Zenergy Power GmbH

Zenergy Power GmbH
The superconductor energy technology company
Braunschweiger Supraleiterseminar
24-06-2010, Dipl.-Ing. & Dipl.-Wirt. Ing. (FH) Daniel Schmickler
German Environmental Price 2009
Confidential & Proprietary [1]
Agenda
Firmenvorstellung
Hocheffiziente supraleitende Generatoren zur Ertragssteigerung von Laufwasserkraftwerken
Zenergy Power Projekte im Bereich Wasserkraft
Supraleiter-Technologie
Vorteile von supraleitenden Generatoren
Zusammenfassung
Confidential & Proprietary [2]
Zenergy Power – Global Player
 Mehr als 100
Mitarbeiter in
Deutschland, USA,
Australien und
Großbritannien
Zenergy Power plc
One American Square, Crosswall
London, EC3N 2SG, UK
Zenergy Power Inc.
Zenergy Power GmbH
Zenergy Power Pty Ltd.
(ehemals SC Power Systems)
1616 Rollins Road
Burlingame CA 94019, USA
(ehemals Trithor GmbH)
Heisenbergstraße 16
53359 Rheinbach, Germany
(ehemals Australian Superconductors)
Suite 7, 1 Lowden Square
Wollongong, NSW 2500, Australien
 Gelistet an der
London Stock
Exchange Segment
AIM: ZEN.L,
Marktkapitalisierung:
£60m
 Mehr als 170 Patente
und patentierte
Anwendungen
Confidential & Proprietary [3]
Zenergy Power – Supraleitertechnologie für Wachstumsmärkte
Entwickler und
Lieferant von
supraleitendem
Draht
Hersteller und
Lieferant von
supraleitenden
Spulen
Partner:
Supraleitende Motoren/Generatoren
Erneuerbare Energie
Anbieter von
supraleitenden
Systemen
Draht
Spule
Fehlerstrombegrenzer (FCL)
Elektrische Netze
Partner:
Magnetische Blockerwärmung (MBH)
Metallverarbeitende Industrie
Confidential & Proprietary [4]
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 Commission
Erster 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
Confidential & Proprietary [5]
Kompakte & effiziente Generatoren zur Ertragssteigerung von
Wasserkraftwerken
Confidential & Proprietary [6]
HYDROGENIE – Entwicklungsprojekt mit
Modernisierung des Laufwasserkraftwerks in Hirschaid durch den
Einsatz eines supraleitenden Generators
- Der weltweit erste kompakte supraleitende Wasserkraftgenerator
geht ins Netz der E.ON
- Turbinenerneuerung und damit verbundene Erhöhung der
Generatorausgangsleistung bei gleichzeitigen baulichen
Einschränkungen (Denkmalschutz) macht Prototypen wirtschaftlich
- Höhere Leistungsdichte des supraleitenden Generators ermöglicht
1,7 MVA in der Baugröße von 1,25 MVA
- 36%ige Erhöhung der Generatorausgangsleistung
Confidential & Proprietary [7]
Aufbau eines Synchrongenerators mit Kupfererregerwicklung
Stator
Eisenzähne
Kupferwicklung
Vorteil:
Etabliertes System
Steuerbares Erregersystem
Eisenrückschluss
Rotor
Kupferwicklungen
Nachteil:
Eisen in den Statorzähnen
begrenzt das magnetische Feld im
Luftspalt & die Stromdichte im
Stator
Große Abmessungen, hohes
Gewicht
Confidential & Proprietary [8]
Aufbau eines permanenterregten Synchrongenerators
Stator
Eisenzähne
Kupferwicklung
Vorteil:
Erster innovativer Schritt
Kleiner als konventioneller
Synchrongenerator
Eisenrückschluss
Rotor
Permanent-Magnete
Nachteil:
Eisen in den Statorzähnen
begrenzt das magnetische Feld im
Luftspalt & die Stromdichte im
Stator
Immer erregt, kein steuerbares
Erregersystem
(Ausbrennproblematik)
Confidential & Proprietary [9]
Aufbau eines supraleitenden Generators mit konventionellem Stator
Stator
Vorteil:
Eisenzähne
Höherer Wirkungsgrad als konventionelle
Generatoren
Kupferwicklung
Reduzierte Rotorverluste
