Pictures of the Future Herbst 2005
Corporate Technology – Energietechnik
Energiequelle Siemens
Die Geschichte der Energietechnik ist von Siemens geprägt: Den Anfang machte Werner von Siemens mit seiner Dynamomaschine. Seine Nachfolger entwickeln umweltfreundliche Kraftwerke, supraleitende Motoren und Brennstoffzellen.
Bahnbrechende Erfindungen: vom Dynamo, mit dem Siemens 1866 die Elektrotechnik begründete (links) bis zum GuD-Kraftwerk höchster Effizienz – das in den Vereinigten Arabischen Emiraten mit einer Meerwasser-Entsalzung gekoppelt ist (oben). Gasturbinenschaufeln widerstehen extremen Belastungen (Mitte) und supraleitende Motoren könnten Schiffsantriebe revolutionieren (rechts)
Wer den Spuren des elektrischen Stroms folgt, stößt früher oder später auf den Namen Siemens – oft schon beim eigenen Sicherungskasten, dann beim Trafohäuschen, der Umspannstation oder dem Kraftwerk. Die Transformatoren, Steuerungen und Generatoren, die einem dabei begegnen, tragen mit hoher Wahrscheinlichkeit den Schriftzug SIEMENS.
Die Stromerzeugung und sogar die Bezeichnung Elektrotechnik sind aufs Engste mit dem Firmengründer verbunden: Werner von Siemens entdeckte 1866 das dynamoelektrische Prinzip und ließ sich 1867 die dynamoelektrische Maschine patentieren. Sie erzeugte erstmals das für die Stromgewinnung nötige Magnetfeld selbst, indem der Strom über einen Elektromagneten geführt wird. Wird dieser Dynamo mechanisch angetrieben, baut sich ein Feld auf, das sich hervorragend zur Stromerzeugung eignet.
Siemens erkannte die Tragweite seiner Erfindung sofort: Durch Verbindung seines Dynamos mit einer Dampfmaschine erzeugte er große Mengen Gleichstrom, der ideal war, um die damals üblichen Bogenlampen mit Energie zu versorgen. Speiste man umgekehrt Strom in den Dynamo, verwandelte er sich in einen zugkräftigen Motor. "Die Sache ist sehr ausbildungsfähig", schwärmte Werner von Siemens in einem Brief an seinen Bruder Wilhelm und prophezeite, dass "kleine elektromagnetische Maschinen, die Kraft von großen erhalten, möglich und nützlich werden". Seine Vision ist heute Realität: Große Kraftwerke speisen viele kleine Abnehmer.
Die Firma Siemens beschloss, sich vor allem über die Qualität ihrer Ingenieursarbeit von der Konkurrenz zu unterscheiden. Mit Oskar Frölich stellte Siemens 1873 den ersten Physiker ein, um den Magnetismus zu ergründen. Ab der Jahrhundertwende heizten die neuen Metallfaden-Glühlampen (siehe "Es werde Licht") die Stromnachfrage weiter an. Um die Zentralstationen, die damaligen Energieversorgungsunternehmen, zu versorgen, baute Siemens neben Generatoren und Transformatoren ab 1927 auch Dampfturbinen und erreichte immer höhere Wirkungsgrade. Der Schlüssel dazu lag und liegt heute noch in der Entwicklung hochtemperaturfester Werkstoffe.
Das gilt besonders für Gasturbinen. Sie werden direkt durch brennende Gase angetrieben – ganz so, wie sich schon 1873 ein preußischer Erfinder eine Feuerturbine vorstellte: Treibstoff wird in verdichtete Luft geblasen und gezündet. Die Gase treiben schnell rotierende Turbinenschaufeln an, die ihre Kraft an einen Generator weitergeben. Im Innern einer Feuerturbine herrschen ungemütliche Zustände: Temperaturen über 1400 °C und Drücke von 17 bar. Besonders belastete Teile wie die vorderen Turbinenschaufeln werden daher als Einkristall aus einer Schmelze gezogen. Zusätzlich schützt sie eine keramische Schutzschicht.
Nach dem Zweiten Weltkrieg entwickelten Siemens-Ingenieure Gasturbinen zur Serienreife. 1961 erhielt das Kraftwerk München-Obersendling die erste von mittlerweile etwa 500 Siemens-Gasturbinen. Zunächst bewährten sie sich als Einspringer. Während ein Dampfkraftwerk Stunden braucht, um auf Betriebstemperatur zu kommen, speist die Gasturbine bereits nach wenigen Minuten Energie ins Netz. Heute baut Siemens vor allem Kombinationen aus Gas- und Dampfturbinen (GuD). Dazu leitet man die etwa 600 °C heißen Abgase der Gasturbine in einen Kessel, in dem Dampf erzeugt wird, um eine nachgeschaltete Dampfturbine anzutreiben – im Verhältnis von etwa zwei Drittel zu einem Drittel erzeugen beide Strom.
