Zenergy - Supraleiter Anwendung Wasserkraft

Zenergy Power GmbH

Braunschweiger Supraleiterseminar24-06-2010, Dipl.-Ing. & Dipl.-Wirt. Ing. (FH) Daniel Schmickler

Confidential & Proprietary [1]

The superconductor energy technology company

German Environmental Price 2009


Agenda


Firmenvorstellung

Hocheffiziente supraleitende Generatoren zur Ertragssteigerung von Laufwasserkraftwerken

Zenergy Power Projekte im Bereich Wasserkraft

Supraleiter-Technologie

Vorteile von supraleitenden Generatoren

Zusammenfassung


Zenergy Power – Global Player

Mehr als 100Mitarbeiter inDeutschland, USA,Australien undGroßbritannien

Gelistet an derLondon StockExchange SegmentAIM: ZEN.L,Marktkapitalisierung:£60m

Mehr als 170 Patenteund patentierteAnwendungen

Zenergy Power plcOne American Square, Crosswall

London, EC3N 2SG, UK

Zenergy Power Inc.(ehemals SC Power Systems)1616 Rollins RoadBurlingame CA 94019, USA

Zenergy Power GmbH(ehemals Trithor GmbH)Heisenbergstraße 1653359 Rheinbach, Germany

Zenergy Power Pty Ltd.(ehemals Australian Superconductors)Suite 7, 1 Lowden SquareWollongong, NSW 2500, Australien


Magnetische Blockerwärmung (MBH)

Fehlerstrombegrenzer (FCL) Elektrische Netze

Metallverarbeitende Industrie

Erneuerbare Energie

Spule

Hersteller undLieferant vonsupraleitendenSpulen

Anbieter vonsupraleitendenSystemen

Entwickler undLieferant vonsupraleitendemDraht

Draht

Supraleitende Motoren/Generatoren

Zenergy Power – Supraleitertechnologie für Wachstumsmärkte

Partner:

Partner:


Zenergy Power – Nr.1 bei industriellen Anwendungen der Supraleitung

Weltweit erste supraleitende magnetische Blockerwärmungsanlage (MBH) Exklusivvertrag & Produktionspartnerschaft mit der Bültmann GmbH Kunden: Aluminiumindustrie: Weser Alu, Sapa; Kupferindustrie: Wieland Erster industrieller Einsatz bei Wesesralu seit Juli 2008, seitdem fehlerfreier Betrieb

Weltweit erster supraleitender Fehlerstrombegrenzer (FCL) im US-Netz Kunde: Southern California Energy CommissionErster industrieller Einsatz in einem amerikanischen Netz in der Avanti Substation,seit März 2009 fehlerfrei im Betrieb

Weltweit erster supraleitender Wasserkraftgenerator Exklusive Zusammenarbeit mit Converteam Partner: E.ON Wasserkraft GmbH, KEMA, SUT, Cobham, Stirling, Converteam Installation des ersten supraleitenden Wasserkraftgenerators im E.ON Wasserkraftwerk Hirschaid 2010

Weltweit führend bei der Entwicklung von supraleitenden Generatoren für die Windkraft Exklusive Zusammenarbeit mit Converteam Test und Einsatz des ersten skalierten 8 MW (0,5 MW) direkt angetriebenen Windkraftgenerators


Kompakte & effiziente Generatoren zur Ertragssteigerung vonWasserkraftwerken

HYDROGENIE – Entwicklungsprojekt mit


Modernisierung des Laufwasserkraftwerks in Hirschaid durch denEinsatz eines supraleitenden Generators

- Der weltweit erste kompakte supraleitende Wasserkraftgeneratorgeht ins Netz der E.ON

- Turbinenerneuerung und damit verbundene Erhöhung derGeneratorausgangsleistung bei gleichzeitigen baulichenEinschränkungen (Denkmalschutz) macht Prototypen wirtschaftlich

- Höhere Leistungsdichte des supraleitenden Generators ermöglicht1,7 MVA in der Baugröße von 1,25 MVA

- 36%ige Erhöhung der Generatorausgangsleistung

Aufbau eines Synchrongenerators mit Kupfererregerwicklung


Kupferwicklungen

Kupferwicklung

Eisenzähne

Eisenrückschluss

Rotor

Stator

Nachteil:

