Effizienzschub : Wie ein Algorithmus Generatoren optimiert

Rund 15.000 CPU-Stunden hat es gebraucht um den Permanentmagnetsynchrongenerator für das Wasserkraftwerk "Marktwehr" in Purgstall an der Erlauf zu berechnen. Jetzt ist dieser am Netz, leistet 700 KW und versorgt rund 1.100 Haushalte mit sauberem Strom. Einen Wirkungsgrad von 97,5 Prozent hatten die Simulationsmodelle von LCM für den Generator errechnet. Dass der LCM-Algorithmus offensichtlich leistungssteigernd ist, bestätigt nun auch der Prüfstand. Ein wirtschaftlicher Vorteil, der die Einspeisevergütung um rund 2.000 Euro pro Jahr erhöht.

Es sind 100 Prozessorkerne, die in der Linz Center of Mechatronics die optimale Generatorenauslegung berechnen. Bis zu 40 Parameter beeinflussen sich gegenseitig in einem Generator. „Das gibt eine unendliche Anzahl an Auslegungsvarianten“, erklärt LCM-Geschäftsführer Gerald Schatz. Rund 40.000 haben die Linzer bereits in ihrem Simulationsmodell berechnet. Ausgangspunkt des Grundberechnungsmodells ist die für das Kraftwerk vorgegebene Generatoren-Geometrie. Die Geometriegrößen werden in einem evolutionären Algorithmus optimiert. Dieser Algorithmus ist tatsächlich der Evolution nachempfunden. „Die besten Berechnungsvarianten setzen sich dabei durch, diese werden mutiert und miteinander gekreuzt. Andere werden ausgeschieden“, erklärt Siegfried Silber, Bereichsleiter Elektrische Antriebe bei LCM.

Die Geometrie des Generators, Größe, Anzahl, Positionierung und Beschaffenheit der Permanentmagnete, die Materialien für Blechpakete und Wicklung, die maximale Spitzenleistung und Drehmoment des Rotors, die Generatoreigenschaften bei Netzschwankungen oder bei einem Kurzschluss. Nur einige jener Parameter, die perfekt aufeinander abzustimmen sind, um einen möglichst effizienten Generator entwickeln zu können. Weil dabei viele gegenläufige Zielesetzungen miteinander zu harmonisieren sind, ähnelt die Berechnung eines Generators tatsächlich der Quadratur des Kreises. So sind konstruktive Maßnahmen, die zwar für den Wirkungsgrad gut sind, „hingegen für die Permanentmagnete Gift“, skizziert Silber die Komplexität der Rechenmodelle. „Beinahe jede Veränderung eines Parameters hat Auswirkungen auf alle anderen Zielgrößen.“ Drei Monate braucht es daher von der Bestimmung der ersten Spezifikationen bis zur fertigen Konstruktionszeichnung und Toleranzanalyse.

Nicht ohne Stolz registriert das LCM-Team immer wieder, dass die simulierten Werte verblüffend genau mit jenen im Echtbetrieb übereinstimmen. „Bei unserem letzten Generator ist die tatsächlich induzierte Spannung im Generator nur zwei Prozent von der errechneten abgewichen“, präzisiert Silber. Beeindruckt ist auch Peter Reiter, Geschäftsführer des Auftraggebers Rewag. „Es ist faszinierend, dass die Generatoren in der Praxis die von LCM errechneten Leistungsdaten sogar noch übertreffen.“ Zuvor war Reiter immer mit dem Gegenteil konfrontiert. „Wir haben leider immer wieder mit Berechnungen, die völlig unrealistisch waren Schiffbruch erlitten.“ Vier Generatoren haben LCM und Rewag bisher gemeinsam berechnet und gefertigt. Während das Generatorenbau-Unternehmen Rewag kleinere Maschinen selbst fertigt, kommt beim 700 KW-Generator die voestalpine ins Spiel. „Die voestalpine übernimmt die Spulenwicklung. Aufgrund der Dimension des Generators erfolgt auch die Endfertigung gleich auf deren Gelände“, sagt Reiter.

Montiert wurde der Generator schließlich im neu gebauten Wasserkraftwerk "Marktwehr" im Zentrum Purgstalls. Das brachte natürlich zusätzliche Herausforderungen. Einerseits musste ein Generator gebaut werden, für den aufgrund der Örtlichkeit nur eine kleine Kubatur zu Verfügung steht. „Andererseits muss dieser natürlich leise arbeiten, weil er mitten im Ortszentrum steht“, erklärt Reiter. Betrieben wird das Kraftwerk von der Anton Kittel Mühle Plaika, die neben dem Mühlenbetrieb in mehreren Kleinkraftwerken Strom aus Wind- und Wasserkraft erzeugt.