SIEMENS

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Gasturbinen sind im Verbund mit Dampfturbinen die umweltfreundlichsten fossilen Stromerzeuger. Weil GuD-Kraftwerke schnell angefahren werden können und flexible Leistungen liefern, sind sie eine ideale Ergänzung zu erneuerbaren Energien. Mit seiner größten Gasturbine hält Siemens den Effizienz-Weltrekord: 60,75 Prozent beträgt der Wirkungsgrad im GuD-Betrieb. Mit der Kraftwerksleistung von 578 Megawatt könnten alle Berliner Haushalte mit Strom versorgt werden. Die Turbine wiegt so viel wie ein vollgetankter Airbus A380 – und dennoch funktionieren die Einzelteile mit der Präzision eines Uhrwerks. An der mehr als zehn Jahre dauernden Entwicklung waren rund 750 Forscher, Ingenieure und Facharbeiter weltweit beteiligt. Corporate Technology (CT) hat hierfür entscheidende Beiträge geliefert.

Forschung. Die CT-Experten für Keramiken haben etwa neue, robuste Materialien für die Wärmedämmschichten der Turbinenschaufeln erforscht, mit speziellen Testverfahren und Simulationen, mit denen sie das Verhalten des Werkstoffs im Heißgas der Gasturbine analysierten und die zulässigen Belastungsgrenzen ermittelten. Damit konnten die Partner im Sektor Energy die Betriebstemperatur von Gasturbinen um etwa 150 Grad und den Wirkungsgrad um rund 1,5 Prozentpunkte steigern. Zugleich trugen CT-Experten für maschinelles Lernen mit neuronalen Netzen und Vorhersagemodellen dazu bei, die Emissionen von Stickoxiden und Kohlenmonoxid zu senken. Das macht die Turbinen umweltfreundlicher und senkt die Kosten für die Nachreinigung der Abgase.

Entwicklung. Mit dem Ansatz des modellbasierten Designs liefen bei CT verschiedene Simulationen und Optimierungen, die die Entwicklung von Gasturbinen verbesserten. Um die Effizienz zu erhöhen, trugen mathematische Algorithmen zur aerodynamischen Optimierung der Turbinenschaufeln bei. Die mechanische Belastung durch Verbrennungsinstabilitäten in den Brennkammern wurden mit thermoakustischen Simulationen verringert, mit denen die Druckschwankungen nachgebildet werden. Zudem lieferten Simulationen zur Untersuchung der Lebensdauer von Turbinenschaufeln einen Beitrag zu deren robusteren Auslegung. Zudem sind CT-Sensorspezialisten daran beteiligt, die Innentemperatur von Gasturbinen kontinuierlich zu überwachen und den Ausstoß von Stickoxiden zu messen. Das ist notwendig, um sie unter optimalen Betriebsbedingungen fahren zu können. Über eine optische Temperaturmessung des Abgases unterstützen sie das Geschäft mit der Nachrüstung von Gasturbinen. Bevor nämlich die Effizienz einer Turbine durch verschiedene Optimierungen gesteigert werden kann, muss sichergestellt sein, dass keine lokalen Überhitzungen auftreten.

Fertigung. CT-Experten haben dazu beigetragen, ein Schweißverfahren zu entwickeln, das durch Automatisierung Material und Zeit einspart und zugleich die Qualität der Schweißnaht verbessert. Ihre Expertise beim Laserschweißen könnte auch bei der Reparatur von Turbinenschaufeln eingesetzt werden. Ein anderes Verfahren könnte die Wiederverwertung von Schaufeln erleichtern. Vor dem Erneuern einer Turbinenschaufel müssen alle Ablagerungen entfernt werden. Derzeit wird dafür hochkonzentrierte Salzsäure verwendet. Das elektrochemische Ablösen der Belagreste, für das die CT Patente hält, ist einfacher, kontrollierter, kostengünstiger und reduziert das Risiko, beim Entschichten die Schaufel zu zerstören.

Testen. CT-Experten haben mit Partnern bei Energy eine Plattform für zerstörungsfreies Testen von Turbinenschaufeln entwickelt. Bei Inspektionen wird ihr Zustand über ihren gesamten Lebenszyklus ermittelt. Diese statistischen Daten fließen in das künftige Design ein oder können für die Optimierung bestehender Designs verwendet werden. Zudem nutzen Fertigungsexperten das System für die Eingangskontrolle der Schaufeln. Auch im Betrieb können die Serviceteams von Energy ihre Gasturbinen im Auge behalten. Für die Überwachung in Echtzeit haben CT-Forscher ein mächtiges Werkzeug namens Seneca entwickelt. Sie wertet die Daten tausender Sensoren an den Gasturbinen aus, die unter anderem Drücke, Temperatur, Schwingungen und vieles mehr erfassen. Pro Gasturbine schickt Seneca etwa 5000 Werte pro Sekunde an 100 international verteilte Rechenstationen. Das System vergleicht online 500 bis 1000 Verhaltensmodelle miteinander, erkennt Abweichungen von der Norm und stellt sie grafisch dar.

