Pictures of the Future   Herbst 2007

Sauber unterwegs

Der Energieverbrauch von Flugzeugen, Schiffen oder Zügen lässt sich durch moderne Technik deutlich reduzieren. Siemens-Forscher entwickeln dafür ein ganzes Bündel neuer Lösungen. Dazu gehören ultraleichte U-Bahnen, kompakte Zugantriebe und sogar tiefgekühlte Schiffsmotoren.

Wie ein riesiges Rückgrat zieht sich das Skandinavische Hochgebirge bis an den Polarkreis. Schwere Wolken bleiben hier hängen, die der Westwind über den Atlantik nach Norwegen treibt. Wasser gibt es im Überfluss. Das nutzen die Norweger nicht nur zum Trinken, sondern auch zur Energiegewinnung. Stolze 99 Prozent ihres Strombedarfs decken sie aus Wasserkraft. Auch die Osloer Metro fährt mit dem sauberen Strom. Doch das Nahverkehrsunternehmen AS Oslo Sporveier wollte die Metro noch umweltfreundlicher gestalten und machte sich vor vier Jahren auf die Suche nach einem neuen Modell. Bei Siemens Transportation Systems (TS) wurde man fündig. TS hatte mit der Wiener Metro bereits einen sehr sparsamen Zug aufs Gleis gesetzt. Nach diesem Vorbild sollte die – noch grünere – norwegische Metro entwickelt werden. Inzwischen fahren die ersten Triebzüge der neuen MX-Baureihe durch Oslo. Insgesamt 63 Stück sind bestellt. Sie verbrauchen ein Drittel weniger Strom als ihr Vorgänger, sind frei von schadstoffhaltigen Materialien und werden sich in 30 Jahren, wenn sie dem Ende ihrer Dienstzeit entgegenrollen, zu mehr als 94 % wiederverwerten lassen.

Dieses Beispiel macht klar, dass auch Hochtechnologie noch nicht ausgereizt ist, was die Umweltfreundlichkeit betrifft. Das gilt für Metros, Fernbahnen, Flugzeuge oder Schiffe gleichermaßen. Verschiedene Siemens-Bereiche arbeiten seit langem daran, Fahrzeuge weiter zu perfektionieren – durch Gewichtseinsparung, bessere Antriebe und neue Werkstoffe. Dabei wird nicht mehr nur das Endprodukt, sondern der gesamte Lebenszyklus von der Herstellung über die Betriebszeit bis zur Verschrottung betrachtet: der "Product Lifecycle". Die TS-Entwickler haben ihre Oslo-Metro in Kooperation mit Spezialisten des Studiengangs Ecodesign an der TU Wien einer solchen Betrachtung (Lifecycle- Assessment, LCA) unterzogen. "Um die wichtigsten Einsparpotenziale zu identifizieren, mussten wir zunächst klären, in welcher Phase die meiste Energie verbraucht wird", sagt Dr. Joachim Pargfrieder, bei TS in Wien zuständig für LCA.

Die Öko-Bilanzierer von der TU berücksichtigten Tausende von Details: den Energieverbrauch beim Bauxit-Abbau ebenso wie die Gewinnung von Aluminium aus diesem Rohstoff oder den Heizbedarf der Metro an Wintertagen. Pargfrieder: "Für eine solche Analyse sind ausgefeilte Software-Programme nötig, wie sie an der TU entwickelt wurden." Schnell war klar, was zu tun war: eine möglichst große Energieeinsparung mit möglichst wenig Aufwand zu realisieren. Dass sich mit dem Werkstoff Aluminium Gewicht sparen lässt, lag auf der Hand. Doch andererseits eignet sich Aluminium kaum für eine Wärmedämmung im kalten Oslo. Die TS-Experten entwickelten deshalb für den Wagenkasten ein Aluminium-Hohlkammer-Profil mit Lufteinschlüssen und aufgeklebtem Isoliermaterial. Energie spart die Metro zudem durch ein ausgeklügeltes Antriebs- und Bremsmanagement, das die Bremsenergie als Strom ins Netz zurückspeist.

