zenergy - supraleiter anwendung wasserkraft
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Zenergy Power GmbH
Braunschweiger Supraleiterseminar24-06-2010, Dipl.-Ing. & Dipl.-Wirt. Ing. (FH) Daniel Schmickler
Confidential & Proprietary [1]
The superconductor energy technology company
German Environmental Price 2009
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Confidential & Proprietary [2]
Agenda
Confidential & Proprietary [2]
Firmenvorstellung
Hocheffiziente supraleitende Generatoren zur Ertragssteigerung von Laufwasserkraftwerken
Zenergy Power Projekte im Bereich Wasserkraft
Supraleiter-Technologie
Vorteile von supraleitenden Generatoren
Zusammenfassung
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Confidential & Proprietary [3]
Zenergy Power – Global Player
Mehr als 100Mitarbeiter inDeutschland, USA,Australien undGroßbritannien
Gelistet an derLondon StockExchange SegmentAIM: ZEN.L,Marktkapitalisierung:£60m
Mehr als 170 Patenteund patentierteAnwendungen
Zenergy Power plcOne American Square, Crosswall
London, EC3N 2SG, UK
Zenergy Power Inc.(ehemals SC Power Systems)1616 Rollins RoadBurlingame CA 94019, USA
Zenergy Power GmbH(ehemals Trithor GmbH)Heisenbergstraße 1653359 Rheinbach, Germany
Zenergy Power Pty Ltd.(ehemals Australian Superconductors)Suite 7, 1 Lowden SquareWollongong, NSW 2500, Australien
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Confidential & Proprietary [4]
Magnetische Blockerwärmung (MBH)
Fehlerstrombegrenzer (FCL) Elektrische Netze
Metallverarbeitende Industrie
Erneuerbare Energie
Spule
Hersteller undLieferant vonsupraleitendenSpulen
Anbieter vonsupraleitendenSystemen
Entwickler undLieferant vonsupraleitendemDraht
Draht
Supraleitende Motoren/Generatoren
Zenergy Power – Supraleitertechnologie für Wachstumsmärkte
Partner:
Partner:
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Confidential & Proprietary [5]
Zenergy Power – Nr.1 bei industriellen Anwendungen der Supraleitung
Weltweit erste supraleitende magnetische Blockerwärmungsanlage (MBH) Exklusivvertrag & Produktionspartnerschaft mit der Bültmann GmbH Kunden: Aluminiumindustrie: Weser Alu, Sapa; Kupferindustrie: Wieland Erster industrieller Einsatz bei Wesesralu seit Juli 2008, seitdem fehlerfreier Betrieb
Weltweit erster supraleitender Fehlerstrombegrenzer (FCL) im US-Netz Kunde: Southern California Energy CommissionErster industrieller Einsatz in einem amerikanischen Netz in der Avanti Substation,seit März 2009 fehlerfrei im Betrieb
Weltweit erster supraleitender Wasserkraftgenerator Exklusive Zusammenarbeit mit Converteam Partner: E.ON Wasserkraft GmbH, KEMA, SUT, Cobham, Stirling, Converteam Installation des ersten supraleitenden Wasserkraftgenerators im E.ON Wasserkraftwerk Hirschaid 2010
Weltweit führend bei der Entwicklung von supraleitenden Generatoren für die Windkraft Exklusive Zusammenarbeit mit Converteam Test und Einsatz des ersten skalierten 8 MW (0,5 MW) direkt angetriebenen Windkraftgenerators
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Confidential & Proprietary [6]
Kompakte & effiziente Generatoren zur Ertragssteigerung vonWasserkraftwerken
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HYDROGENIE – Entwicklungsprojekt mit
Confidential & Proprietary [7]
Modernisierung des Laufwasserkraftwerks in Hirschaid durch denEinsatz eines supraleitenden Generators
