NextGen: Entwicklung und Validierung eines hocheffizienten Leichtbau-Generators für den Einsatz in getriebelosen Windenergieanlagen

Auf einen Blick

• Windenergieanlagen mit direktangetriebenem Rotor stoßen an Wachstumsgrenzen, da Größe und Gewicht des Generators schneller zunehmen als die Turbinenleistung.
• Im Projekt NextGen entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler einen Generator nach der hocheffizienten PTF-Technologie mit einer Leistung von 10 MW. Sie ermöglicht einen 2,5 Prozent höheren Wirkungsgrad bei 90 Prozent weniger Materialeinsatz.
• Im Projekt ist das Fraunhofer IWES unter anderen für das Testen des Prototypens und die Validierung der Tests verantwortlich.

Herausforderung

In der Offshore-Windenergie dominieren Windenergieanlagen mit direktangetriebenen permanenterregten Generatoren. Sie weisen einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Zuverlässigkeit im Vergleich zur Getriebevariante auf. Doch die Technologie kommt an ihre Grenzen: Größe und Gewicht des Generators wachsen schneller als die Turbinenleistung. Die Zunahme der Gondelmasse und der Turmhöhe werden so zum limitierenden Faktor, vor allem mit Blick auf schwimmende Offshore-Windenergieanlagen. Gleichzeitig steigt der Materialbedarf an seltenen Erden und Kupfer, die Bestandteile der Permanentmagneten sind, deutlich.

Lösung

Hier setzt das Projekt NextGen an: Im Zentrum steht ein innovatives Generator-Konzept, das durch seine neuartige elektromagnetische Topologie (PTF-Topologie) eine deutlich erhöhte Drehmomentdichte sowie geringere Verluste im Vergleich zu bisher verwendeten Technologien ermöglicht. Ziel von NextGen ist, ein 10-MW-PTF-Generatorkonzept zu entwerfen und einen Prototypen im MW-Leistungsbereich zu testen und zu validieren, um die potenziellen Auswirkungen dieses Generatorkonzepts auf WEA zu verstehen und zu demonstrieren. Zudem werden Verfahren für die Validierung und Prüfung von Direktantriebsgeneratoren im Allgemeinen und PTF-Generatoren im Besonderen entwickelt.

Das Fraunhofer IWES leitet im Projekt unter anderem die Arbeitspakete zur Validierung der Technologie und zum Testen eines Multi-MW-Prototyps in einer relevanten Umgebung verantwortlich.

Mehrwert  

NextGen konzipiert und baut einen neuartigen Generatortyp, der 90 Prozent weniger Material benötigt und einen zwei bis fünf Prozent höheren Wirkungsgrad aufweist als die aktuellen Maschinen mit Direktantrieb. Durch diese enormen Materialersparnisse sowie den erhöhten Wirkungsgrad besteht die Möglichkeit, leistungsstärkere Anlagen zu entwickeln und so die Klimaziele mit deutlich geringeren Umwelteinflüssen zu realisieren. Zudem wird durch die Gewichtsrektion die Notwendigkeit von Logistikerweiterungen zur Installation großer Windenergieanlagen im Offshore- und Floating-Bereich deutlich reduziert.