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Dienstag, Dezember 12, 2017
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schaefflerInterview mit

Dr. Arndt Schweigert,

Leiter Branchenmanagement Energieerzeugung, Schaeffler Gruppe Industrie, Herzogenaurach,

"Die Technologien zur Energiegewinnung im Meer befinden sich heute auf dem Stand wie die Windenergie vor 25 Jahren."


Ein noch relativ kleiner, aber sehr feiner und vor allem interessanter Bereich der Schaeffler Gruppe ist das Branchenmanagement Energieerzeugung. Während man in der Windkraft bereits den Kinderschuhen entwachsen ist, fühlt man sich besonders in Teilgebieten der Wasserkraft um Jahrzehnte zurück versetzt. Neben der etablierten Technik gibt es viele erfolgversprechende Technologien, Projekte und Prototypen, von denen sich manche als zukunftsfähig heraus kristallisieren werden. developmentscout sprach mit Dr. Arndt Schweigert über die Herausforderungen, die die Erneuerbaren Energien an die Schaeffler Gruppe stellen.

Die erste Frage:

developmentscout: Es gibt viele Technologien für die Energiegewinnung aus Wasserkraft. Welches sind die wichtigsten?

Dr. Schweigert: Grundsätzlich bietet die Wasserkraft den Vorteil einer sehr flexiblen Energieversorgung und nimmt mit einem Anteil von circa fünfzehn Prozent an der weltweiten Stromerzeugung einen hohen Stellenwert ein. Für die zentrale Energieversorgung stellen Staudämme als so genannte große Wasserkraft ein wichtiges Feld dar. Während die Staudammpotentiale in Europa schon zu fast zwei Drittel erschlossen sind, sind sie in den asiatischen Ländern noch stark ausbaubar. Das ist auch notwendig, weil es dort noch einen gewaltigen Energiebedarf abzudecken gilt.schaeffler

Die sogenannte kleine Wasserkraft liegt definitionsgemäß in Europa im Bereich von bis zu 10 MW, in Asien spricht man von 20 bis 30 MW. Die Prinzipien sind teilweise ähnlich wie bei der großen Wasserkraft nur eben kleiner dimensioniert. Darüber hinaus gibt es in Ländern mit einer geringen zentralen Energieversorgung wie Indien oder China die Möglichkeit, mit lokaler Energieversorgung Städte, Gemeinden und Industriegebiete zu versorgen. Das geschieht beispielsweise mit den konventionellen Wasserrädern, bekannt aus der historischen Wasserkraft, die im kW-Bereich liegen. Oder es leben so alte Technologien wie das Prinzip der Archimedes-Schrauben wieder auf, die ursprünglich für die Wasserförderung konzipiert wurden. Kehrt man deren Prinzip um, treibt das Wasser mit Gefälle die Schnecke an, die mit einem Generator gekoppelt ist. Diese so genannten Wasserkraftschnecken können heute schon mit Leistungen bis zu einigen 100 kW gebaut werden und sind auch für die dezentrale Energieversorgung in Europa zunehmend interessant.

Energie aus dem Meer liefern Strömungs- und Wellenkraftwerke. Das erste Prinzip nutzt die natürliche Meeresströmung zur Erzeugung von Energie, insbesondere in Regionen, wo es Gezeiten gibt. Dort ist auch das höchste Potenzial hinsichtlich Energiedichte zu finden. Das zweite Prinzip finden wir in ähnlichen Gebieten, wo zusätzlich der Wind für ausreichend Wellenbewegung sorgt. Die Wellen werden so ausgenutzt, dass über entsprechende Mechanismen ihre Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt wird.

developmentscout: Schaeffler hat mit seinen Lagerlösungen stark am Projekt „Pelamis“ mitgewirkt, welches jetzt einen entscheidenden Durchbruch erzielt hat. Was waren die größten Herausforderungen bei der Umsetzung dieses Wellenenergiekonverters?

Dr. Schweigert: Die Problematik hier ist sehr vielschichtig. Vorteilhaft war zunächst, dass Pelamis nicht permanent unter Wasser, sondern an der Wasseroberfläche installiert ist. Natürlich tauchen Wellen und Spritzwasser Teile der Maschine ins Wasser ein, die aber durch entsprechende Abdichtungen geschützt werden. Die Wellen sorgen andererseits für permanente Bewegung. Entsprechend der Wellenzyklen werden die Lager ständig auf Schwenkbewegung beansprucht, etwa sieben, acht Mal pro Minute. Pro Jahr ergeben sich dabei Schwenkbewegungen in einer Größenordnung von drei bis vier Millionen. Das ist eine hohe nicht mit anderen Anwendungen vergleichbare Beanspruchung der Lagerstellen und somit eine große Herausforderung für uns. Wir haben hier zudem teilweise größere Bewegungswinkel kombiniert mit einer hohen Anzahl von Oszillationen pro Zeiteinheit. Ein wesentliches Ziel der Anlagenbauer war es zudem, sämtliche Lagerstellen wartungsfrei zu konzipieren, d. h. schmierstofffreie Lager einzusetzen, die nicht gewartet werden müssen und auch keine Umweltverschmutzung verursachen. Die Lebensdauer ist allerdings bei jedem wartungsfreien Lager begrenzt. Mögliche Austauschintervalle müssen daher planbar definiert werden. Bei Pelamis beispielsweise sind die Hauptlager für mindestens fünf Jahre Lebensdauer konzipiert.

