Kasseler Forscher entwickeln Ringgenerator für Windenergieanlagen

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magnetringgenerator

Der Transrapid steht Pate: Wissenschaftler der Universität Kassel und des Fraunhofer Instituts für Windenergie und Energiesystemtechnik (IWES) entwickeln einen magnetisch gelagerten Ringgenerator für noch leistungsstärkere Windenergieanlagen der Zukunft.


Der Kasseler Ringgenerator soll robuster, wartungsfreundlicher und effizienter als die momentan verwendeten Generatoren sein. Eine Modellanlage ist schon in der Planung.


 Der Generator bildet das Herzstück einer Windenergieanlage: Er wandelt die mechanische Energie des sich drehenden Rotors in elektrischen Strom. Doch die Masse des Generators wächst mit der Leistung der Anlage enorm an. Die Generatoren der Sechs-Megawatt-Windboliden des deutschen Marktführers Enercon bringen bereits 250 Tonnen auf die Waage. Schon werden Windräder mit einer Leistung von zehn Megawatt angepeilt. Doch bei diesen Größenordnungen stößt die herkömmlich verwendete Technik an ihre Grenzen: Denn direkt angetriebene Generatoren solcher Super-Anlagen würden etwa 1’000 Tonnen wiegen und hätten eine so große Masse, dass sie nicht mehr im Maschinenhaus der Windkraftanlage, der Gondel, untergebracht werden könnten, sagt Professor Dr.-Ing. Siegfried Heier vom Fachbereich Elektrotechnik/Informatik der Universität Kassel. Er ist Leiter des vom Bundesumweltministerium (BMU) mit insgesamt 550’000 Euro geförderten und vom Forschungszentrum Jülich getragenen Forschungsprojekts MagnetRing. „Das erforderte gigantische Turm-Bauwerke. Es gäbe keinen Kran, der diese Masse auf die Gondel hieven könnte“, ergänzt er.


Die Kasseler Forscher haben deshalb eine neue Architektur für den Generator entwickelt. Er wird nicht mehr in der Gondel der Windkraftanlage platziert, sondern in einem Ring mit 20 bis 24 Meter Durchmesser, der durch Streben mit der Gondel verbunden wird. „Mit dem Gewicht des elektromagnetisch aktiven Teils des Generators wollen wir bei einer Zehn-Megawatt-Anlage unter 20 Tonnen bleiben“, sagt Professor Heier. „Hinzu kommen dann noch die Tragkonstruktionen des Generators.“


Die Kasseler Wissenschaftler wollen die im Generator auftretenden gewaltigen Kräfte mit Magnetfeldern bändigen, so wird das Gewicht für die sonst nötigen Verankerungen der Komponenten sehr stark reduziert.


Das Prinzip des Ringgenerators ist zum Teil an die Antriebstechnik des in Kassel entwickelten Transrapid angelehnt, der zwischen der chinesischen Metropole Shanghai und deren Flughafen pendelt. Diese Schwebebahn verfügt an ihrer Unterseite über Permanentmagnete. Sie bewegt sich mittels eines magnetischen Kraftfelds und elektrischem Strom kontaktlos über einen Fahrweg. Der in den Fahrweg integrierte Elektromotor wandelt Strom in mechanische Energie, also Vortrieb.


Die Forscher haben dieses Prinzip für ihren Generator umgekehrt. Denn ein Generator funktioniert im Prinzip genauso wie ein Elektromotor, nur dass er kinetische Energie in Strom umwandelt. Der Kasseler Generator wird ebenfalls mit Permanentmagneten arbeiten. Er benötigt also im Gegensatz zu den üblicherweise in den Gondeln der Windkraftanlagen eingesetzten Elektromagneten keinen Strom, um arbeiten zu können. Elektrisch angeregte Magneten brauchen außerdem viel mehr Platz, denn sie verfügen über deutlich mehr Masse als Permanentmagnete.


Der Generator wird aus ringförmig angeordneten Segmenten bestehen, die sowohl die Magnete als auch die Wicklungen, den so genannten Stator, enthalten, die den Strom transportieren. Die Segmente können später im Rahmen der Wartung einzeln ausgetauscht werden. So muss bei einem Fehler nicht der ganze Generator ausgebaut und überholt werden. Ohnehin seien die Permanentmagnete gegenüber Elektromagneten viel unempfindlicher gegenüber Umwelteinflüssen, sagt Professor Heier, der schon die erste große deutsche Windkraftanlage Growian mit entwickelt hat.


Im Labor des Fachgebiets analysiert die Doktorandin Katharina Messoll anhand von Messungen momentan, ob das theoretische Modell in der Praxis funktioniert. Die Firma Krämer Energietechnik aus Zierenberg, die nach der Aufgabe der Produktion des Transrapid in Kassel durch ThyssenKrupp die Ersatzteile für die Magnetschwebebahn herstellt, hat für die Wissenschaftler Segmente des geplanten Generators gebaut. Die Magnete sind schräg angeordnet und die Zwischenräume mit geklebten Schichten aus lasergeschnittenen Blechen ausgefüllt. Diese Anordnung soll dafür sorgen, dass das Magnetfeld stark konzentriert wird und der Generator eine möglichst hohe Energiedichte aufweist. Ziel der Messungen Messolls ist es, die Machbarkeit des Generatorkonzepts nachzuweisen, die Energieverluste des Generators zu minimieren und seinen Wirkungsgrad zu erhöhen.


Um die Erfolg versprechende Forschung zu vertiefen, wird die Laufzeit des 2009 gestarteten Projekts bis Ende März 2012 verlängert. „Danach wollen wir den nächsten Schritt gehen“, sagt Professor Heier. Das bedeute, dass er eine Demonstrationsanlage mit einer Leistung von 100 bis 200 Kilowatt bauen will. Zwar werde der Magnetringgenerator wegen der kostspieligen Permanentmagnete teurer als die heute üblichen Anlagen sein. „Doch diese Mehrkosten werden sich durch enorme Gewichteinsparungen und höhere Energieerträge in fünf bis sechs Jahren amortisieren“, schätzt Heier.

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