Pargfrieder und seine Kollegen haben streng darauf geachtet, wiederverwertbare Materialien einzusetzen: Holz, Kunststoffe, Metalle, Keramiken, insgesamt 84 %. Weitere 10 % lassen sich problemlos für die Energieerzeugung verbrennen. Zusammen sind das 94 % Wiederverwertbarkeit; 100 % zu erreichen ist schwierig, "weil aus Brandschutzgründen bestimmte Verbundstoffe verbaut werden müssen, die sich kaum auftrennen lassen", sagt Pargfrieder. Sein Ziel ist es, diesen Anteil weiter schrumpfen zu lassen – und den Energieverbrauch noch weiter zu senken.

Zugantrieb direkt am Rad. Dazu könnte unter anderem das neue Drehgestell Syntegra beitragen, das Pargfrieders Kollegen von TS in Erlangen und Graz entwickelt haben (siehe Pictures of the Future, Frühjahr 2006,  Schienenverkehr). Syntegra ist ein hochintegriertes Antriebssystem für Züge, bei denen die Antriebstechnik unter dem Fahrzeugboden befestigt ist. Die Drehgestelle tragen die Fahrmotoren, statt wie bei herkömmlichen Systemen die Kraft der Motoren über ein Getriebe auf die Radachsen zu übertragen – was Geräusche und Verschleiß verursacht und den Wirkungsgrad senkt.

Bei Syntegra hingegen sitzt ein walzenförmiger Elektromotor wie der Ring auf einem Finger direkt auf der Antriebsachse – berührungsfrei. Der Elektromotor nutzt ein permanentes Magnetfeld, das von Dauermagneten aus Selten-Erden-Materialien erzeugt wird. "Diese leistungsstarken Materialien sind das Herz des Antriebs", sagt Dr. Lars Löwenstein, Syntegra- Projektleiter. "Vor wenigen Jahren wären sie noch viel zu teuer gewesen." Inzwischen aber sind Selten-Erden-Magneten in ausreichender Qualität erschwinglich. Dank des fehlenden Getriebes und des neuen Rahmenkonzeptes ist ein Syntegra-Fahrdrehgestell um einen Meter kürzer als herkömmliche Modelle – alles in allem spart es etwa 2 t Gewicht und 20 % Energie.

Derzeit wird der Syntegra-Prototyp auf dem Schienennetz der Münchner Verkehrsbetriebe getestet. Zunächst auf Nachtfahrt ohne Passagiere. Während der Tests wachen 200 Sensoren darüber, wie gut die neue Technik arbeitet. In wenigen Monaten soll der Zug erstmals Fahrgäste transportieren. Nach absolvierten 10 000 km Probefahrt auf der Siemens-Teststrecke in Wegberg-Wildenrath steht bereits fest, dass Syntegra hält, was es verspricht. Der Energieverbrauch sinkt deutlich. Doch auch hier gibt es weiteres Verbesserungspotenzial: Das Serienmodell, das in etwa drei Jahren auf den Markt kommen soll, wird noch schlanker und leichter als der Prototyp sein, der zunächst besonders robust ausgelegt wurde. Zudem ist abzusehen, dass die Energiedichte der Selten-Erden-Materialien weiter steigen und damit die Leistung des Antriebs zunehmen wird.

Minusgrade für mehr Leistung. Nicht nur die Syntegra-Entwickler mussten lange auf die Reife ihrer Werkstoffe warten. Ähnlich erging es den Experten von Automation and Drives (A&D) in Nürnberg, die sich auf eine andere Werkstoffklasse spezialisiert haben: Supraleiter. Kühlt man bestimmte Verbindungen auf tiefe Minusgrade herunter, verlieren sie schlagartig ihren elektrischen Widerstand. Das Problem: Für die Kühlung benötigte man bis 1987 meist flüssiges, ultrakaltes Helium bei - 269 °C – und das ist teuer. Doch dann entdeckten Forscher Substanzen, die bereits bei deutlich höheren Temperaturen supraleitend werden. Diese Hochtemperatursupraleiter-Materialien (HTS) blieben allerdings für die meisten Anwendungen zu teuer.

