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Jul 14, 2023

WindTech: Neues Hybridgetriebe teilt Lasten für Skalierbarkeit auf

Der deutsche Technologieentwickler Adion Technologies ist davon überzeugt, dass sein Hybridgetriebekonzept mit Mittelgeschwindigkeitsgetriebe und Zahnriemen für Turbinen bis zu 20 MW bahnbrechend für die Windindustrie sein wird. Eize de Vries

Der deutsche Technologieentwickler Adion Technologies ist davon überzeugt, dass sein Hybridgetriebekonzept mit Mittelgeschwindigkeitsgetriebe und Zahnriemen für Turbinen bis zu 20 MW bahnbrechend für die Windindustrie sein wird. Eize de Vries findet heraus, warum.

von Eize de Vries, 2. September 2019

Peter Lutz, Gründer und CEO von Adion Technologies, hebt zunächst den Trend hervor, dass in der Windindustrie die Leistung und Rotorgröße von Turbinen – Onshore und Offshore – kontinuierlich zunimmt, was eine Reihe technologiebezogener Herausforderungen mit sich bringt.

„Höhere Nennwerte [bei unveränderter Rotorgeschwindigkeit] erhöhen das Eingangsdrehmoment des Getriebes, und dies wird durch den Einbau größerer, langsamer rotierender Rotoren (bei vergleichbaren Rotorblattspitzengeschwindigkeiten) noch verstärkt.“

„Jede neue Skalierungsstufe erfordert eine Getriebeverstärkung und oft auch eine Erhöhung der Getriebeübersetzung. Die Gesamtkonsequenz für konventionelle Lösungen ist eine höhere Getriebemasse, mehr Komplexität und höhere Kosten“, sagt Lutz.

Verteiltes Getriebe

Ein wesentliches Merkmal der modularen zweistufigen Verteilergetriebe von Adion besteht darin, dass das in ein Getriebe mit großem Durchmesser eingespeiste Rotordrehmoment innerhalb eines einzigen Moduls auf zwei separate Lastströme umverteilt wird.

Die Gesamtmodulanzahl entspricht den Generatornummern (1, 2 oder 4), die auf Turbinen mit einer Nennleistung von bis zu 4 MW, 8-10 MW und bis zu 20 MW abgestimmt sind.

Die 4-MW-Getriebeversion umfasst ein einziges Modul, während die 8-MW-Version aus zwei identischen Modulen sowie allen erforderlichen strukturellen und anderen Verbesserungen, wie z. B. einer Vergrößerung und Verstärkung des Getriebegehäuses, besteht.

Die Unterschiede zwischen den 8-MW- und 20-MW-Hybridgetriebevarianten sind größer und umfassen ein größeres Zentralgetriebe, einen Wechsel von zwei auf vier Generatoren und die Verwendung breiterer Kohlefaserriemen.

Der Laststromansatz beginnt mit der ersten Modulstufe, die aus zwei separaten, in Abständen angeordneten Ritzeln am treibenden Zentralrad besteht, eine Anordnung, die das eingehende Drehmoment pro Ritzel halbiert, erklärt Lutz.

„Die erste Gangstufe und der erste Laststrom bieten eine Übersetzung von etwa 1:10“, sagt er.

„Jedes dieser einzelnen Ritzel ist mit einem Zahnriemenrad mit 1,6 Metern Durchmesser auf derselben Welle verbunden, und diese beiden großen Räder werden zusammen zum Antriebsteil der zweiten Getriebestufe.

„Dieser zweite Laststrom teilt das verbleibende Drehmoment erneut auf, wodurch sich die Riemenspannkraft halbiert.

„Die passenden Carbonfaser-Zahnriemen treiben zwei kleine Zahnriemenräder an, die beide auf derselben Getriebeausgangswelle mit einem Übersetzungsverhältnis von etwa 1:4 montiert sind, die in einem letzten Schritt Strom in den passenden Generator einspeist. " fügt Lutz hinzu.

Der Einsatz von Riemenantrieben in Antriebssträngen von Windkraftanlagen ist nicht neu (siehe Kasten).

Neu und innovativ ist jedoch der Einsatz von Hochleistungs-Carbonfaser-Zahnriemen in Multi-Megawatt-Getrieben für den Onshore- und Offshore-Einsatz.

Adion arbeitete eng mit dem deutschen Automobil- und Transporthersteller Continental zusammen, um Polyurethan (PU)-Riemen mit Hochspannungs-Kohlenstofffaserverstärkungen herzustellen.

Diese als Contisynchrochain bezeichneten Zahnriemen basieren auf dem jahrzehntelangen Know-how des Unternehmens im Bereich Zahnriemen für Pkw-Motoren und wurden speziell für kompakte Hochleistungsantriebe entwickelt.

