SupraGenSys 2 – Entwurf, Optimierung und Bewertung von energieeffizienten, supraleitenden Generatorsystemen

In SupraGenSys 2 soll ein vollsupraleitender 10 MW skaliert demonstriert werden. Dafür sind umfangreiche Berechnungen, sowie der Entwurf und die Konstruktion der entsprechenden Teilsysteme notwendig, bis diese letztendlich zu einem Demonstrator zusammengeführt werden. Somit kann das Konzept eines vollsupraleitenden Generators überprüft und erprobt werden. Dafür ist eine enge Zusammenarbeit des Konsortiums notwendig, welches sich bereits in SupraGenSys bewähren konnte und für SupraGenSys 2 auf Grund des Potentials erweitert wurde.

Die gewonnenen Erkenntnisse bei Entwurf, Konstruktion und Betrieb des Demonstrators sollen in den optimierten Generatorentwurf mit einfließen. Daher ist geplant die Berechnungswerkzeuge während des Projekts stetig weiterzuentwickeln. Nur so kann sichergestellt werden, dass konstruktionsbedingte Änderungen (z.B. Bohrungslöcher) im elektromagnetischen Entwurf berücksichtigt werden und ihr Einfluss transparent gemacht wird. Dies gilt nicht nur für den elektromagnetischen Entwurf, sondern auch den Entwurf der passiven Teile des Generators, wie Tragstruktur oder Lagerung, und die erarbeiteten Kühlkonzepte samt Entwurf des Kryostaten. Bei der Realisierung des Umrichters für den Demonstrator soll nach Möglichkeit auf Standardhardware zurückgegriffen werden, welche auch für einen Dauerbetrieb geeignet ist.

Das Teilvorhaben der H-BRS legt ihren Fokus auf die Erstellung von 2D FEM Modellen in einer Multiphysik Umgebung und der Berechnung von stationären Feldproblemen im zweidimensionalen und dreidimensionalen Raum zur Auslegung des 250 kW vollsupraleitenden Demonstrator Generators (DG) (Skalierter 10 MW Generator). 

Die erarbeiteten Erkenntnisse aus dem Vorläuferprojekt SupraGenSys werden für die Auslegung des 250 kW DGs verwendet. Eng abgestimmt wird die Kryotechnik und das Kältesystem ausgearbeitet. Dadurch sind Anpassungen am Entwurf unvermeidbar, welche anhand von 2D und 3D FEM-Berechnungen der H-BRS abgeglichen werden müssen. Die H-BRS wird den Entwurf des DG in der Multiphysik Umgebung der Software COMSOL als Modell implementieren und FEM-Berechnungen erstellen. Neben dem elektromagnetischen Grobentwurf wird der DG auch für die zu erwartenden thermischen und mechanischen Anforderungen ausgelegt. Die H-BRS wird daher ihre Untersuchungen auf die systemübergreifenden Berechnungen konzentrieren, wie der Nutkräfte oder der elektromagnetischen Kraftwirkung im Luftspalt. Weiter sollen Feldeffekte auf die Spulen untersucht werden. Sowohl für den DG als auch für den Multimegawatt Generatorentwurf werden relevante Betriebsfälle berechnet. In einem weiteren Arbeitspaket wird die H-BRS die erweiterten Berechnungen in das Auslegetool integrieren, unter Berücksichtigung des Kühlkonzepts und  der Konstruktion des DGs. Außerdem wird die H-BRS bei der erweiterten Konzeptstudie für den vollsupraleitenden 10 MW Generator unterstützen. 

Ziele des Teilvorhabens 

• Beiträge zur Auslegung des 250 kW vollsupraleitenden DG durch Erstellung eines 2D FEM-Berechnungsmodells in einer Multiphysik Umgebung (COMSOL)
• Übertragung der Ergebnisse des 2D FEM-Modells vom DG auf einen Multimegawatt Generatorentwurf
• Unterstützung bei den thermischen und mechanischen Anforderungen des DGs durch numerische Berechnungen
• Erkenntnisse der thermischen und mechanischen Anforderungen vom DG werden auf einen Multimegawatt Generatorentwurf übertragen
• Sowohl für den DG als auch für den Multimegawatt Generatorentwurf werden multiphysikalische Feldeffekte in den HTS-Spulen untersucht
• Aufbau eines Tools zur analytischen Bestimmung des Tangential- und Radialfeldes in den HTS-Spulen