September 2019: Schüler­innen und Schüler fordern am "Globalen Aktions­tag" mehr Klima­schutz , Politiker der große Koalition verab­schieden das "Klimapaket". Doch schon 1979 wurde in Genf die Ein­dämmung fossiler Brenn­stoffe auf der ersten Welt-­Klima­konferenz (World Climate Conference) gefordert. Die Folge­konferenz COP25 (Conference of the Parties) der Vertrags­staaten in Santiago de Chile wird für De­zember 2019 vorbereitet.

Scheibenturbine mit Generator

Im Kooperations-­Netz­werk „Chilled Turbines“ haben sich schon 2018 elf Unter­nehmen und zwei Hoch­schulen >>> auf den Weg gemacht, Tesla-­Turbinen und Tesla-­Verdichter zur klima­freundlichen Energie­umwand­lung zu bauen.

Seine Turbine hatte Nikola Tesla 1919 patentiert. Bis jetzt konnte niemand solche Turbinen mit einer sinn­vollen Leistung bauen. Erst die heutige Digita­lisierung von Ent­wick­lung und Pro­duktion >>> macht sinn­voll, was Nikola Tesla nur geahnt hatte. Vier kon­krete Pro­typen >>> werden jetzt gebaut, die Turbinen und Gas­ver­dichter nach dem Scheiben-­Prinzip von Nikola Tesla bis 2022 zur wirt­schaft­lichen An­wend­ung bringen.


Signet der Fördereinrichtung Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand ZIM

Das Kooperations-Netzwerk chilledTURBINES gab 2018 den Start­schuss dazu, das BMWI fördert es in zwei Phasen bis 2022 unter dem Titel CHILLED TURB >>> (externer Link, wähle noch "Energietechnologien". Im Koopera­tions-­Netzwerk erfor­schen die KMU riskante Lösungs­wege, die weit über Kunden­aufträge hinaus­gehen. Genau solche Inno­vatio­nen bilden die traditio­nelle Stärke des deut­schen Mittel­stands.


KMU-Innovation startet sofort

In Netzwerken wie chilledTURBINES legen KMU ihre Innovations­kraft zusammen, lernen von­ein­ander, teilen Forschungs­ergebnisse und bringen gemein­sam Produkte zur Marktreife. Was sonst nur Firmen und Konzerne mit weit mehr Mit­arbeitern probieren, lässt sich im ge­för­der­ten Netz­werk bei geringen Kosten schaffen: hier sind KMU virtuelle In­no­va­tions­la­bore. Den Verlauf der Projekte kann man hier aktuell verfolgen >>> .

Gliederung der Lösungsschritte in Aufgaben und Zeiten.

Innovative Technologie großer Unter­neh­men benötigt oft viele Jahre bis zur Markt­reife. KMU arbeiten anders. Ihre Projekte sind in machbare Schritte gegliedert, unter den Partnern in paral­lele Aufgaben geteilt und zeitlich ent­koppelt. Wer seine Innovations­aufgabe zuerst abschließt, wendet sich wieder den laufenden Kunden­auf­trägen zu. Sobald alle zu­sammen in die nächste Schritt, etwa die Montage aller Bauteile oder das Testing ihres Proto­typen gehen wollen, arbeiten einige Mitarbeiter wieder am Innovations­projekt.

Der Alltag von KMU ist immer Kosten­grenzen unter­worfen und das nützt auch der haus­eigenen Innovation. Weil der Verlauf zu Innovations­beginn nur teilweise bekannt ist, wird das Team im Haus sparsam mit Zeit, Zukauf und mit Maschinen bleiben – klappt der gewählte Weg nicht, ist es nicht so „schlimm“, man lernt aus den Fehlern, versucht was Neues. Das ist zwar riskant, aber gerade für KMU mit einer Förderung machbar.

Schon die Idee der Scheiben­turbinen von Nikola Tesla zielt auf geringe Kosten – sie hat weniger und ein­fachere Bau­teile als eine Schaufel­turbine und ist leichter zu pro­duzieren.