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Für Windkraftanlagen auf dem Meer sind robuste, verschleißfreie und wartungsarme Turbinen ein entscheidender Wettbewerbsvorteil. Siemens hat Windturbinen im Angebot, die ohne Getriebe auskommen. Ein Generator mit einem Permanentmagneten ersetzt hier die komplexe Mechanik und wandelt die Bewegung direkt in Strom um. Für das Entwicklungsprojekt der ersten getriebelosen 3,1-Megawatt-Windturbine hat Corporate Technology (CT) wichtige Beiträge geliefert. So haben CT-Experten für das Design des Generators 2D- und 3D-Simulationen gemacht und einen digitalen Prototypen erstellt. Dem sektorübergreifenden Team gelang es damit, bei maximaler Stabilität den Luftspalt zwischen dem rotierenden Teil des Generators und dem Stator zu minimieren, was die elektrischen Verluste senkt. Mit weiteren 3D-Modellen entwarfen sie zusammen mit Experten in den operativen Einheiten das Kühlsystem und integrierten es in den Generator. Für eine möglichst kostengünstige Fertigung entwickelten CT-Fachleute ein seriengerechtes Montage-Design zur Befestigung und Isolierung der Magnete. Insgesamt konnten die Herstellungskosten für den Generator halbiert werden. Das Gewicht sank von 73 auf etwa 50 Tonnen für die 3,1-MW-Turbine. Die 6-MW-Anlage von Siemens ist mit einem Gesamtgewicht für Maschinenhaus und Rotor von rund 350 Tonnen sogar die leichteste auf dem Markt. Für die Endmontage des Generators erstellten die CT-Produktionsexperten ein modulares Fabrikkonzept nach den Prinzipien des Siemens-Produktionssystems. Die Fertigung ist sehr flexibel und so optimiert, dass die Produktionszeit gegenüber dem Prototypen auf unter 850 Stunden halbiert werden konnte. Das Kühlsystem des Generators testeten sie auf ihre Funktion, bevor die Serienfertigung begann.

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Mit ihrer Schwestertechnologie LED sind OLED, organische Leuchtdioden, die Lichtquellen der Zukunft: Extrem dünne Kunststofffolien, die leuchten, wenn Strom durch sie fließt. Die Siemens-Tochter Osram brachte Ende 2009 die erste kommerzielle OLED-Lichtkachel namens Orbeos auf den Markt. Corporate Technology (CT) war in allen Phasen von Forschung, Entwicklung, Fertigung und Testen der neuen Technologie von Anfang an beteiligt. Die ersten Prototypen entstanden vor mehr als 15 Jahren in Erlangen im Reinraumlabor, wo auch heute noch Kleinserien gefertigt und auf ihre Qualität getestet werden. CT-Experten entwickelten die ersten OLED-Bauteile und Fertigungsprozesse, insbesondere wie das Kunststoffmaterial synthetisiert und verarbeitet wird. Auch mit der Realisierung von flexiblen OLEDs und der effizienten Verkapselung der luft- und feuchtigkeitsempfindlichen OLED beschäftigten sich die Forscher. In jüngerer Vergangenheit arbeiteten sie an der Entwicklung von Dotiermaterialien, die die Materialkosten senken und damit die OLED wettbewerbsfähiger machen sollen. 2011 vermeldete Osram einen Effizienzrekord für OLED, der mit dem kostengünstigen Dotiermaterial der CT erreicht wurde. In einem aktuellen Projekt erforschen CT-Experten spezielle Stoffe, die den Ladungstransport verbessern sollen.

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Seit vier Jahren leistet das Leuchtturmprojekt eCar bei Corporate Technology (CT) wesentliche Beiträge zur Elektromobilität. Der jüngste Spross ist ein hybrid-elektrisches Flugzeug, das im Sommer 2011 seinen Jungfernflug absolvierte. Der Motorsegler wird von einem Siemens-Elektromotor angetrieben. Ein kleiner Verbrennungsmotor, der immer im optimalen Betrieb läuft, lädt die Batterie auf. So spart das Flugzeug rund 25 Prozent an Kraftstoff und Emissionen.

