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22.05.2017

Dielektrische Elastomergeneratoren – innovative Energiewandler zur Nutzung von kleinen Fließgewässern

Alternative Energiequellen – ökonomische und technische Motivation

2013 lag die Produktion der Erneuerbaren Energie in der EU bei 24,3 Prozent der Gesamtmenge an primärer Energie. Da die Energieversorgung nicht nur durch Wind-, Solar- oder Photovoltaikanlagen sichergestellt werden kann, ist Wasserkraft als zusätzliche Technologie ein entscheidender Beitrag. Strom aus Wasserkraft ist weitestgehend konstant und stellt damit im Vergleich zu anderen erneuerbaren Energien einen hohen Anteil kontinuierlicher Leistung zur Verfügung.

Das Center Smart Materials CeSMa, Teil des Fraunhofer-Instituts für Silicatforschung in Würzburg, hat nun neuartige Dielektrische Elastomergeneratoren (DEGs) für die Umwandlung von mechanischer in elektrischer Energie durch Nutzung geringer Wasserströmung entwickelt. Diese neuen Generatoren werden in CeSMa durch ein vom Bayerischen Staatsministerium für Wirtschaft und Medien, Energie und Technologie mit rund 8 Millionen Euro geförderten Projekt DEGREEN entwickelt.

Zielsetzung von DEGREEN

Die neuen Generatoren bieten eine zusätzliche, umweltfreundliche, erneuerbare Energiequelle als Alternative zu existierenden großen Wasserkraftanlagen. Besonders Standorte mit kleinen Flüssen können erschlossen werden, da bereits geringe Fließgeschwindigkeiten und geringe Wassertiefen für die direkte Umwandlung von mechanischer in elektrischer Energie ausreichend sind. Die gewonnene Energie (bis zu 1 kW) soll als umweltverträglicher Energielieferant an Campingplätzen, abgeschiedenen oder ländlichen Orten, zur Grundlastabdeckung von Haushalten oder auch für Ladestationen von E-Bikes zum Einsatz kommen. Da der Generator einen modularen Aufbau besitzt, kann er leicht an die verschiedenen Gegebenheiten von Flüssen oder Bächen angepasst werden. Das Konzept verspricht beste Umweltverträglichkeit, da es lautlos ist und die Strömungsverhältnisse im Gewässer nicht verändert und Flora und Fauna nicht beeinflußt.

Neue smarte Materialien ermöglichen Dielektrische Elastomergeneratoren (DEG)


Im Mittelpunkt der Entwicklung stehen neuartige, umweltstabile und kostengünstige Elastomermaterialien. Diese Elastomere wirken als elektromechanische Energiewandler – einfach ausgedrückt produzieren sie Strom durch mechanische Dehnung. DEGs bestehen aus einer stark dehnbaren Elastomerfolie, die beidseitig mit hochflexiblen Elektroden aus Leitruß  beschichtet wird. Bild 1 zeigt den schichtweisen Materialverbund aus Schutzschicht – Elektrode – Silikonelastomer – Elektrode – Schutzschicht eines einzelnen dielektrischen Films, aus dem sich Sensoren, Aktoren oder auch Generatoren zusammensetzen. Der Verbund wird kostengünstig in Form von großflächigen Bändern (0,5m x 200m, Dicke 1 mm) durch Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt.

Funktionsprinzip


Die mechanische Anregung erfolgt durch periodische Dehnung und Entspannung der Elastomerfolien verursacht durch die Wasserströmung. Der periodische elektromechanische Kreisprozess läuft dabei folgendermaßen ab:
Nach einer mechanischen Dehnung durch eine äußere Kraft  werden die elektrodierten Elastomerfolien durch Anlegen einer elektrischen Spannung geladen. Nach dem mechanischen Entspannen der Folie erhöht sich die elektrische Spannung in den Folien durch die Zunahme der Foliendicke. Diese erhöhte elektrische Spannung wird dann auf ein Speichermedium übertragen. Danach beginnt der Kreisprozess erneut.
Wie viel elektrische Energie umgewandelt werden kann, kann durch die Kapazität der dielektrischen Schichten und die Differenz der elektrischen Spannung zwischen Laden und Entladen berechnet werden.

Installation vor Ort


Für den Einsatz der DEGs in kleinen Flüssen oder Bächen vor Ort ist eine platzsparende Anlage ohne Querbauwerk ausreichend. Abhängig von der Fließgeschwindigkeit des Wasser (ab 1m/s) kann sich die Oberfläche der dünnen dielektrischen Elastomermembran um bis zu 100 % ausdehnen. Der modulare Grundaufbau, der je nach Gewässerbreite und -tiefe in der Breite oder Länge angepasst werden kann, besteht aus einer Röhre (Durchmesser ca. 0,5 m) mit einer Verjüngung (Venturirohr) im Wasser, die mit den Elastomerfolien verbunden ist (Bild 2).
Das durchströmende Wasser erzeugt an der engsten Durchlassstelle gemäß dem Venturiprinzip einen Luftunterdruck in einer angeschlossenen Leitung.  Durch das periodische Öffnen und Schließen eines Luftventils in der Luftdruckleitung wird die Dehnung der Elastomerfolie und damit die elektrische Spannungsänderung der Elastomerfolie dynamisch. Erste Tests an der Tauber verliefen sehr vielversprechend.

Vorteile der dielektrischen Elastomergeneratoren


Die DEGs arbeiten als autonome Systeme ohne zusätzliche Energiequelle. Schon geringe Fließgeschwindigkeiten (ab 1 m/s) bei geringen Wassertiefen (0,5 m) des Gewässers reichen aus, auch ohne (anstauende) Querbauwerke die Energie des fließenden Wassers in elektrische Energie umzuwandeln. Damit werden wesentlich mehr Standorte zugänglich gemacht als es bei großen konventionellen Wasserkraftwerken möglich ist. Der Zusammenschluss von mehreren Generatoreinheiten zu einem Kraftwerksschwarm erhöht die Leistung. Der Betrieb der Anlage ist umweltfreundlich und nachhaltig: keine Änderung der Wasserströmung, lautloser Betrieb und inhärenter Schutz für Fische und andere Lebewesen, da keine bewegten Bauteile verwendet werden.
Der dielektrische Elastomergenerator ist der erste Kleinstgenerator für die Nutzung an Fließgewässern. Insbesondere der Fokus auf Niedrigenergiegebiete ist in der Projektidee DEGREEN einzigartig. Diese Gebiete lassen zwar keine hohen elektrischen Energiewerte erwarten, sind aber weltweit sehr verbreitet.


Bild 1: Folienaufbau
Quelle: Fraunhofer ISC


 

Bild 2:
Venturirohr zur Dehnung der Elastomerfolien


 

Kontakt
Dr. Bernhard Brunner
Tel. ++49 (0) 931 4100 416
E-Mail: bernhard.brunner@isc.fraunhofer.de
www.cesma.de

Fraunhofer-Institut für Silikatforschung ISC
Neunerplatz 2
97082 Würzburg
www.isc.fraunhofer.de

Dr. Bernhard Brunner ist Diplom – Physiker und Leiter der Applikationstechnik am Center Smart Materials des Fraunhofer ISC.
Er leitet Entwicklungsprojekte im Bereich piezoelektrischer Sensoren und dielektrischer Sensoren und Generatoren.

 


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