DEMIKS
Rotationsmassenspeicher in Verbindung mit Windkraftanlagen
| Finanzierung: | Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi), Projektträger Jülich |
| Förderkennzeichen: | FKZ 03ET6102 |
| Partner: | IBAF Engineering GmbH, SKM GmbH, Adenso GmbH, Bitsz electronic GmbH, VSB Holding GmbH |
| Laufzeit: | 11/2016 - 08/2021 |
| Kontakt: | Thomas Breitenbach |
Die deutsche Bundesregierung hat Meilensteine für den Ausbau erneuerbarer Energien in ihrem Energiekonzept aus dem Jahr 2010 und im Klimaschutzplan 2050 gesetzt. Bis zum Jahr 2050 soll der Primärenergieverbrauch um 50 % gegenüber dem Jahr 2008 sinken, der Anteil erneuerbarer Energien am Endenergieverbrauch auf 60 % steigen und die Treibhausemission um mindestens 80 % gegenüber dem Jahr 1990 sinken.
Um das zu erreichen werden zum Ausgleich von Angebot und Nachfrage neue Verfahren benötigt, um die witterungsbedingte und im Jahresverlauf variierende Verfügbarkeit erneuerbarer Energien mit der Zunahme ihres Versorgungsanteils auszugleichen. Dazu zählen, neben intelligenten Steuer-ungsinstrumenten und strombasierten Gasen und Kraftstoffen, Stromspeicher.
Dabei sind viele der genannten Entwicklungen technisch noch nicht ausgereift oder können noch nicht wirtschaftlich betrieben werden. Ziel muss es daher sein, die Einsatzfähigkeit von Energietechnologien wie Stromspeichern voranzutreiben, um die Integration erneuerbarer Energien sowie den schnellen Transfer von Forschungsergebnissen in die Anwendung und in den Markt zu ermöglichen.
Angesichts dieser Tendenzen sollen mit Hilfe des Vorhabens DEMIKS innovative Erkenntnisse auf dem Gebiet einrotoriger Rotationsmassenspeicher (RKS) erarbeitet werden.
Projektpartner
Die inhaltliche Bearbeitung des Projektes DEMIKS erfolgt durch ein Konsortium, bestehend aus fünf Industrieunternehmen und einer Forschungseinrichtung.
Die Forschungsarbeiten an der Stiftungsprofessur für Baumaschinen der TU Dresden umfassen grundlegende Untersuchungen von Einzelkomponenten bis hin zu komplexen Betrachtungen technischer Systeme sowie ihrer Interaktion mit dem Bediener und der Umgebung. Sowohl die konstruktive Entwicklung als auch die Anwendung neuer Simulationsmethoden gehören zu alltäglichen Aufgaben. Dies schließt die Betrachtung von Steuerungen und Regelungen, numerische Analysen (statisch und dynamisch), die Mehrkörpersimulation bis hin zur Simulation von Erdstoffen mit der Diskreten-Element-Methode (DEM) und lösungsoptimierter Algorithmen mit ein. Erfahrungen mit Schaltungen für elektrische Hochspannungsanwendungen sowie Kenntnisse zur Simulation und Berechnung elektrischer Antriebe liegen ebenso vor.
Aufgabe: Projektleitung, ganzheitliche Systembetrachtungen und -simulation
Als Koordinator des Forschungsvorhabens ist die TU Dresden zentraler Anlaufpunkt der beteiligten Projektpartner. Durch ihre Kompetenzen übergreifende Rolle ist die TU Dresden in die technische Entwicklung jeder Systembaugruppe involviert und mit der Klärung sowie Abstimmung der wechselseitigen Schnittstellen betraut. Durch ihren ganzheitlichen Blick auf das System des rotationkinetischen Speichers entwickelt und unterstützt die TU Dresden sowohl auf Komponenten- wie auch auf Gesamtsystemebene konstruktiv, mit den Methoden der Finiten Elemente, durch multiphysikalische Simulationsmodelle sowie mit Steuerungsalgorithmen.
Die IBAF Engineering GmbH versteht sich als Entwicklungspartner in den Bereichen Baumaschinen, Antriebs-, Förder- und Anlagentechnik. Dabei agiert IBAF Engineering GmbH nicht nur als verlängerte Werkbank, sondern als Problemlöser und beratender Partner.
In zahlreichen Projekten wurden in Zusammenarbeit mit Kunden problemspezifische Lösungen entwickelt, wobei die IBAF Engineering GmbH je nach Kundenwunsch sowohl in der Rolle eines Berechnungsdienstleisters auftritt, als auch die Entwicklungsverantwortung für Gesamtsysteme übernommen hat.
