Pictures of the Future    Frühjahr 2006

Kälte heizt Schiffen ein

Der weltweit erste Generator mit Hochtemperatur-Supraleitern soll künftig Schiffe antreiben. Er ist leichter, kleiner und leistungsfähiger als bisherige Aggregate und sehr flexibel in unterschiedlichen Schiffstypen und sogar auf Bohrinseln einsetzbar.

Als Georg Bednorz und Alex Müller 1986 die Hochtemperatur-Supraleitung (HTS) an Keramiken von Selten-Erd-Metallen entdeckten, waren die Experten aus dem Häuschen. Sofort machten Visionen möglicher Einsatzgebiete die Runde – meist supraleitende Stromkabel oder neuartige elektronische Bauteile. Das Phänomen Supraleitung war zwar lange bekannt: Nahe des Temperatur-Nullpunkts bei -273 °C leiten manche Substanzen Strom praktisch verlustfrei. Doch dafür war eine aufwändige Heliumkühlung nötig, die sich nur für teure Anlagen wie Teilchenbeschleuniger lohnte. Die neuen HTS-Materialien hingegen waren schon oberhalb von -196 °C supraleitend – was eine Kühlung mit billigem flüssigem Stickstoff ermöglicht.

Das, was ein Forscherteam von Siemens nun als eine der ersten kommerziellen HTS-Anwendungen vorantreibt, hatte indes kaum jemand im Fokus: "Wir wollen Hochtemperatur-Supraleiter für Schiffsgeneratoren nutzen", sagt Dr. Georg Nerowski von Automation and Drives (A&D) in Nürnberg. "In wenigen Jahren sollen sie tief unten in stampfenden und rollenden Schiffsrümpfen Strom für den Antrieb und die Bordelektronik erzeugen." Das Prinzip funktioniert: Seit einem halben Jahr surrt der weltweit erste schnelllaufende HTS-Generator im Systemprüfhaus von A&D in Nürnberg (siehe Motorentestcenter). 3 600 min^-1 schafft die Maschine von der Größe eines Kleinwagens.

"Der HTS-Generator muss hier zeigen, welche Eigenschaften er hat, und wie zuverlässig die Technologie ist", sagt Nerowski, dessen Team für das Design des Generators zuständig ist. Die Techniker schließen die Maschine z.B. kurz oder lassen sie im Leerlauf rasen – alle Härtetests bewältigte der Generator bislang zuverlässig. Obwohl er eine Leistung von 4 MVA hat – damit ließen sich tausende Einfamilienhäuser versorgen – ist er deutlich kleiner als herkömmliche Generatoren. Wie üblich, dreht sich im HTS-Aggregat ein Rotor in einem zylindrischen Gehäuse, dem Ständer. Wird der Rotor durch eine Antriebswelle in Drehung versetzt, erzeugt sein Magnetfeld in den Spulen des Ständers elektrische Spannung. Diese Energie wird abgeleitet und genutzt.

"Im HTS-Generator verwenden wir nun für die Wicklungen des Rotors nicht Kupfer, sondern Drähte aus HTS-Keramik ", erklärt Nerowski. Das HTS-Material kann im tiefgekühlten Zustand deutlich mehr Strom aufnehmen. Das Ergebnis: Gewicht und Volumen des 4-MVA-HTS-Generators betragen nur etwa 70 % der Werte gewöhnlicher Maschinen. Zugleich werden die Energieverluste halbiert und der Wirkungsgrad verbessert. "Der Vorteil in diesem Leistungsbereich ist bei den erreichten Größenverhältnissen geradezu revolutionär", sagt Bernd Wacker, Projekt-Koordinator bei Corporate Technology (CT) in Erlangen. "Bei konventionellen Maschinen kann der Wirkungsgrad nur mit höherem Materialeinsatz und überproportionaler Vergrößerung von Masse und Volumen verbessert werden."

Verschlankte Jachten. Künftig sollen die HTS-Generatoren vor allem auf "voll-elektrischen" Schiffen (VES) eingesetzt werden. Deren Schiffsschrauben werden nicht direkt durch große Dieselmotoren angetrieben. Stattdessen versetzt eine Gasturbine einen Generator in Rotation. Der so erzeugte Strom gelangt dann zu mehreren kleineren Elektromotoren für die Schiffsschrauben. Der VES-Antrieb spart somit Platz. Statt riesiger Dieselmotoren lassen sich etliche kleine Erzeugungseinheiten im Schiffsbauch besser unterbringen. Jachten beispielsweise können dadurch schlanker werden, was den energiefressenden Wasserwiderstand deutlich verringert.