„Diese Zahnriementechnologie hat sich im vergangenen Jahr stark weiterentwickelt und Continental geht davon aus, dass in unserem konkreten Anwendungsfall 30.000 bis 50.000 Betriebsstunden machbar sein sollten“, sagt Lutz.

„Eine ähnliche Lebensdauerleistung wird bei industriellen Hochleistungsanwendungen mit hoher Belastung wie Steinbrechern und Schreddern erreicht.

„Zu den wichtigsten Materialeigenschaften gehören: einteilig, also keine Naht, konstante Längenerhaltung über die gesamte Lebensdauer des Bandes, Beständigkeit gegen salzhaltige Luft und hohe Luftfeuchtigkeit, Alterung und Ozon sowie Öle und Fette. Außerdem bieten sie eine Temperatur von -55 °C bis +80 °C.“ Arbeitsbereich.

„Diese Eigenschaften machen die Bänder ideal für den Onshore- und Offshore-Einsatz in allen relevanten Klimazonen der Welt“, fügt er hinzu.

Ein interner Vergleich des Antriebsstrangs zwischen einem Adion 8MW-Hybridgetriebe und einem ähnlich bewerteten, hochmodernen kommerziellen Mittelgeschwindigkeitsgetriebe zeigt eine Gewichtsreduzierung von 47 % und die Hälfte der Anzahl rotierender Komponenten, was zur Senkung der Investitions- und Betriebskosten beiträgt und letztendlich lebenszyklusbasierte Energiegestehungskosten.

„Es ist wichtig zu beachten, dass unsere Hybridlösung einen erheblichen Anteil an kostengünstigem Rohstahl enthält, was wesentlich zu einem günstigen Stückkostenpreis beiträgt.“

„Unser modularer Designansatz ermöglicht Reparaturen in Turmhöhen und den einfachen Austausch aller Hauptkomponenten, einschließlich der Riemen. Risikominimierung ist ein wesentlicher Bestandteil unseres Designansatzes und um die Marktakzeptanz dieser Technologie zu erreichen“, sagt Lutz.

Er nennt vier Schlüsselfaktoren, die seinen Optimismus hinsichtlich der Produktentwicklungsstrategie des Unternehmens untermauern.

Erstens werden verteilte Getriebeprinzipien übernommen, die sich bereits in großen Parallelwellen-Antriebssträngen für die Schifffahrt (9–30 MW) bewährt haben.

Zweitens der Einsatz industrieller Carbonfaser-Zahnriemen.

Drittens ein modularer Designansatz, der halbstandardisierte Lastströme umfasst.

Und viertens und letztens ein allgemeiner Fokus auf die Reduzierung von Belastungen und die Minimierung der Lebenszykluskosten.

Ein berüchtigtes, wiederkehrendes Problem bei mechanisch verteilten Antriebssträngen mit mehreren Generatoren besteht darin, dass einzelne Einheiten während des Betriebs nicht automatisch die gleiche Leistung erzeugen.

Die im ersten Jahrzehnt des Jahrhunderts entwickelte 2,5-MW-Turbine Clipper Liberty verfügte über vier Permanentmagnetgeneratoren.

Im Jahr 2006 gab Clipper an, große Anstrengungen unternommen zu haben, um die Lasten zwischen den einzelnen Generatoren zu synchronisieren, und dass fortschrittliche Algorithmen zur Leistungssteuerung die maximale Lastabweichung bei 4 % gehalten hätten. Das US-Unternehmen stellte 2012 die Produktion ein.

Lutz ist mit den Lastsynchronisationsproblemen bei verteilten Getrieben vertraut, glaubt jedoch nicht, dass es bei Adion-Hybridgetrieben zu Problemen kommen wird.

„Der leitende Experte für Generatoren und Leistungselektronik in unserem Kernteam hat sich eingehend mit diesem speziellen Thema befasst“, sagt er.

„Er kam zu dem Schluss, dass unsere Lösung durchaus in der Lage ist, für alle einzelnen Lastströme und passenden Generatoren eine nahezu ähnliche Leistung zu erzielen.“

„Seit 2006 hat die Turbinen- und Generatorsteuerungstechnologie große Fortschritte gemacht. Und die Riemenantriebe in unseren Hybridgetrieben bieten im Vergleich zu herkömmlichen vollmechanischen starren Äquivalenten eine gewisse eingebaute Flexibilität.“

Lutz wendet sich dem Thema der Gesamteffizienz des Adion-Hybridgetriebes im Vergleich zum herkömmlichen Mittelgeschwindigkeitsäquivalent zu.

