Thema des Monats November 2010

Abbildung 1: Der neue Drucksensor arbeitet bei Temperaturen von bis zu 250 Grad Celsius zuverlässig. Bild: Fraunhofer IMS.

Die Bilder der vergangenen Monate bleiben uns bestimmt für alle Zeit bewusst. Schier unaufhörlich und mit gigantischen Folgen für die Umwelt sprudelten aus dem beschädigten Förderrohr der explodierten Ölförder-Plattform „Deepwater Horizon“ unbekannte Mengen von Erdöl in den Golf von Mexiko. Werden Internet-Foren und Interviews zu dieser unerfreulichen Thematik sachlich analysiert, so lässt sich feststellen, dass in der Regel ein großes Geschimpfe angesagt ist und eine überraschende Unkenntnis über die Bedeutung dieses Rohstoffes in der öffentlichen Meinung vorherrscht. Hier besteht Aufklärungsbedarf. Erdöl ist bei weitem nicht nur ein komplexes Ausgangsgemisch zur Herstellung von Kraft- und Heizstoffen, die einfach verbrannt werden. Vielmehr ist Erdöl der Ausgangspunkt eines Produkt-Stammbaums, der nahezu jeden Bereich unseres Lebens trifft und gestaltet. Zahlreiche Kunststoffe, nützliche Lacke, wichtige Arzneimittel sowie notwendige Wasch- und Reinigungsmittel sind dafür nur einige Beispiele. Es wird uns demnach in den nächsten Jahren nicht gelingen, unsere gewohnte Produktvielfalt ohne den Rohstoff Erdöl aufrecht zu erhalten. Deshalb ist es von großer Wichtigkeit, dass gerade die Förderung und der Transport dieses Rohstoffs in Zukunft noch sicherer und zuverlässiger durchgeführt werden kann. Auch wenn die mittelfristige Bedeutung des Erdöls zur Synthese von Treib- und Heizstoffen durch die Entwicklung anderer Energiekonzepte – wie etwa Wind- und Sonnenkraft – abnehmen wird, wird Erdöl dennoch ein nahezu unverzichtbarer Rohstoff für die Produkte der chemischen Industrie bleiben. Zahlreiche Forschungs- und Entwicklungsprojekt verfolgen diesen höheren Sicherheitsanspruch, der auch interessante Impulse für die Aussteller und Besucher der internationalen Fachmessen wire und Tube liefert.

Sehen was passiert – Simulierte Schadensfälle

In einer Zeit sich verknappender Rohstoffe gewinnen sichere Pipelines zunehmend an Bedeutung. Solche Förderanlagen sind oft mehrere tausend Kilometer lang und müssen daher unterschiedlichsten klimatischen, geologischen und mechanischen Anforderungen zuverlässig standhalten. Zum einen muss gewährleistet sein, dass die Rohstoffe möglichst ressourcenschonend transportiert werden können – wofür beim Öl leistungsfähige Pumpen und für Gas starke Kompressoren nötig sind. Zum anderen müssen die Pipelines gegen Schäden jeglicher Art geschützt und somit ständig überwacht werden, damit keine Leckagen entstehen. Siemens-Experten haben nun die Möglichkeit in einem einzigartigen Pipeline-Demo-Center in Fürth bei Nürnberg den Betrieb einer kompletten Öl- oder Gaspipeline zu simulieren. Mit den Resultaten können die Ingenieure wertvolle Lösungen für echte und verbesserte Anlagen bereitstellen. So lassen sich beispielsweise komplexe Rohrsysteme hinsichtlich Volumenstrom, Temperatur, Druck, Vibration und Dichtigkeit rund um die Uhr überwachen. Zudem stehen intelligente Software-Lösungen bereit, die Schäden anhand über- oder unterschrittener Schwellenwerte der Betriebsparameter selbstständig erkennen und automatisch die Sperrung der Ventile in kritischen Abschnitten einleiten.


Abbildung 2: Das Pipeline-Demo-Center erlaubt die Simulation unterschiedlichster Pipelineschäden. Bild: Siemens AG.