Bislang gibt es erst wenige voll-elektrische Schiffe. Doch der alternative Antrieb ist en vogue – insbesondere bei Kreuzfahrtschiffen, wo inzwischen fast jeder Neubau mit VE-Maschinen ausgestattet wird. Denn der elektrische Antrieb bietet noch weitere Vorteile: Er ist viel ruhiger als der tuckernde Diesel, und die Energie dient zusätzlich der Hotellerie an Bord: Ein Drittel des Stroms wird für Küche, Beleuchtung und Passagier-Komfort verbraucht. "Wir gehen davon aus, dass sich dieser Trend fortsetzen wird", sagt Wolfgang Rzadki, der bei Marine Solutions im Siemens-Bereich Industrial Solutions and Services (I&S) in Hamburg für die Einführung der Technik zuständig ist. Ein weiterer Grund für die Popularität der VES: Kreuzfahrtschiffe oder Privatjachten bewegen sich eher gemächlich, fahren viele Häfen an und legen Zwischensprints ein. Da sich an Bord großer VES pro Schiffsschraube etwa drei kleine Elektromotoren befinden, kann je nach Bedarf die optimale Zahl an Turbinen und Generatoren zugeschaltet werden. Das ist effizienter als der Dieselantrieb im gedrosselten Betrieb. Voll-elektrische Kriegsschiffe dürften ein weiteres Einsatzgebiet sein; für große Containerschiffe, die lange mit konstanter Geschwindigkeit fahren, bleibt vorerst der Diesel der Antrieb der Wahl.

Insgesamt drei Siemens-Bereiche waren an der Entwicklung des HTS-Generators beteiligt – Fachleute von A&D, I&S und CT. Die Forscher von CT entwickelten auch ein neues Kühlsystem, denn die entscheidende Frage war: Wie wird ein Generator mit einem schnell drehenden Rotor auf minus 248 Grad Celsius gekühlt? Die Lösung ist genial einfach: Die Entwickler nutzen die Generator-Welle als Tunnel für das Kühlmittel, das Edelgas Neon. Es wird in zwei eimergroßen Kühlaggregaten verflüssigt, fließt dann durch die hohle Welle bis zum Rotor und bringt diesen auf seine frostige Betriebstemperatur. Erwärmt sich das Neon, wandelt es sich wieder in Gas um und strömt durch dieselbe Leitung zurück zum Kaltkopf. "Das Hin- und Herfließen des Neons geschieht von selbst", erklärt Wacker, "Pumpen sind nicht nötig, das Neon-System ist hermetisch abgeschlossen und wartungsfrei." Das ist ideal für den Betrieb im Schiff. Je einfacher die Konstruktion ist, desto weniger anfällig ist sie. Selbst ein kurzzeitiger Ausfall der Kühlung würde nicht stören, denn das System hat eine große thermische Reserve. Auch ist der Rotor gut isoliert.

Neben dem Schiffsantrieb gibt es weitere potenzielle Einsatzgebiete. So wollen die Forscher eine kompakte Einheit aus Treibstofftank, Turbine und Generator entwickeln, die sich in Containern verstauen und flexibel einsetzen lässt. Beispielsweise als Stromerzeuger auf entlegenen Inseln, auf Containerschiffen oder auf Bohrinseln. Denkbar ist sogar eine Nutzung des leichten und leistungsfähigen Generators in Windkraftanlagen.

Wichtig für den Bau von HTS-Generatoren ist natürlich ein hochwertiger Supraleiter. Siemens kooperiert hier mit der Firma European Advanced Superconductors in Hanau, die HTS-Drähte in der nötigen Qualität und Länge liefern kann. Laut Geschäftsführer Dr. Burkhard Prause werden große HTS-Maschinen in den nächsten Jahren erheblich an Bedeutung gewinnen. "Mit ihnen lässt sich doppelt sparen", sagt Prause, "zum einen verbrauchen sie deutlich weniger Primärenergie, weil sie effizienter und flexibler als herkömmliche Generatoren sind, und zum anderen können die Maschinen um bis zu 75 % kleiner ausgelegt werden und sparen dadurch auch Rohstoffe wie Kupfer oder Eisen."

Teils noch Grundlagenforschung. Bis der HTS-Generator auf große Fahrt geht, wird es noch dauern. Zunächst müssen die Forscher das Gerät weiter testen, seine Eigenarten kennen lernen und reale Betriebsbedingungen simulieren. "Wir betreiben hier teilweise Grundlagenforschung", sagt Georg Nerowski. "Einen derartigen Generator gab es noch nie." Um sicherzugehen, dass die Maschine passgenau auf die Bedürfnisse der Schiffsbauer zugeschnitten wird, kooperieren die Entwickler mit dem Germanischen Lloyd (GL) in Hamburg, der Standards für Schiffe festlegt und überprüft. Der Generator wird vieles aushalten müssen: Meerwasser, Schräglage oder Erschütterungen, wenn der Schiffsrumpf in die schäumende See kracht.

Wolfgang Rzadki schätzt, "dass es noch etwa fünf bis zehn Jahre dauert, bis ein kommerzielles Produkt zur Verfügung steht." Zwar reiche eine 4-MVA-Anlage bereits für den Antrieb von stattlichen Motorjachten aus, für größere Schiffe aber wird der Antrieb ein etwa 30- bis 40-mal größeres Drehmoment aufbringen müssen. Dass dieses Ziel erreicht wird, steht für ihn außer Frage. Rzadki: "Die Entwicklung, Optimierung und Höherdimensionierung eines völlig neuen Systems bis zur Marktreife dauert einfach seine Zeit, aber wir werden es schaffen."
                                                                                                                   Tim Schröder