- Der weltweit erste kompakte supraleitende Wasserkraftgeneratorgeht ins Netz der E.ON
- Turbinenerneuerung und damit verbundene Erhöhung derGeneratorausgangsleistung bei gleichzeitigen baulichenEinschränkungen (Denkmalschutz) macht Prototypen wirtschaftlich
- Höhere Leistungsdichte des supraleitenden Generators ermöglicht1,7 MVA in der Baugröße von 1,25 MVA
- 36%ige Erhöhung der Generatorausgangsleistung
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Aufbau eines Synchrongenerators mit Kupfererregerwicklung
Confidential & Proprietary [8]
Kupferwicklungen
Kupferwicklung
Eisenzähne
Eisenrückschluss
Rotor
Stator
Nachteil:
Eisen in den Statorzähnenbegrenzt das magnetische Feld imLuftspalt & die Stromdichte imStator
Große Abmessungen, hohesGewicht
Vorteil:
Etabliertes System
Steuerbares Erregersystem
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Aufbau eines permanenterregten Synchrongenerators
Confidential & Proprietary [9]
Permanent-Magnete
Kupferwicklung
Eisenzähne
Eisenrückschluss
Rotor
Stator
Nachteil:
Eisen in den Statorzähnenbegrenzt das magnetische Feld imLuftspalt & die Stromdichte imStator
Immer erregt, kein steuerbaresErregersystem(Ausbrennproblematik)
Vorteil:
Erster innovativer Schritt
Kleiner als konventionellerSynchrongenerator
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Aufbau eines supraleitenden Generators mit konventionellem Stator
Confidential & Proprietary [10]
Supraleitende
Spulen
Kupferwicklung
Eisenzähne
Eisenrückschluss
Rotor
Stator
Designvariante A:Stator mit Eisenzähnen & Rotor mit magnetischen Polkörpern (warm /kalt)Vorteil: weniger supraleitender DrahtNachteil: gegebenenfalls größere kalte Masse
Designvariante B:Stator mit Eisenzähnen & Rotor mit unmagnetischen PolkörpernVorteil: geringere kalte MasseNachteil: mehr supraleitender Draht
Kryostat
Nachteil:
Eisen in den Statorzähnen begrenzt dasmagnetische Feld im Luftspalt
Risiko durch neue Komponenten: Kühler& Kompressor
Vorteil:
Höherer Wirkungsgrad als konventionelleGeneratoren
Reduzierte Rotorverluste
Steuerbares Erregersystem
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HYDROGENIE – Projekt der E.ON Wasserkraft
Confidential & Proprietary [11]
Projektinhalt:
1 Maschinensatz:
Hydraulik & Generator unverändert (Laufrad der Turbine wurde überholt)
2 Maschinensatz:
Optimierte Hydraulik (neues Laufrad), Generator unverändert
3 Maschinensatz:
Optimierte Hydraulik (neues Laufrad), Optimierter Generator (HTS-Generator)
Beibehaltung der Schnittstellen für evtl. Rückbau auf Altgenerator
Projektziele:
Leistungserhöhung auf 1,7 MW
Teilhabe und Zugang zu neuen Technologien
Entwicklung neuer Lösungen: Ersatz von Getriebemaschinen, z.B. für denEinsatz in Pumpspeicherkraftwerken
Test und betriebliche Optimierung der neuen Technik (Verfügbarkeit)
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HYDROGENIE – Laufwasserkraftwerk Hirschaid von Außen
Confidential & Proprietary [12]
Kraftwerksdaten: Inbetriebnahmejahr: 1923
Ausbaufallhöhe: 9,40 m
Ausbaudurchfluß: 50 m³/s
Ausbauleistung: 3,2 MW
Regelarbeitsvermögen: 24,4 GWh/a
Anzahl der Maschinensätze: 3
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HYDROGENIE – Laufwasserkraftwerk Hirschaid von Innen
Confidential & Proprietary [13]
Generatordaten: Leistung: 1,25 MW
Spannung: 5,25 kV
Polzahl: 28
