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SKF in Unterwasser-Strömungsturbinen : Ausgabe 01/2018, 12.04.2018

Erneuerbarer Energie auf den Grund gegangen

Unsere Ozeane, die «Wiege des Lebens», sind eine echte Naturgewalt – und stecken somit voller Energie: Allein an Europas Küsten könnten aus der Meeresströmung 48 Terawattstunden pro Jahr gewonnen ­werden. Dieses gigantische Potenzial verpufft bislang jedoch so gut wie ungenutzt. Das wollen umwelt­bewusste Ingenieure nun ändern –auch mit Hilfe spezieller Lösungen von SKF.

Bilder: Atlantis Resources, Andritz Hydro, SKF

In Deutschland stammten vergangenes Jahr rund 52 % des erzeugten Stroms aus fossilen Energieträgern, Frankreich setzte zu 80 % auf die Kernspaltung. Demgegenüber deckt Norwegen schon jetzt mehr als 98 % seines Energiebedarfs aus Wasserkraft. Und Schottland will in drei Jahren seinen gesamten Strom aus erneuerbaren Energien gewinnen. Der Frage, wie sie ihr eigenes Wasserkraftpotenzial optimal nutzen können, gehen die Schotten u. a. hoch oben an ihrer Nordküste auf den Grund – und zwar im wahrsten Sinne des Wortes: Im «Pentland Firth» haben sie in einem ersten Schritt vier 1,5-MW-Gezeitenturbinen auf dem Meeresboden installiert. Daraus soll im Zuge des «MeyGen» genannten Projekts das grösste Gezeitenkraftwerk der Welt hervorgehen. Drei der vier dortigen Pilotturbinen hat Andritz Hydro geliefert, ein weltweit führender Anbieter von elektromechanischen Systemen und Serviceleistungen für Wasserkraftwerke.

13 km/h im Wasser entsprechen 350 km/h an der Luft

Der Standort des Projekts ist mit Bedacht gewählt: MeyGen liegt in einer vergleichsweise flachen Meerenge («Inner Sound») zwischen dem nordschottischen Festland und der Insel Stroma – und damit zugleich zwischen Atlantik und Nordsee. An dieser Stelle erzielen die Gezeiten Strömungsgeschwindigkeiten von gut 3,5 m/s. Das klingt nach wenig, aber weil Wasser rund achthundertmal dichter ist als Luft, werden hier enorme Kräfte frei.

Um diesen Antriebskräften und Maschinenbelastungen zu widerstehen, müssen die dort abgesetzten Unterwasserinstallationen entsprechend robust sein. So wiegen allein die ca. 11 m langen Gondeln der Andritz-Hydro-Turbinen rund 130 t; mit Nabe, Rotorblättern und Verbindung zum Unterbau sind es 200 Tonnen. An der Spitze der Gondeln rotiert ein dreiflügeliger Propeller mit einem Durchmesser von 18 m. Auf dessen Rotorfläche wirken durch das mit 13 km/h strömende Wasser Kräfte ein, wie sie an Land durch einen Orkan mit ca. 350 km/h entstünden. Um den wechselnden Gezeitenströmen sowie Wasserturbulenzen gleichermassen zu widerstehen, werden die Verstellwinkel der Rotorblätter ständig über Blattlager mit Antrieben geregelt und die Gondeln der Strömungsrichtung angepasst. Angesichts der enormen Anforderungen, die dieser spezielle Standort an die zu installierende Technik stellt, war Andritz Hydro von Anfang an klar, dass auch die Lagerungssysteme sowie Hauptwellenabdichtung in den Turbinen höchsten Ansprüchen genügen müssten. Aus diesem Grund hat sich das Unternehmen starke Partner an Bord geholt – darunter SKF sowie den tschechischen Getriebespezialisten Wikov MGI, in dessen Produkten ebenfalls diverse SKF-Lösungen stecken.

Robuste Lager für lange Wartungs­intervalle

«Der zuverlässige Betrieb muss ebenso gewährleistet sein wie die hohe Leistung der eingesetzten Technik», betont Carsten Herrmann aus der Konstruktionsabteilung von Andritz Hydro in DE-Ravensburg, der Fertigungsstätte der Turbinen. Denn die «Hightech-Wasserräder» sollen mindestens 25 Jahre überstehen und nur alle fünf Jahre gewartet werden, weil Serviceeinsätze auf hoher See schwierig, risikoreich und kostenintensiv sind.

Umso wichtiger war es, dass der Turbinenhersteller schon bei der Auslegung der Rotorwellenlagerung, der Berechnung der Nutzungsdauer, bei den dynamischen und statischen Kräfteberechnungen sowie bei der spezifischen Ausführung der Lager kompetente Unterstützung durch die SKF-Experten einholte. «Beispielsweise wurde die Rotorwellenlagerung so konzipiert, dass die extrem hohen Axialkräfte aus dem Wasserstrom sowie parasitäre Biegemomente aus den Rotorblättern gut über die Hauptwelle mit Wälzlagern auf den Maschinenträger abgegeben werden», berichtet Markus Stäblein als zuständiger Ingenieur der Technischen Beratung bei SKF in DE-Schweinfurt. Die Hauptwellen- sowie Blattlagerung wurde genauestens simuliert – mit der SKF-Berechnungssoftware «SimPro Expert» – inklusive Berechnungen gemäss Finite-Elemente-Methode zur Verformung der Gesamtkonstruktion. Dank der frühen Einbindung der Technischen Beratung in die Planungs- und Konstruktionsphase konnte SKF für Andritz Hydro massgeschneiderte Grosslager entwickeln, die für die besonderen Anforderungen im starken Gezeitenstrom an der schottischen Nordküste bestens gewappnet sind.

