Das Problem der rein unterseeischen Förderung liegt in der eingeschränkten Zugänglichkeit zu den am Meeresboden eingesetzten Maschinen, so dass Wartungsfreiheit und Zuverlässigkeit wichtig sind. Eine Minimierung von Zu- und Ableitungen zum Betreiben der Maschinen ist außerdem erforderlich. Daher wird für diesen Einsatz ein dichtungsloser Verdichter mit integriertem Antrieb vorgesehen. Das Konzept des dichtungslosen Verdichters stellt auch sicher, dass es zu keinem Stoffaustausch zwischen der Fördereinrichtung und der Umwelt kommen kann.

Diese hermetische Abgeschlossenheit eröffnet diesem Verdichtertyp außerdem das weite Einsatzfeld der Verdichtung besonders wertvoller oder toxischer Gase unter herkömmlichen Bedingungen.

Eine Erfindung von Wolfgang Zacharias (58) beschäftigt sich mit der Kühlung des dem Förderdruck ausgesetzten Elektromotors, wobei eine Druckführung im Kühlkreislauf die mechanische Integrität der Statorkapselung sicherstellt.

Die in der Öl- und Gasförderung heutzutage eingesetzten Anlagen bestehen normalerweise aus zwei getrennten Einheiten, nämlich einem Motor und einem Verdichter. Der Verdichter hat dabei die Funktion, den geförderten Rohstoff so zu komprimieren, dass er über Leitungen weitertransportiert werden kann. Schwierige Wetterverhältnisse sorgen allerdings dafür, dass die Öl- und Gasförderung von Plattformen oder Förderschiffen aus riskant und teuer ist. Beispielsweise sind Wartungs- und Reparaturarbeiten für die Techniker nur unter großen Gefahren zu erledigen.

Außerdem können viele Vorkommen nicht erschlossen werden, weil weder Schiffe noch Plattformen einsetzbar sind – wie in Gebieten mit Eisbergen, in denen jedoch große Öl- und Gasvorkommen existieren. Deswegen wird die Förderung unter Wasser vorangetrieben, um Öl und Gas dann in Leitungen direkt zum Festland pumpen zu können. Das ist aber nur mit einem komplett neu entwickelten, auf die speziellen Verhältnisse im tiefen Wasser ausgelegten Komponenten Motor und Verdichter ausgerichteten Motor möglich. Seit über fünf Jahren arbeiten die Ingenieure von Siemens Energy Oil & Gas daran, diese Anlage zu konstruieren. Vor zwei Jahren konnte eine Testanlage fertig gestellt werden, die für den Einsatz Probeläufe über Wasser gebaut wurde. Diese große Anlage namens STC-ECO misst fünf Meter im Quadrat: In einem sehr stabilen Gerüst hängt die Stahlkapsel, die den kombinierten Motor und Verdichter gegen den immensen Außendruck in großer Wassertiefe schützen soll. Neben der Stahlkapsel ist die Kühlanlage für den Motor angebracht, dessen Leitungen in die Stahlkapsel führen. Aus der Anlage werden im Unterwasserbetrieb dann Rohre führen, die sie direkt mit dem Förderrohr aus dem Bohrloch verbindet und weitere Rohre, die das geförderte Öl und Gas weitertransportieren.

„Solche Verdichter- und Motoreinheiten können bis zu einer Tiefe von 3000 Meter eingesetzt werden“, erklärt Zacharias. Der Erfinder hat bereits eine wichtige Voraussetzung dafür geschaffen: Ein doppelter Kühlkreislauf für die Unterwasser-Motor-Verdichter-Anlage, der das Problem der unterschiedlichen Druckverhältnisse in den verschiedenen Teilen der Maschine löst. Denn um Motor und Verdichter in der schützenden Stahlkapsel zusammen unterbringen zu können, muss der Motor so konstruiert sein, dass er den Kontakt mit dem Rohstoff verträgt. Das betrifft vor allem die Kupferwicklungen des Motors, die bei Kontakt mit dem Gas chemisch reagieren würden: Korrosion und Erosion wäre die fatale Folge.