Eisenrückschluss
Steuerbares Erregersystem
Supraleitende
Nachteil:
Spulen
Eisen in den Statorzähnen begrenzt das
Rotor
magnetische Feld im Luftspalt
Risiko durch neue Komponenten: Kühler
Kryostat
& Kompressor
Designvariante A:
Stator mit Eisenzähnen & Rotor mit magnetischen Polkörpern (warm /kalt)
Vorteil: weniger supraleitender Draht
Nachteil: gegebenenfalls größere kalte Masse
Designvariante B:
Stator mit Eisenzähnen & Rotor mit unmagnetischen Polkörpern
Vorteil: geringere kalte Masse
Nachteil: mehr supraleitender Draht
Confidential & Proprietary [10]
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 den
Einsatz in Pumpspeicherkraftwerken
 Test und betriebliche Optimierung der neuen Technik (Verfügbarkeit)
Confidential & Proprietary [11]
HYDROGENIE – Laufwasserkraftwerk Hirschaid von Außen
Kraftwerksdaten:






Inbetriebnahmejahr:
Ausbaufallhöhe:
Ausbaudurchfluß:
Ausbauleistung:
Regelarbeitsvermögen:
Anzahl der Maschinensätze:
1923
9,40 m
50 m³/s
3,2 MW
24,4 GWh/a
3
Confidential & Proprietary [12]
HYDROGENIE – Laufwasserkraftwerk Hirschaid von Innen
Generatordaten:






Leistung:
Spannung:
Polzahl:
Drehzahl:
Durchgangsdrehzahl:
Wirkungsgrad:
1,25 MW
5,25 kV
28
214 Upm
450 Upm
ca. 86%
Confidential & Proprietary [13]
HYDROGENIE – Upgrade des Laufwasserkraftwerks Hirschaid
Generatordaten:






Leistung:
Spannung:
Polzahl:
Drehzahl:
Durchgangsdrehzahl:
Wirkungsgrad:
1,79 MW
5,25 kV
28
214 Upm
450 Upm
ca. 98,5%
Images courtesy of Converteam
Confidential & Proprietary [14]
HYDROGENIE – Maschinendesign
Konventioneller Stator
Wirbelstrom Schild
Drehmoment/Thermische
Verbindung
Vakuum Behälter
Supraleitende
Feldwicklung
Rotor
Erreger
Rotierende
Kupplung
Projektinhalt:
Supraleitender direktangetriebener
Wasserkraftgenerator mit horizontaler Welle
angetrieben durch eine Zwillings-Francis-Turbine
 Auslegung: 1789kVA, 1700 kW, 5250V, 28 Pole,
0.95 pf, 214 rpm
 Baugrößenkompatibilität stand im Vordergrund
 Gewichtsreduktion ist bei Wasserkraftgeneratoren
im allgemeinen nicht sinnvoll, da
hoheTrägheitsmomente gefordert sind
Turbinenkupplung
Image courtesy of Converteam
Designvariante A: Konventioneller Stator mit
Eisenzähnen & Rotor mit magnetischen Polkörpern (warm)
Confidential & Proprietary [15]
HYDROGENIE – Generatorfertigung
Statorbau
Image courtesy of Converteam
Statoreisenkern
Image courtesy of Converteam
Statorgehäuse
Confidential & Proprietary [16]
HYDROGENIE – Generatorfertigung
Rotorbau
Image courtesy of Converteam
Rotor gelagert
Image courtesy of Converteam
Erster Rotortestlauf
Confidential & Proprietary [17]
HYDROGENIE – Generatorfertigung
Rotorbau
Image courtesy of Converteam
Rotorspindel und Pole
Image courtesy of Converteam
Verbindung von Spindel & Achse
Confidential & Proprietary [18]
HYDROGENIE – Spulenfertigung
Satz von Spulenformern
Testspule
Fertige supraleitende Spule
Confidential & Proprietary [19]
HYDROGENIE – Generatorfertigung
Image courtesy of Converteam
Rotor mit supraleitenden Spulen
Image courtesy of Converteam
Rotor mit Kryostat
Confidential & Proprietary [20]
HYDROGENIE – Generatordaten
Parameter
Nominal power
Nominal voltage (50 Hz)
Nominal Torque
Symbol
P
U
MN
Unit
kW
kV
kNm
Superconducting Generator
1790
3~AC 5,25
77.3
Conventional Generator
1250
3~AC 5,25
73.5
Nominal speed
n
rpm
214
214
Over speed
no
rpm
320
320
Runaway speed
nr
rpm
450
450
p
xd
IN
Ik/IN
P30K
PRR
η
LxWxH
LxW
Hs
m
p.u.
