Technologie
09.05.2017

Die Energie-Ernte

Foto: Zhifeng Ren
US-Wissenschaftler Zhifeng Ren forscht an thermoelektrischen Generatoren, die Temperaturunterschiede nutzen, um Elektrizität zu gewinnen.

Energieverluste sind ärgerlich. Aber mit Hilfe physikalischer Effekte können sie genutzt werden, um Strom zu erzeugen.

Wenn Bauern in einigen Monaten wieder den reifen Weizen einfahren, dann geht ein Teil davon ins schwedische Ahus. Dort brennen Spezialisten ein hochprozentiges Getränk: Absolut Vodka. Doch die Schweden veredeln nicht nur die Ernte anderer, sie ernten auch selbst – und zwar Energie.

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Energy Harvesting heißt das im Techniker-Englisch und beschreibt das Erzeugen geringer Strommengen bei schwacher Leistung. Das Anwendungsspektrum ist groß. Bei der Absolut Company in Ahus ging es darum, Energieverluste aus industriellen Prozessen noch nutzbar zu machen.

An verschiedenen Stellen im Produktionsprozess galt es, die Temperatur zu überwachen. Und das möglichst, ohne viele Kabel zu ziehen oder ständig Batterien auszutauschen. Die Lösung lieferte der Schweizer Technologie-Konzern ABB in Form von Thermometern, die Temperaturunterschiede nutzen, um den benötigten Strom zu erzeugen. „Die von handelsüblichen Thermogeneratoren bereitgestellte Leistung reicht aus, um eine Vielzahl von drahtlosen Sensorknoten in unterschiedlichen Szenarios zu versorgen“, verspricht das Unternehmen. Die Technik erlaubt demnach nicht nur, Temperaturfühler zu betreiben, sondern alle möglichen Arten von Sensoren. Und das schon mit einem Wirkungsgrad von gerade mal drei Prozent.

Grundlagen aus dem 19. Jahrhundert

Verglichen mit den Werten traditioneller Kraftwerke von 30 bis knapp über 40 Prozent ist das verschwindend gering. Aber in Bereichen, in denen Energie ansonsten verloren ginge und in denen niedrige Spannungen und Ströme ausreichen, genügt das allemal.

Bei den Thermogeneratoren nutzten die Entwickler den Seebeck-Effekt. Der Physiker Thomas Johann Seebeck hatte bereits in den Jahren 1821 beziehungsweise 1822 entdeckt, dass ein Strom fließt, wenn man zwei Stäbe unterschiedlicher Metalle zu einem Ring zusammenlötet und eine Lötstelle erwärmt. Je höher die Temperaturdifferenz an den Lötstellen, desto höher ist auch die Spannung. Bereits in den Achtzigerjahren hatten Forscher bei Experimenten mit Halbleitern zum Seebeck-Effekt Wirkungsgrade von acht bis zehn Prozent gemessen. Wärme ist jedoch nur eine Energieform, die in Elektrizität umgewandelt werden kann. Eine andere Variante funktioniert mechanisch. Wird auf einen Isolator Druck ausgeübt, kann ein elektrisches Feld und damit eine Spannung entstehen. Dieser piezoelektrische Effekt funktioniert allerdings nur bei manchen Materialien.

Die Struktur eines Kristalls muss beispielsweise so symmetrisch sein, dass eine polare Achse vorhanden ist. Industriell gefertigte Keramiken werden eigens für den piezoelektrischen Effekt ausgelegt. Auch Folien aus dem Kunststoff Polyvinylidendifluorid (PVDF) eignen sich. Sie kommen unter anderem in den Manschetten von Messgeräten für den Blutdruck zum Einsatz. Der piezoelektrische Effekt lässt sich immer dort nutzen, wo sich etwas bewegt und dadurch Druck auf das Material ausgeübt wird.