Um die Kupferwicklungen vor Gas zu schützen, werden sie mit einer dünnen Trennschicht aus einem hochfesten Glasfaserverbundstoff geschützt, die wie ein Rohr um die Welle liegt. „Der Spalt zwischen der Welle, und der Trennschicht und der Kupferwicklung darf nur wenige etwa acht Millimeter betragen, sonst geht bei der Übertragung der Kraft auf die Welle zu viel Wirkung verloren“, erklärt Zacharias die besonderen Schwierigkeiten der Konstruktion. In der Kupferwicklung bis zu diesem schmalen Spalt zirkuliert das Kühlöl, das mit Schläuchen von außen in die Stahlkapsel hinein- und herausfließt. Dieser Kühlkreislauf ist notwendig, weil die inneren Kupferwicklungen so viel Wärme entwickeln, dass auch die sehr kalten Wassertemperaturen in großer Tiefe das Innere der Stahlkapsel nicht ausreichend kühlen können. Da im Spalt zwischen Trennschicht und Welle im Inneren der Stahlkapsel das Gas zirkuliert, bevor es verdichtet und über Rohre weitertransportiert wird, gibt es zwei unterschiedliche Druckverhältnisse: Der Gasdruck und der Druck des Kühlöls. Der Gasdruck unterliegt großen Schwankungen, je nachdem wie viel Öl-Gas-Gemisch aus dem Bohrloch gefördert wird. „Damit die Schutzhülle der Kupferwicklungen nicht zerstört wird, muss der Kühlkreislauf des Kühlöls unbedingt mindestens den gleichen Druck wie der des Gases haben“, erklärt Zacharias. Mit einer ausgeklügelten Regeltechnik hat Zacharias es geschafft, den Druck des Kühlkreislaufes ständig dem des Gases anzupassen. „Diese Regelungen müssen perfekt funktionieren, denn wenn die gesamte Anlage eines Tages in tiefen Wasser eingesetzt wird, muss sie jahrelang ohne jede Wartung betrieben werden können“, erklärt Zacharias. Zurzeit wird eine neue Testanlage gebaut, die unter realen Bedingungen eingesetzt werden soll.

Die Arbeit an Turboverdichtern beschäftigt Zacharias bereits seit Abschluss seines Studiums des Maschinenbaus an der Gesamthochschule Paderborn. Vor 36 Jahren begann er seine Tätigkeit als Entwicklungskonstrukteur am Standort Duisburg, damals noch beim Unternehmen Mannesmann DEMAG. Nach einigen weiteren Besitzerwechseln übernahm Siemens vor  etwa 10 Jahren den Bereich Turboverdichter. „So habe ich bereits eine wechselvolle Unternehmensgeschichte  miterlebt, obwohl ich immer am gleichen Standort geblieben bin“, meint Zacharias lachend. Doch sein Aufgabengebiet ist über die ganzen Jahre immer gleich geblieben: Konstruktion von Turboverdichtern und Maschinenbaukomponenten für Verdichter wie zum Beispiel Lager und Gasdichtungen. Und in diesem Bereich kann Zacharias bereits 28 Erfindungsmeldungen, 34 erteilte Einzelpatente und 22 Schutzrechtsfamilien vorweisen. „Ich hatte vor dem Studium im väterlichen Betrieb bereits eine Lehre als Schmied gemacht und wollte beruflich unbedingt einen praktischen Bezug zu meiner Konstrukteurtätigkeit haben“, erklärt Zacharias. In der Entwicklungskonstruktion – Zacharias ist hier Abteilungsleiter – werden Standards, Regeln und Richtlinien erarbeitet, nach denen die Projekteure maßgeschneiderte Verdichter für Kunden bauen.

Aus seiner Lehrzeit zum Schmied ist Zacharias als Hobby das Anfertigen von kleinen Schmiedearbeiten geblieben. Außerdem hält sich der verheiratete Vater von zwei erwachsenen Kindern mit Handball fit. Mit dem Rad fährt er gerne durch Duisburg, das seiner Meinung längst nicht mehr die graue Industriestadt ist. „Das Image wandelt sich von der alten Ruhrpotmetropole zu einer grünen Innovationsstadt“, findet Zacharias.