In ZUkunft bilden Verbraucher und Stromhersteller ein Netzwerk

Ein Markt der Zukunft

chilledTURBINES zielt auf ein Thema der Zukunft: wie deckt man den Strom­bedarf ohne Kohle, Erdöl und Atom­kraft aus nach­wach­senden Quellen. Tausende von Wind­kraft­rädern, die heute zum Alltag in Europa gehören, machen den Weg zur de­zentralen Energie­wirtschaft sicht­bar. Sie ergänzen große Kraftwerke durch kleine, digital gekoppelte Anlagen. 

Kleinste Kraftwerke in allen Wohn­häusern und Be­trieben speisen zukünftig regio­nale Strom­netze. Kleine bezahl­bare Scheiben­turbinen aus den Projekten von chilledTURBINES sollen ab 2022 als Serien­produkte dazu beitragen. 

Hohe Energie­effizienz braucht zudem preis­werte Ver­dichter für Industrie und Gewerbe, auch sie entstehen nach dem Tesla-Prinzip im Netzwerk. Zwar sind kleine Kom­pressoren und modulare Kompressor­anlagen heute gang und gäbe. Aber Scheiben­verdichter werden einfacher, günstiger und langlebiger sein. Das Projekt zum zweistufigen Verdichter kann man hier verfolgen >>>.


Das kommt davon

Etwa 1908 hatte Nikola Tesla (1856 bis 1943) seine erste Scheiben­turbine entwickelt. Als Pumpe sollte sie später im Gold­berg­bau zum Einsatz kommen. Sein Patent kann man hier beim "Deutschen Patent und Marken Amt" unter der Veröffentlichungsnummer GB000191024001A ansehen (externer Link >>>).

Neben zahl­losen Hobby-An­wendun­gen und Forschungs­modellen sind heute viele Scheiben­verdichter als Pumpen im Einsatz. So baut der Hersteller Discflo Corp. aus Kalifornien Scheiben­pumpen, die bis zu 350m³ Schlamm in einer Stunde aus 150m Tiefe holen. Sie können Drücke bis 60bar und Temperaturen bis 500°C ertragen.

Innerlich gekühlte Turbinen werden seit 80 Jahren erforscht.

ChilledTURBINES greift auf eine weitere alte Techno­logie zurück: eine „innerlich gekühlte“ Turbine wurde beim Kessel­spezialisten La Mont aus Berlin schon 1943 vor­ge­schlagen. Ihr Konstrukteur Dr. Heinrich Vorkauf hatte sich seit 1920 mit leichten und effizienten Kessel­typen einen Namen gemacht und in der Berliner Depen­dance seines Kollegen Walter Douglas La Mont weiter ent­wickelt. Wäh­rend der Nazi-Diktatur sollte seine hoch­effiziente Turbine helfen, die deutschen Kriegs­pläne fördern. Das wurde nie ver­wirk­licht. 

Nach dem Krieg stand wieder ausreichend Kraftstoff zur Verfügung, das techno­logische Konzept geriet in Ver­gessen­heit und lag 75 Jahre un­beach­tet im Firmen­archiv.

Prof. Udo Hellwig findet alte Turbinenpläne.

Andere Kraftwerks-Kessel von Heinrich Vorkauf und Walter Douglas La Mont bauen bis heute Lizenz­nehmer der Berliner Eckrohr­kessel GmbH und der La Mont GmbH.
Im Archiv hat der heutige La Mont Chef Prof. Udo Hellwig die alten Pläne der ersten inner­lich ge­kühlten Turbine von Heinrich Vorkauf wieder gefunden und zur Ver­wendung des Konzepts mit der abc-GmbH aus Köln chilledTURBINES gestartet. Die Entwicklung des neues Dampf­erzeugers lässt sich hier aktuell verfolgen  >>>.


CNC-Zentrum beim Projektmitglied TC TEchno GmbH.

Digitale Konstruktion und Simulation heute

Seit 30 Jahren gehören von Computern gesteuerte CNC-Anlagen zum Alltag. Die gleiche Ent­wick­lung hat in der Pla­nung statt­gefunden. CAD und CNC sind ver­bunden: schon wäh­rend der digitalen Kon­struk­tion prüfen Hilfs­programme des CAD, ob die CNC-Steuerung der pas­senden Anlage das Bauteil öko­nomisch fertigen könnte. 

