(IRS) – Nur Wenigen in der Öffentlichkeit dürfte bekannt geworden sein, welche immense Bedeutung Gasturbinen erreicht haben. Zurzeit gehört diese Art thermischer Turbomaschinen weltweit zu den begehrtesten Antrieben, weil sie neben dem Einsatz im wachsenden Flugzeugmarkt auch in stark zunehmenden Maß zur Erzeugung elektrischer Energie benötigt werden. Aufgrund der stark gestiegenen Nachfrage sind die Auftragsbücher der bekannteren Hersteller auf Jahre hinaus prall gefüllt, die Liefertermine weisen dementsprechend enorme Längen auf und vielerorts wird drückender Mangel an Gasturbinen beklagt.
Wie Gasturbinen funktionieren
Im Grunde sind Gasturbinen Rotationsmaschinen mit ein oder zwei zentrischen Wellen recht einfach „gestrickt“: Über einen Verdichter wird ein Luftstrom angesaugt, der in einer mit Öl oder Erdgas befeuerten Brennkammer erhitzt wird. Das entstandene Heiß gas wird anschließend über eine Turbine geleitet, die ihrerseits den Verdichter antreibt. Verdichter und Turbinen sind mit festen und rotierenden Schaufelkränzen versehen, in denen die Verbrennungsenergie umgewandelt wird. Der aus der Gasturbine austretende Gasstrahl treibt entweder ein Flugzeug vorwärts („Turbojet“) oder liefert über eine zusätzliche Turbine mechanische Energie, die über einen Generator zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
Was Gasturbinen attraktiv macht
Gasturbinen zeichnen sich durch hohe Leistungsfähigkeit bei geringem Gewicht aus. Sieht man von kleinen Flugzeugen und wenigen Ausnahmen ab, sind deshalb Gasturbinen als Antriebe für Passagiermaschinen jeder Größenordnung praktisch die einzige in Frage kommende Wahl. Die vom Produktionsvolumen her gesehen größten Hersteller sind General Electric aus den USA und Rolls-Royce aus Großbritannien und Deutschland. Diese Art Turbomaschinen hat auch im militärischen Rüstungswesen ihren festen Platz: Sie ist genauso in Kampf- und Transportflugzeugen zu finden wie in Hubschraubern und – was der Öffentlichkeit weniger bekannt ist – auch in Kriegsschiffen und Panzern, wobei hier hauptsächlich von Flugzeugantrieben abgeleitete Modelle eingesetzt werden.
Einzigartige Schnellstart-Eigenschaften
Neben dem geringen Gewicht zeichnen sich diese Antriebe besonders durch hervorragende Schnellstart-Eigenschaften aus, die im militärischen Bereich genutzt werden: Einen Zerstörer der 10.000-Tonnen-Klasse vermögen seine vier ölbefeuerten Gasturbinen (mit zusammen etwa 80.000 PS) innerhalb von ein bis zwei Minuten vom Stillstand (Turbinen und Schiff!) auf eine Geschwindigkeit von 35 Knoten (etwa 50 km/h) zu beschleunigen. Genauso aber können gasturbinenbetriebene Generatoren in kürzester Zeit hochgefahren werden, sodass diese die unweigerlich auftretenden Stromlücken aus der Nutzung von Wind- und Sonnenenergie rasch ausgleichen können. Das macht sie auch in diesem Sektor sehr begehrt.
Schwer- und Brennpunkt Stromerzeugung
Gasturbinen werden in unspektakulärer Weise seit vielen Jahrzehnten zur Stromerzeugung eingesetzt, insbesondere in äußerst effizient arbeitenden Gas- und Dampfturbinen-(GuD) Kraftwerken. In Österreich findet sich am Standort Mellach in der Steiermark ein Beispiel dafür. In jüngster Zeit ist hier ein völlig neuer Einsatzbereich hinzugekommen: Zahlreiche, weltweit aus dem Boden gestampfte Rechenzentren für Künstliche Intelligenz. Mit deren Auftreten hat ein ungeheurer Hunger auf elektrische Energie eingesetzt und in der Folge ein Wettlauf um die am Markt ohnehin spärlich vorhandenen Gasturbinen.