Eisen in den Statorzähnenbegrenzt das magnetische Feld imLuftspalt & die Stromdichte imStator

Große Abmessungen, hohesGewicht

Vorteil:

Etabliertes System

Steuerbares Erregersystem

Aufbau eines permanenterregten Synchrongenerators


Permanent-Magnete

Kupferwicklung

Eisenzähne

Eisenrückschluss

Rotor

Stator

Nachteil:

Eisen in den Statorzähnenbegrenzt das magnetische Feld imLuftspalt & die Stromdichte imStator

Immer erregt, kein steuerbaresErregersystem(Ausbrennproblematik)

Vorteil:

Erster innovativer Schritt

Kleiner als konventionellerSynchrongenerator

Aufbau eines supraleitenden Generators mit konventionellem Stator


Supraleitende

Spulen

Kupferwicklung

Eisenzähne

Eisenrückschluss

Rotor

Stator

Designvariante A:Stator mit Eisenzähnen & Rotor mit magnetischen Polkörpern (warm /kalt)Vorteil: weniger supraleitender DrahtNachteil: gegebenenfalls größere kalte Masse

Designvariante B:Stator mit Eisenzähnen & Rotor mit unmagnetischen PolkörpernVorteil: geringere kalte MasseNachteil: mehr supraleitender Draht

Kryostat

Nachteil:

Eisen in den Statorzähnen begrenzt dasmagnetische Feld im Luftspalt

Risiko durch neue Komponenten: Kühler& Kompressor

Vorteil:

Höherer Wirkungsgrad als konventionelleGeneratoren

Reduzierte Rotorverluste


HYDROGENIE – Projekt der E.ON Wasserkraft


Projektinhalt:

1 Maschinensatz:

Hydraulik & Generator unverändert (Laufrad der Turbine wurde überholt)

2 Maschinensatz:

Optimierte Hydraulik (neues Laufrad), Generator unverändert

3 Maschinensatz:

Optimierte Hydraulik (neues Laufrad), Optimierter Generator (HTS-Generator)

Beibehaltung der Schnittstellen für evtl. Rückbau auf Altgenerator

Projektziele:

Leistungserhöhung auf 1,7 MW

Teilhabe und Zugang zu neuen Technologien

Entwicklung neuer Lösungen: Ersatz von Getriebemaschinen, z.B. für denEinsatz in Pumpspeicherkraftwerken

Test und betriebliche Optimierung der neuen Technik (Verfügbarkeit)

HYDROGENIE – Laufwasserkraftwerk Hirschaid von Außen


Kraftwerksdaten: Inbetriebnahmejahr: 1923

Ausbaufallhöhe: 9,40 m

Ausbaudurchfluß: 50 m³/s

Ausbauleistung: 3,2 MW

Regelarbeitsvermögen: 24,4 GWh/a

Anzahl der Maschinensätze: 3

HYDROGENIE – Laufwasserkraftwerk Hirschaid von Innen


Generatordaten: Leistung: 1,25 MW

Spannung: 5,25 kV

Polzahl: 28

Drehzahl: 214 Upm

Durchgangsdrehzahl: 450 Upm

Wirkungsgrad: ca. 86%

HYDROGENIE – Upgrade des Laufwasserkraftwerks Hirschaid


Generatordaten: Leistung: 1,79 MW

Spannung: 5,25 kV

Polzahl: 28

Drehzahl: 214 Upm

Durchgangsdrehzahl: 450 Upm

Wirkungsgrad: ca. 98,5%

Images courtesy of Converteam

Projektinhalt:Supraleitender direktangetriebenerWasserkraftgenerator mit horizontaler Welleangetrieben durch eine Zwillings-Francis-Turbine

Auslegung: 1789kVA, 1700 kW, 5250V, 28 Pole,0.95 pf, 214 rpm

Baugrößenkompatibilität stand im Vordergrund

Gewichtsreduktion ist bei Wasserkraftgeneratorenim allgemeinen nicht sinnvoll, dahoheTrägheitsmomente gefordert sind

HYDROGENIE – Maschinendesign


Konventioneller Stator

Wirbelstrom Schild

Drehmoment/ThermischeVerbindung

Turbinenkupplung

Vakuum Behälter

SupraleitendeFeldwicklung

Rotor

RotierendeKupplung

Erreger

Designvariante A: Konventioneller Stator mitEisenzähnen & Rotor mit magnetischen Polkörpern (warm)