„Zum Beispiel könnte man die Schwingungen nutzen, die durch die Bewegung der Stoßdämpfer eines Autos entstehen“, erläutert Bernhard Brunner, Leiter des Bereichs Applikationstechnik beim Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC) in Würzburg. Er hat allerdings einen anderen Ansatz getestet.

Schwingende Brücke erzeugt Strom

Der Zustand von Autobahnbrücken muss kontinuierlich überwacht werden. Die dafür verwendeten Sensoren benötigen Strom, um die Daten zu sammeln und zu senden. Die Fraunhofer-Forscher haben daher ein piezoelektrisches Element in eine Brücke eingebaut. „Immer, wenn ein Lkw über die Brücke fährt, schwingt sie und dann entsteht Strom“, sagt Brunner. Nicht viel. Aber das braucht es auch nicht. Die Elektronik muss nur ein Mal am Tag die Messdaten aufnehmen und an die Kontrollstelle funken. Energie für ein paar Sekunden, das reicht.

„Um eine Sekunde zu senden, müssen am Tag einige Lkw über die Brücke gefahren sein“, erläutert der Wissenschaftler. Zwar könnte man auch mehr Strom erzeugen, aber nur mit mehr piezoelektrischem Material. „Das ist nicht mehr unbedingt wirtschaftlich“, winkt Brunner ab.

Höhere Stromerträge erzeugt er anders: in Wasser. Hauchdünne, dielektrische Elastomer-Folien aus Silikon mit Elektrodenbeschichtungen hängen an einer Luftrohr-Konstruktion im Wasser. Durch die Kombination mit einer Düse, durch die Wasser fließt, entsteht ein Unterdruck und die Folie dehnt sich. Die Dehnung ändert die elektrische Kapazität der Elastomerfolien und mit Hilfe einer elektronischen Schaltung erzeugen die Wissenschaftler schließlich Strom. Das kleinste Modul kommt auf eine installierte Leistung von immerhin 100 Watt.

Ziel ist, mithilfe dieser kleinen Wasserkraftwerke unter anderem Insellösungen zu realisieren, beispielsweise Ladestationen für E-Bikes, vor allem entlang kleiner Bäche. Dabei hilft, dass die Anlagen mit geringer Strömung auskommen. „Wir zielen damit auf kleine Fließgewässer mit Wassertiefen um 0,5 Meter und Breiten um einen Meter, wovon es allein in Bayern circa 1.000 Kilometer gibt“, sagt Brunner.

Die Energie von Schwingungen will auch das Forschungsunternehmen Hahn-Schickard nutzen. Dabei setzt es allerdings nicht auf den piezoelektrischen Effekt. Stattdessen nutzen die Baden-Württemberger Induktion. „Bewegt man einen elektrischen Leiter in einem Magnetfeld, werden eine elektrische Spannung und ein Stromfluss generiert“, erklärt Daniel Hoffmann, Gruppenleiter energieautarke Systeme bei Hahn-Schickard.

Kraftwerk in der Streichholzschachtel

Die Energy-Harvester bestehen aus einer magnetischen Einheit sowie einer oder mehreren Spulen. Bewirken Vibrationen, Schwingungen oder Stöße, dass sich die magnetische Einheit bewegt, ändert das den magnetischen Fluss in den Spulen. Eine Spannung wird induziert. Die Größe der Geräte liegt zwischen der einer Streichholzschachtel und der einer Halb-Liter-Kaffeetasse. „Mit einem Energy-Harvester-System in der Größe einer Streichholzschachtel und einer harmonischen Anregung im Bereich von einem bis fünf Metern pro Sekunde lassen sich Leistungen im Bereich von 0,5 bis 10 Milliwatt generieren“, sagt Hoffmann.Der besondere Clou: Die Geräte passen sich an die Frequenz der Quelle der Schwingungen an. Eine Feder setzt die Schwingungen so um, dass die Eigenfrequenz des Geräts der Frequenz der Umgebung entspricht. Das optimiert den Energieertrag.