Speziell bei der Entwicklung von Großantrieben für Windenergieanlagen, Bau- und Miningmaschinen sowie Schienenfahrzeugen konnte die IBAF aufgrund ihrer langjährigen Tätigkeit umfassende Methodenkompetenzen aufbauen. Diese umfassen neben der Ermittlung von Last- und Bewegungskollektiven für antriebstechnische Komponenten auch die ganzheitliche schwingungstechnische Optimierung durch starrkörperkinetische und elastokinetische Simulationen sowie die einsatzgerechte Komponentenauswahl und Schnittstellenoptimierung.
Ergänzt werden diese Methodenkompetenzen durch produkt- bzw. branchenspezifisches Wissen bezüglich der zu erwartenden Betriebsbedingungen sowie gesetzlicher Rahmenbedingungen und Vorschriften.
Insbesondere in den Bereichen Festigkeitsanalyse, Strukturoptimierung sowie Tribologie und Verschleißanalyse wurden gezielt Kompetenzen aufgebaut und Personalentwicklung betrieben.
Aufgabe: Auslegung und Berechnung von Rotor
Der Rotor ist die zentrale Komponente des rotationskinetischen Speichers, der Ausschlag gebend für die erreichte Kapazität des Speichers ist. Die IBAF GmbH ist mit der Auslegung und Berechnung des mehrere Dekatonnen schweren Rotors befasst. Die besonderen Herausforderungen der Rotorentwicklung liegen in der Dimension des Rotors, die dynamischen Verhaltenseigenschaften und den Forderungen nach einer möglichst hohen Speicherkapazität, die einen Kompromiss zwischen physikalischer und fertigungstechnologischer Machbarkeit darstellen.
Die SKM GmbH ist ein Produzent von Sondermaschinen und fördertechnischer Ausrüstungen für verschiedene Branchen: den Bergbau, die Baustoffindustrie, die Recyclingtechnik, den Fahrzeugbau und die Kraftwerkstechnik.
Mit seinen Wurzeln in der Tagebautechnik hat das Unternehmen in über 20 Jahren unzählige Projekte erfolgreich durchgeführt und sich insbesondere im Sondermaschinenbau stark profiliert. Vorteil ist, dass der gesamte Prozess von der Entwicklung über die Fertigung, Montage und Inbetriebnahme am Hauptsitz in Boxberg/O.L. stattfindet und so Schnittstellen zugunsten des Kunden minimiert werden. So entstehen nach der Devise „No ordinary engineering“ maßgeschneiderte Sonderlösungen für sehr spezielle Herausforderungen. Jede Komponente, jede Maschine ist ein Unikat und nur für den Kunden bzw. seine Anforderungen gemacht. Durch die branchenübergreifenden Tätigkeiten im Sondermaschinenbau ist bei der SKM GmbH bereits viel Spezialwissen in der Entwickelung und im Bau von Sonderkonstruktionen vorhanden.
Auch auf diesem Gebiet der Komponentenintegration verfügt SKM über zahlreiche Erfahrungen. SKM fertigt am Standort Boxberg/O.L. vom einfachen Schweißteil bis zu hochkomplexen Stahlkonstruktionen mit dynamisch hochbelasteten Schweißnähten für große Tagebaugeräte und für fördertechnische Anlagen aller Art. SKM übernimmt die Fertigung von Serien wie auch Einzelstücken und montiert auch ganze Baugruppen. Dabei werden elektrische, pneumatische oder hydraulische Komponenten sowie Sensorik und Steuerungen verbaut.
Aufgabe: Konstruktion, Fertigung und Montage der Stator-Tragstruktur
Den Rahmen des rotationskinetischen Speichers bildet die Stator-Tragstruktur, die die Eigen- und Prozesslasten der Systembaugruppe, wie bspw. Rotor, E-Maschine, Radiallager aufnimmt und in das Fundament einleitet. Die SKM GmbH entwickelt, konstruiert und fertigt die Stator-Tragstruktur, die dem Rotor in Massen und Dimension mehr als ebenbürtig ist. Weiterhin übernimmt die SKM GmbH die Vor- und Hauptmontage der mehrere Tonnen wiegenden Teilstrukturen des RKS-Demonstrators.
ADENSO GmbH ist ein unabhängiger Technologieentwickler und Spezialist für alle Arten von Hochvakuum-Anwendungen, angefangen vom Forschungssektor mit eher geringen Substratabmessungen aber enormer Prozessvielfalt, bis hin zu industriellen Produktionsanlagen mit Bauteilabmessungen > 1 m3, wobei bisher als Substrate Kunststoffe, Metalle und Keramiken zum Einsatz kamen.
Neueste Entwicklungen befassen sich mit der Prozessierung von flexiblen Gläsern. Besonderes Know-how besteht in den Bereichen Substrathandling und R2R, wo Adenso mit eigenen Produkten erfolgreich im Markt präsent ist.
Aufgabe: Konstruktion und Auslegung der Vakuumkammer und der Vakuumanlage
Die hohe Umfangsgeschwindigkeit des Rotors nahe der Schallgeschwindigkeit erzeugt hohe Reibungsverluste mit der umgebenden Luft, die durch die Implementierung eines lokalen Vakuums kompensiert werden sollen.
