Grüner Strom aus schwimmenden Elastomerfolien

Mit rund 33 % ist Wasser der bedeutendste erneuerbare Energieträger Bayerns. Doch vor allem konventionelle Kleinstwasserkraftwerke mit überschaubarem Ertrag sind aufgrund ihres Eingriffs in das Ökosystem umstritten. Eine umweltschonende Alternative sind Elastomermaterialien, die mechanische Energie von Wasserströmungen in kleinen Flüssen direkt in elektrische Energie umwandeln.

Bild: Fraunhofer ISC
Die Anregung der Silikonmembranen erfolgt über den Unterdruck in den wasserdurchströmten Venturi-Rohren... mehr...

Bis 2025 sollen heimische erneuerbare Energiequellen 40 % des bayerischen Strombedarfs decken. Das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC setzt dafür auf Wasserkraft: Die Würzburger Forscher nutzen stark 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. In gedehntem Zustand wird die Folie durch das Anlegen einer hohen elektrischen Spannung geladen. Anschließend wird das Elastomer wieder mechanisch entspannt. In diesem Zustand ist die elektrische Energie höher und wird über eine Schaltung entnommen. „Dieser Kreisprozess aus Spannung und Entspannung erfolgt einmal pro Sekunde“, erläutert Dr. Bernhard Brunner, Projektleiter und Wissenschaftler am ISC. „Legen wir eine Spannung von 4000 V an, können wir bei jeder Dehnung eine elektrische Leistung von 100 mW pro Folie erzeugen.“

Doch wie gelingt die periodische Dehnung der Folien? Hierfür haben Brunner und sein Team ein mechanisches Anregungskonzept umgesetzt: Strömt Wasser durch ein verengtes Rohr, entsteht in diesem ein Luftunterdruck – auch Venturi-Effekt genannt –, der die Elastomerfolie dehnt. 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 Elektronikeinsatz.

Über den Foliendurchmesser können die Forscher den Druck anpassen. Dadurch ist der Generator im Hinblick auf die Strömungsgeschwindigkeiten der Gewässer skalierbar. Das komplette System aus Folien, Rohr, Ventil, Pumpe, Luftleitung, Elektronik und Gleichrichter ist modular aufgebaut, auch der Rohrdurchmesser lässt sich einstellen. Es eignet sich vor allem für kleine Flüsse mit Wassergeschwindigkeiten ab 0,5 m/s und Wassertiefen ab 0,5 m. 1000 solcher Anlagen könnten eine Gesamtleistung von 876 MWh pro Jahr ins Netz speisen.

- von skr
 
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