Image courtesy of Converteam

Statorbau

Statoreisenkern Statorgehäuse

HYDROGENIE – Generatorfertigung


Image courtesy of Converteam Image courtesy of Converteam

Rotorbau


Rotor gelagert Erster Rotortestlauf



Rotorbau


Rotorspindel und Pole



Verbindung von Spindel & Achse

Satz von Spulenformern

Testspule Fertige supraleitende Spule

HYDROGENIE – Spulenfertigung



Rotor mit supraleitenden Spulen



Rotor mit Kryostat

HYDROGENIE – Generatordaten


Parameter Symbol Unit Superconducting Generator Conventional Generator

Nominal power P kW 1790 1250

Nominal voltage (50 Hz) U kV 3~AC 5,25 3~AC 5,25

Nominal Torque MN kNm 77.3 73.5

Nominal speed n rpm 214 214

Over speed no rpm 320 320

Runaway speed nr rpm 450 450

Number of poles p - 28 28

Synchronous reactance xd p.u. 0.209 4.3

Nominal current (per phase) IN A 197 181

Thermo class stator winding - - Class F Unknown

Steady short circuit current/nominal current ratio Ik/IN - 4.78 0.23 (calculated from 1/synch reactance)

Under excited operation at cos ρ=0 - - Yes Limited

Nominal cryo cooler power at 25 kW P30K W 200 n/a

Required electrical power for 2 cryo-coolers PRR kW 25 n/a

Efficiency (cosρ=1), cryo-cooler included η % 98,5 ~86 (old design of machine)

Length x Width x Height (including cooling system) L x W x H m 4.7 x 5.2 x 3.5 4.1 x 5.2 x 4.4

Foot print L x W mm 3300 x 5200 4100 x 5200

Shaft height (shaft centreline to station floor) Hs mm 700 700

Weight m to Stator=16500kg;Rotor+vacuum chamber=16205kg

Unknown

Aufbau eines supraleitenden Generators mit Luftspaltwicklung


Kupfer-Luftspaltwicklung

Unmagnetische Isolation

Eisenrückschluss

Stator

Supraleitende

Spulen

Kryostat

Rotor

Nachteile:

Risiko durch neue Komponenten: Kühler &Kompressor

Vorteile:

Kleinste & effizienteste Maschine aufgrund vonhöchsten Feldstärken im Luftspalt und höheremStatorstrombelag

Stark reduzierte Rotor & Eisenverluste


Hohe Überlastfähigkeit

Designvariante C:Luftspaltstatorwicklung & Rotor mit magnetischen Polkörpern (warm /kalt)Vorteil: Rotoreisen hochgesättigt / Reduzierung von Größe & GewichtNachteil: gegebenenfalls größere kalte Masse

Designvariante D:Luftspaltstatorwicklung & Rotor mit unmagnetischen PolkörpernVorteil: geringere kalte Masse, signifikante Reduzierung von Größe & GewichtNachteil: mehr supraleitender Draht

Supraleitender Schiffsmotor mit Luftspaltwicklung


Quelle: AMSC, Superconductors on the High Seas,New ship motors propel a quiet revolution, By Elizabeth A. Bretz,

Luftspaltwicklungaus Kupfer

Gehäuse

Antriebswelle

LagerElektro-mechanisches Schild

Stator-RückschlussSupraleitende

Rotorwicklung

Vakuum-Behälter

BürstenloseErregung

Klemm-Kasten

Designvariante D: Luftspaltwicklung & Rotor mit unmagnetischen Polkörpern

Projektinhalt:Bau eines supraleitendenSchiffsantriebs

Schiffsgeneratoren sollten so leichtwie möglich sein, deshalb stand beidiesem Technologie- Demonstratordie Reduzierung der Masse imVordergrund

Referenzen von Generatoren / Motoren mit Hochtemperatursupraleitern


Motor: 400 kW, 1500 rpm

Generator: 4 MVA, 3600 rpm Motor: 4 MW, 120 rpmMotor: 4 MW, 1800 rpm

Motor: 5 MW, 230 rpm

SuperVAR Maschine: 8 MVAR, 1800 rpm

Generator: 40 MW

Generator: 10MVA,11 rpm

Motor: 1,5 kW

Motor: 4 kW

Motor: 75 kW

Motor: 730 kWMotor: 250 kW, 1500 rpm

Generator: 1,7 MVA, 214 rpm

Generator: 0,5 MVA, 30 rpm

Generator: 1 MVA, 700 rpm (2x)