A
W
kW
%
m
mm
mm
to
28
0.209
197
Class F
4.78
Yes
200
25
98,5
4.7 x 5.2 x 3.5
3300 x 5200
700
Stator=16500kg;
Rotor+vacuum chamber=16205kg
28
4.3
181
Unknown
0.23 (calculated from 1/synch reactance)
Limited
n/a
n/a
~86 (old design of machine)
4.1 x 5.2 x 4.4
4100 x 5200
700
Unknown
Number of poles
Synchronous reactance
Nominal current (per phase)
Thermo class stator winding
Steady short circuit current/nominal current ratio
Under excited operation at cos ρ=0
Nominal cryo cooler power at 25 kW
Required electrical power for 2 cryo-coolers
Efficiency (cosρ=1), cryo-cooler included
Length x Width x Height (including cooling system)
Foot print
Shaft height (shaft centreline to station floor)
Weight
Confidential & Proprietary [21]
Aufbau eines supraleitenden Generators mit Luftspaltwicklung
Stator
Unmagnetische Isolation
Kupfer-Luftspaltwicklung
Eisenrückschluss
Rotor
Kryostat
Supraleitende
Spulen
Vorteile:
Kleinste & effizienteste Maschine aufgrund von
höchsten Feldstärken im Luftspalt und höherem
Statorstrombelag
Stark reduzierte Rotor & Eisenverluste
Steuerbares Erregersystem
Hohe Überlastfähigkeit
Nachteile:
Risiko durch neue Komponenten: Kühler &
Kompressor
Designvariante C:
Luftspaltstatorwicklung & Rotor mit magnetischen Polkörpern (warm /kalt)
Vorteil: Rotoreisen hochgesättigt / Reduzierung von Größe & Gewicht
Nachteil: gegebenenfalls größere kalte Masse
Designvariante D:
Luftspaltstatorwicklung & Rotor mit unmagnetischen Polkörpern
Vorteil: geringere kalte Masse, signifikante Reduzierung von Größe & Gewicht
Nachteil: mehr supraleitender Draht
Confidential & Proprietary [22]
Supraleitender Schiffsmotor mit Luftspaltwicklung
Bürstenlose
Erregung
Projektinhalt:
Bau eines supraleitenden
Schiffsantriebs
KlemmKasten
Luftspaltwicklung
aus Kupfer
Gehäuse
 Schiffsgeneratoren sollten so leicht
wie möglich sein, deshalb stand bei
diesem Technologie- Demonstrator
die Reduzierung der Masse im
Vordergrund
VakuumBehälter
Supraleitende
Rotorwicklung
StatorRückschluss
Elektromechanisches Schild
Antriebswelle
Lager
Quelle: AMSC, Superconductors on the High Seas,
New ship motors propel a quiet revolution, By Elizabeth A. Bretz,
Designvariante D: Luftspaltwicklung & Rotor mit unmagnetischen Polkörpern
Confidential & Proprietary [23]
Referenzen von Generatoren / Motoren mit Hochtemperatursupraleitern
(Punkte markieren den Projektbeginn)
[MW, MVAR]
Generator: 40 MW Motor: 36,5 MW, 120 rpm
SuperVAR Maschine: 8 MVAR, 1800 rpm
Generator: 10MVA,11 rpm
Motor: 5 MW, 230 rpm
Generator: 4 MVA, 3600 rpm
Motor: 4 MW, 1800 rpm
Motor: 730 kW
Motor: 400 kW, 1500 rpm
Motor: 4 MW, 120 rpm
Generator: 8/10 MVA, 12 rpm
Motor: 2 MW, 200 rpm
Generator: 1,7 MVA, 214 rpm
Motor: 250 kW, 1500 rpm
Generator: 1 MVA, 700 rpm (2x)
Generator: 0,5 MVA, 30 rpm
Motor: 75 kW
Motor: 4 kW
Motor: 1,5 kW
Confidential & Proprietary [24]
Einsatz von supraleitenden Generatoren in Wasserkraftwerken
Derzeitige Situation:
 Jedes Wasserkraftwerk ist in gewisser Weise ein Unikat mit
unterschiedlichen Anforderungen an die Technik
 Der Generator wurde speziell für diese Anforderungen
designt
 Wasserkraftgeneratoren sind folglich deutlich teurer als z.B.