Drehzahl: 214 Upm
Durchgangsdrehzahl: 450 Upm
Wirkungsgrad: ca. 86%
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HYDROGENIE – Upgrade des Laufwasserkraftwerks Hirschaid
Confidential & Proprietary [14]
Generatordaten: Leistung: 1,79 MW
Spannung: 5,25 kV
Polzahl: 28
Drehzahl: 214 Upm
Durchgangsdrehzahl: 450 Upm
Wirkungsgrad: ca. 98,5%
Images courtesy of Converteam
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Projektinhalt:Supraleitender direktangetriebenerWasserkraftgenerator mit horizontaler Welleangetrieben durch eine Zwillings-Francis-Turbine
Auslegung: 1789kVA, 1700 kW, 5250V, 28 Pole,0.95 pf, 214 rpm
Baugrößenkompatibilität stand im Vordergrund
Gewichtsreduktion ist bei Wasserkraftgeneratorenim allgemeinen nicht sinnvoll, dahoheTrägheitsmomente gefordert sind
HYDROGENIE – Maschinendesign
Confidential & Proprietary [15]
Konventioneller Stator
Wirbelstrom Schild
Drehmoment/ThermischeVerbindung
Turbinenkupplung
Vakuum Behälter
SupraleitendeFeldwicklung
Rotor
RotierendeKupplung
Erreger
Designvariante A: Konventioneller Stator mitEisenzähnen & Rotor mit magnetischen Polkörpern (warm)
Image courtesy of Converteam
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Statorbau
Statoreisenkern Statorgehäuse
HYDROGENIE – Generatorfertigung
Confidential & Proprietary [16]
Image courtesy of Converteam Image courtesy of Converteam
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Rotorbau
Confidential & Proprietary [17]
Rotor gelagert Erster Rotortestlauf
HYDROGENIE – Generatorfertigung
Image courtesy of Converteam Image courtesy of Converteam
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Rotorbau
Confidential & Proprietary [18]
Rotorspindel und Pole
HYDROGENIE – Generatorfertigung
Image courtesy of Converteam Image courtesy of Converteam
Verbindung von Spindel & Achse
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Satz von Spulenformern
Testspule Fertige supraleitende Spule
HYDROGENIE – Spulenfertigung
Confidential & Proprietary [19]
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Confidential & Proprietary [20]
Rotor mit supraleitenden Spulen
HYDROGENIE – Generatorfertigung
Image courtesy of Converteam Image courtesy of Converteam
Rotor mit Kryostat
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HYDROGENIE – Generatordaten
Confidential & Proprietary [21]
Parameter Symbol Unit Superconducting Generator Conventional Generator
Nominal power P kW 1790 1250
Nominal voltage (50 Hz) U kV 3~AC 5,25 3~AC 5,25
Nominal Torque MN kNm 77.3 73.5
Nominal speed n rpm 214 214
Over speed no rpm 320 320
Runaway speed nr rpm 450 450
Number of poles p - 28 28
Synchronous reactance xd p.u. 0.209 4.3
Nominal current (per phase) IN A 197 181
Thermo class stator winding - - Class F Unknown
Steady short circuit current/nominal current ratio Ik/IN - 4.78 0.23 (calculated from 1/synch reactance)
Under excited operation at cos ρ=0 - - Yes Limited
Nominal cryo cooler power at 25 kW P30K W 200 n/a
Required electrical power for 2 cryo-coolers PRR kW 25 n/a
Efficiency (cosρ=1), cryo-cooler included η % 98,5 ~86 (old design of machine)
Length x Width x Height (including cooling system) L x W x H m 4.7 x 5.2 x 3.5 4.1 x 5.2 x 4.4
Foot print L x W mm 3300 x 5200 4100 x 5200
Shaft height (shaft centreline to station floor) Hs mm 700 700
Weight m to Stator=16500kg;Rotor+vacuum chamber=16205kg