Motor: 2 MW, 200 rpm

Generator: 8/10 MVA, 12 rpm

Motor: 36,5 MW, 120 rpm

(Punkte markieren den Projektbeginn)

[MW

,MV

AR

]

Einsatz von supraleitenden Generatoren in Wasserkraftwerken

Derzeitige Situation:

Jedes Wasserkraftwerk ist in gewisser Weise ein Unikat mitunterschiedlichen Anforderungen an die Technik

Der Generator wurde speziell für diese Anforderungendesignt

Wasserkraftgeneratoren sind folglich deutlich teurer als z.B.Generatoren für die Windkraft


Supraleitende Generatoren ermöglichen Paradigmenwechsel:

Kompaktheit ermöglicht einen Antwort auf unterschiedlichsteAnforderungen

Kompaktheit ermöglicht eine Standardisierung

Standardisierung ermöglicht eine Kostenreduktion


Effizienzsteigerung durch den Einsatz von Supraleitern

Wirkungsgradvergleich unterschiedlicher Generatortypen

Quelle: Converteam

Erhöhung des Wirkungsgrades

- Erhöhter elektrischerEnergiegewinn durch denEinsatz von Supraleitern

- Wirkungsgradgewinn abhängigvon zu ersetzender Maschine(2-8%)

- Keine Rotorverluste


Wirkungsgradvergleich variable Drehzahl & feste Drehzahl

Effizienzsteigerung durch den Einsatz einer variablen Drehzahl

Quelle: Universität Stuttgart, Institut fürStrömungsmechanik und hydraulischeStrömungsmaschinen

1.2

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8

Effi

zien

z(η

)/M

axim

ale

Effi

zien

z(η

max

)

Durchfluss (Q) / Nominaler Durchfluss (QN)

Variable Drehzahl

Konstante Drehzahl

Erhöhtes Schluckvermögen

Erhöhung des Wirkungsgrades

- Steigerung des elektrischenEnergiegewinns beireduzierten Durchflüssen

- Ausnutzung desÜberlaufwassers möglich,wenn Rahmenbedingungendies zulassen


Kompakte Bauweise

Reduzierung von Größe & Gewicht

- Bei konventionellen Generatorengleicher Leistung (ca. 60-80%)

- Bei PMG-Maschinen (ca. 30%-50%)

- Einfacher Transport

- Fabrikfertige Montage

- Ermöglicht Modernisierungdenkmalgeschützter Gebäude

10 MWSupraleitend

4 MW PM

8 MW Kupfer

Konventioneller Generator(6MW)

Supraleitender Generator(6MW)

Generator Durchmesser 9m 3m

Generator Gewicht 450t 80t

Nur für illustrative Zwecke: Diese Zahlen sind geschätzt und variieren je nachdem welcher Turbinentyp betrachtet wird.

Vorteile der Technologie für die Wasserkraft


1. Supraleitende Generatoren:

Erhöhung des Generatorwirkungsgrades (auf ca. 99%)- Höherer Ertrag bei der Energiegewinnung im Voll- und

Teillastbereich

- Keine Rotorverluste

Kompakte Bauweise: Reduzierung von Größe und Gewicht- Verglichen mit konventionellen Generatoren gleicher Leistung (ca.

60-80%), bei PMG-Maschinen (ca. 30%-50%)

- Einfacher Transport und fabrikfertige Montage

- Modernisierung von denkmalgeschützten Kraftwerken möglich

- Zukünftig geringere Kosten als kupferbasierte Technologie

Erhöhung der Systemzuverlässigkeit- Eliminierung von thermischen Spannungen in der Erregerwicklung

- Eliminierung von thermischer Rotor-Wärmelast und dadurchErhöhung der Ständerkühlkapazität

2. Variable Drehzahl:Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades- Höherer Ertrag bei der Energiegewinnung aus reduzierten Durchflüssen

(Teillastbereich)- Zusätzlicher Ertrag bei der Energiegewinnung erhöhten Durchflüssen