Generatoren für die Windkraft
Supraleitende Generatoren ermöglichen Paradigmenwechsel:
 Kompaktheit ermöglicht einen Antwort auf unterschiedlichste
Anforderungen
 Kompaktheit ermöglicht eine Standardisierung
 Standardisierung ermöglicht eine Kostenreduktion
Confidential & Proprietary [25]
Effizienzsteigerung durch den Einsatz von Supraleitern
Wirkungsgradvergleich unterschiedlicher Generatortypen
Erhöhung des Wirkungsgrades
- Erhöhter elektrischer
Energiegewinn durch den
Einsatz von Supraleitern
- Wirkungsgradgewinn abhängig
von zu ersetzender Maschine
(2-8%)
- Keine Rotorverluste
Quelle: Converteam
Confidential & Proprietary [26]
Effizienzsteigerung durch den Einsatz einer variablen Drehzahl
Wirkungsgradvergleich variable Drehzahl & feste Drehzahl
Effizienz (η) / Maximale Effizienz (ηmax)
1.2
Erhöhung des Wirkungsgrades
- Steigerung des elektrischen
Energiegewinns bei
reduzierten Durchflüssen
- Ausnutzung des
Überlaufwassers möglich,
wenn Rahmenbedingungen
dies zulassen
1
0.8
0.6
Variable Drehzahl
0.4
Konstante Drehzahl
0.2
Erhöhtes Schluckvermögen
Quelle: Universität Stuttgart, Institut für
Strömungsmechanik und hydraulische
Strömungsmaschinen
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
Durchfluss (Q) / Nominaler Durchfluss (QN)
Confidential & Proprietary [27]
Kompakte Bauweise
Reduzierung von Größe & Gewicht
- Bei konventionellen Generatoren
gleicher Leistung (ca. 60-80%)
- Bei PMG-Maschinen (ca. 30%-50%)
- Einfacher Transport
- Fabrikfertige Montage
- Ermöglicht Modernisierung
denkmalgeschützter Gebäude
Generator Durchmesser
Generator Gewicht
Konventioneller Generator
(6MW)
Supraleitender Generator
(6MW)
9m
3m
450t
80t
Nur für illustrative Zwecke: Diese Zahlen sind geschätzt und variieren je nachdem welcher Turbinentyp betrachtet wird.
10 MW
Supraleitend
4 MW PM
8 MW Kupfer
Confidential & Proprietary [28]
Vorteile der Technologie für die Wasserkraft
1. Supraleitende Generatoren:
2. Variable Drehzahl:
Erhöhung des Generatorwirkungsgrades (auf ca. 99%)
Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades
- 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 dadurch
Erhöhung der Ständerkühlkapazität
Technologie dient der CO2-Vermeidung, damit der
Umwelt und reduziert Stromkosten!
-
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 in
das Netz zur Erhöhung der Netzstabilität
Verbesserte Blindleistungskapazität
-
Erhöhung des Blindleistungsvermögens
Ermöglicht beste Chancen in einem sich herausbildenden Markt für
Blindleistungskompensation
Confidential & Proprietary [29]
BLUE RIVER – Projekt mit
Ermittlung des Mehrertrags an Jahresarbeit durch den Einsatz von
supraleitenden 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 Kraftwerkskette 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.
Confidential & Proprietary [30]
Bevorzugte Untersuchungsstandorte
Laufwasserkraftwerke die möglichst viele der folgende Eigenschaften erfüllen, profitieren am
stärksten durch den Einsatz von supraleitenden Generatoren:
- Maschinen die aufgrund starker Fallhöhenschwankungen (Fallhöhe < 20m) keinen gleichmäßigen
Arbeitspunkt 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 kompakte
Bauweise erforderlich ist
- Keine doppeltregulierte Turbinen verwendet werden
- Ein Teil des Wassers ungenutzt am Überlauf verloren geht
Confidential & Proprietary [31]
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
Confidential & Proprietary [32]
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:
Information für Investoren:
Produktinformationen:
Website:
[email protected]
[email protected]
[email protected]
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]
German Environmental Price 2009
Confidential & Proprietary [33]