Auf den Grund gegangen

Spezial Maschinenelemente

Wälzlager – Die Ozeane sind eine echte Naturgewalt. Da liegt es doch nahe, Energie aus Meeresströmung zu gewinnen. Bisher blieb das Potenzial weitgehend ungenutzt, was Ingenieure jetzt ändern wollen – auch dank spezieller Lösungen von SKF.

14. März 2018

In Deutschland stammten vergangenes Jahr rund 48 Prozent des erzeugten Stroms aus fossilen Energieträgern, und Frankreich setzte zu 80 Prozent auf die Kernspaltung. Demgegenüber deckt Norwegen schon jetzt mehr als 98 Prozent seines Energiebedarfs aus Wasserkraft. Auch in Schottland gibt es ambitionierte Pläne; das Land will in zwei Jahren seinen gesamten Strom aus erneuerbaren Energien gewinnen.

Der Frage, wie sie ihr eigenes Wasserkraftpotenzial – das allein an Europas Küsten auf jährlich 48 Terawattstunden geschätzt wird – optimal nutzen können, gehen die Schotten unter anderem 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 Megawatt-Gezeitenturbinen auf dem Meeresboden installiert. Aus diesen Anfängen soll im Zuge des »MeyGen« genannten Projekts das größte Gezeitenkraftwerk der Welt hervorgehen. Drei der vier dortigen Pilot-Turbinen hat Andritz Hydro geliefert, ein weltweit tätiger Anbieter von elektromechanischen Systemen und Serviceleistungen für Wasserkraftwerke.

Der Standort des Projekts ist mit Bedacht gewählt: MeyGen liegt in einer vergleichsweise flachen Meerenge, dem 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 3,5 Metern pro Sekunde. Der Wert klingt eher gering, aber weil Wasser rund 800-mal dichter ist als Luft, werden hier enorme Kräfte frei.

Robuste Technik gefragt

Um diesen Antriebskräften und Maschinenbelastungen zu widerstehen, müssen die dort abgesetzten Unterwasser-Installationen entsprechend robust sein. So wiegen allein die rund elf Meter langen Gondeln der Andritz-Hydro-Turbinen rund 130 Tonnen; 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 Metern.

Auf dessen Rotorfläche wirken durch das mit 13 Stundenkilometern strömende Wasser Kräfte ein, wie sie an Land durch einen Orkan mit 350 Kilometern pro Stunde 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 der schwedische Wälzlagerspezialist SKF sowie der tschechische Getriebelieferant Wikov MGI, in dessen Produkten ebenfalls diverse SKF-Lösungen stecken.

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

Kompetent unterstützt

Umso wichtiger war es, dass Andritz Hydro 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 Experten von SKF 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 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.

Kampf der Korrosion

Zu den großen Herausforderungen im Inner Sound gehört neben der Strömung und dem permanent hohen Wasserdruck in 30 Metern 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 Hamburg entwickelt und hergestellt werden. Für die Hauptwelle zum Rotor kommen deshalb besonders robuste Gleitringdichtungen vom Typ Carboplan Tidal zum Einsatz, die speziell für diese Anwendung konzipiert wurden. »Die hoch verschleißfesten Dichtringe aus Siliziumcarbid werden über viele Jahre einen sicheren und wartungsarmen Betrieb ermöglichen«, berichtet Lars Ziemen, der als Entwicklungsingenieur bei SKF Marine arbeitet.

Im Innenleben der Turbinen überträgt die langsam laufende Rotorwelle das extrem hohe Antriebsmoment an ein spezielles Getriebe von Wikov MGI. Dieses besitzt zwei Planetenstufen mit patentierter »Flex-Pin«-Technologie inklusive flexibler Planetenbolzen, 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 also 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«, sagt Matthias Hofmann aus der Technischen Anwendungsberatung Meeresenergie bei SKF. Darin flossen auch Erfahrungen mit brünierten Rollenlagern ein, die vorrangig in der Windindustrie eingesetzt werden: Dank deren Beschichtung lässt sich das Risiko von Schlupfschäden minimieren.

Ende 2016 ist die erste Gezeitenströmungsturbine von Andritz Hydro ins knapp 10 Grad kalte Wasser abgelassen worden und nahm ihre Arbeit auf. Die Gesamtkonstruktionen von Andritz Hydro, die Dichtungen und Lager von SKF sowie die Getriebe von Wikov sind jetzt also in der schottischen Nordsee vereint zu einem zukunftsträchtigen Projekt, dessen erste Ergebnisse äußerst vielversprechend sind: Im August 2017 erzielte MeyGen mit 700 Megawattstunden einen neuen Weltrekord für diese Art von Gezeitenkraftwerken, obwohl damals nur zwei der insgesamt vier Turbinen in Betrieb waren. Einen Monat später folgte mit 800 Megawattstunden die nächste Bestmarke. Inzwischen kann das komplett installierte Turbinenquartett seine Gesamtkapazität in Höhe von sechs Megawatt voll ausschöpfen.

Neue Projekte in Sicht

Wenn es 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. mk

Auf einen Blick

SKF Marine bietet ein umfassendes Portfolio angepasster Komponenten, zu denen auch die bewährten Produkte und Dienstleistungen der Simplex- und Turbulo-Reihe gehören. Zudem verfügt SKF Marine über ein auf den Schiffbau spezialisiertes Team aus Ingenieuren und Technikern, das weltweit für Service, Beratung und Wartung zur Verfügung steht.

Erschienen in Ausgabe: 02/2018

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