Wasserkraft aus der Folie

  • 02. October 2017

Dehnbares Elastomer taugt für dezentrale Kraftwerke selbst für kleinste Flüsse.

Mit rund 33 Prozent ist Wasser noch immer der bedeu­tendste erneuer­bare Energie­träger Bayerns, wie der Energie-Atlas Bayern zeigt. Doch vor allem konven­tionelle Kleinst­wasserkraft­werke mit überschau­barem Ertrag sind umstritten, denn sie greifen in das Ökosystem ein. Fraun­hofer-Forscher arbeiten an einer umwelt­schonenden Alter­native: Neuar­tige Elastomer­materialien sollen künftig die mechanische Energie von Wasser­strömungen in kleinen Flüssen direkt in elek­trische Energie um­wandeln.

Abb.: Feldversuch mit DEGREEN-Generatoren in einem Fließgewässer. Die Anregung der Silikonmembranen erfolgt über den Unterdruck in den wasserdurchströmten Venturi-Rohren unter dem Floß. (Bild: Fh.-ISC)

Abb.: Feldversuch mit DEGREEN-Generatoren in einem Fließgewässer. Die Anregung der Silikonmembranen erfolgt über den Unterdruck in den wasserdurchströmten Venturi-Rohren unter dem Floß. (Bild: Fh.-ISC)

Rund 40 Prozent des bayerischen Strom­bedarfs sollen bis 2025 aus hei­mischen erneuer­baren Energien gedeckt werden. Einen inno­vativen Ansatz zur rege­nerativen Stromer­zeugung verfolgt das Fraun­hofer-Institut für Silicat­forschung ISC im Projekt DEGREEN und setzt dabei auf Wasser­kraft: Die Würz­burger Forscher nutzen extrem dehnbare, hauch­dünne Elastomer­folien, die wie ein Konden­sator funk­tionieren. Die Folien aus Silikon sind beid­seitig mit einer elas­tischen leit­fähigen Schicht sowie einer iso­lierenden Schutz­schicht versehen. In kleinen Flüssen und Bächen instal­liert, wird durch einen Wechsel­zyklus aus Dehnung und Entspannung die mecha­nische Bewegungs­energie des Wassers direkt in elek­trische Energie umge­wandelt.

Das fließende Wasser dehnt die weiche Folie, die einem Luft­ballon ähnelt. In gedehntem Zustand wird sie durch das Anlegen einer hohen elek­trischen Spannung geladen. Anschlie­ßend wird das Elas­tomer wieder mecha­nisch entspannt und in den ursprüng­lichen Zustand gebracht. „In diesem Zustand ist jetzt eine höhere elek­trische Energie aufge­bracht, die wir über eine Schaltung quasi absaugen. Dieser Kreis­prozess aus Spannung und Entspannung erfolgt einmal pro Sekunde“, erläutert Bernhard Brunner, Projekt­leiter und Wissen­schaftler am ISC. „Legen wir eine Spannung von 4000 Volt an, können wir bei jeder Dehnung eine elek­trische Leistung von 100 Milliwatt pro Folie erzeugen.“

Für die perio­dische Dehnung der Folien haben Brunner und sein Team ein pfiffiges mecha­nisches Anregungs­konzept umgesetzt: Strömt Wasser durch ein verengtes Rohr, entsteht in diesem ein Luftunter­druck durch den Venturi-Effekt, die Elastomer­folie wird gedehnt. Der Unter­druck wird durch Öffnen eines Belüftungs­ventils ausge­glichen, was die Elastomer­folie wieder in den unge­dehnten Zustand versetzt. Der Clou: Das Ventil ist selbst­steuernd, es öffnet und schließt sich selbst­tätig ohne den Einfluss von Elek­tronik und Strom.

Durch Ändern des Folien­durch­messers können die Forscher den Druck anpassen. Dadurch ist der Generator im Hinblick auf die Strömungs­geschwindig­keiten der Gewässer skalierbar. Das komplette System, das sich aus Folien, Rohr, Ventil, Pumpe, Luft­leitung, Elektronik und Gleich­richter zusammen­setzt, ist modular aufgebaut, auch der Rohrdurch­messer lässt sich einstellen. Je nach Tiefe und Breite der Gewässer werden die Rohre ent­sprechend ange­passt und über­einander, hinter­einander oder neben­einander montiert. Bei einem breiten, aber nicht tiefen Fluss empfiehlt es sich, die Rohre neben­einander zu verbauen.

„Ein großer Vorteil unseres Konzepts ist, dass wir nicht auf große Wasser­tiefen angewiesen sind, wir nutzen die Fließ­energie des Wassers. Unsere Elastomer­generatoren eignen sich vor allem für kleine Flüsse und funktionieren schon bei Wasser­geschwindig­keiten ab einem halben Meter pro Sekunde und bei Wasser­tiefen von 50 Zenti­metern. In Bayern gibt es kleinste Flüsse mit einer Gesamt­länge von 30000 Kilo­metern, in denen sich unser von Wind und Sonne unabhän­giges System optimal einsetzen ließe. Würden wir 1000 unserer Anlagen instal­lieren, könnten wir die Energie­wende in Bayern ent­scheidend unter­stützen“, sagt Brunner. Eine Gesamt­leistung von 876 MWh pro Jahr könnte in das Netz eingespeist werden. Auch Österreich und die Schweiz mit ihren kleinen Gebirgs­wasser­läufen sowie Entwicklungs­länder würden von dem neuar­tigen mecha­nischen Anregungs­konzept profi­tieren.

Die Elastomer­generatoren sind so ausgelegt, dass sie in flachen und kleinen Gewässern ohne Querbau­werke geräusch­los betrieben werden können. Sie eignen sich beispiels­weise für die dezen­trale Strom­versorgung von Camping­plätzen oder abge­legenen Siedlungen, die direkt an Gewässern liegen. Im Labor konzi­pieren Brunner und sein Team derzeit zwei Versionen der Strom­erzeuger: eine schwimmende Variante sowie eine, die am Ufer montiert wird. Aktuell wird der Aufbau minia­turisiert – der fertige, wetter- und hoch­wasser­feste Generator soll zum Projekt­ende in Schalt­schrankgröße vor­liegen. Parallel zu den Labor­versuchen laufen in enger Abstimmung mit Gemeinde, Wasser­wirtschafts­amt und Umwelt­behörden erste Freiland­tests mit Proto­typen an der Wern und der Tauber. Dort führen die Würz­burger Forscher realitäts­nahe Experi­mente durch. Ziel ist es, 100 Watt pro Kraftwerk elek­trische Leistung konti­nuierlich zu erzeugen.

FhG / JOL

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