(Überlastbereich)- Keine Getriebeverluste

Erhöhung der Systemzuverlässigkeit- Kein Getriebe, keine Turbinenschaufelregulierung

3. Frequenzumrichter:Erhöhung der Flexibilität- Generator ist nicht mehr an die Netzfrequenz gekoppelt- Reduziert die Hochlaufzeiten

- Schützt das Netz vor Transienten und Netzinstabilität

- 4 -Quadranten Umrichter ermöglichen die Einspeisung von Blindleistung indas Netz zur Erhöhung der Netzstabilität

Verbesserte Blindleistungskapazität- Erhöhung des Blindleistungsvermögens

- Ermöglicht beste Chancen in einem sich herausbildenden Markt fürBlindleistungskompensation

Technologie dient der CO2-Vermeidung, damit derUmwelt und reduziert Stromkosten!

BLUE RIVER – Projekt mit


Ermittlung des Mehrertrags an Jahresarbeit durch den Einsatz vonsupraleitenden Generatoren an der Moselkraftwerkskette der RWE Power

Zeitraum der Durchführung: März 2009 bis Juli 2009

In Zusammenarbeit von RWE Power, Zenergy Power und dem Institut für

Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen der Universität

Stuttgart wurde der genaue Mehrertrag an Jahresarbeit für die Kraftwerks-

kette an der Mosel durch den Einsatz von HTS-Technologie

Studie umfasste die detaillierte Analyse der Kraftwerke Trier und Koblenz

unter Zuhilfenahme der neuentwickelten firmeneigenen Software von

Zenergy Power, dem HYSOL-Tracker (10 Kraftwerke)

Ergebnis der Studie: Durch den Einsatz von HTS-Technologie kann die

Jahresarbeit der Kraftwerkskette signifikant gesteigert werden.

Bevorzugte Untersuchungsstandorte

Laufwasserkraftwerke die möglichst viele der folgende Eigenschaften erfüllen, profitieren amstärksten durch den Einsatz von supraleitenden Generatoren:

- Maschinen die aufgrund starker Fallhöhenschwankungen (Fallhöhe < 20m) keinen gleichmäßigenArbeitspunkt aufweisen und dies zu erhöhtem Einsatz im Teillast- und Überlastbereich führt

- Bestehende Maschinen einen schlechten Generatorwirkungsgrad besitzen

- Die Anzahl der Turbinen im Kraftwerk gering ist

- Generatoren in Leistungsklassen >0,5-1 MW

- Kraftwerke bei denen aufgrund baulicher Einschränkungen (z.B. Denkmalschutz) eine kompakteBauweise erforderlich ist

- Keine doppeltregulierte Turbinen verwendet werden

- Ein Teil des Wassers ungenutzt am Überlauf verloren geht


Signifikante Ertragssteigerung von Laufwasserkraftwerken

- Kombination von supraleitendem Generatoren, Leistungselektronik und drehzahlvariablen Turbinen

- Ertragserhöhung von 20% und mehr bei Bestandskraftwerken hohen Alters

- Besonders interessant für Neubauprojekte & für die Modernisierung denkmalgeschützter Kraftwerke

Empfohlen Vorgehensweise:

Analyse/Studie- Detaillierte Analyse von Wasserkraftwerken zur Ermittlung des zu erwartenden Mehrertrags

- Vorab Messungen zur Ermittlung der Eingangsgrößen bei nicht vorhandenen Messeinrichtungen möglich

Upgrade- Upgrade des Wasserkraftwerks durch eine auf das jeweilige Kraftwerk abgestimmte Lösung


Simply better

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Zenergy Power GmbH

Dipl. Ing. & Dipl.-Wirt. Ing. Daniel Schmickler

Heisenbergstraße 16

D-53359 Rheinbach

Tel.: +49 (2226) 9060-604

Fax: +49 (2226) 9060-900

Email: [email protected]

Allgemeine Informationen: [email protected]

Information für Investoren: [email protected]

Produktinformationen: [email protected]

Website: www.zenergypower.com


Zenergy Power Inc.

Dr. Larry Masur

379 Oyster Point Boulevard, Suite 1

South San Francisco, CA 94080 USA

Phone: +1 (650) 615-5700

Fax: +1 (650) 615-5705

Email: [email protected]

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