Energietechnik Den Meeren ihre Kraft abtrotzen

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István Dénes baut mit an einer neuen Art von Kraftwerk, die die Energie der Meereswellen nutzen soll. Spezielle Werkstoffe, „künstliche Muskeln“, sorgen dafür, dass aus Wellenbewegung elektrischer Strom wird.

Wellenkraftwerk, Testversion: Istvàn Dénes mit dem Darmstädter Demonstrator. Foto: Bosch
Wellenkraftwerk, Testversion: Istvàn Dénes mit dem Darmstädter Demonstrator. Foto: Bosch

Stuttgart/Waiblingen - Das Gebäude 120 auf dem Firmengelände von Bosch in Waiblingen ist ein nüchterner Zweckbau, in dem an diesem heißen Sommertag hinter den geschlossenen Rollläden Ventilatoren für ein erträgliches Klima sorgen. István Dénes hat es da vergleichsweise gut. Wenn er zeigen will, wie sein Beitrag zur künftigen Nutzung einer riesigen und noch kaum angezapften Quelle erneuerbarer Energie aussieht, steigt er hinab ins kühlere Untergeschoss. Sein Labor lässt das Herz jedes Bastlers höher schlagen. Auf Wandregalen, Labortischen und Blechschränken stehen hier Computer und Monitore, elektronische Messgeräte und Bauteile, eine Maschine, mit der man die Zugfestigkeit von Werkstücken testen kann, und ein von früheren Experimenten übrig gebliebener Fallturm.

„Zentrale Forschung und Vorausentwicklung“ heißt die Abteilung, in der der Maschinenbauingenieur und Elektrotechniker mit Doktortitel arbeitet. Das wichtigste Requisit Dénes’ aktueller Vorausentwicklung ist in einem abschließbaren Glasschrank von der Größe eines hohen Kühlschranks aufgebaut. Acht oder neun Zentimeter hoch ist der Zylinder von den Ausmaßen eines Trinkglases. 28 Kabel in bunten Farben sind mit der filigranen Schichtstruktur verlötet. Der Glasschrank schützt den Experimentator vor der angeschlossenen elektrischen Spannung von rund 800 Volt.

Einen Demonstrator nennen die Bosch-Forscher die Anlage hinter der Glasscheibe. Das bisher noch unscheinbare Gerät ist die erste funktionierende Version eines neuartigen Kraftwerks. Eines Tages soll diese Technik es möglich machen, die Energie der Wellen draußen in den wellenreichen Meeresgebieten von Nordatlantik, Nordpazifik oder entsprechenden Regionen auf der Südhalbkugel in elektrischen Strom umzuwandeln. Sein Demonstrator, vermutet Dénes, könnte eine Leuchtdiode zum Leuchten bringen – natürlich nur mit im Labor simulierten Wellen. Zeit, das auszuprobieren, hatte er aber bisher nicht.

Eine neue Technik: dielektrische Elastomere

In den Wellenbewegungen der Meere der Erde steckt nach Berechnungen der Vereinten Nationen ein Energiepotenzial von 29 500 Terawattstunden im Jahr. Das ist mehr als die gesamte elektrische Energie, die 2010 weltweit erzeugt wurde. Mit verschiedenen Techniken wird versucht, das Potenzial in den Meeren anzuzapfen. Diese befinden sich jedoch alle noch im Anfangsstadium. Und keine der bisher eingesetzten Techniken nutzt das Prinzip, das Dénes untersucht: die sogenannten dielektrischen Elastomere.

Auf die Idee, sagt er, habe ihn vor fünf Jahren ein Kollege aus der zu Bosch gehörenden Firma Bosch Rexroth gebracht. Das Unternehmen sei damals als Zulieferer an der Wellenenergienutzung beteiligt gewesen, und der Kollege habe von den Elastomeren gelesen. Er wollte von Dénes wissen, welche Marktchancen die Anwendung dieser Stoffgruppe habe. Dénes recherchierte, suchte und fand Partner. Es wurde ein Forschungsprojekt daraus, an dem als Partner außer der Robert Bosch GmbH und Bosch Rexroth noch die Wacker Chemie, das Winnender Ingenieurbüro Brinkmeyer & Partner sowie die technischen Universitäten in Darmstadt und Hamburg-Harburg beteiligt sind, außerdem als Unterauftragnehmer die Schweizer Firma Compliant Transducer Systems. Das Konsortium hat bis 2015 vier Millionen Euro zur Verfügung; knapp die Hälfte davon steuert das Bundesforschungsministerium bei. Führer des Konsortiums ist Bosch, die Koordination liegt in den Händen von István Dénes. Der Name des Projektes ist sein Programm: EPoSil – Elektroaktive Polymere auf Silikonbasis zur Energiegewinnung.

Kernstück des Elastomer-Generators, den Dénes und seine Kollegen und Partner entwickeln, ist ein weicher Kunststoff, der sich unter Druck gut verformen lässt und wieder in seinen Ursprungszustand zurückkehrt, wenn der Druck nachlässt. Die Wellenbewegung des Meeres soll ihn periodisch zusammendrücken und loslassen. Geeignet seien dazu Polymere auf Silikonbasis, wie im Projekt EPoSil verwendet, als Basis eigne sich aber auch Polyurethan, sagt Dénes. Das Elastomer muss sehr standfest sein: Meereswellen werden den Elastomer-Generator ungefähr alle zehn Sekunden zusammenpressen und loslassen. Wenn der Generator, wie Dénes es wünscht, zehn bis zwanzig Jahre draußen im Meer in Betrieb sein soll, muss der Kunststoff die Prozedur einige zehn Millionen Mal mitmachen. Einen solchen Stoff im Industriemaßstab herzustellen, ist eine der Aufgaben, die sich das Konsortium vorgenommen hat.

