SpinDrive – Energiegewinnung durch Fusionreaktoren

Mit seinen Magnetlager-Lösungen hat SpinDrive zahlreiche Herausforderungen auf dem Gebiet der elektrischen Hochgeschwindigkeitsmaschinen erfolgreich gelöst. SpinDrive verfügt über weltweit führendes Know-how in der aktiven Magnetlagertechnologie in Kombination mit weitreichenden Kenntnissen über elektrische Hochgeschwindigkeitsmaschinen.

Der nächste große Schritt in der Energieerzeugung, der es uns ermöglichen wird, den Klimawandel einzudämmen und gewaltige Mengen an grüner Energie zu gewinnen, sind Fusionsreaktoren. Der entscheidende Aspekt dieser Technologie ist, dass sie unabhängig von den schwankenden Tages- und Nachtwerten der Energiegewinnung oder den Windverhältnissen ist. Trotz aller Vorteile ist die Komplexität der Technologie hoch, und um sie zu verwirklichen, wird eine Reihe von Technologien herangezogen. Eine dieser zur Auswahl stehenden Technologien sind Magnetlager.

 

Die Beziehungen zwischen Finnland und der Tschechischen Republik haben die Tür zur Zusammenarbeit geöffnet

Die Technische Universität Brünn (Tschechische Republik) bietet ihren Studierenden seit vielen Jahren die Möglichkeit zum gegenseitigen Studienaustausch. Beide Seiten haben vom gegenseitigen Fachwissen profitiert und nach Möglichkeiten der Zusammenarbeit in den Bereichen Forschung und Wirtschaft gesucht.

Bei der Zusammenstellung eines Forschungskonsortiums stellte die Universität Brünn fest, dass ein großer Bedarf an Fachwissen über aktive Magnetlager bestand. Mit SpinDrive hatte man ein Unternehmen gefunden, das für seine erstklassige Expertise im Bereich der Magnetlagerlösungen bekannt war. So begann die Zusammenarbeit zwischen der Universität Brünn und SpinDrive mit einem Projekt, das von der Technologieagentur der Tschechischen Republik (TACR) finanziert wurde. SpinDrive wurde Partner bei der Entwicklung der Hochgeschwindigkeitstechnologie für das Helium Primary Heat Transfer System (PHTS) für Fusionsreaktoren.

Das Vorhaben wird in Zusammenarbeit mit tschechischen Industrieunternehmen durchgeführt, die auf Helium-Turbokreislaufsysteme und den Bau elektrischer Maschinen spezialisiert sind und über Fachwissen in der Herstellung von elektrischen Hochspannungsmaschinen im Multimegawattbereich verfügen. Konsortiumspartner waren die Lieferanten für ITER, den ersten europäischen Fusionsreaktor. SpinDrive ist für die Entwicklung, Prüfung und Lieferung des aktiven Magnetlagersystems für diese anspruchsvolle Anwendung verantwortlich.

Im Rahmen des Projekts soll das einzigartige Know-how der Spitzentechnologie erworben und die für den DEMO erforderlichen Prototypen gebaut werden. Das Kraftwerk DEMOnstration, DEMO, wird der Nachfolger von ITER sein, dem ersten europäischen Fusionsreaktor. Einer der Meilensteine des Projekts ist der Entwurf und der Bau einer 350 kW, 6 kV Hochgeschwindigkeitsmaschine zur Erprobung der wichtigsten Konzepte, wobei es sich um ein separates Produkt handeln wird, bei dem das aktive Magnetlagersystem von SpinDrive zum Einsatz kommt.

TACR free-free modes

Abbildung 1. Freiformen des Rotors für Helium-Turbokreislauf

 

Magnetlager machten alles möglich

Die herkömmlichen Kugellager sind in vielen Bereichen sehr eingeschränkt, z. B. können sie hohen Temperaturen oder rauen Umgebungen nicht standhalten. Bei diesem Projekt waren herkömmliche Kugellager nicht in der Lage, die Maschine zu tragen. Die Magnetlager von SpinDrive machten alles möglich. Zu den wichtigsten Vorteilen des Einsatzes von Magnetlagern gehören eine höhere Systemeffizienz, ein geringerer Materialverbrauch, Wartungsfreiheit und die Fähigkeit, unter kritischen Umgebungsbedingungen zu arbeiten.