schaefflerdevelopmentscout: Welche Rolle spielen die unterschiedlichen Standorte definiert durch Wellengang, Salzgehalt etc. für Ihre Lager?

Dr. Schweigert: In den letzten fünfzehn Jahren sind viele Untersuchungen durchgeführt worden, dank derer sich Schwerpunktstandorte herauskristallisieren konnten. In Europa beispielsweise sind es die Küsten um Großbritannien, Irland, Portugal, aber teilweise auch Skandinavien. Für die spezifische Auslegung gibt es zwei prinzipielle Konzepte: Es werden zum einen gekapselte bzw. abgedichtete Systeme verwendet, die die Komponenten vor dem Eindringen des Salzwassers schützen. Das Ziel der Hersteller ist es allerdings, Lager einzusetzen, die im Wasser arbeiten können. Diese Lagerungen wären weitgehend wartungsfrei, würden das Ausfallrisiko bei Wassereintritt in das Lager und das Risiko der Umweltverschmutzung durch austretende Schmierstoffe vermeiden. Es gilt also, wassergeschmierte Lager für Strömungs- und Wellenkraft zu entwickeln. An diesen Entwicklungen arbeiten wir sehr intensiv. Es ist aber noch ein weiter Weg, dabei sowohl Korrosion als auch Verschleiß in den Griff zu bekommen, insbesondere unter dem Aspekt geforderter Lebensdauerwerte von einigen Jahren. Die unterschiedlichen Salzgehalte spielen nicht so die entscheidende Rolle, denn es reicht schon relativ wenig Salz aus, um Korrosion und damit Verschleiß zu verursachen. Bezogen auf die Einsatzorte der Anlagen werden die Systeme abgestimmt hinsichtlich Strömungsgeschwindigkeiten bei den Strömungskraftwerken und auf die Höhe, Anzahl pro Zeiteinheit und Abstand der Wellen bei den Wellenkraftwerken.

developmentscout: Welche Technologien werden Ihres Erachtens im Wasser künftig maßgebend sein?

Dr. Schweigert: Das ist jetzt noch gar nicht so richtig abzusehen. Die Technologien zur Energiegewinnung im Meer befinden sich heute auf dem Stand wie die Windenergie vor 25 Jahren. Derzeit gibt es etwa 80 verschiedene Techniken im Bereich Wellenkraft und 40 im Bereich der Strömungskraft, die teils auf ähnlichen, aber auch verschiedenen Grundprinzipien basieren. Es gibt sehr viele Projekte aber auch Prototypen sowohl im kleineren Maßstab als auch schon Eins zu Eins-Funktionsmodelle. Perspektivisch wird sich aber nicht nur ein Prinzip durchsetzen, sondern es wird mehrere in Abhängigkeit des Standortes geben. Verschiedene Untersuchungen belegen, dass die Wellenenergie ein höheres Potenzial als die Strömungsenergie bietet. Momentan ist aber alles noch in der Entwicklungsphase.

developmentscout: Welche Anwendungen realisiert Schaeffler in der Solarenergie?Schaeffler

Dr. Schweigert: Im Solarbereich sind all die Systeme interessant, bei denen eine Bewegung, sprich Sonnennachführung erforderlich ist. Das findet speziell bei der konzentrierten Photovoltaik, aber vor allem bei der größeren Kraftwerkstechnik, der so genannten Solarthermie statt. Die wiederum findet man größtenteils in den Sonnen reichen Gebieten wie Spanien – Beispiel ist das Solarkraftwerk Andasol – oder Italien, Griechenland, Kalifornien. Es gibt einachsige oder zweiachsige Nachführsysteme. Bei der Drehung um die Azimutachse folgt das ganze System der Sonne von Ost nach West, d. h. Drehung um die vertikale Achse von Sonnenauf- bis Sonnenuntergang. Dann gibt es Kombinationen, die zusätzlich die Höhe der Sonne berücksichtigen. Und es gibt einachsige Systeme, die nur die Elevationsachse benötigen. In diesem Fall schwenkt das System um die horizontale Achse von Ost nach West.

developmentscout: Welche Trends sehen Sie in der Solartechnik?