Die Forscher von Bosch haben besonders den elektrischen Part übernommen: die Steuerung des Energieerzeugungsprozesses. Der von der Technischen Universität Darmstadt hergestellte Demonstrator besteht aus einem Stapel von 1400 haarfeinen Modulen aus Elastomer, jedes 50 Mikrometer dick. Oben und unten ist jedes Modul mit einem elektrisch leitenden Stoff beschichtet; das Elastomer selbst leitet den Strom nicht. Das Modul ist also eine Art Kondensator.

Ein Zyklus von Kompression und Entspannung

Die Energie wird in einem Zyklus gewonnen: Die Welle steigt und drückt das Modul zusammen. Da das Elastomer sich nicht komprimieren lässt, quetscht die Welle es in die Breite; seine Fläche wird größer. Auf dem Höhepunkt der Welle werden die leitenden Flächen mit elektrisch aufgeladen. Die elektrischen Anziehungskräfte verstärken den Druck auf das Modul, weshalb jetzt die Krafteinwirkung der Welle nachlassen muss, denn die Form des Moduls darf sich nicht mehr ändern. Das macht die Steuerung knifflig – ist aber nichts, was Bosch-Autoelektronik nicht im Prinzip sogar noch schneller könnte.

Sinkt nun die Welle wieder, schrumpft das Modul, seine Fläche wird kleiner, und die vorhandene elektrische Aufladung führt zu einer höheren Spannung. Diese Energie wird ins Stromnetz geleitet, und der Zyklus beginnt von vorne. Dénes rechnet damit, dass die am Anfang des Zyklus zugeführte elektrische Energie etwa verdoppelt werden kann. Rund zwanzig Prozent der mechanischen Energie einer Meereswelle könnten auf diese Weise in elektrische Energie umgewandelt werden.

Auf welche technische Art dieses Funktionsprinzip am Ende in einem Elastomer-Generator umgesetzt werden wird, ist noch offen. Ein denkbares Verfahren besteht darin, den Elastomer-Stapel in einem Käfig am Meeresboden zu verankern und mit einer Boje zu verbinden, die nach oben zieht, wenn eine Welle kommt, und so die Kompression bewirkt. In einem Kraftwerk dieser Art hätte jeder Modulstapel eine Fläche von 1,5 Quadratmetern und wäre fünf Meter hoch.

Diskutiert, so Dénes, werde auch eine Technik, die er Anaconda nennt: ein mehrere hundert Meter langer Schlauch mit 1,5 Meter Durchmesser aus dem elektrisch beschichteten Elastomer wird von Meerwasser durchflossen und dabei gepresst und gestaucht. Auch so könne Wellenenergie in elektrische Energie umgewandelt werden.

Natürlich kostet es auch Energie, den elastischen Stoff zusammenzupressen. Je nach Zähigkeit des Materials – in der Fachsprache: Viskosität – gehen dabei drei bis dreißig Prozent der Wellenenergie in dem Material verloren. Die Effizienz des Verfahrens hängt also auch stark von den Eigenschaften des Elastomers ab. Dessen Entwicklung liegt bei der Wacker Chemie.

Wind- und Wellenenergie können sich ergänzen

Ein Kraftwerk mit dieser Technik sei „nur langfristig realisierbar“, sagt Dénes und meint damit, dass er mit dem Bau des ersten Kraftwerks auf jeden Fall erst nach 2020 rechnet. Er kann sich vorstellen, dass Wellenkraftwerke grundsätzlich eine gute Ergänzung zu Windkraftwerken auf dem Meer sein könnten. Denn „es gibt keine grundsätzliche Korrelation zwischen Windstärke und Wellenstärke. Wind und Wellen können sich ergänzen.“

Vorerst wird sich das Konsortium um Materialfragen sowie die Verbindungs- und Beschichtungstechnik kümmern. Denn die elektrisch leitenden Schichten auf den Modulen müssen die Verformung und Ausdehnung der Module mitmachen. Im Gespräch sind etwa elektrisch leitende Lacke oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen.

Vorgesehen ist ein größerer Test der Technik im nächsten Jahr. Die TU Hamburg-Harburg hat einen großen Wellenkanal, in dem Wasserbewegungen simuliert werden können. 2014 soll dort, nach jetzigem Stand der Dinge, ein weiterer Demonstrator, ein „verkleinertes Wellenkraftwerk“, auf der Basis von Elastomer-Generatoren seine Wasserprobe bestehen.

Wieso ausgerechnet Bosch sich auf diesem speziellen Feld der erneuerbaren Energien engagiert? Nun, intelligente Werkstoffe, etwa solche, die Schwingungen aktiv dämpfen, gehören zum Arbeitsbereich von István Dénes, und auch für Anwendungen der Elastomere, die manchmal auch künstliche Muskeln genannt werden, hat er sich schon interessiert. „Wir sind eine Kunststoffabteilung. Mein Bereich sind die Schnittstellen zwischen mechanischen und elektrischen Eigenschaften.“ Elastomer-Generatoren scheinen da perfekt hineinzupassen.