Den Herausforderungen der zukünftigen Energiegewinnung bereits heute begegnen

Fossile Brennstoffe wie Kohle oder Erdöl gehen langsam, aber sicher zur Neige. Nach Berechnungen vieler Experten lässt sich die derzeitige Erdöl-Förderrate nicht weiter steigern, gleichzeitig aber wird der Klimawandel immer deutlicher. Ergo ist der Mensch gezwungen, nicht nur Energie zu sparen, sondern sie auch möglichst umwelt- und klimafreundlich zu erzeugen.

Vor dem Hintergrund dieses sich immer stärker abzeichnenden Szenarios werden Entwicklung und Ausbau erneuerbarer Energien bereits seit vielen Jahren vorangetrieben. Diesem globalen Trend folgt auch FUHR bei der Weiterentwicklung seiner hochmodernen Walztechnologie – egal ob Hybridantriebe, Photovoltaik, Wind- oder Wasserkraft: Unsere anspruchsvollen Kunden setzen bei hocheffizienten Energiegewinnungs- konzepten aus guten Gründen auf unsere innovativen Walzanlagen.

Aber auch im Bereich der Gewinnung konventioneller Energieressourcen wie z.B. bei der Offshore-Technologie ist unsere Walztechnik führend im Bereich der Herstellung von sog. Flexible Pipes für Flowlines und Jumper.

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PHOTOVOLTAIK

Photovoltaik-Module (PV-Module) bestehen aus mehreren miteinander verbundenen Solarzellen, die zum Schutz gegen äußere Einflüsse wie mechanische Beanspruchung, Witterung und Korrosion mit geeigneten Materialien zu einem versiegelten Verbund zusammengefügt wurden.

Je nach System bestehen PV-Module aus unterschiedlichen Komponenten: Kristalline Zellen werden von einer vorderen und einer hinteren Modulabdeckung aus Glas, Acrylglas oder Folie eingefasst. Die Versiegelung erfolgt mit Gießharz oder mit zwei Folien unter Druck und hoher Temperatur.

Da der typische Spannungswert einer einzelnen Siliziumzelle von 0,5 bis 0,8 Volt zu niedrig für technische Anwendungen ist, werden in der Regel mehrere Solarzellen durch Reihen- oder Parallelschaltung miteinander verbunden.

Die Verbindung der einzelnen Solarzellen im Modul erfolgt mittels sogenannter Interconnect Ribbons – dünner, weichgeglühter und verzinnter Kupferbändchen, welche auf die Zellen aufgelötet werden und die temperaturbedingten Längenänderungen der Zellen aufgrund ihrer niedrigen Streckgrenze von ca. 50 N/mm² unbeschadet mitgehen können.

Am Rand eines PV-Moduls sind die Interconnect Ribbons mit Kupferflachbändern größeren Querschnitts – den sogenannten Bus Bars – verbunden, welche als Stromsammler fungieren und den insgesamt produzierten Strom zur Anschlussdose auf der Rückseite des PV-Moduls transportieren.

Die Interconnect Ribbons und Bus Bars werden unter dem Oberbegriff PV-Ribbons geführt. Anstatt diese Bändchen aus gewalztem Kupfer-Breitband in Längsteilanlagen zu schneiden, wird das Kaltwalzverfahren zur Herstellung eingesetzt. Der Vorteil liegt in der quasi unendlichen Länge und den homogeneren Kanten der hergestellten Bänder.

FUHR liefert hochproduktive Walzanlagen zum Walzen der Interconnect Ribbons und Bus Bars aus Kupferrunddraht. Die gewalzten Bändchen werden aufgespult und können dann in Folgeprozessen weichgeglüht und verzinnt werden. Teilweise finden diese Vorgänge in Linie mit der Walzanlage statt.

