Die Umgestaltung der Energiewirtschaft hin zur CO2-freien Energiebereitstellung erfordert neben der Substitution der fossilen Primärenergieträger Kohle, Öl und Gas durch CO2-freie/-neutrale Energieträger, wie Sonne, Wind, Wasserstoff oder Biomasse auch die Erhöhung der Energieeffizienz bei der Verteilung als auch der Umwandlung in andere benötigte Energieformen durch rotierende Maschinen wie Motoren und Generatoren. Daneben spielt die Energiespeicherung zum Ausgleich des witterungsbedingt volatilen Anteils bei der Energieerzeugung eine immer größere Rolle. Neben Power-to-X-Technologien kommen hier auch kinetische Energiespeicher als netzstabilisierende Kurzzeitspeicher zum Einsatz. Die Reduzierung der Verluste bei der Lagerung der rotierenden Maschinenteile durch herkömmliche Gleit- oder Wälzlager bietet hierfür großes Potenzial.
Das Projekt zielt auf die Erhöhung der Effizienz von Turbomaschinen durch die Verwendung verlust- und wartungsarmer Magnetlager. Dabei steht der Einsatz dieser Aggregate unter extremen Umgebungsbedingungen, wie sie bspw. bei Windkraftanlagen im Offshore-Bereich oder in Gasturbinen auftreten, im Fokus. Im vorangegangenen Projekt wurden hierfür die theoretischen Grundlagen im Sinne ganzheitlicher, praxistauglicher Lösungen erarbeitet. Ziel dabei war es, Magnetlagerkomponenten für diese Einsatzbedingungen unter Verzicht auf bis dato notwendige Nebenanlagen, wie bspw. Kühlsysteme, zu entwickeln und zu optimieren.
Im derzeitigen Projekt erfolgt die experimentelle Validierung und Verifikation der erarbeiteten und umgesetzten Lösungen für die Magnetlager, Lagesensoren und Fanglager. Neben einer umfangreichen Laborausstattung steht hierfür der im Rahmen des Zittauer Kraftwerkslabors entwickelte und aufgebaute Großversuchsstand MFLP zur Verfügung. Des Weiteren werden im Projekt automatisierungstechnische Potenziale mit dem Ziel erschlossen, moderne Algorithmen der Informations- und Kommunikationstechnik für die Bewertung von Betriebszuständen in Echtzeit, für Prognosen zur ressourcenoptimalen und sicheren Fahrweise und zur Anlagendiagnose zu nutzen. Zur Verarbeitung der dabei anfallenden großen Datenmengen (Big Data) ist eine Vernetzung unumgänglich (Grid Computing). Leistungsstarke Algorithmen (Fuzzy, KNN, KI) strukturieren und reduzieren die anfallende Datenflut.
Im Ergebnis der Arbeiten stehen Lösungen für energieeffiziente, sichere und zuverlässige Magnetlagerungen für Turbomaschinen zum Einsatz unter extremen Umwelteinflüssen zur Verfügung.
Das Projekt ordnet sich in die Forschung und Entwicklung innerhalb des Forschungsschwerpunktes „Energie und Umwelt" der Hochschule Zittau/Görlitz ein.
Mit dem Einsatz aktiver Magnetlagerungen soll die Energieeffizienz von Turbomaschinen gesteigert werden. Dabei stellen die extremen Umgebungsbedingungen hohe Anforderungen an die Magnet- und Fanglagerkonstruktionen sowie an die Werkstoffauswahl.
Die Frage nach geeigneten Fanglagerkonzepten ist für Turbomaschinen bisher unzureichend beantwortet. Im Projekt verfolgen wir daher das Ziel, wissenschaftliche und technische Grundlagen zur Entwicklung geeigneter Fanglagerkonzepte für Großmaschinen mit aktiv magnetgelagerten Rotoren zu erarbeiten.
Dazu erarbeiten wir die theoretischen Grundlagen für die Auslegung, Modellierung und Simulation von Gleit- und Wälzlagerungen und entwickeln, konstruieren und bauen einen geeigneten Großversuchsstand zur Qualifizierung von Fanglagerungen. Dies ermöglicht es uns, Fanglagerungen unter extremen Umgebungsbedingungen zu testen und Modelle zu validieren.
Das Projekt wird innerhalb des Zittauer Kraftwerkslabors bearbeitet und ordnet sich in die Forschung und Entwicklung innerhalb des Kompetenzfeldes „Energie und Umwelt“ der Hochschule Zittau/Görlitz ein.
Dampfturbinen werden üblicherweise mit Gleitlagern ausgestattet. Zur Schmierung und Kühlung der Gleitlager wird Öl verwendet. Auch für die Ventile der Drehzahlregelung sowie für die Sicherheitsabschaltung wird Öl benötigt. Diese nicht unerheblichen Ölmengen stellen ein großes Sicherheitsrisiko dar. Durch den Einsatz von Magnetlagern und elektromechanischen Ventilantrieben kann auf den Einsatz von Öl bei Dampfturbinen verzichtet werden, denn Magnetlager stabilisieren den Turbinenläufer mit Hilfe von magnetischen Kräften und benötigen somit keine Schmiermittel.
Um eine ölfreie magnetgelagerte Industriedampfturbine im Kraftwerk Jänschwalde industriell einsetzen zu können, haben wir diese Technologie an einem Versuchsstand in Zittau getestet und den Funktionsnachweis für die Magnetlagerung erbracht.
Außerdem haben wir Experimente zur Kühlung der Magnetlager mittels Luft durchgeführt und konnten dabei optimale Arbeitspunkte für die Luftkühlung finden. Zudem haben wir das Verhalten der Notfallsysteme bei einem Ausfall der Magnetlager überprüft.
Nach Abschluss der Experimente wurde der Prototyp einer Speisepumpenantriebsturbine im Turbinenwerk Görlitz der SIEMENS AG gefertigt und im Braunkohlekraftwerk Jänschwalde installiert. Dort läuft die Maschine seit 2014, zunächst im Probebetrieb und seit 2015 im Leistungsbetrieb.
