"Das hier ist ein großes Wagnis"

Michael Idelchik ist Vizepräsident für fortgeschrittene Technologien bei General Electric Research, einer der größten Industrieforschungs- einrichtungen der Welt. Er leitet verschiedene Projekte, in denen sowohl konventionelle als auch erneuerbare Energiequellen weiter verbessert werden sollen. Technology Review sprach mit Idelchik auf der EmTech@MIT-Konferenz über eine neue Turbinentechnologie, die den Wirkungsgrad etwa von Gaskraftwerken verbessern soll, und über Verbesserungspotenziale bei Windkraftanlagen, vor allem für den Offshore-Einsatz.

Technology Review: Welche Forschungsprojekte gibt es derzeit bei GE Research, die noch im Frühstadium sind und bei denen General Electric ein hohes Risiko eingeht?

Michael Idelchik: Wir sind ein Industrielabor. Da ist die Bezeichnung „Frühstadium“ doch relativ. Wir haben aber einige Projekte, die Jahre dauern werden. Da ist zum Beispiel die Puls-Detonations-Technologie, auch Überschall-Verbrennung genannt. Anstatt Kraftstoff bei konstantem Druck zu verbrennen, wie das in herkömmlichen Turbinen geschieht, lässt man den Druck ansteigen und erzeugt so eine Schockwelle. Das heißt, Wärmeenergie wird in einer Detonation freigesetzt. In der Turbine steht dadurch mehr Energie zur Verfügung. Wir schätzen, dass sich der Wirkungsgrad einer Kraftstoffverbrennung theoretisch um 30 Prozentpunkte verbessern könnte. In der Praxis, mit der ganzen Anlagentechnik drumherum, würde die Verbesserung natürlich nicht so hoch ausfallen.

TR: Wie hoch denn?

Idelchik: Die Steigerung die Wirkungsgrades wird irgendwo zwischen fünf und zehn Prozentpunkten liegen, also vielleicht von 59 oder 60 Prozent auf 65 Prozent. Wir haben zwar auch andere Technologien, die uns allmählich dahin bringen können, aber keine kann das auf einen Schlag. Diese Technologie ist ziemlich revolutionär.

TR: Wie soll sie später eingesetzt werden?

Idelchik: Das erste Einsatzgebiet wird an Land sein: Stromerzeugung in einem ein Gaskraftwerk.

TR: Das heißt also, der Kraftstoff wird immer wieder zur Explosion gebracht, ähnlich wie in einem Verbrennungsmotor?

Idelchik: Die Detonationsfrequenz wird bei 50 bis 80 Hertz liegen. Dann bekommt man allerdings einen unsteten Energiefluss in die Turbine, also muss man über die Turbinenkonstruktion neu nachdenken.

TR: Welche Schwierigkeiten müssen Sie dafür hinsichtlich Werkstoffen meistern?

Idelchik: Man muss auf die mechanische Stabilität achten, auf das Schwingungsverhalten. Der Kompressor muss geschützt werden – und weil die Detonation sich in beide Richtungen ausbreitet, muss man ein Ende verschließen. Die Steuerung und die Synchronisierung der Explosionskammern ist ebenfalls eine enorm schwierige Aufgabe. Die Detonationsenergie muss in die Kolbenkraft überführt werden. Wie müssen Rotorblätter und Einspritzdüsen konstruiert sein, um maximale Leistung zu erzielen? Wenn man das nicht gut hinbekommt, verpufft die Energie in der Turbine.

TR: Welche Fortschritte bei Materialien und Berechnungsverfahren lassen dieses Ziel realistisch erscheinen?

Idelchik: Einmal die Fähigkeit, Modelle und Simulationen auf verschiedenen Zeitskalen laufen zu lassen – von Nanosekunden bis hin zu 20, 30 Millisekunden. Dann Weiterentwicklungen in der Ventiltechnik mit entsprechenden Materialien. Schließlich ein Verständnis dafür, wie man ein starke Detonationsröhre konstruiert, wie man die Detonation im Einklang mit dem Lastbereich der Turbine produziert, vom Leerlauf bis zu maximaler Leistung.

TR: Wird diese Technik irgendwann auch in der Luftfahrt eingesetzt werden, in Jet-Triebwerken?

Idelchik: Eines Tages vielleicht, ja.

TR: Welche Probleme sind hierfür zu lösen?

Idelchik: Das Gewichtsproblem, das wird eine Weile dauern. Um langfristig in diesem Geschäft zu bestehen, müssen wir einiges wagen. Und das hier ist ein großes Wagnis.

TR: Wie sieht es mit Projekten zu Erneuerbaren Energien aus?

Idelchik: Wir orientieren uns offshore, mit großen Offshore-Windkraftanlagen. Heutzutage ist die Windenergie vor der Küste noch viel teurer als an Land, weil die Plattform für das Windrad so teuer ist. Im Prinzip müssen Sie ja eine Art Bohrinsel bauen. Um die Kosten zu senken, muss man also Technologien kombinieren, die möglichst viel aus dem Wind rausholen.

TR: Nach Ansicht verschiedener Experten lässt sich der Wirkungsgrad von Windrädern nicht mehr groß steigern. Haben Sie da etwas anzubieten?

Idelchik: Ja. Wenn Sie ein Windrad betrachten, kommt es auf zwei Dinge an: zum einen die Rotorblätter, die muss man größer, aerodynamischer und für eine Biege-Torsions-Kopplung tauglich machen. Ein Rotorblatt muss eher wie ein Flügel aussehen, auch wenn es komplexer als ein Flügel ist, weil die Geschwindigkeiten der verschiedenen Abschnitte von der Nabe bis zur Spitze variieren.

Wir glauben, dass es eine Menge Verbesserungsmöglichkeiten für die nächste Generation von Rotorblättern gibt. Dazu gehören kostengünstige Kompositmaterialien, um den Kern des Rotorblatts zu fertigen, der die Lasten aufnimmt. Wir glauben auch, dass die nächste Generation eine aktive Strömungssteuerung haben wird, die die Form der Tragfläche an die Windverhältnisse anpasst, um eine maximale Leistung zu erzielen.

TR: So wie bei formveränderlichen Materialien?

Idelchik: Eine aktive Strömungssteuerung können Sie auf unterschiedliche Weise erreichen. Eine ist, Luft von der Vorder- und der Hinterkante wegzublasen. Wir müssen nur eine Umsetzung finden, die wenig kostet und gleichzeitig äußerst zuverlässig ist, die also Blitzen standhalten kann und anderen Umwelteinflüssen.

TR: Gut, das sind die Rotorblätter. Was noch?

Idelchik: Der zweite Ansatzpunkt ist der Generator. Heutzutage ist er üblicherweise über ein Getriebe mit den Rotorblättern verbunden. Dahinter befindet sich der Inverter, der Wechselstrom mit der richtigen Spannung und der richtigen Frequenz erzeugt. Das kann zu sehr großen Generatoren führen, mit einem Durchmesser von acht Metern. Wir setzen auf einen Direktantrieb ohne Getriebe.

Wir arbeiten daran, das jetzige Paradigma zu ändern und die Generatoren kleiner zu machen. Die können geringe Geschwindigkeiten effizienter umsetzen. Außerdem entwickeln wir eine verbesserte Elektronik, die höhere Spannungen für die Übertragung an die Küste erzeugt. Wir wollen mit verschiedenen Technologien Windkraftanlagen draußen auf dem Meer wirtschaftlich machen. (nbo)