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WINDENERGIE

Eine Windkraftanlage besteht im Wesentlichen aus einem Rotor mit Nabe und Rotorblättern sowie einer Maschinengondel, die den Generator und häufig ein Getriebe beherbergt. Es gibt auch getriebelose Anlagen. Die Gondel ist drehbar auf einem Turm gelagert, dessen Fundament die notwendige Standsicherheit gibt. Dazu kommen die Überwachungs-, Regel- und Steuerungssysteme sowie die Netzanschlusstechnik.

Für die Umwandlung mechanischer in elektrische Energie werden Drehstrom-Asynchron- oder -Synchron-Generatoren eingesetzt. Der Generator wird auf Lebensdauer, Gewicht, Größe, Wartungsaufwand, Kosten und Wirkungsgrad optimiert, wobei sich Wechselwirkungen mit Getriebe und der Netzanbindung ergeben. Die Drehzahl des Generators kann konstant, zweistufig (für niedrige und hohe Windgeschwindigkeit) oder stufenlos anpassbar sein. Für niedrige Drehzahlen, wie sie bei getriebelosen Anlagen vorliegen, sind Synchrongeneratoren notwendig.

Zur Optimierung des Generatorwirkungsgrades werden heutzutage immer häufiger rechteckige statt runde lackisolierte Kupferdrähte eingesetzt. Neben der besseren elektrischen Effizienz zeichnen sich die so ausgestatteten Generatoren durch ein niedrigeres Leistungsgewicht aus.

FUHR liefert Walzanlagen, mit denen rechteckige Kupferdrähte aus Runddraht gewalzt werden. Durch den für FUHR typischen Einsatz von Universal-Profilwalzapparaten wird eine besonders hohe Präzision erreicht, die für den nachfolgenden Lackiervorgang erforderlich ist.

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DRILLLEITER

In den Wicklungen von elektrischen Motoren, Generatoren und Transformatoren werden zur Steigerung des Gesamtwirkungsgrades heutzutage zunehmend Kupferdrähte mit rechteckigem statt rundem Querschnitt eingesetzt. Die Wicklungen bestehen aus einer Vielzahl einzelner Drähte, die gegeneinander elektrisch isoliert sein müssen. Wichtig für die Qualität der Wicklung ist auch, dass die Einzeldrähte möglichst gleiche Längen aufweisen.

Wicklungen für große Leistungen werden aufgrund der geringen Stückzahlen üblicherweise als Kleinserie in Handarbeit hergestellt. Um diese Arbeit zu vereinfachen und die Fehlermöglichkeit durch unterschiedliche Einzeldrahtlängen zu reduzieren, wurden Drillleiter entwickelt.

Mehrere lackisolierte Flachdrähte werden in speziellen Verseilanlagen zu sogenannten Drillleitern (siehe Foto) zusammengefasst und zum Schutz gegen Beschädigungen mit Papier umwickelt.

Drillleiter werden oft auch als CTC (Continuously Transposed Conductor) bezeichnet.

FUHR liefert Walzanlagen, mit denen rechteckige Kupferdrähte aus Runddraht gewalzt werden. Durch den für FUHR typischen Einsatz von Universal-Profilwalzapparaten wird eine besonders hohe Präzision erreicht, die für den nachfolgenden Lackiervorgang erforderlich ist.

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SCHLAUCHARMIERUNG

Ohne Bohrinseln und -schiffe wären Exploration und Förderung auf hoher See unmöglich. Je nach Wassertiefe setzen die Öl- und Gasgesellschaften dabei verschiedene Typen ein: Für die Exploration in flachen Gewässern (bis etwa 60 Meter) eignen sich Bohrinseln, die auf einem gefluteten Ponton auf dem Meeresgrund stehen. Bei tieferem Wasser bis rund 300 Meter kommen Bohrinseln mit absenkbaren Stützen zum Einsatz (Hubbohrinseln): Über der Lagerstätte werden die Stützen abgesenkt und graben sich einige Meter in den Meeresboden ein.