Unknown
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Aufbau eines supraleitenden Generators mit Luftspaltwicklung
Confidential & Proprietary [22]
Kupfer-Luftspaltwicklung
Unmagnetische Isolation
Eisenrückschluss
Stator
Supraleitende
Spulen
Kryostat
Rotor
Nachteile:
Risiko durch neue Komponenten: Kühler &Kompressor
Vorteile:
Kleinste & effizienteste Maschine aufgrund vonhöchsten Feldstärken im Luftspalt und höheremStatorstrombelag
Stark reduzierte Rotor & Eisenverluste
Steuerbares Erregersystem
Hohe Überlastfähigkeit
Designvariante C:Luftspaltstatorwicklung & Rotor mit magnetischen Polkörpern (warm /kalt)Vorteil: Rotoreisen hochgesättigt / Reduzierung von Größe & GewichtNachteil: gegebenenfalls größere kalte Masse
Designvariante D:Luftspaltstatorwicklung & Rotor mit unmagnetischen PolkörpernVorteil: geringere kalte Masse, signifikante Reduzierung von Größe & GewichtNachteil: mehr supraleitender Draht
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Supraleitender Schiffsmotor mit Luftspaltwicklung
Confidential & Proprietary [23]
Quelle: AMSC, Superconductors on the High Seas,New ship motors propel a quiet revolution, By Elizabeth A. Bretz,
Luftspaltwicklungaus Kupfer
Gehäuse
Antriebswelle
LagerElektro-mechanisches Schild
Stator-RückschlussSupraleitende
Rotorwicklung
Vakuum-Behälter
BürstenloseErregung
Klemm-Kasten
Designvariante D: Luftspaltwicklung & Rotor mit unmagnetischen Polkörpern
Projektinhalt:Bau eines supraleitendenSchiffsantriebs
Schiffsgeneratoren sollten so leichtwie möglich sein, deshalb stand beidiesem Technologie- Demonstratordie Reduzierung der Masse imVordergrund
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Referenzen von Generatoren / Motoren mit Hochtemperatursupraleitern
Confidential & Proprietary [24]
Motor: 400 kW, 1500 rpm
Generator: 4 MVA, 3600 rpm Motor: 4 MW, 120 rpmMotor: 4 MW, 1800 rpm
Motor: 5 MW, 230 rpm
SuperVAR Maschine: 8 MVAR, 1800 rpm
Generator: 40 MW
Generator: 10MVA,11 rpm
Motor: 1,5 kW
Motor: 4 kW
Motor: 75 kW
Motor: 730 kWMotor: 250 kW, 1500 rpm
Generator: 1,7 MVA, 214 rpm
Generator: 0,5 MVA, 30 rpm
Generator: 1 MVA, 700 rpm (2x)
Motor: 2 MW, 200 rpm
Generator: 8/10 MVA, 12 rpm
Motor: 36,5 MW, 120 rpm
(Punkte markieren den Projektbeginn)
[MW
,MV
AR
]
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Einsatz von supraleitenden Generatoren in Wasserkraftwerken
Derzeitige Situation:
Jedes Wasserkraftwerk ist in gewisser Weise ein Unikat mitunterschiedlichen Anforderungen an die Technik
Der Generator wurde speziell für diese Anforderungendesignt
Wasserkraftgeneratoren sind folglich deutlich teurer als z.B.Generatoren für die Windkraft
Confidential & Proprietary [25]
Supraleitende Generatoren ermöglichen Paradigmenwechsel:
Kompaktheit ermöglicht einen Antwort auf unterschiedlichsteAnforderungen
Kompaktheit ermöglicht eine Standardisierung
Standardisierung ermöglicht eine Kostenreduktion
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Confidential & Proprietary [26]
Effizienzsteigerung durch den Einsatz von Supraleitern
Wirkungsgradvergleich unterschiedlicher Generatortypen
Quelle: Converteam
Erhöhung des Wirkungsgrades
- Erhöhter elektrischerEnergiegewinn durch denEinsatz von Supraleitern
- Wirkungsgradgewinn abhängigvon zu ersetzender Maschine(2-8%)
- Keine Rotorverluste