Spezielle Dichtungen fürs Innenleben

Zu den Herausforderungen im Inner Sound gehört neben der Strömung und dem permanent hohen Wasserdruck in ca. 30 m Tiefe auch der Salzgehalt des Meerwassers samt erhöhter Korrosionsgefahr. Um solchen Bedingungen trotzen zu können, sind seetaugliche Dichtungen erforderlich, wie sie bei der SKF Marine GmbH in DE-Hamburg entwickelt und hergestellt werden. Für die Hauptwelle zum Rotor wurden deshalb besonders robuste Gleitringdichtungen vom Typ «Carboplan Tidal» eingesetzt, die speziell für diese Anwendung konzipiert wurden. «Die hoch verschleissfesten Dichtringe aus Siliziumcarbid werden über Jahre einen sicheren und wartungsarmen Betrieb ermöglichen», so Lars Ziemen, Entwicklungsingenieur bei SKF Marine.

Im «Innenleben» der Turbinen überträgt die langsam laufende Rotorwelle das extreme hohe Antriebsmoment an ein spezielles Getriebe von Wikov MGI. Dieses zeichnet sich durch zwei Planetenstufen mit patentierter «Flex-Pin»-Technologie mit flexiblem Planetenbolzen aus, die für eine bessere Lastverteilung aller im Eingriff befindlichen Planetenräder sorgt und dadurch eine kompaktere Getriebebauform erlaubt. Die Zuverlässigkeit dieses Leistungsverzweigungsgetriebes wiederum hängt zu einem Grossteil von den insgesamt 16 Kegel- und Zylinderrollenlagern ab, die aus den Schweinfurter SKF-Werken stammen. «Mit SimPro Expert haben wir auch das Systemverhalten von Lager, Welle und Gehäuse eingehend untersucht. Und auf Basis der Erkenntnisse aus diesem virtuellen Teststand Lösungen entwickelt, die eine maximale Traglast mit einer hohen Leistungsfähigkeit kombinieren», so Matthias Hofmann aus der Technischen Anwendungsberatung Meeresenergie bei SKF. Darin flossen u. a. auch Erfahrungen mit brünierten Rollenlagern ein, die vorrangig in der Windindustrie eingesetzt werden: Dank deren Beschichtung lässt sich das Risiko von Schlupfschäden minimieren.

Ins kalte Wasser geworfen

Ende 2016 ist die erste Gezeitenströmungsturbine ins knapp 10 °C kalte Wasser abgelassen worden und nahm ihre Arbeit auf. Inzwischen sind ihr zwei weitere gefolgt. Die Gesamtkonstruktionen von Andritz Hydro, die Dichtungen und Lagerkompetenzen von SKF und die Getriebeentwicklung von Wikov – in der schottischen Nordsee vereint zu einem zukunftsträchtigen Projekt, dessen erste Ergebnisse äusserst vielversprechend sind: Im August 2017 erzielte MeyGen mit 700 MWh einen neuen Weltrekord für diese Art von Gezeitenkraftwerken, obwohl zu diesem Zeitpunkt nur zwei der insgesamt vier Turbinen in Betrieb waren – die anderen erhielten gerade «Upgrades».

Strom für 175 000 Haushalte

Wenn die Entwicklung so weitergeht, haben die Gezeitenturbinen mit SKF-Know-how im Bauch also gute Chancen, sich im «Haifischbecken» der konkurrierenden Energiequellen durchzusetzen. Die Schotten jedenfalls planen, bis zum Jahr 2022 insgesamt 269 Exemplare im Inner Sound zu versenken – mit dem Ziel, genügend Strom für 175 000 Haushalte zu produzieren. Das wäre ein Durchbruch im Bereich der erneuerbaren Energien, der weltweit eindeutig nach «Mee(h)r» schreit. Aus diesem Grund engagiert sich SKF auf dem gesamten Globus auch schon bei mehreren vergleichbaren Projekten. 

Infoservice

SKF (Schweiz) AG
Eschenstrasse 5, 8603 Schwerzenbach
Tel. 044 825 81 81, Fax 044 825 82 82www.skf.ch



In den Turbinen kommen auch diverse massgeschneiderte Kegelrollenlager von SKF zum Einsatz; so z. B. auf der Hauptwelle und in der Blattverstellung


Im Gezeitenstrom müssen die riesigen 1,5-MW-Turbinen Kräften widerstehen, die an Land bei einem Orkan von etwa 350 km/h entstünden


Das Hightech-«Innenleben» der Turbinen wird durch spezielle Gleitringdichtungen gegen die harsche Unterwasserumgebung abgeschottet