Motoren der Nachhaltigkeit
Das etwa 250 Mitarbeiter umfassende Team des Clusters Electronics, Energy & Environment (EEE) hat sich einem sehr breiten Forschungsfeld verschrieben.
In seinen acht Global Technology Fields (GTF) forscht das Cluster EEE für alle Siemens-Sektoren. So steht etwa für den Sektor Energy die gesamte Energiewandlungskette im Fokus: Hier tragen neue Technologien von CT dazu bei, elektrische Energie effizienter zu erzeugen, zu verteilen und zu nutzen und auf diese Weise auch den Ausstoß von CO2 zu reduzieren. Für den Sektor Industry konzentrieren sich die Forscherinteressen vor allem auf Technologien zur Verbesserung der Energieeffizienz und neue Antriebskonzepte. Die Forschung an Biosensoren eröffnet dagegen dem Sektor Healthcare neue Möglichkeiten für die in-vivo- und die in-vitro-Diagnostik. Bei bildgebenden Geräten ist vor allem auch eine sehr leistungsfähige Elektronik ein entscheidendes Kriterium für den Markterfolg.
Für die Energieeffizienz ist die Optimierung des Stromnetzes wichtig: Lastspitzen sollen gekappt und die Netzauslastung harmonisiert werden. Ziel ist es, Kraftwerke so wenig wie möglich in ineffizienter Teillast oder im Leerlauf zu betreiben und dennoch schnell auf steigende Nachfrage reagieren zu können. Mit intelligenten Netzen, Smart Grids, wollen die Energieunternehmen Angebot und Nachfrage optimal austarieren und gleichzeitig fluktuierende erneuerbare Energien wie Wind und Sonne in die Netze integrieren.
Dafür braucht man effiziente Verfahren der Zwischenspeicherung von Energie. Die Experten des GTF Energy Conversion & Environment untersuchen mehrere Optionen – zum Beispiel mit Hilfe von Wasserstoff. Dabei wird das Gas durch Druck-Elektrolyse aus überschüssigem regenerativen Strom gewonnen und gespeichert. Bei erhöhter Nachfrage wird der Wasserstoff dann für Gasturbinen zur Stromerzeugung oder als Kraftstoff in Fahrzeugen genutzt.
Überschüssige Energie kann aber auch direkt vor Ort genutzt werden, etwa um Wärme oder Warmwasser zu erzeugen. Um solche Anwendungen testen zu können, hat das GTF Power Components & Thermodynamic Processes im März 2010 in Erlangen eine Versuchsplattform in Betrieb genommen. Dort wird beispielsweise in photovoltaischen oder solarthermischen Anlagen Strom erzeugt und geprüft, wie dieser in verschiedene Energieformen wie Hitze oder Kälte umgewandelt und gespeichert werden kann.
Energiespeicher: Elektrolyse-Systeme gewinnen aus überschüssigem Windstrom Wasserstoff.
Effizientere Gasturbinen dank Laser
Neben den erneuerbaren Energien werden aber auch weiterhin noch fossile Kraftwerke nötig sein, um die stets steigende Energienachfrage zu decken. Daher muss auch die Effizienz und Energieausbeute solcher Kraftwerke weiter verbessert werden. Hier haben die CT-Wissenschaftler vor allem die Betriebstemperaturen bei Gasturbinen im Visier, die bisher kaum exakt gemessen, sondern lediglich auf Basis von Erfahrungswerten geschätzt werden können.
Die Forscher vom GTF Sensor Systems & Applications haben einen optischen Sensor entwickelt, der in Echtzeit das Temperaturprofil im Abgasstrom einer Gasturbine erfassen kann. Dabei wird ein optisches Gitter in eine optische Faser eingeprägt und mit einem Laserstrahl beleuchtet. Mit dem reflektierten Strahl bildet sich dann ein Interferenzmuster, das unter anderem von der Gitterkonstante und dem Brechungsindex der Faser abhängt. Beide verändern sich bei Temperaturschwankungen – woraus sich die aktuelle Temperatur ermitteln lässt. Da die Faser sehr dünn ist, kann dieser so genannte Bragg-Sensor auch an unzugänglichen Stellen eingesetzt werden. Dieses neue Prinzip wurde bereits in einer Gasturbine in Finnland getestet.
Blick in die Höllenhitze: CT-Forscher haben einen Sensor entwickelt, der Betriebstemperaturen bei Gasturbinen messen kann.