Erste Versuche fanden an einem Schiffsgetriebe statt. Hoffmann sieht aber zahlreiche Möglichkeiten für eine wirtschaftliche Anwendung, insbesondere im Bereich der Überwachungs-Sensorik. Bei vielen Maschinen und Anlagen sollten diese möglichst keine Wartung benötigen. „Oft besteht in diesen Einsatzgebieten keine Möglichkeit, Kabel für die Energieversorgung zu verlegen“, weiß Hoffmann. Die Sensoren helfen aber, mögliche Schäden frühzeitig zu erkennen und teure und langwierige Reparaturen so zu vermeiden. Als Beispiele für einen sinnvollen Einsatz führt er Walzanlagen, Schifffahrt, Papiermaschinen, Prozessanlagen und Windräder an.

Autos als Energiequelle

Viel kleiner, überschaubarer und vor allem näher am täglichen Leben der Bürger ist ein anderes Einsatzgebiet. Energy-Harvesting kann den Strombedarf von Smartphones und anderen tragbaren Mini-Geräten decken. Smart Wearables heißen solche Dinge in der Fachsprache. Ein Beispiel sind Sportschuhe, die LED in den Sohlen haben. Aktuelle Modelle sind zwar oft batteriebetrieben, da sie zu viel Strom benötigen. Manche verzichten aber auch darauf – und verwenden nur eine LED, die unter Umständen auch weniger stark leuchtet.

Die Bewegung von Menschen kann auch dazu genutzt werden, um Akkus mobiler Endgeräte beim Laufen aufzuladen. Oder Schuhe, die sich von alleine schließen. Für viele mag das überflüssiger Schnickschnack sein. Älteren Menschen und Menschen mit Handicap jedoch können solche Entwicklungen tatsächlich das Leben erleichtern.

Ebenfalls nah am Alltagsleben sind Energy-Harvester in der Automobilbranche. Abwärme, Schwingungen, Vibrationen – ein Kraftfahrzeug liefert alles, was Techniker für die Stromernte benötigen. In Serie ist das aber noch nicht, heißt es beispielsweise beim Automobilkonzern BMW. Zumal die Elektroingenieure mit den Entwicklern des Antriebs konkurrieren. Deren Ziel ist es, dass ein Motor möglichst ruhig läuft, wenig vibriert und nicht rüttelt. „Wenn die ihren Job gut machen, finden andere nur wenige Effekte, die sie nutzen können“, sagt BMW-Sprecher Niklas Drechsler.

Wirtschaftlich sind die Hersteller der Erntemaschinen nicht immer erfolgreich. So hatten die US-amerikanischen Wissenschaftler Gang Chen und Zhifeng Ren vor Jahren das Unternehmen GMZ Energy gegründet. Sie entwickelten einen thermoelektrischen Generator, nur zweieinhalb mal zweieinhalb Zentimeter groß und keine sieben Millimeter dick. Auf eine Leistung von 7,2 Watt kamen die Module. Dann folgten Staatsgelder, die Generatoren wurden hochskaliert und zu Testzwecken in Panzer eingebaut. Ziel war ein Einsparpotenzial von 25 Prozent Kraftstoff. Doch es lief nicht rund für die beiden Unternehmer. Im Mai 2015 übernahm Evident Thermoelectrics das Unternehmen – nur, um im Herbst desselben Jahres Insolvenz anzumelden.

In Schweden lief es auch nicht von Anfang an rund. Die Ingenieure der Absolut Company gaben ABB ein gemischtes Feedback. Drahtlose Kommunikation und Energieertrag entsprachen den Erwartungen, die Genauigkeit der Messungen aber nicht. ABB besserte nach. Nun sind die Schweden zufrieden und ernten munter Strom, wenn sie einen Teil der Weizenernte verarbeiten.

Jochen Bettzieche
Keywords:
Stromerzeugung | Energie | Energy Harvesting
Ressorts:
Technology

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