In noch tieferen Gewässern ist es nicht mehr möglich, die Bohrinsel am Meeresboden aufsetzen zu lassen – sie muss stattdessen über dem Bohrloch schwimmen. Bei solchen Halbtauchern befinden sich riesige Ballasttanks unter Wasser und sorgen dafür, dass die Bohrinsel selbst bei hoher See nicht allzu sehr schwankt. Zum Halten der Position über dem Bohrloch werden Halbtaucher mit Stahlseilen und Ankern am Grund befestigt. Sie können in Wassertiefen bis zu 3500 Meter eingesetzt werden. Für solche extremen Verhältnisse setzt man auch Bohrschiffe ein, die keinerlei Verbindung zum Meeresboden haben.

Ist eine Offshore-Lagerstätte reif für die Produktion, wird eine Förderplattform über dem Bohrloch installiert oder die Bohrinsel wird zur Förderplattform umgebaut. Die Rohstoffe gelangen vom Bohrloch nach der Aufbereitung entweder über eine Pipeline direkt an Land oder werden an der Ölförderplattform in Tanker geladen.

Die Verbindungen vom Bohrloch zur Wasseroberfläche können aufgrund der großen Meerestiefen nicht mit starren Rohrleitungen geschaffen werden. Stattdessen werden flexible Schlauchleitungen eingesetzt. Diese Flexible Pipes sind hohen Belastungen durch den Wasserdruck ausgesetzt. Sie werden daher für Berstdrücke von 500 bar und mehr ausgelegt. Hierfür wird eine Druckarmierung in Form eines spiralförmig gewickelten Verschlussprofiles (Zeta-, Teta- oder C-Profil) verwendet. Das Foto zeigt einen Zeta-Profildraht.

Um die durch das Eigengewicht der Schlauchleitung verursachten Zugspannungen aufzunehmen, wird neben der Druckarmierung aus Profildrähten auch eine Zugarmierung aus einer großen Anzahl von Flachdrähten eingebracht.

FUHR liefert Walzanlagen, mit denen sowohl die Flachdrähte der Zugarmierung als auch die Profildrähte der Druckarmierung aus mittel- bis hochkohlenstoffhaltigem Stahldraht im Kaltwalzverfahren hergestellt werden. Aufgrund der Größe der Profilquerschnitte und der hohen Festigkeiten der verwendeten Stahlsorten werden hierfür die größten Kaltwalzmaschinen eingesetzt, die auf dem Markt verfügbar sind.

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KOMMUTATOR

Merkmal der klassischen Gleichstrommaschinen ist ein mechanischer Wechselrichter, welcher als Kommutator (Polwender) bezeichnet wird und auf der Achse der rotierenden Maschine angebracht ist. Er dient im Motorbetrieb als Polwender und erzeugt im Rotor einen drehzahlabhängigen Wechselstrom.

Im Generatorbetrieb richtet er die vom Rotor gelieferte Wechselspannung gleich und erzeugt eine pulsierende Gleichspannung. In einigen Anwendungsfällen kann die Gleichstrommaschine als Motor oder als Generator betrieben werden.

Die Wicklungen des Ankers werden über den Kommutator angeschlossen, der als Polwender dient. Kommutatoren bestehen klassisch aus einem Schleifkontakt zwischen den Lamellen des Kollektors und zwei oder mehr Bürsten. Die Schleifkontakte sind so angeordnet, dass sie während der Drehung die Polung der Ankerwicklungen so wechseln, dass immer diejenigen Wicklungen von Strom entsprechender Richtung durchflossen werden, die sich quer zum Erregerfeld bewegen.

Die Bürsten sind aus einem verschleißarmen Material gefertigt, welches eine gute Kontaktierung bietet (oft selbstschmierender Graphit, teilweise gemischt mit Kupferpulver).

Mit FUHR-Profilwalzanlagen werden Kupferprofildrähte hergestellt, aus denen dann einteilige (siehe Foto) oder mehrteilige Kommutatoren hergestellt werden.