Ein maximaler Nennwirkungsgradverlust von 2 % bei modernen zweistufigen Planetengetrieben gilt in der Windindustrie als realistischer Wert.

Die Berechnungen von Adion deuten auf vergleichbare Ergebnisse hin: 1 % in der Parallelgetriebestufe mit niedriger Geschwindigkeit und 1 % für den Riemenantrieb.

„Aber wir werden weitere Effizienzgewinne erzielen, weil unser Schmiersystem kleiner und weniger komplex sein kann. Außerdem ist die Temperatur im Getriebe einfacher zu kontrollieren und der Hochlauf in den Kalttemperaturbetrieb geht viel schneller“, sagt Lutz.

Der Schwerpunkt der Produktentwicklung von Adion liegt auf einer 4-MW-Einheit mit einem einzelnen Generator für Onshore und einem 12-MW-Doppelgenerator für Offshore.

Jedes dieser Hybridgetriebe könnte in gängige nicht-integrierte Antriebsstrangkonfigurationen mit entweder Dreipunkt-Rotorlagerung (einzelnes Rotorlager) oder Vierpunkt-Rotorlagerung mit zwei Lagern oder alternativen halbintegrierten Anordnungen passen.

Der nächste Skalierungsschritt auf 20 MW befindet sich in einem früheren Entwicklungsstadium, allerdings ist der gesamte Energiefluss dieses Hybridgetriebes erneut in zwei Lastströme pro Modul aufgeteilt.

Dieser dedizierte Ansatz ermöglicht nach Ansicht von Lutz eine einfachere und schnellere Produktentwicklung, indem er ein begrenztes Risikoprofil beibehält und eine schnellere Markteinführung im Vergleich zu herkömmlichen vollmechanischen Äquivalenten ermöglicht.

„Wir werden bereit sein, wenn die Windindustrie das verlangt“, sagt Lutz.

„Der Entwicklungsstand ist, dass ein vollständig berechnetes Hybridgetriebedesign fertig ist und die Einreichung der Patentanmeldung abgeschlossen ist. Die Reaktionen unseres Patentanwalts und die Gespräche mit potenziellen Kunden waren sehr ermutigend und wir sind zuversichtlich, dass im Jahr 2020 ein erstes Patent erteilt werden könnte.“ .

„Der nächste Schritt besteht darin, einen Investor für einen 4-MW-Prototyp in Originalgröße zu finden und ihn dann zu bauen, zu testen und zu validieren.

„Da wir ein spezialisierter Technologieentwickler sind, besteht unser zukünftiges Ziel darin, entweder nicht-exklusive Lizenzen für geistiges Eigentum oder vollständige IP-Rechte an interessierte Dritte wie OEMs und Komponentenlieferanten weltweit zu verkaufen“, sagt er.

Riemenantriebe sind als unkomplizierte Antriebselemente bekannt und werden in vielen Anwendungen eingesetzt, von schweren Industrie- und Landmaschinen über Haushaltsgeräte wie Waschmaschinen bis hin zu Automotoren und Motorrädern.

Ein bekanntes Beispiel in letzterer Kategorie ist die neueste Generation von Zahnriemen, die in einigen Harley-Davidson- und BMW-Motorrädern als Alternative zum herkömmlichen Kettenantrieb zwischen Getriebe und Hinterrad eingesetzt werden.

Diese vollständig freiliegenden Zahnriemen sind rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt, darunter Regen, Staub und Schmutz, hohe Stoßbelastungen und ständige Lastwechsel.

Eine frühe traditionelle Keilriemen-Windturbinenanwendung war der erste 33-kW-Vestas-V10-Prototyp von 1979. Dieser war zwei Jahrzehnte lang in Westjütland, Dänemark, in Betrieb, bevor er, noch in betriebsfähigem Zustand, abgebaut wurde.

Der einfache Hybridantriebsstrang kombiniert ein landwirtschaftliches Getriebe und einen Keilriemen, der den Generator antreibt, was weitaus weniger effizient ist und auf niedrige Leistungsstufen beschränkt ist.

Eine neuere Anwendung von Zahnriemen sind Pitchsysteme von Windkraftanlagen. Diese innovative und nahezu wartungsfreie Lösung, die vom emeritierten Professor Friedrich Klinger entwickelt wurde, wurde erstmals 1997 in einen 600-kW-Genesys-Prototyp mit Direktantrieb und später in kommerzielle Vensys-Turbinen (Goldwind) integriert.

Geringer Wartungsaufwand … Genesys 600-kW-Prototyp mit Zahnriemen-Windturbinen-Pitchsystem