Zuvor prüfen Kon­struk­teure außerdem, ob Bauteile die ge­wünsch­ten Funk­tionen bedienen. Sie simu­lieren digital die all­täg­liche Ver­wen­dung wie in einem Animations­film. Mathe­matische Soft­ware, etwa zur Finite-Elemente-Methode „FEM“ prüft kom­plexe Geo­metrie auf Fes­tig­keit. Sie kom­biniert mög­liche Be­lastungs­fälle so, dass dy­na­mische Simu­lationen ent­stehen.

Foto bin Thomas Guffler bei Wikipedia: alt Windkanal

Ohne den Umweg über analoge Modelle und gebaute Pro­toypen machen diese Si­mulationen Inno­vation schneller und sicherer. Die digitale Si­mulation von Tur­binen-Plänen zeigt auch das Tem­peratur- und Strö­mungs­ver­halten der 1100°C heißen Ver­brennungs­gase, analysiert Mängel und prüft Va­rianten durch das Computational Fluid Design „CFD“. 

CFD-Software kann noch nicht alle Strö­mungen simulieren, noch sind die riesigen Strömungskanäle für Flugzeuge, Schiffe, PKW und Hochhäuser notwendig. CFD kann Scheibenturbinen erst seit kurzem so weit be­rechnen, dass man sie ef­fizient planen kann - ein Restrisiko bleibt, das man nur mit Protoypen in den Griff bekommt. Die KMU im Netzwerk chilledTURBINES bauen sie >>>.

CNC-Programmierer wie bei chilledTURBINES er­halten das digitale Abbild des Bauteils aus der durch Si­mulation optimier­ten Kon­struk­tion. Sie ent­wickeln mit der CNC-Soft­ware der passen­den Anlage die Fräs­aufgaben, betreuen die Produktion der CNC-Maschinen und kon­trollieren digital die Qua­lität der Ergeb­nisse.

Digitale Konstruktion und Produk­tion machen In­nova­tionen für KMU bezahlbar, Strömungs­simulation macht Scheiben­turbinen effizient. Den Stand der Technik kann man gut bei der TH Wildau finden >>>.


Kleinkraftwerke machen das Rennen

In zwei von den vier Projekten, die 2019 starten, werden Block-Heiz-Kraftwerke, kurz BHKW ent­stehen, eines mit 3,5kW elek­trischer Leistung, eines mit 10kW. Das klei­nere wird mit Holz­pellets betrieben, das andere mit Erd­gas und erst später mit Bio­gas. 

Solche Mini-BHKW zur Pro­duktion von kleinen Mengen Strom und Heizungs­wärme gibt es schon mit Schaufel­turbinen – aber nur wenige Kunden haben sie gekauft, denn sie sind sehr teuer. Ein Projekt von chilledTURBINES baut ein Mini-BHKW zum Betrieb mit Holzpellets >>>.

Vor allem gibt es BHKW bis zu 10MW, die mit Kolben­motoren an­ge­trieb­en werden. Ihre Motoren funk­tionie­ren wie Diesel­motoren für PKW, LKW oder Schiffe mit vier bis 20 Zy­lindern. Aber nur sehr große Motoren er­zeugen aus ihrer Ver­bren­nung mehr als 40% elek­trische Energie. Die klei­nen PKW-Motoren für Mini-BHKW kön­nen höchstens 36% der Energie im Kraft­stoff in Strom um­wan­deln.

Turbinen heben das Großflugzeug 380A in die Luft.

Turbinen heben Flug­zeuge mit 570t Gewicht in die Luft und treiben Kraft­werke mit über 800MW für ganze Städte an. So große Gas-und-Dampf-Kraftwerke verwandeln bei 1600°C Hitze gut 60% der Energie in Strom. Ihr noch 500°C heißes Abgas treibt dann eine Dampf­turbine zur Strom­ge­win­nung an, die restliche Wärme heizt Industrieprozesse oder ganze Stadtviertel.

Solche GuD-Kraftwerke er­rei­chen über 75% Gesamt­wirkungsgrad. Günstig sind sie zudem, weil sie auf wenig Raum viel Energie erzeugen, geringe Wartungs­kosten aus­lösen und die Turbinen relativ günstig produziert werden.

Kraftwerke mit Gas- und Dampfantrieb gibt es nicht in Haushaltsgröße.