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LITZEN

Litzen gibt es in runder oder flacher Form, mit oder ohne Lackisolierung, mit verschiedenen Typen von zusätzlicher Isolation sowie Umflechtung oder Bandierung. Hochfrequenz-Litzen bestehen aus lackisolierten Einzelleitern, die miteinander verdrillt sind. Sie werden verwendet, um der Erhöhung des Leiterwiderstandes bei höheren Frequenzen entgegenzuwirken.

In einem elektrischen Leiter entstehen durch die Felder des Wechselstromes Wirbelströme, die dem Stromfluss entgegenwirken. Diese nehmen bei höheren Frequenzen zu. Zum Gleichstromwiderstand addiert sich demnach ein von der Frequenz abhängiger Wechselstrom-Wirkwiderstand. Die Wirbelstromverluste sind im Innern des Leiters am größten und nehmen nach außen hin ab. Der größte Teil des Stromes fließt somit an der Oberfläche des Leiters (Skin-Effekt). Man spricht auch von der Eindringtiefe des Stromes.

Beim Proximity-Effekt entstehen die Wirbelstromverluste durch die Felder benachbarter Leiter. Um diese Verluste so gering wie möglich zu halten, reduziert man den Leiterquerschnitt (weniger Wirbelstromverluste) und führt dafür mehrere Leiter parallel zueinander. Um die Beeinflussung der Felder auf die einzelnen Leiter auszugleichen, werden die Leiter miteinander verdrillt (verseilt). Die Verdrillung muss derart gewählt werden, dass über die Länge der Litze gesehen sich die Position eines Drahtes gleichmäßig zwischen dem Kern und der Außenseite des Bündels abwechselt. HF-Litzen sollten nur bis ca. 2MHz verwendet werden, da bei höheren Frequenzen der Einfluss der Leiterkapazitäten zu groß wird.

Rechteckige Litzen haben gegenüber Rundlitzen den Vorteil einer größeren Packungsdichte.

FUHR liefert Walzanlagen, mit denen Rundlitzen zu rechteckigen Litzen umgeformt werden. Um dabei eine größtmögliche Flexibilität zu gewährleisten, werden in diesen Walzanlagen Universal-Profilwalzapparate vom Typ WST eingesetzt. Damit können ohne Wechsel der Walzen sämtliche Rechteck- und Quadratabmessungen gefertigt werden.

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SPIRALDRAHT (BOWDENZUGHÜLLEN)

Bowdenzughüllen bestehen im Wesentlichen aus einer Flachdrahtspirale und einer Kunststoffummantelung. Durch eine optionale Auskleidung mit einem Kunststoffröhrchen lässt sich die innere Reibung des Systems erheblich minimieren und der Wirkungsgrad des Systems bei Einsatz entsprechender Litzen oder Seile deutlich erhöhen.

Für die Herstellung der Flachdrahtspirale wird Runddraht auf das gewünschte Maß kaltgewalzt und im Anschluss daran zur Spirale verarbeitet. Die planen Berührungsflächen zwischen den Windungen geben der Flachdrahtspirale eine hohe Steifigkeit und eine geringere Setzung in Längsrichtung und prädestinieren sie damit für eine präzise Führung und eine hohe Druckaufnahme, wie sie in den meisten Betätigungs- und Übertragungsanwendungen erforderlich sind.

Mit FUHR-Walzanlagen wird runder Stahldraht zu Rechteck-Profildraht gewalzt. Setzt man dazu FUHR-Universal-Profilwalzapparate vom Typ WST ein, so können ohne Wechsel der Walzen sämtliche Rechteckabmessungen gefertigt werden.

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OBERLEITUNGSDRAHT

Eine Oberleitung gehört neben den Stromschienen zu den Fahrleitungen. Sie dient in Eisenbahnen (Straßen-/Stadtbahnen, Hoch-/Untergrundbahnen und Gebirgs- bzw. Bergbahnen) der Versorgung der Triebfahrzeuge mit Strom.