![Page 27: Zenergy - Supraleiter Anwendung Wasserkraft](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012307/557202e84979599169a44553/html5/thumbnails/27.jpg)
Confidential & Proprietary [27]
Wirkungsgradvergleich variable Drehzahl & feste Drehzahl
Effizienzsteigerung durch den Einsatz einer variablen Drehzahl
Quelle: Universität Stuttgart, Institut fürStrömungsmechanik und hydraulischeStrömungsmaschinen
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8
Effi
zien
z(η
)/M
axim
ale
Effi
zien
z(η
max
)
Durchfluss (Q) / Nominaler Durchfluss (QN)
Variable Drehzahl
Konstante Drehzahl
Erhöhtes Schluckvermögen
Erhöhung des Wirkungsgrades
- Steigerung des elektrischenEnergiegewinns beireduzierten Durchflüssen
- Ausnutzung desÜberlaufwassers möglich,wenn Rahmenbedingungendies zulassen
![Page 28: Zenergy - Supraleiter Anwendung Wasserkraft](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012307/557202e84979599169a44553/html5/thumbnails/28.jpg)
Confidential & Proprietary [28]
Kompakte Bauweise
Reduzierung von Größe & Gewicht
- Bei konventionellen Generatorengleicher Leistung (ca. 60-80%)
- Bei PMG-Maschinen (ca. 30%-50%)
- Einfacher Transport
- Fabrikfertige Montage
- Ermöglicht Modernisierungdenkmalgeschützter Gebäude
10 MWSupraleitend
4 MW PM
8 MW Kupfer
Konventioneller Generator(6MW)
Supraleitender Generator(6MW)
Generator Durchmesser 9m 3m
Generator Gewicht 450t 80t
Nur für illustrative Zwecke: Diese Zahlen sind geschätzt und variieren je nachdem welcher Turbinentyp betrachtet wird.
![Page 29: Zenergy - Supraleiter Anwendung Wasserkraft](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012307/557202e84979599169a44553/html5/thumbnails/29.jpg)
Vorteile der Technologie für die Wasserkraft
Confidential & Proprietary [29]
1. Supraleitende Generatoren:
Erhöhung des Generatorwirkungsgrades (auf ca. 99%)- Höherer Ertrag bei der Energiegewinnung im Voll- und
Teillastbereich
- Keine Rotorverluste
Kompakte Bauweise: Reduzierung von Größe und Gewicht- Verglichen mit konventionellen Generatoren gleicher Leistung (ca.
60-80%), bei PMG-Maschinen (ca. 30%-50%)
- Einfacher Transport und fabrikfertige Montage
- Modernisierung von denkmalgeschützten Kraftwerken möglich
- Zukünftig geringere Kosten als kupferbasierte Technologie
Erhöhung der Systemzuverlässigkeit- Eliminierung von thermischen Spannungen in der Erregerwicklung
- Eliminierung von thermischer Rotor-Wärmelast und dadurchErhöhung der Ständerkühlkapazität
2. Variable Drehzahl:Erhöhung des Turbinenwirkungsgrades- Höherer Ertrag bei der Energiegewinnung aus reduzierten Durchflüssen
(Teillastbereich)- Zusätzlicher Ertrag bei der Energiegewinnung erhöhten Durchflüssen
(Überlastbereich)- Keine Getriebeverluste
Erhöhung der Systemzuverlässigkeit- Kein Getriebe, keine Turbinenschaufelregulierung
3. Frequenzumrichter:Erhöhung der Flexibilität- Generator ist nicht mehr an die Netzfrequenz gekoppelt- Reduziert die Hochlaufzeiten
- Schützt das Netz vor Transienten und Netzinstabilität
- 4 -Quadranten Umrichter ermöglichen die Einspeisung von Blindleistung indas Netz zur Erhöhung der Netzstabilität
Verbesserte Blindleistungskapazität- Erhöhung des Blindleistungsvermögens
- Ermöglicht beste Chancen in einem sich herausbildenden Markt fürBlindleistungskompensation
Technologie dient der CO2-Vermeidung, damit derUmwelt und reduziert Stromkosten!