Auch mit Scheibenturbinen kann man die Ver­brennung über 1100°C steigern, die ein­fache Geo­metrie lässt eine in­nere Küh­lung und hitze­bestän­dige Le­gie­rungen zu. Die heißen Ab­gase treiben eine zweite Stufe bei­spiels­weise mit Dampf an. Das Mini-GuD als Klein­kraftwerk wird bei chilledTURBINES real und so ef­fizient wie ein großes Kraft­werk. Ein Pro­jekt er­foscht und rea­lisiert ein Mini-GuD in Haushaltsgröße >>>.

Scheibenturbinen werden in Zukunft immer besser

Heutige Mini-BHKW sind vor allem Hei­zungen – der Strom ist eine kleine Zugabe. Europa braucht zu­künftig drin­gend mehr de­zentral pro­duzierten Strom – neue BHKW müssen we­niger Wärme und mehr Strom liefern, das ist mit Tur­binen und Scheiben­turbinen machbar.

Viele große Turbinen werden in Zukunft ersetzt durch dezentrale Stromproduzenten.

Zukünftige stromgeführte, d.h. nach Strom­bedarf ge­regelte Mini-BHKW werden mehr Strom und weniger Wärme pro­du­zieren. Sie müssen gut 8000h, also 90% der Zeit im Jahr laufen und finanzieren sich dann selbst. 

Das können Kolben­motoren nicht, sie sind zu wartungs­intensiv, zu inef­fektiv und er­zeugen statt Strom zu viel Heiz­wärm . Die wird höch­stens 6000h im Jahr be­nötigt. Damit sind sie trotz des gün­stigen Ein­kaufs letzt­endlich zu teuer. In Zukunft werden sie von Turbinen­anlagen ersetzt.

Viele große Kraftwerke werden noch sehr lange mit ver­alteter Tech­nologie laufen und sollen noch Jahr­zehnte ab­bezahlt werden. Das bremst Innovation – da ist de­zentrale Strom­pro­duktion viel flexibler. Würden Kunden heute Telefon­netze aus den 1980er Jahren ak­zeptieren, nur weil Post­beamte alte Anlagen ab­stot­tern wollen?

Innovative dezentrale analgen können heute doppelt so viel Strom anbieten.

Schon heute sind Scheiben­turbinen möglich, die ein Viertel der Energie in Strom verwandeln. Eingebaut in Mini-BHKW ist eine Gesamt­wirkung von gut 80% möglich, als Pro­totypen werden diese Mini-BHKW im Netzwerk chilledTURBINES gebaut.

Ein Mosaik­stein der zu­künftigen de­zentralen V­er­sorgung werden Scheiben­turbinen sein. Sie lassen sich in kleinen in­nova­tiven Schritten immer weiter ver­bessern.


Luftaufnahme von Digital Globe: die Nuklearkatastrophe in Fukushima. Das kann man verhindern.

Große Kraftwerke bremsen Innovation

Zwischen 1960 bis 1985 wuchs der Pro-Kopf-Strom­verbrauch in Deutsch­land um 300% auf 6.000kWh im Jahr und pen­delt seitdem um 7000kWh. Für das welt­weite Wach­stum wurden seit 1945 Groß­projekte im Giga-Watt-Bereich ge­baut, etwa das 1985 fertig ge­stellte Atom­kraftwerk Kashiwazaki-Kariwa mit 8GW, das 2007 nach einer Tsunami-Katastrophe in der Region Fuku­shima in Japan weit­gehend zer­stört wurde. 

Lange Zeit war das Wasser­kraftwerk Itaipú mit 14 GW die größte Anlage der Welt. Der Bau wurde 1974 von Paraguay und Brasilien begonnen. Groß­kraft­werke ent­stehen heute nur noch in China, dem am stärk­sten wach­senden Strom­markt der Welt.

Die Energie­politik in Deutschland hat nach der Kern­schmelze in Fukushima Groß­projekte in Frage gestellt und den Aus­stieg aus der Atom­energie be­gonnen. Strom lässt sich ab 2050 aus er­neuer­baren Energien decken, dafür pas­sen die Re­gie­rungen seit 2000 das Er­neuer­bare-Ener­gien-Gesetz EEG auf die ak­tuellen Mög­lich­keiten an, heute gilt das EEG 2017. Das Gesetz wird hier auf der Website des BMWi zusammengefasst (externer Link >>>).