Auch spezielle Verkehrsmittel wie O-Busse oder Oberleitungsfähren können über sie mit elektrischer Energie betrieben werden. Eine Oberleitung besteht aus einem Kupferprofildraht, der in konstanter Höhe über dem Fahrweg aufgehängt ist.

Auf den elektrischen Triebfahrzeugen befinden sich Stromabnehmer, die in Kontakt mit der Oberleitung stehen. Der Stromkreis wird über die Schienen als Rückleiter wieder geschlossen. Bei Oberleitungsbussen und Fähren ist für den Rückstrom ein zusätzlicher Stromabnehmer erforderlich.

Mit FUHR-Walzanlagen werden Oberleitungsdrähte aus reinem oder legiertem Kupferrunddraht hergestellt. Dabei werden in den ersten Umformschritten Ziehsteine zur Querschnittsreduzierung und Erhöhung der Festigkeit verwendet. Die Profilierung erfolgt in den folgenden Umformschritten mit Profilwalzapparaten.

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TRANSFORMATORENDRAHT

Transformatoren- oder auch Kupferlackdraht ist ein Kupferdraht, der bei der Fertigung mit einer elektrisch isolierenden Lackschicht überzogen wurde. Die Dicke und das Gewicht dieser Lackisolation sind im Vergleich zu anderen Isolierstoffen mit gleicher Wirkung sehr gering. Dieser Draht wird daher bevorzugt zum Bau von elektrischen Spulen, Transformatoren und Maschinen verwendet.

Durch die Verwendung von Kupferlackdraht wird die mechanische Baugröße elektrischer Maschinen in günstiger Weise verringert, wobei sich durch die Konzentration der elektrischen und magnetischen Felder auf kleinerem Raum noch weitere räumliche Einsparungseffekte ergeben. Letztlich führt diese Verringerung der Baugröße durch kürzere Leitungswege auch zu Energieeinsparungen bei gleicher Leistungsabgabe.

Die Klassifizierung der Lackdrähte erfolgt durch die von der International Electrotechnical Commission (IEC) erstellten Standards 60317 und 60851. Drähte werden nach Temperaturindex (Dauergebrauchstemperatur), Durchschlagspannung und Wärmeschockverhalten eingeteilt.

Um glatte, konzentrische und porenfreie Filme zu erhalten, werden Lackdrähte üblicherweise zwischen 6- und 20-mal lackiert und eingebrannt. Als Faustregel gilt, dass der Lackfilm ca. 10 % des Gewichtes des Kupferlackdrahtes ausmacht. Der dadurch steigende Durchmesser wird als Zunahme bezeichnet.

Bei unsorgfältiger Verarbeitung, elektrischem Durchschlag oder aufgrund andauernder Vorentladungen in Luftzwischenräumen kann die Lackisolierung beschädigt werden, und es entsteht zu benachbarten Drahtlagen ein Windungsschluss. Durch den in der entstandenen Kurzschlusswindung induzierten Strom wird der isolierende Lack hitzebedingt noch weiter zerstört, so dass sich die Windungsschlüsse ausbreiten und die blanken Drähte schließlich einen Kurzschluss bilden.

Um einen derartigen Windungsschluss zu vermeiden, ist es unabdingbar, einen Kupferdraht mit geringstmöglicher Maßtoleranz als Ausgangsdraht für den daran anschließenden Lackierprozess herzustellen. Nur so kann eine möglichst gleichmäßige Lackstärke über den gesamten Querschnittsumfang erzielt werden.

FUHR liefert Walzanlagen, mit denen rechteckige Kupferdrähte aus Runddraht gewalzt werden. Durch den für FUHR typischen Einsatz von Universal-Profilwalzapparaten wird eine besonders hohe Präzision erreicht, die für den nachfolgenden Lackiervorgang erforderlich ist.

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