Rechenzentren für künstliche Intelligenz befeuern die Nachfrage zusätzlich
Wer sich Bilder solcher riesigen Gebäudekomplexe ansieht, wie sie zurzeit etwa in den USA vielfach errichtet werden, bemerkt sofort die außen an den Fassaden installierten Energieerzeuger: Die Einheiten aus Gasturbine und Generator werden derart angeordnet, dass deren Achsen nicht waagrecht liegen, sondern senkrecht stehen. Damit wird nicht nur Platz gespart, sondern mehrere Einheiten können nebeneinander „gebündelt“ dort aufgestellt werden, wo Energie in besonders hohem Maß benötigt wird. Befeuert werden diese Einheiten mit Erdgas, das in den USA in hohem Maß und sehr preisgünstig vorhanden ist.
Warum ist der Engpass an Gasturbinen entstanden?
Elon Musk als einer mit Rechenzentren Befassten und vom Mangel an Gasturbinen Betroffenen ist vor einiger Zeit der Frage nachgegangen, wodurch dieser Mangel verursacht worden sein kann. Wenn ich mich recht erinnere, kam er zum Schluss, dass zu wenig Leit- und Laufschaufeln erzeugt werden können, die in den Kränzen für Kompressoren und Turbinen zum Einsatz kommen. Seiner Aussage nach existierten bezogen auf die verfügbaren Marktkapazitäten lediglich drei Hersteller, die zurzeit nicht in der Lage seien, eine ausreichende Anzahl von Schaufeln – insbesondere Turbinen-Laufschaufeln – zu erzeugen. Musk seinerseits überlege, eine entsprechende Fertigung aufzubauen.
Warum sind kritische Bauteile so knapp?
Die Konstruktion insbesondere von Turbinenschaufeln erfordert äußerst hochwertige Ingenieurleistungen. Das wird klar, wenn man bedenkt, dass die Eintrittstemperaturen in den Turbinenteil bei etwa 1.500 Grad C liegen, der beste verfügbare metallische Werkstoff jedoch nur Temperaturen von bis zu 1.300 Grad C standhält. Damit Turbinenschaufeln unter diesen Bedingungen trotzdem standhalten, ist intensive Kühlung dieser Bauteile erforderlich. Dies geschieht durch Druckluft, die durch Kanäle in den Schaufeln geführt und anschließend über feine Öffnungen an den Schaufeloberflächen ausgeblasen wird. Die nötige Druckluft wird aus dem Verdichter entnommen. Meines Wissens ist es einem Hersteller mittlerweile auch gelungen, Schaufeln mit hauchdünnen Keramikbelägen zu beschichten, die die Standzeiten dieser Schaufeln entscheidend verlängern können.
Mikrogasturbinen für zivile Verwendung
In der Planung der Energieversorgung von Kläranlagen sind mir vor etwa zwanzig Jahren erstmals Mikrogasturbinen (die oft auch einfach „Mikroturbinen“ genannt werden) untergekommen. Das sind recht einfach aufgebaute Gasturbinen mit Leistungen bis zu einigen hundert Kilowatt. Sie besitzen luftgelagerte Wellen und benötigen daher kein Schmiermittel. Je kleiner eine Gasturbine ist, desto höher ist ihre Drehzahl, Mikrogasturbinen erreichen bis knapp einhunderttausend Umdrehungen pro Minute. – Eine andere Anwendungsart ist wesentlich aufregender: Der Schweizer Pilot und Erfinder Yves Rossy schnallte sich einen Flügel um, der mit Mikro-Strahltriebwerken ausgerüstet war („Jet Wing“ genannt) und überquerte damit den Ärmelkanal. Allerdings musste er dazu von einem Flugzeug starten und später mit dem Fallschirm landen, also seine Darbietung auf nicht sehr komfortable Weise erbringen.
Fortschritte in der Entwicklung
Das britische Startup „Alloyed“ hat sich auf neue Konstruktions- und Fertigungsverfahren spezialisiert, insbesondere unter Verwendung von 3D-Druck. Im Auftrag des britischen Verteidigungsministeriums („Ministry of Defence“ – MOD) und in Zusammenarbeit mit dessen *Strategic Capabilities Office“ entwickelte das genannte Unternehmen eine Gasturbine für den Einsatz in Drohnen, das etwa die Größe einer Kaffeedose aufwies. Die Zeitspanne von der Erstellung des Konzepts bis zur Flugreife des fertiggestellten Antriebs betrug lediglich sieben Monate! Alloyed plant, das entwickelte Konstruktions- und Herstellungsverfahren auf größere Gasturbinen auszuweiten.
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