Vier Scheibenverdichter und Scheibenturbinen bis 2021

Je vier Unternehmen aus dem Netz­werk chilledTURBINES ent­wickeln eine Scheiben­turbine oder einen Scheiben­verdichter und ihre An­wendung. Daraus bauen sie mit ihren digital ge­steuerten Ma­schinen einen Pro­totyp und er­forschen, wie es noch besser gehen kann. 

Nach dem Prinzip von Nikola Teslas Scheiben­turbine ent­stehen ein Dampf­erzeuger, ein Gas­ver­dichter und zwei kleine Block­heiz­kraft­werke (BHKW).

Partner im Projekt Gasverdichter
Einen isothermen Scheibenverdichter...

entwickelt die La Mont GmbH aus Berlin, KST Kraftwerks-und Spezialteile GmbH aus Berlin, TU Chemnitz und die  Rolf Lenk Werkzeug- und Maschinen­bau aus Ahrens­burg.

Mehr zu diesem Projekt hier >>>

Teilhaber im Projekt Scheiben-Dampferzeuger
Der zweistufige Scheiben-Dampferzeuger wird von ...

Schneider Engineering GmbH aus Berlin entwickelt und baut ihn mit Hilfe der TH Wildau, bbservice GmbH (Bernhard Blum) aus Dermbach und der TC TECHNO CENTER GmbH aus Schönebeck/Elbe.

Mehr zum Dampferzeuger findet sich hier >>>

Teilhaber im Projekt Pellets-Micro-BHKW
Ein Pellets-Mikro-BHKW mit Scheibenturbine

… bauen die ÖkoFen Heiztechnik GmbH aus Mick­hausen mit Josch Strahlschweiß­technik aus Teicha bei Peters­berg, der TH Wildau und kst Kraftwerks- und Spezialteile GmbH aus Berlin.

Zu Holzpellets und Scheibenturbinen im Projekt hier >>>

Logos Hochtemperatur-Brennkammer HTBK
Ein GuD-BHKW mit Scheibenturbinen

… setzen Optimus meine Energie GmbH aus Regensburg, TH Wildau, Josch Strahl­schweiß­technik aus Teicha bei Petersberg und die TC TECHNO CENTER GmbH aus Schönebeck/Elbe in ein Mini-BHKW.

Mehr zum Betrieb mit Gas und Dampf hier >>>

Logo dere Storm GmbH aus Spelle

Die Firma August Strom GmbH aus Spelle ist einer der größten Service-Dienst­leister für BHKW in Deutschland. Sie kann das dy­namische Wartungs­programm der Pro­to­typen ent­wickeln, denn die Scheiben­turbinen sollen 8000h im Jahr störungs­frei laufen. Weitere Infos zum Netzwerkmitglied August Storm GmbH >>>

Logo der abs-Lösungen-GmbH aus Köln, sie trägt das Netzwerkmanagement.

Die abc-lösungen GmbH aus Köln mana­get den Aus­tausch der Mit­glieder im Netz­werk. Sie hat das Netz­werk ge­gründet, die För­derung des BMWi be­antragt und stellt die Leis­tungen und Be­richte für die För­derung und die Öffent­lichkeits­arbeit her. Über­geord­nete Auf­ga­ben wie Schutz­rechts­be­ratung, Mar­keting und Vertrags­wesen bereitet die abc-Lösungen für die Netz­werks­mitglieder vor.

Logo der VDI/VDE/IT aus Berlin, begleitet die Förderung des Netzwerkes.

Die VDI/VDE Innovation + Technik GmbH aus Berlin begleitet als Projektträger das Programm aus dem chilledTURBINES und die Gruppenprojekte ihre Förderung erhalten. Sie federt die Nachteile der KMU ab, startet deren Forschung und Entwicklung (FuE) und setzt staatliche Innovationspolitik um.

Logo BMWi, es stellt die Födermittel bereit.

„Mittelstand fördern“ und „Energie für morgen“ sind zwei der vier Leit­themen des Bundes­ministe­riums für Wirt­schaft und Ener­gie BMWI. Beides rea­lisieren die KMU mit ihren Part­nern mit ihren Innovationen im Kooperations-Netzwerk chilledTURBINES. Die Darstellung ist auf der Website des BMWi hier zu finden (externer Link >>>) .