Dr. Schweigert: Während für den Privatgebrauch die klassischen Photovoltaikanlagen immer mehr an Bedeutung gewinnen, werden es für die große Energiegewinnung aufgrund der besseren Wirkungsgrade die solarthermischen Kraftwerke sein. Aktuell wird in den USA in der Mojave-Wüste ein solarthermisches Kraftwerk nach der Parabolrinnentechnik gebaut, das in der letzten Ausbaustufe 1000 MW erzeugen soll. Oder nehmen Sie das Projekt Desertec, das ebenfalls Wüstenstrom insbesondere für Europa und die gesamte Mittelmeerregion liefern wird. Die Desertec Industrial Initiative, DII, möchte fünfzehn Prozent des europäischen Energiebedarfes und einen wesentlichen Teil der Stromerzeugung Nordafrikas und des Nahen Ostens bis zum Jahr 2050 aus diesem Projekt abdecken. Für uns ist es ein wichtiges Ziel, hier mit dabei zu sein.

developmentscout: Sonne gibt es ja genug, aber wie wird die regenerierte Energie aus der Wüste künftig den Mitteleuropäer erreichen können?

Dr. Schweigert: Die verlustarme Energieübertragung ist ein Kernthema, an dem intensiv gearbeitet wird. Als Zukunftsaufgabe ist das vergleichbar mit dem Technologiewechsel von konventioneller zu alternativer Energie. Die Schaeffler Gruppe ist indirekt an diesem „Transport“ beteiligt, da beim Ausbau dieser Energienetze Hochspannungs- oder Mittelspannungs-Schaltanlagen und deren Antriebssysteme benötigt werden, in denen unsere Lagerungen zum Einsatz kommen.

developmentscout: Welche Lagertypen kommen bei all diesen Anwendungen zum Einsatz?

Dr. Schweigert: Die Gleitlager spielen ein große Rolle, teilweise eine größere als die Wälzlager. Beim Einsatz im Wasser gibt es zwei grundlegende Anwendungsfelder und entsprechende Herausforderungen. Im Strömungskraftbereich haben wir vorwiegend rotatorische Bewegung, für die sich eigentlich Wälzlager eignen. Aber auch hydrodynamische Gleitlager sind hier denkbar – mit dem Wunsch, Wasser als Medium zu verwenden. Die Wellenkraft hingegen erzeugt meist Schwenkbewegung und stellt diesbezüglich besonders hohe Anforderungen an die Lager: Durch die langsamen Geschwindigkeiten und die ständige Bewegungsumkehrlaufen diese Lager prinzipiell unter Mischreibungsbedingungen. Hierfür haben wir bereits sehr gute wartungsfreie Gleitlagerwerkstoffe wie das Elgoglide, allerdings unter der Voraussetzung, dass die Lager ausreichend abgedichtet sind Die Anlagenentwickler möchten natürlich gerne wassergeschmierte Lösungen. Es gibt jedoch noch keine unter diesen Anwendungsbedingungen über lange Zeit getestete Prinzipien für die „Wasserschmierung“. Das trifft in erster Linie für Wälzlager aber auch für Gleitlager zu. Hier liegen, wie schon erwähnt, die neuen Herausforderungen für das Thema „Energie aus dem Meer“. Im Solarbereich haben wir viele Gleitlageranwendungen, weil hier langsame Bewegungen, teilweise hohe Lasten und Schwenkbewegungen erzeugt werden. Wartungsfreiheit ist dabei eine wesentliche Anforderung – dazu stehen neben Elgoglide auch solche Produkte wie Elgotex oder Metall-Polymer-Verbundwerkstoff zur Verfügung.

developmentscout: Wind, Wasser, Sonne, Sturm: Wie kann man generell Bauteile berechnen, deren Umwelteinflüsse eigentlich unberechenbar sind, die wartungsfrei sein sollen und bestenfalls auch  ein Leben lang halten müssen?

Dr. Schweigert: Exakt berechnen kann man das eigentlich nicht. Man kann die Lebensdauer unter bestimmten Voraussetzungen wie ausreichend vorhandene Dichtungen oder korossionsgeschütze Flächen ausrechnen. Dazu benötigen wir ein Lastenheft, welches die Art der Umgebungsbedingungen sowie die daraus resultierenden Last- und Bewegungskollektive definiert. Bei der Wellenenergie sind das beispielsweise Höhe, Anzahl pro Zeiteinheit und Abstand der Wellen, die entsprechende Belastungen und Bewegungsabläufe hervorrufen. Bei Sonnennachführsystemen spielen neben der geforderten Anzahl an Schwenkbewegungen unter anderem die Kräfte aus Eigenmasse des Systems und Windlasten eine Rolle. Relevant für die Gebrauchsdauer können auch Umweltbedingungen wie Staub, Sand, Feuchtigkeit, Wasser und so weiter sein. Letztlich unterliegt deshalb die theoretische Berechnung aber immer noch den Einflüssen der Umwelt.

Das Interview führte Chefredakteurin Angela Scheufler.


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