EU-Projekt SUPRAPOWER: Forscher des KIT entwickeln Kühlung für neuartigen Generator

Dabei ermöglicht die Supraleitung erhebliche Einsparungen an Energie und Rohstoffen. Forscher am Institut für Technische Physik (ITEP) des KIT bauen im Rahmen von SUPRAPOWER einen rotierenden Kryostaten, der die supraleitenden Spulen auf minus 253 Grad Celsius kühlt – eine entscheidende Bedingung für den Stromfluss ohne Widerstand.

Die Windkraft soll einen wesentlichen Beitrag zur Energiewende leisten. Um mit Offshore-Windanlagen wirtschaftlich Strom zu erzeugen, bedarf es leistungsstarker Generatoren, die zuverlässig arbeiten und keinen unverhältnismäßig hohen Logistik- und Fundamentierungsaufwand verursachen. Generatoren mit Supraleitern erlauben es, die Leistung auf zehn Megawatt und höher zu steigern und zugleich die Größe und das Gewicht wesentlich zu verringern.

Außerdem benötigt der Bau supraleitender Generatoren weniger als ein Hundertstel der Menge an Seltenen Erden, die für die Herstellung der derzeit häufig eingesetzten Permanentmagnet-Generatoren erforderlich ist. Damit ermöglicht die Supraleitung effiziente, robuste und kompakte Windkraftanlagen bei reduzierten Bau-, Betriebs- und Unterhaltskosten.

Das hohe Potenzial der Supraleitung für den Ausbau der Windkraft zu nutzen, ist Ziel des von der EU geförderten Projekts SUPRAPOWER (SUPerconducting, Reliable, lightweight, And more POWERful offshore wind turbine). In dem nun gestarteten, auf vier Jahre angelegten Projekt arbeiten neun Partner aus Industrie und Wissenschaft zusammen; die Koordination liegt bei der Fundación Tecnalia Research & Innovation in Spanien. Gemeinsam entwickeln die Partner eine Windkraftanlage mit direkt angetriebenem supraleitendem Generator. Der innovative Direktantrieb senkt die Transport- und Wartungskosten zusätzlich und erhöht die Lebensdauer der Turbine.

Der Bereich Kryotechnik am Institut für Technische Physik (ITEP) des KIT steuert zu dem Projekt die Kühlung bei: Supraleiter weisen unterhalb einer bestimmten Temperatur keinen elektrischen Widerstand auf und leiten Strom verlustfrei. Damit der supraleitende Generator funktioniert, müssen die Spulen unter diese sogenannte Sprungtemperatur gekühlt werden.

Die Forscher am ITEP entwickeln einen rotierenden und verlustarmen Kryostaten, in dem die supraleitenden Spulen mit Gifford-McMahon-Kühlern durch reine Wärmeleitung auf 20 Kelvin (minus 253,15 Grad Celsius) gekühlt werden. Dabei werden Kleinkühler des Projektpartners Oerlikon Leybold Vacuum eingesetzt. „Da die Kühlleistung derartiger Kühler begrenzt ist, müssen wir einerseits entsprechend gut wärmeleitende Verbindungen zwischen den Kühlern und den supraleitenden Spulen entwickeln, wobei der Rotationseinfluss bei einem eventuellen Einsatz von Wärmerohren zu berücksichtigen ist.

Andererseits benötigt der Kryostat eine hocheffektive thermische Isolation“, erklärt der Leiter des Bereichs Kryotechnik, Dr. Holger Neumann. Die Arbeiten, die gerade für junge Wissenschaftler attraktiv sind, übertragen Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung in die Anwendung.

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