Forschung. CT-Experten bauten mit der Automanufaktur Ruf Elektrosportwagen auf Basis eines Porsche 911. Auf ihrem einzigartigen Prüfstand können sie das Verhalten von Motoren unter praxisrelevanten Bedingungen analysieren und verbessern. Im Frühjahr 2012 bauten sie in einen Sportwagen der Firma Roding erstmals zwei Radnabenmotoren mit hoher Leistung und hohem Drehmoment ein, die als Antrieb und zugleich als Bremse fungieren (Link auf S.74). Diese „Smart wheels“ enthalten Motor, Leistungs- und Steuerungselektronik. Der zusätzliche Bremskreis erhöht die Sicherheit. Mit den beiden Motoren lassen sich auch die Räder gezielt einzeln ansteuern. Das neueste Forschungsprojekt RACE hat als Fernziel die Entwicklung einer neuen Kommunikationsarchitektur für Autos. Neue Infotainment- und Fahrerassistenzfunktionen sollen unabhängig von der Hardware nur noch als Software installiert werden. Mit BMW entwickelten die CT-Forscher ein System, das einen BMW ActiveE kontaktlos durch eine Platte am Boden über magnetische Induktion lädt. Das kabellose Laden hat nahezu denselben Wirkungsgrad wie das kabelgebundene. Außerdem steigert es den Komfort und könnte die Akzeptanz von Elektroautos fördern.

Entwicklung. Damit induktives Laden einfach funktioniert, muss das System dem Fahrer bei der Positionierung des Autos assistieren und es muss „wissen“, wann der Ladevorgang beginnen kann. Dafür haben CT-Experten für Funktechnik eine Vielzahl von Komponenten entwickelt. Sie enthalten unter anderem das „Aufwecken“ des Ladesystems, die Feinpositionierung und die Datenkommunikation sowie die Überwachung des einige Zentimeter großen Luftspaltes während des Ladens. CT-Forscher entwickelten zudem einen Antriebstrang aus Umrichter, Motor und Steuerung mit einer besonders hohen Leistungsdichte und integrierten diesen in verschiedene Fahrzeuge. Der Motorenprototyp leistet beim Beschleunigen 125 Kilowatt über 30 Sekunden mit einem maximalen Drehmoment von 230 Newtonmetern. Die Dauerleistung beträgt 60 Kilowatt. Für die Konstruktion nutzten die Forscher Simulationswerkzeuge für die komplexen Wechselwirkungen zwischen elektromagnetischen Feldern, thermodynamischen Prozessen und der mechanischen Festigkeit der Struktur. Die Leistungselektronik, die für das Fahren verwendet wird, dient auch zum Laden. Mit neuen Konzepten arbeiten sie daran, die Leistungsdichte von Elektromotoren zu verdreifachen. Experten für Energietechnik von CT entwickeln zudem Hardware für das Laden. Sie verbesserten den Wirkungsgrad von Umrichtern und vereinfachten die Fertigung der Leistungselektronik. Experten für Energiespeicher entwickelten ein Simulationsmodell für Lithium-Ionen-Batterien, das zur Vorhersage des Betriebsverhaltens dient. Damit lässt sich die aktuell abrufbare Leistung ermitteln, aber auch das thermische Verhalten der Batterie bei verschiedenen Szenarien. Außerdem entwickeln CT-Forscher auch neue Magnetmaterialien, die mit weniger oder gar keinen Seltenerdmetallen auskommen – und sie wollen Recycling-Technologien für die Rückgewinnung dieser wertvollen Stoffe nutzen. PLM-Experten der CT optimieren den Fertigungsprozess für Elektromotoren, so dass er die Anforderungen der Automobilindustrie erfüllt.

Fertigung. Der größte Kostenfaktor bei Elektroautos ist die Batterie. Neben Verbesserungen bei der Leistungsdichte lassen sich die Kosten wohl nur mit einer Massenfertigung signifikant senken. Siemens bietet Batterieproduzenten seine Kompetenz der Industrieautomatisierung an, wobei das chemische und verfahrenstechnische Wissen zur Herstellung von Batterien von CT-Forschern stammt. Sie haben das Konzept für eine Automatisierung sowie die Qualitäts- und Prozesskontrolle aufgebaut. In dem Prozess werden zum Beispiel Pasten in möglichst homogenen und sehr dünnen Schichten mit minimaler Toleranz verarbeitet – ein Vorgang, der für jeden Hersteller eigens optimiert werden muss.

Testen. Wie Nutzer elektrische Fahrzeuge im Alltag verwenden und bewerten, das untersuchen CT-Experten in verschiedenen Projekten. Dazu betreuen die Forscher auch die Siemens-eigene Testflotte. 20 kleine Elektroautos wurden seit Herbst 2010 an Mitarbeiter verliehen, die die Autos auf Herz und Nieren testen. Seit Herbst 2011 ist in Berlin auch eine Carsharing-Flotte verfügbar. Dabei soll auch die Akzeptanz dieser Elektroautos getestet werden.