Preis für Klaus Riedle
Vor allem für signifikante Verbesserungen von Gasturbinen wurde Klaus Riedle vom Bereich Power Generation im Juni 2005 in St. Petersburg der mit 500 000 € dotierte Global Energy International Prize verliehen– eine Art Nobelpreis für Energietechnik. Riedles jüngster Erfolg ist das 2002 fertiggestellte Kraftwerk Mainz-Wiesbaden. Die hier eingesetzte Turbine produziert Strom mit einem vorher unerreichten Wirkungsgrad und einem um 10 % reduzierten Treibstoffbedarf. Bei einer Betriebstemperatur von 1500 °C drehen sich die Schaufeln im rotglühenden Zustand und müssen Kräfte aushalten, wie wenn ein 40 t schwerer Lkw an ihnen zöge. Damit die Anlage den Belastungen jahrzehntelang widerstehen kann, waren umfangreiche Modellierungen der Schaufelgeometrie mit Hochleistungscomputern nötig
"Inzwischen stellen wir Kraftwerke mit einem Wirkungsgrad von 58 % her, 60 % stehen auf dem Reißbrett. Damit ist die GuD-Technik konkurrenzlos in der effizienten Ausnutzung des Brennstoffs", weiß Bernhard Becker, der bis 1997 für die Entwicklung der Gasturbinen verantwortlich war. Mit zusätzlicher Wärmenutzung – etwa als Fernwärme oder für die chemische Industrie – werden sogar Brennstoffnutzungsgrade von 90 % erreicht. Bei der Weiterentwicklung immer dabei: die Forscher von Corporate Technology (CT), etwa mit neuen Materialien und Verfahren für die Keramikbeschichtungen oder mit der 3D-Simulation von Turbinenschaufeln und des Gasflusses.
Künftig sollen GuD-Kraftwerke nicht nur Erdgas verfeuern. Eine kleine vorgeschaltete Chemiefabrik kann Kohle, Asphalt oder Raffinerierückstände in gut brennbares Gas verwandeln – ohne Ruß, Schwefel und Schwermetalle und mit einer speziellen Abtrennungs- und Lagerungstechnologie sogar ohne CO2-Ausstoß. "Mit diesen IGCC-Anlagen (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2004, "Saubere Kohle") lassen sich drastische CO2-Reduktionen erreichen", urteilt Becker.
Einen noch längeren Atem als die Turbinenbauer benötigten die CT-Forscherteams für Supraleitung und Brennstoffzellen in Erlangen. Beide Projekte laufen seit Mitte der 1960er Jahre. "Brennstoffzellen sind für den wirtschaftlichen Einsatz in Autos noch zu aufwändig, aber bei U-Booten und im Weltall sieht das schon anders aus", erläutert Albert Hammerschmidt von Industrial Solutions and Services. Siemens hat bereits drei deutsche U-Boote mit Brennstoffzellen von über 150 kW Leistung ausgerüstet. Strom wird dabei über komprimierten Wasserstoff und tiefgekühlten Sauerstoff erzeugt. "Siemens ist der einzige Hersteller weltweit", sagt Hammerschmidt.
Mit den neuen, biegsamen Hochtemperatur-Supraleitern (HTS) sind die CT-Ingenieure auch dem Traum vom supraleitenden Motor näher gerückt. Die Temperaturen, bei denen er ohne elektrische Verluste arbeitet, sind nun viel höher als zu Beginn der Forschungen in den 60er Jahren. Entsprechend einfacher ist heute die Kühlung. "Noch sind die Drähte für den kommerziellen Einsatz zu teuer, aber das wird sich bald ändern", sagt Heinz-Werner Neumüller, Leiter des Fachzentrums Power Components & Superconductivity.
Als sparsame und kompakte Kraftquellen sollen die neuen Aggregate etwa in drehbare Gondeln unter den Schiffsrumpf wandern und so die Wendigkeit verbessern. Auch im Schiffsinneren könnten sie eine neue Ära einläuten. So haben Siemens-Forscher im August 2005 den weltweit ersten HTS-Generator mit einer Leistung von 4 MVA in Betrieb genommen. Damit könnte er eine 50 m lange Motoryacht mit Strom versorgen und antreiben – bei nur halb soviel Gewicht und Volumen wie konventionelle Generatoren. Auch für die Siemens-Brennstoffzelle hält die See neue Perspektiven bereit. "Ein Reeder testet sie gerade als Stromversorgung für Schiffe während der Liegezeiten in Häfen", freut sich Hammerschmidt.
Björn Schaffer
Einfach Ausblasen
Trennt man elektrische Kontakte bei anliegender Hochspannung, entsteht ein brennender Lichtbogen, der selbst im Vakuum nicht ohne weiteres verlischt. 1930 erregte Siemens großes Aufsehen mit Leistungsschaltern nach dem neuen Expansionsprinzip – erfunden von Hans Gerdien, der ab 1924 das Siemens-Forschungslabor leitete. Die Idee: Der Lichtbogen wird durch den Luftzug von Gasmolekülen ausgeblasen. Die nötige Bewegungsenergie liefern die Kontakte selbst, wenn sie von starken Federn auseinandergerissen werden. Ab 1968 eine weitere Innovation: Siemens lieferte die ersten Schalter mit dem Gas Schwefelhexafluorid (SF6) als Löschmittel aus. Der Vorteil: SF6 brennt nicht und geht so gut wie keine chemischen Reaktionen ein. Die Schalter werden für den Normalbetrieb bis 420 kV ausgelegt, für Sonderfälle auch bis 800 kV
Energie-Zentrum
40 Jahre Forschungszentrum Erlangen:
Lösungen für die Energieerzeugung zu entwickeln, war eine der Triebfedern für die Gründung des Forschungszentrums in Erlangen unter Leitung von Heinz Goeschel vor genau 40 Jahren – ein weiteres Jubiläum in der 100-jährigen Geschichte von Corporate Technology. Damit sollten die örtlich und organisatorisch verstreuten F&E-Aktivitäten der Siemens-Schuckertwerke AG organisatorisch und räumlich zusammengefasst werden: die Forschungslaboratorien (Heinrich Welker) für organische Chemie, Elektrochemie, Plasmaphysik und Festkörperforschung, die Reaktorentwicklung (Wolfgang Finkelnburg) und die Entwicklungslaboratorien