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Supraleiter für große Windenergieanlagen

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Supraleiter ermöglichen zukünftig den Bau äußerst effizienter, kompakter und leichter Windkraft-Generatoren, die bei halber Größe die gleiche Leistung entsprechender Permanentmagnet-Maschinen aufweisenSupraleiter ermöglichen zukünftig den Bau äußerst effizienter, kompakter und leichter Windkraft-Generatoren, die bei halber Größe die gleiche Leistung entsprechender Permanentmagnet-Maschinen aufweisen. Gleichzeitig können sie den Verbrauch von Seltenen Erden beim Ausbau der Windenergie stark verringern. Warum eine sich anbahnende Verknappung dieser Rohstoffe den Ausbau der Windenergie bremsen könnte, war ein Thema auf dem Energieforum „Life Needs Power“ während der Hannover Messe. In seinem Vortrag erläuterte Dr. Michael Bäcker (Zenergy Power GmbH), welche Lösungen hier Supraleiter der zweiten Generation anbieten.

Für eine wirtschaftliche Stromerzeugung mit Offshore-Windparks werden leistungsstarke und robuste Turbinen benötigt, die mit einem möglichst geringen Gewicht keinen unverhältnismäßig hohen Logistik- und Fundamentierungsaufwand verursachen. Direkt angetriebene Generatoren mit Permanentmagneten stellen bislang eine technisch wie wirtschaftlich sinnvolle Lösung dar. Sie sind 30-50% kleiner und leichter als kupferbasierte Maschinen gleicher Nennleistung.

Die Exportbeschränkungen Chinas für Seltene Erden haben die Planungssicherheit für Investitionen in Anlagen mit Permanentmagnet-Generatoren jedoch vermindert: Der Bau von Permanentmagneten hat derzeit den größten Anteil am Verbrauch Seltener Erden. Zugleich weist die Nachfrage in diesem Anwendungsfeld die höchsten Zuwachsraten auf. Im Jahr 2010 wurden 26.000 Tonnen Seltene Erden (Neodym/Praseodym, Dysprosium, Terbium) für die Produktion von Permanentmagneten eingesetzt. Bereits für 2015 wird ein Bedarf von 48.000 Tonnen erwartet – und damit eine Unterdeckung von 15-30% bezogen auf die zu erwartende Jahresproduktion. 40% dieser magnetischen Seltenen Erden werden für Generatoren und andere elektrische Maschinen verwendet. Eine Studie beziffert allein den Bedarf der Windenergiebranche in den USA für das Jahr 2014 auf 10.000-15.000 Tonnen.

Alternativ zu den Permanentmagneten können auch supraleitende Spulen die notwendigen Magnetfelder erzeugen. Mit diesen werden selbst Generatoren mit mehr als 10 MW Leistung möglich. Bislang verhinderte in erster Linie der hohe Preis des supraleitenden Drahts einen Einsatz im kommerziellen Generatorenbau. Neue Voraussetzungen schafft nun eine zweite Generation von Supraleitern, die in großen Quantitäten kostengünstig hergestellt werden können. Grundlage des innovativen Produktionsverfahrens ist eine Schichtenarchitektur des Leitermaterials. Supraleiter des neuen Typs werden international bereits vermarktet.

Zwar sind auch für die Supraleiterproduktion Seltene Erden (Cer, Lanthan, Yttrium) erforderlich, mit 2 kg Seltener Erden pro MW installierter Generatorleistung wird jedoch weniger als ein Hundertstel der Menge verbraucht, die für Permanentmagnet-Generatoren der gleichen Kapazität benötigt würde. Die für Supraleiter notwendigen Substanzen sind zudem besser verfügbar, als die für die Produktion von Permanentmagneten. Nach der Einschätzung von Michael Bäcker könnten die Kosten bereits bis 2020 auf das Niveau konventioneller Kupferdrähte sinken.

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