Die Adenso GmbH konstruiert die dafür erforderliche Vakuumkammer unter Berücksichtigung der angrenzenden Systembaugruppen, wie Rotor und Stator. Neben der Rotor umschließenden Vakuumkammer legt die Adenso GmbH die zur Vakuumerzeugung notwendige Vakuumpumpentechnik auf die Erfordernisse am rotationskinetischen Speicher aus.
BITSz electronics GmbH ist ein Produzent und Dienstleister für elektronische Systeme, vor allem im Bereich der elektrischen Antriebstechnik und von leistungselektronischen Sonderlösungen. Hierfür werden bisher regelmäßig elektrische und elektromagnetische Auslegungen im Leistungsbereich bis 100 kW vorgenommen. Die Auslegungen werden zu Systementwürfen weiterentwickelt und für komplexe Anwendungen zunächst im virtuellen Modell erprobt, wobei bisher keine Einbindung dynamischer mechanischer Modelle erfolgt. Für die konstruktive Umsetzung von Antriebssystemen bzw. von Modifikationen an Antrieben sowie für mechanische Schnittstellen gibt es umfassende Erfahrungen mit Solid Edge STR. Für die prototypische Umsetzung wird bisher auf die Einbindung von Zerspanungstechnologien mittels CAM Works gesetzt. Kompetenzen für die additive Fertigung werden z.Zt. aufgebaut. Die softwaretechnische Umsetzung von Steuerungsfunktionen für Stromrichter erfolgt im Antriebsbereich bisher über eine komplette Systementwicklung, d.h. alle Steuerungsfunktionen und die Hardware werden selbst entwickelt, wobei die präferierte Plattform dafür FPGA ist. Für die Entwicklung von Funktionen liegen Erfahrungen mit Quartus (VHDL) und diversen Systemen für die SPS Entwicklung vor.
Aufgabe: Entwicklung und Fertigung der Elektrik und Elektronik
Die Regelung der Leistungsflüsse zwischen öffentlichen Versorgungsnetz und RKS-Speicher sowie ihre Wandlung zwischen elektrischer und mechanischer Leistung wird von Leistungselektronik und -maschinen übernommen, die von der BITSz electronics GmbH ausgelegt werden. Sie entwickelt und fertigt zudem den Steuerrechner des Speichers mit den notwendigen Sensor- und Kommunikationsschnittstellen.
Ergänzung zur Hardware ist die BITSz electronics GmbH mit der softwareseitigen Kopplung des Steuerrechners mit dem Frequenzumrichter sowie der Implementierung des Steuerungsalgorithmus auf dem Steuerrechner befasst.
Die VSB Service GmbH ist seit dem Jahr 1999 Technischer Betriebsführer für Windenergie- und Photovoltaikanlagen sowie Umspannwerke. Sie betreuen mehr als 300 Erneuerbare Energien Anlagen mit einer installierten Nennleistung von 500 MW. Darüber hinaus sind Sie Partner für die Technische Due Diligence sowie bei der Direktvermarktung und beraten in allen Fragen des Arbeitsschutzes bis zur Erstellung von Gefährdungsbeurteilungen und Betriebsanweisungen.
Als Technischer Dienstleister sind wir ständig auf der Suche nach innovativen Ideen, die wir für unsere Kunden verwirklichen können. Die RKS-Technologie hat - nicht nur in Windparks – langfristig Potenzial, Erneuerbare Energien besser als bisher in das Stromnetz zu integrieren.
Durch Innovationen schaffen wir es, für unsere Kunden stets die höchstmöglichen Erträge zu sichern und einen reibungslosen Anlagenbetrieb zu gewährleisten. Aufgrund unserer langjährigen Erfahrung wissen wir, welche Faktoren für einen erfolgreichen und rentablen Betrieb entscheidend sind.
Für unseren Erfolg setzen wir auf langfristige und nachhaltige Kooperationen. Die VSB Service GmbH ist aktives Mitglied im Betriebsführerbeirat des Bundesverbandes Windenergie und engagiert sich sozial in der Stiftung „Zukunft schützen“. Ein nach ISO 9001:2008 zertifiziertes Qualitätsmanagementsystem unterstreicht unseren eigenen Anspruch.
Aufgabe: Anschluss des Speichersystems am Stromnetz
Ein wichtiges Ziel des Forschungsvorhabens ist der Betrieb des rotationskinetischen Speichers in Verbindung mit Windkraftanlagen. Die VSB ermöglicht den Zugang zum Windpark und übernimmt den technischen Anschluss der RKS-Testumgebung an das Stromnetz. Weiterhin untersucht die VSB Service GmbH in Abstimmung mit Netzbetreibern mögliche Vermarktungsziele und die daraus resultierenden Anforderungen an den RKS-Speicher.
Industriepartner
