kompakte Bauform auszeichnen und gute dynamische Betriebseigenschaften aufweisen, hat Siemens sich für elektrisch erregte Radialfluss-Synchronmaschinen entschieden.

Aufgebaut sind die Maschinen nach dem Prinzip der »kalten Welle«. Der Rotor sitzt sozusagen in der Thermoskanne, der Polkern ist mit HTS-Spulen ausgestattet. Die Rotorkühlung erfolgt durch eine Hohlwelle. Die Ständerkühlung ist von der Rotorkühlung entkoppelt. Der Ständer kommt ohne Eisenzähne aus.

»Die erste Modellmaschine hatte wunderbar funktioniert«, erinnert sich Dr. Wolfgang Nick, deshalb folgte ein 4-MVA-Generator mit 3.600 rpm, der ab 2005 getestet wurde. »Damit konnten wir erstmals zeigen, dass sich die Verluste halbieren lassen. Dieser Motor wird seit 2008 als Blindstromgenerator auf dem Betriebsgelände von Siemens getestet«, freut sich Nick. Gleichzeitig verringert sich die Baugröße gegenüber konventionellen Generatoren um ein Drittel. Mittlerweile hat Siemens mit dem 4-MVA-Generator Langzeittest durchgeführt und reichlich Erfahrung gewinnen können. 2006…2010 schloss sich der Bau und erfolgreiche Test eines Motors mit hohem Drehmoment (300 kN, 120 rpm) an, wie er beispielsweise in Schiffen zum Einsatz kommen könnte. Mit 36 t wiegt er nur zwei Drittel eines vergleichbaren konventionellen Motors. Er hat sich in Stoßkurzschlussversuchen als extrem robust erwiesen, er kommt in einer halben Umdrehung zum Stillstand (Nick: »Da wackelt die Halle«).

Laut Nick haben alle drei Testmaschinen  die Erwartungen insgesamt nicht nur erfüllt, sondern übertroffen.

Der nächste Schritt besteht jetzt drin, ein Pilotprojekt durchzuführen und vielleicht schon die HTS der zweiten Generation einzusetzen. Als Zielmärkte kann er sich Schiffsantriebe, Wasser- und Windkraftgeneratoren sowie Walzanlagen vorstellen.

Mit Blick auf die Kühltechnik meint Nick: »Sie ist nicht so problematisch wie viele Leute denken.«

Insgesamt ist er überzeugt, dass die Supraleitung sich durchsetzen wird. Nicht nur wegen der Steigerung des Wirkungsgrades, sondern vor allem, weil sie beachtliche Systemvorteile bringt: etwa durch kleinere Bauformen und reduziertes Gewicht. »Das ermöglicht beispielsweise ganz neue Schiffskonzepte.«