Seit etwa fünf Jahren aber sind die Substanzen deutlich günstiger. A&D entschied sich deshalb 2003, einen ersten HTS-Generator zu entwickeln. Dessen Rotor ist nicht mit Kupfer- spulen, sondern mit Wicklungen aus HTS ausgestattet, das etwa 100-mal mehr Strom tragen kann. Die 400-kW-Maschine konnte damit bei gleicher Leistung um ein Drittel kleiner und leichter ausgelegt werden als herkömmliche Aggregate (Pictures of the Future, Frühjahr 2006,  Supraleitender Generator). Derartige Apparate eignen sich vor allem für die Energieerzeugung auf Schiffen, da sie Platz im engen Rumpf einsparen.

Inzwischen haben die A&D-Spezialisten den Prototypen einer 4-MW-Maschine entwickelt, die seit einem Jahr im Nürnberger Systemprüfhaus getestet und sowohl im Generator- als auch im Motorbetrieb gefahren wird. Der nächste Schritt soll ein langsam drehender 4-MW-HTS-Motor für den Direktantrieb einer Schiffsschraube sein. "Derzeit sind wir noch in der Entwicklungsphase", sagt Projektleiter Dr. Klemens Kahlen. "2008 beginnt die Konstruktion." Der neue Motor wird ab 2009 auf dem Prüfstand getestet. Erste kommerzielle Motoren könnten schon 2011 auf den Markt kommen. Der amerikanische Supraleiter-Experte Alan Lauder hat ausgerechnet, dass solche HTS-Maschinen die Treibstoffkosten eines Schiffs jährlich um bis zu 100 000 $ senken könnten.

Abnehmen im Großmaßstab. Um Treibstoffersparnis geht es auch bei Flugzeugen. Vor allem durch Gewichtsreduzierung: Pro Kilogramm eingesparter Masse ergibt sich über die Lebensdauer eines Flugzeugs gerechnet eine Kraftstoffeinsparung von mehreren Tonnen. Die Flugzeugbauer setzen deshalb neben Aluminium seit Jahren zunehmend auf die noch leichteren Kohlenstofffaserverbundwerkstoffe (CFK). Verglichen mit Aluminium lässt sich das Gewicht damit nochmals um bis zu 30 % verringern. Im neuen Airbus A380 werden mehr CFK-Teile als in jedem anderen Flugzeug verbaut – etwa das 120 m² große Seitenleitwerk. Zu den führenden Herstellern von Carbonfasern gehört Toho Tenax Europe, der größte Produzent von Kohlenstofffasern in Europa. Im vergangenen Jahr hat das japanische Mutterunternehmen im nordrhein-westfälischen Oberbruch eine neue Fertigungslinie aufgebaut. Die Prozessleittechnik und noch einiges mehr stammen von Siemens.

"Dank der Expertise in verschiedenen Geschäftsbereichen konnten wir eine Gesamtlösung anbieten", sagt Klaus Vierbuchen, Vertriebsingenieur bei A&D in Köln. Siemens hat alles aus einer Hand geliefert: das Basic- und Detail-Engineering, die Montageüberwachung und Sicherheitskoordination, die Prozessleittechnik, die Antriebstechnik, die Schaltanlagen für die Motoren sowie die unterbrechungsfreie Stromversorgung und die Transformatoren.

In der Anlage werden in einem komplexen Prozess Kilometer lange Faserrohlinge zum fertigen Produkt gebacken. Mehrere hundert Fasern laufen parallel über Rollen durch die einzelnen Verfahrensabschnitte. Viele Parameter – Ofentemperatur, Transportgeschwindigkeit, Verweilzeiten – verarbeitet das Prozessleitsystem Simatic PCS 7, damit die Faser am Ende den hohen Qualitätsanforderungen der Flugzeugbauer genügt.

Die Lösung aus einer Hand war nicht nur kostengünstiger als die der Konkurrenz, sondern auch schneller aufgebaut. "Der Hersteller konnte Wochen vor dem eigentlichen Starttermin mit der Produktion beginnen", sagt Vierbuchen. Diese neue Anlage zur Kohlenstofffaserherstellung zeigt, dass man auf ganz verschiedenen Wegen zum nachhaltigen Transport beitragen kann – mit der Öko-Metro aus dem eigenen Hause ebenso wie mit dem Anlagenbau-Know-how für die Produktion von umweltfreundlichen Hightech-Produkten.
                                                                                                                   Tim Schröder