Offenzellige PU-Schäume schützen Pipelines

Als Konsortium aus vier Unternehmen – OAO Gazprom, BASF SE/Wintershall Holding GmbH, E.ON Ruhrgas AG und N.V. Nederlandse Gasunie – will die Nord Stream AG mit ihrer Pipeline Russland und die Europäische Union durch die Ostsee verbinden. Seit April dieses Jahres ist das erste Montageschiff auf der Ostsee unterwegs, um die Gasleitungen des Nord Stream-Projektes zu verlegen, die zwischen Wyborg in Russland und Greifswald in Ostdeutschland verlaufen sollen. Zur Realisierung des Projektes müssen rund 200.000 Pipelinerohre verschweißt werden. Eine enorme Anzahl an Schweißnähten soll mit intelligenten Ummantelungen vor Beschädigungen, etwa durch Schleppnetze oder Schiffsanker, geschützt werden. Für diese sicherheitsrelevante Aufgabe wurde der stoßabsorbierende Polyurethan-Hartschaum Elastopor® H der BASF Polyurethanes GmbH ausgewählt. Das PU-System besteht aus zwei flüssigen Komponenten, die vor Ort durch spezielle Dosiermaschinen vermischt und in den Muffenhohlraum eingebracht werden. Anschließend entsteht aus dem Reaktionsgemisch das Polyurethan, das mittels eines darin enthaltenen Treibmittels aufgeschäumt wird. Aufgrund seiner guten Fließfähigkeit verteilt sich das Material gleichmäßig und schnell in den Hohlräumen. Damit der PU-Hartschaum keinen Auftrieb erzeugt, ist er offenzellig eingestellt und saugt sich daher mit Wasser voll. Von zentraler Bedeutung beim Verlegeprozess ist die schnelle Aushärtung des PU-Schaums, denn erst danach hält das Material der Belastung beim Ablassen der Pipeline in das Meer stand und kann seine volle Schutzwirkung gegen mechanische Belastung über lange Zeiträume entfalten – die Pipeline soll nach Unternehmensangaben mindestens 50 Jahre zuverlässig im Einsatz bleiben.

Druckmessung unter extremen Bedingungen

Bei der Förderung von Rohstoffen herrschen harte Bedingungen. Bohrköpfe fräsen sich unter hoher Last durch harte Gesteinsformationen - Vibrationen, hohe Temperaturen, Schläge und wechselnde Druckbelastungen beanspruchen alle Materialsysteme, die einen solchen Prozess begleiten. Dazu zählen auch Sensoren, die eingesetzt werden, um bei Bohrungen den herrschenden Druck zu messen. Konventionelle Drucksensoren halten im Schnitt nur Temperaturen zwischen 80 und 125 Grad Celsius aus – doch in großen Tiefen ist es oft wesentlich heißer. Wissenschaftler um Dr. Hoc Khiem Trieu vom Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS in Duisburg haben nun eine neue Technologie entwickelt, mit der es gelingt solche Sensoren robuster zu gestalten. Sie sollen nach Angaben der Forscher auch bei Temperaturen von bis zu 250 Grad Celsius zuverlässig funktionieren. „Die Drucksensoren bestehen aus zwei Komponenten, die sich auf einem Wafer befinden“, erklärt Dr. Hoc Khiem Trieu. Die erste Komponente ist der Sensor selbst, die zweite das EEPROM. Dieser Baustein speichert alle gemessenen Werte sowie die Daten für die Kalibrierung. Damit der Drucksensor auch unter extrem hohen Temperaturen funktioniert, haben die Entwickler den normalerweise aus monokristallinem Silizium aufgebauten Wafer modifiziert – sie nutzen Siliziumoxid. Dadurch wird das Isolationsverhalten gegenüber Leckströmen – die zum Versagen führen – um bis zu vier Größenordnungen verbessert. Das Anwendungsspektrum dieser Innovation ist breit: Die Ingenieure wollen die Hochtemperatur-Drucksensoren nicht nur in der Petrochemie, sondern auch in Automotoren einsetzen oder für die Geothermie nutzen.


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