Silikonfolien ernten Strom aus Meereswellen

29.07.2013

Silikonfolien ernten Strom aus Meereswellen

EPoSil-Konsortium zeigt ersten Demonstrator

Ein an der TU Darmstadt entwickelter erster Demonstrator zeigt im Labor von Bosch bereits heute, wie sich die Energie von Meereswellen in Elektrizität wandeln lässt. Ziel des Forschungsverbundes EPoSil, an dem vier Unternehmen und die TU Darmstadt und TU Hamburg-Harburg beteiligt sind, ist die nachhaltige Energieversorgung entlang der weltweiten Küstenlinien.

Umweltfreundlicher Strom aus Wellenkraft: EPoSiL-Projektleiter Dr. Istvan Denes prüft den an der TU Darmstadt entwickelten Demonstrator. Bild: Bosch
Umweltfreundlicher Strom aus Wellenkraft: EPoSiL-Projektleiter Dr. Istvan Denes prüft den an der TU Darmstadt entwickelten Demonstrator. Bild: Bosch

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt die Arbeit des Projekts EPoSIl (Elektroaktive Polymere auf Silikonbasis zur Energiegewinnung) bis Januar 2015 finanziell mit fast 2 Millionen Euro. Die Förderung ist Teil des Programms „Intelligente Werkstoffe für innovative Produkte“.

Nach einer Berechnung der Vereinten Nationen ist in den Wellen ein riesiges Energiepotenzial von 29 500 Terawattstunden im Jahr gespeichert. Zum Vergleich: 2010 wurden weltweit rund 21 500 Terawattstunden elektrische Energie erzeugt, berichtet die Internationale Energie-Agentur. EPoSil soll den Zugang zu dieser regenerativen Energieform ermöglichen. In einem Bericht des UN-Weltklimarates zur Ozeanenergie heißt es unter anderem: „Energie aus dem Ozean hat auf lange Sicht das Potenzial, den Ausstoß von Kohlendioxid zu verringern.“ Diese Ansicht teilt auch das Bundesverkehrsministerium in seinem „Entwicklungsplan Meer“.

Die Beteiligten

Um die Kraft der Wellen zu nutzen, haben sich kompetente Partner zusammengefunden: Die Wacker Chemie AG liefert einen Werkstoff auf Silikonbasis. Dieser ist wesentlicher Bestandteil des sogenannten elektroaktiven Polymers, das mechanische in elektrische Energie umsetzt. Die Koordination übernimmt Bosch, zusammen mit dem Unterauftragnehmer Compliant Transducer Systems.

Das Institut für Elektromechanische Konstruktionen an der TU Darmstadt entwickelt eine Methode, um die elektroaktive Polymere zu testen. Ein geplantes, schwimmendes Maßstabmodell soll im Wellenkanal der TU Hamburg-Harburg erprobt werden. Die Anlagen zum Test der Generatoreinheiten werden vom Ingenieurbüro Brinkmeyer & Partner in Winnenden entwickelt. Bosch-Rexroth unterstützt das Konsortium beim Bau der Modelle.

Wandlung der Wellenkraft

Energiegewinnung aus Meereswellen mit dielektrischen Elastomeren. Grafik: Bosch
Energiegewinnung aus Meereswellen mit dielektrischen Elastomeren. Grafik: Bosch

Der Energiewandler besteht im Kern aus einer dreilagigen Folie. Oben und unten befindet sich je eine elektrisch leitende Schicht (Elektrode). In der Mitte liegt ein extrem elastisches, sehr gut isolierendes Silikon, das sich auch unter industriellen Bedingungen in immer gleich bleibender Stärke fertigen lässt. Durch die Bewegung der Wellen wird eine mechanische Kraft auf den Wandler übertragen. Die Welle presst das Silikon zunächst zusammen. Damit rücken auch die beiden Elektroden näher aneinander.

Jetzt wird von außen eine elektrische Spannung angelegt: eine der Elektroden wird positiv, die zweite negativ geladen. Bewegt sich die Welle weiter, nimmt die Kraft auf den Wandler ab. Das Silikon entspannt sich, wird wieder dicker. Daher entfernen sich die Elektroden und mit ihnen die Ladungen voneinander. Dieser Effekt bewirkt, dass sich die elektrische Energie im Wandler erhöht. Gewünschte Folge: Die mechanische Energie aus der Welle ist in elektrische Energie umgesetzt. Diese wird entnommen, und dann beginnt der Zyklus von vorne.

Folienstapel

Es gibt mehrere technische Möglichkeiten, wie Meereswellen die mehrlagigen Folien stauchen und dehnen können. Vereinfacht lässt sich eine Boje aus zwei Teilen vorstellen: Die obere Hälfte schwimmt auf der Oberfläche, die untere ist am Meeresboden fest verankert. Beide sind durch einen Stapel aus tausenden Folien miteinander verbunden. Die Wellenbewegung deformiert die Folien im Abstand von 3 bis 10 Sekunden.

„Die elektrischen Ströme der Einzelschichten addieren sich“, erklärt Projektleiter Dr. Istvan Denes von der zentralen Forschung und Vorausentwicklung von Bosch in Waiblingen bei Stuttgart. Später liefern mehrere Wandler im Verbund Strom. Dass dies im Labor während sogenannter Trockentests bereits funktioniert, zeigt Denes an einem ersten Demonstrator, der am Institut für Elektromechanische Konstruktionen an der TU Darmstadt hergestellt wurde.

Test im Wellenkanal

Das erste, maßstabgetreu verkleinerte Modell eines Wellen-Generators soll 2014 im Wellenkanal der Technischen Universität Hamburg-Harburg zu Wasser gelassen werden. Die Pläne sehen vor, dass kommerzielle Wellen-Generatoren mehrere zehnmillionen Dehnungs- und Stauchungsvorgänge absolvieren. Der angestrebte Wirkungsgrad bei der Wandlung der mechanischen in elektrische Energie liegt bei 50 Prozent.

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