Aus der Notwendigkeit heraus, teure Seltene-Erden-Magnete in Windkraftanlagen mit Direktantrieb zu eliminieren, haben Forscher der Sandia National Laboratories einen grundlegend neuen Typ von elektrischen Drehkontakten entwickelt. Sandia ist nun bereit, mit der Industrie für erneuerbare Energien zusammenzuarbeiten, um die nächste Generation von Windkraftanlagen mit Direktantrieb zu entwickeln.
Die Twistact-Technologie von Sandia verfolgt einen neuartigen Ansatz zur Übertragung von elektrischem Strom zwischen einem feststehenden und einem rotierenden Rahmen oder zwischen zwei rotierenden Baugruppen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten oder Drehrichtungen, der sich ideal für den Einsatz in Windkraftanlagen eignet.
„Twistact entstand, indem wir uns einige wirklich herausfordernde Fragen stellten“, sagte Jeff Koplow, Sandia-Forscher und Ingenieur. „Wir wussten, dass es etwas ganz Neues sein könnte, wenn wir einen Weg finden könnten, die begrenzte Lebensdauer herkömmlicher elektrischer Drehkontakte zu umgehen. Ich habe mir überlegt, dass vielleicht noch nicht an jede denkbare Architektur von elektrischen Drehkontakten gedacht worden ist. Wir haben viel Zeit damit verbracht, zu überlegen, ob es noch einen anderen plausiblen Weg gibt.“
Die daraus resultierende Neuerung, Twistact, verwendet einen reinen Rollkontakt, um elektrischen Strom über einen Pfad mit extrem niedrigem Widerstand zu übertragen. Die Technologie erweist sich als vorteilhaft für die Senkung der Kosten, die Verbesserung der Nachhaltigkeit und die Reduzierung der Wartung.
Keine Abhängigkeit mehr von Seltenerdmetallen
Die meisten der derzeitigen Windturbinen sind auf Seltene-Erden-Magnete angewiesen, so Koplow. Diese Materialien verursachen hohe Anschaffungskosten und sind anfällig für Unwägbarkeiten in der Lieferkette. Im Jahr 2011 gab es zum Beispiel eine Krise in der Lieferkette für Seltene Erden, die den Preis für Neodym und Dysprosium, die beiden für solche Magnete häufig verwendeten Seltenen Erden, in die Höhe schnellen ließ. Dies könnte das Wachstum der Windkraftindustrie behindern. Das Sandia-Team begann damals mit der Entwicklung von Twistact, um die wachsende Windindustrie vor zukünftigen Störungen zu schützen.
„Wenn man bedenkt, dass Seltene Erden schon immer knapp waren, dass ihr Abbau für seine negativen Auswirkungen auf die Umwelt berüchtigt ist und dass konkurrierende Anwendungen wie Elektrofahrzeuge ebenfalls einen Bedarf an Seltenen Erden haben, wird der Wertbeitrag von Twistact deutlich“, so Koplow.
Keine Kosten für Wartung oder Austausch
Darüber hinaus wirkt Sandias Twistact-Technologie zwei physikalischen Degradationsprozessen entgegen, die bei wartungsintensiven Bürsten- oder Schleifringüberträgern häufig auftreten – Schleifkontakte und elektrische Lichtbögen. Diese einschränkenden Faktoren vermindern die Leistung herkömmlicher elektrischer Drehkontakte und führen zu einer kurzen Betriebslebensdauer und hohen Wartungs- oder Austauschkosten.
Twistact hingegen hat in Labortests bewiesen, dass es in der Lage ist, eine Multimegawatt-Turbine über die gesamte Betriebszeit von 30 Jahren ohne Wartung oder Austausch zu betreiben. Weitere potenzielle Anwendungen für die Technologie sind Synchronmotoren und -generatoren, elektrifizierte Eisenbahnen und Radartürme. Twistact könnte auch als Ersatz für Bürsten oder Schleifringe in bestehenden Anwendungen eingesetzt werden.
Vorausschauende Investition
Koplow lobt das Forschungs- und Entwicklungsprogramm des Sandia-Labors für sein zukunftsorientiertes Denken bei der Investition in Twistact. „Twistact repräsentiert eine ziemlich radikal andere Idee“, sagte Koplow. „Das erfordert Mut, sich dahinter zu stellen und zu finanzieren.“
Sandia sucht nun nach Möglichkeiten, mit Generatorherstellern und anderen Unternehmen der Branche für erneuerbare Energien zusammenzuarbeiten, um den Transfer der Twistact-Technologie in die nächste Generation von Windkraftanlagen mit Direktantrieb zu unterstützen. Darüber hinaus ist Sandia offen für Partnerschaften bei der Entwicklung der Twistact-Technologie mit hohen Drehzahlen für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge oder doppelt gespeiste Induktionsgeneratoren.
Im vergangenen Dezember wurde Twistact als eine von vier Technologien der National Nuclear Security Administration ausgewählt, um auf dem Frontier Venture Summit vorgestellt zu werden. Diese Veranstaltung wird von FedTech ausgerichtet, einer Venture-Firma, die den Übergang von Technologien aus den Labors auf den Markt unterstützt. Sandia-Forscher präsentierten bei der Veranstaltung auch Retsynth, eine umfassende Software, die Wissenschaftlern bei der Analyse synthetischer Biologie hilft.