Energiesparmeister für alle Bereiche
Darüber hinaus müssen auch die Energieverbraucher nachhaltiger gestaltet werden. Das bedeutet etwa, Antriebe soweit zu optimieren, dass sie maximale Leistung bei minimalem Energieverbrauch erbringen. Ein solcher Energiespar- Meister ist ein vom GTF Power Components & Thermodynamic Processes und den Industry-Geschäftsbereichen Marine Solutions und Large Drives entwickelter Schiffsantrieb, der 2012 eingesetzt werden soll. Dank Hochtemperatur-Supraleitung fallen bei diesem Antrieb im Rotor keine elektrischen Verluste an, so dass der Wirkungsgrad im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Antrieben steigt. Gleichzeitig tragen die Supraleiter der Rotorwicklungen eine Stromdichte, die 100-mal größer ist als die von Kupferwicklungen. Dadurch sind Einsparungen an Gewicht und Volumen von bis zu 50 Prozent möglich, was Kosten, Energie und Rohstoff-Ressourcen spart.
Aber auch Motoren für industrielle Anlagen müssen extrem effizient und darüber hinaus möglichst kompakt und leise sein sowie lange Wartungsintervalle haben. Je kleiner diese Motoren sind, desto höher ist allerdings ihre Überhitzungsgefahr. Für eine konventionelle Luftkühlung ist hier schlichtweg kein Platz. Um dieses Problem zu lösen, haben die Wissenschaftler vom GTF Power Components & Thermodynamic Processes eine gänzlich neue Kühlmethode entwickelt: Sie arbeitet mit einem Thermosiphon, der Energie über einen geschlossenen Kreislauf von der heißen zur kühleren Seite transportiert. Dabei verdampft an der heißen Stelle eine Flüssigkeit, im einfachsten Fall Wasser. Der dabei entstehende Dampf strömt zur kühlen Stelle und kondensiert dort. Durch eine spezielle Anordnung des Kühlkreislaufes fließt das Kondensat wieder zurück zum Verdampfer. Der Clou: Ein solches Kühlsystem braucht keine Pumpen oder Ventile. Daher ist es wesentlich effektiver als eine Luft– und sogar eine konventionelle Wasserkühlung. Die Thermosiphonkühlung kann sogar in bestehende Antriebsmotoren integriert werden. Das Verfahren wurde an einem Standardantrieb der 10-kWLeistungsklasse erprobt. Dabei wurde nachgewiesen, dass die Belastung der Achslager deutlich reduziert wird, was die Lebensdauer erhöht. Zudem erhöht sich der Wirkungsgrad im angestrebten Lastpunkt um rund zwei Prozent.
Im Bereich Healthcare haben die Forscher vom GTF Actuator & Drive Systems ein neuartiges Blendensystem für Röntgengeräte und die Strahlentherapie entwickelt, das die Erstellung von zweidimensionalen Profilen ermöglicht. Dieses Multi-Leaf Collimator-System basiert auf der Filterwirkung von Wolfram-Scheiben für Röntgenstrahlen. Ein System von Aktoren bewegt mehrere hundert einzelne Wolfram-Scheiben und ermöglicht so 2D-Bilder mit sehr hoher Genauigkeit. In der Onkologie kann damit das Strahlungsprofil sehr genau definiert werden, was die Belastung für den Patienten deutlich reduziert.
| Schadstoffe im Wasser eliminieren |
| Ein weiterer Forschungsschwerpunkt des Clusters EEE sind Methoden zur umweltschonenden Wasseraufbereitung. Um Schadstoffe aus industriellen und kommunalen Abwässern umweltfreundlich zu entfernen, haben die Forscher ein elektrochemisches Verfahren entwickelt. Hier wird das Abwasser durch eine Zelle geleitet und dabei unter elektrische Spannung gesetzt. Dadurch brechen die Molekülketten der Schadstoffe auf und verwandeln sich in freie Radikale. Gleichzeitig spaltet die elektrolytische Funktion der Zelle das Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff. Die freien Radikale oxidieren mit dem Sauerstoff und werden somit abgebaut. Weil dieses Verfahren keinerlei Chemikalien benötigt, entstehen auch keine kontaminierten Schlämme, die bei anderen Reininigungsverfahren teuer und aufwändig entsorgt werden müssen. Plottests dieses Oxidationsverfahrens mit Abwässern, die bei der Zelluloseherstellung anfallen, haben die hohe Leistungsfähigkeit der Zelle bereits unter Praxisbedingungen in einer Papierfabrik nachgewiesen. Darüber hinaus haben die Forscher ein Verfahren entwickelt, bei dem mit Hilfe gepulster Entladungen hochaktive Radikale erzeugt werden, die besonders schwer abbaubare Substanzen in Abwässern wie etwa Arzneimittelrückstände beseitigen. Manche dieser persistenten Stoffe wie PFT oder Arzneimittel wie Iopremol und Diclofenac, sind mit herkömmlichen Verfahren bisher nicht zerstörbar. Eine elektrochemische Zelle wäre selbst in Haushalten einsetzbar, etwa als Desinfektionssystem in Geschirrspülmaschinen. Bislang werden hier nur Ozongeneratoren angeboten. Eine elektrochemische Zelle wäre wesentlich robuster und einfacher zu integrieren. |