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BLUE RIVER – Projekt mit
Confidential & Proprietary [30]
Ermittlung des Mehrertrags an Jahresarbeit durch den Einsatz vonsupraleitenden Generatoren an der Moselkraftwerkskette der RWE Power
Zeitraum der Durchführung: März 2009 bis Juli 2009
In Zusammenarbeit von RWE Power, Zenergy Power und dem Institut für
Strömungsmechanik und Hydraulische Strömungsmaschinen der Universität
Stuttgart wurde der genaue Mehrertrag an Jahresarbeit für die Kraftwerks-
kette an der Mosel durch den Einsatz von HTS-Technologie
Studie umfasste die detaillierte Analyse der Kraftwerke Trier und Koblenz
unter Zuhilfenahme der neuentwickelten firmeneigenen Software von
Zenergy Power, dem HYSOL-Tracker (10 Kraftwerke)
Ergebnis der Studie: Durch den Einsatz von HTS-Technologie kann die
Jahresarbeit der Kraftwerkskette signifikant gesteigert werden.
![Page 31: Zenergy - Supraleiter Anwendung Wasserkraft](https://reader031.vdocuments.site/reader031/viewer/2022012307/557202e84979599169a44553/html5/thumbnails/31.jpg)
Bevorzugte Untersuchungsstandorte
Laufwasserkraftwerke die möglichst viele der folgende Eigenschaften erfüllen, profitieren amstärksten durch den Einsatz von supraleitenden Generatoren:
- Maschinen die aufgrund starker Fallhöhenschwankungen (Fallhöhe < 20m) keinen gleichmäßigenArbeitspunkt aufweisen und dies zu erhöhtem Einsatz im Teillast- und Überlastbereich führt
- Bestehende Maschinen einen schlechten Generatorwirkungsgrad besitzen
- Die Anzahl der Turbinen im Kraftwerk gering ist
- Generatoren in Leistungsklassen >0,5-1 MW
- Kraftwerke bei denen aufgrund baulicher Einschränkungen (z.B. Denkmalschutz) eine kompakteBauweise erforderlich ist
- Keine doppeltregulierte Turbinen verwendet werden
- Ein Teil des Wassers ungenutzt am Überlauf verloren geht
Confidential & Proprietary [31]
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Signifikante Ertragssteigerung von Laufwasserkraftwerken
- Kombination von supraleitendem Generatoren, Leistungselektronik und drehzahlvariablen Turbinen
- Ertragserhöhung von 20% und mehr bei Bestandskraftwerken hohen Alters
- Besonders interessant für Neubauprojekte & für die Modernisierung denkmalgeschützter Kraftwerke
Empfohlen Vorgehensweise:
Analyse/Studie- Detaillierte Analyse von Wasserkraftwerken zur Ermittlung des zu erwartenden Mehrertrags
- Vorab Messungen zur Ermittlung der Eingangsgrößen bei nicht vorhandenen Messeinrichtungen möglich
Upgrade- Upgrade des Wasserkraftwerks durch eine auf das jeweilige Kraftwerk abgestimmte Lösung
Confidential & Proprietary [32]
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Simply better
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Zenergy Power GmbH
Dipl. Ing. & Dipl.-Wirt. Ing. Daniel Schmickler
Heisenbergstraße 16
D-53359 Rheinbach
Tel.: +49 (2226) 9060-604
Fax: +49 (2226) 9060-900
Email: [email protected]
Allgemeine Informationen: [email protected]
Information für Investoren: [email protected]
Produktinformationen: [email protected]
Website: www.zenergypower.com
Confidential & Proprietary [33]
Zenergy Power Inc.
Dr. Larry Masur
379 Oyster Point Boulevard, Suite 1
South San Francisco, CA 94080 USA
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