Es handelt sich um die erste Maschine ihrer Art, und das Vorhaben erfordert einen flexiblen Lösungsansatz mit einer schnellen Bewertung der verschiedenen Entwurfsoptionen. Die Kernkompetenz von SpinDrive, bei der wir verfügbare Konzepte schnell bewerten, verschiedene Topologien vorschlagen und das Design an die Anforderungen des Systems anpassen können, passt perfekt zu den Anforderungen des DEMO.

magnetic bearing

Abbildung 2: Magnetlagersystem in der Hochgeschwindigkeits-Multimegawattmaschine

 

Die wichtigsten Herausforderungen bei diesem Projekt

Turbinen sind Hochgeschwindigkeitsmaschinen, bei denen die Lagertechnik eine entscheidende Rolle spielt. Durch die hohen Temperaturanforderungen ist es jedoch für herkömmliche Lager problematisch, dauerhaft zu halten. Zudem erhöhen sich dadurch auch die Wartungskosten. Aktive Magnetlager sind für Temperaturen von bis zu 220°C ausgelegt, und mit geeigneten Massnahmen können sie auch bei mehreren hundert Grad Celsius problemlos eingesetzt werden.

Eine weitere Herausforderung in der Energieumwandlung ist der Generator, der sich im Idealfall mit der gleichen Geschwindigkeit wie die Turbine drehen sollte. Getriebe, die eine Regelung der Drehzahl ermöglichen würden, beanspruchen viel Platz, erhöhen den Wartungsbedarf und verringern die Effizienz. Aktive Magnetlager erlauben direkt angetriebene Hochgeschwindigkeitsgeneratoren und machen das Getriebe überflüssig. Die Vorteile der aktiven Magnetlager wie Wartungsfreiheit und ein höherer Wirkungsgrad durch das Ausbleiben von Reibung gelten auch für den Generator, nur die Temperaturgrenzen könnten niedriger sein.

 

Lösungen von SpinDrive

Der Startschuss für das Projekt fiel mit einem umfassenden Vorbereitungstreffen zwischen der Technischen Universität Brünn, den tschechischen Industriepartnern und SpinDrive. In Kenntnis der Anforderungen und Ziele lieferte SpinDrive die grundlegende Auslegung von Magnetlageraktoren, Sensoren und die Auswahl von Sicherheitslagern für dieses Projekt.

Der Vorteil der aktiven Magnetlager besteht darin, dass die Aktuatoren vom eigentlichen Prozess durch die hermetische Verkapselung des Lagers isoliert werden können. Auf diese Weise kann das Pumpsystem hermetisch geschützt werden, was die mechanische Komplexität erheblich senkt, da keine Labyrinthdichtungen wie bei vergleichbaren Lösungen erforderlich sind.

SpinDrive war auch für die Bewertung der Rotordynamik, die Auslegung der Steuerungssysteme und deren Integration in die übergeordnete SPS unter Verwendung des aktiven Magnetlager-Controllers MAGMA X800 verantwortlich.

SpinDrive X800 magnetic bearing controller Magma®

Abbildung 3. Magma® X800 Magnetlagersteuerung

 

Mit SpinDrive erzielte Ergebnisse  

Durch aktive Kommunikation und Austausch und das gegenseitige Vertrauen konnte das Projekt bereits sehr gute Ergebnisse erzielen. “Wir sind sehr zufrieden mit der Kompetenz und der professionellen Arbeit von SpinDrive während des gesamten Projekts. Wir haben die Flexibilität und das schnelle Tempo von SpinDrive sehr geschätzt. Was die technische Seite betrifft, so hat SpinDrive eine Lagerlösung geliefert, die über Jahre hinweg in einer rauen Umgebung mit hohen Temperaturen wartungsfrei arbeiten kann”, sagt Projektleiter Ing. Jan Bárta, Ph. Jan Bárta, Ph.D., Assistenzprofessor an der Technischen Universität Brünn.

 

Was kommt als Nächstes?

Ein Erreichen aller Ziele dieses Projekts heißt nicht zwangsläufig das Ende des Projekts. Nach dem erfolgreichen Abschluss dieses Projekts wird die Zusammenarbeit zwischen den tschechischen Industriepartnern, der Technischen Universität Brünn und SpinDrive weitergeführt, um die Potenziale der Fusionsenergie weiter auszuloten.