TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Mechanische Systeme

Straßengeneratoren (II)

 

Im Februar 2011 melden die Fachblogs, daß auf Initiative des jungen US-Abgeordneten Mike Gatto aus Los Angeles nun in Kalifornien Projekte mit piezoelektrischen Elementen durchgeführt werden, die ca. 10 cm unterhalb des bestehenden Straßenbelags angebracht die Vibrationen des Straßenverkehrs nutzen sollen.

Dabei ist es nicht ein einzelnes piezoelektrisches Bauteil, das die Energie erzeugt, sondern das Zusammenspiel vieler Bauelemente, welche pro Jahr und Kilometer Straße eine Energiemenge von bis zu 44 MW bringen sollen, was allerdings ziemlich hoch klingt. Aus den Meldungen sind keine Details zu entnehmen, allerdings wird auf die o.e. israelische Entwicklung Bezug genommen, was nahelegt, daß es sich auch hier um ein später nicht weiter verfolgtes Projekt der Firma Innowattech Ltd. handelt.

Gattos Gesetzentwurf sollte eigentlich Mittel von Caltrans verwenden, der bundesstaatlichen Agentur, die für Planung, Bau und Wartung von Autobahnen, Brücken und Schienenverkehr verantwortlich ist, um zwei Pilotprojekte mit der neuen piezoelektrischen Technologie umzusetzen, eines in Nord- und eines in Südkalifornien. Gouverneur Brown legt gegen das Projekt sein Veto ein – wegen des Mangels an Finanzierung.

Zwar wird im Dezember 2012 berichtet, daß Gatto zwischenzeitlich in der California Energy Commission (CEC) einen neuen Partner gefunden hat, welcher die Voruntersuchung des Potentials der Technik finanzieren wird. Die Energiekommission will die Untersuchung bis Ende Januar 2013 abschließen und dann auf der Grundlage der Ergebnisse bestimmen, ob ein kleines Pilotprojekt vom Staat durchgeführt wird. Wozu es dann augenscheinlich aber doch nicht kommt. Woher das abgebildete Foto stammt, ließ sich bisher nicht herausfinden.

Eine weiteres Konzept für die Umsetzung eines Straßengenerators kursiert im März 2011. Dieses stammt von den Designstudenten Ian Jaye, Jovan Popovic und Patrick Houin am College for Creative Studies in Detroit und unterscheidet sich von dem vorstehenden eCross-System dadurch, daß die Energie hier nicht nur von den Fahrzeugen, sondern – und in erster Linie sogar – von den Fußgängern selbst aufgebracht wird.

Bei dem Beitrag zum Wettbewerb ,imagination at work’ von General Electric sollen die Piezoplatten aus diesem Grund unter den Fußgängerübergängen ausgelegt werden, um mit ihrem Strom Straßenlaternen, Ampeln, Überwachungskameras und andere elektronische Geräte im Umfeld zu versorgen.

Eine Abwandlung, die von dem Designer Fang-Chun Tsai aus Taiwan stammt, wird im September 2011 veröffentlicht.

Unter dem programmatischen Titel Magneter (Highway Magnetic Electricity Generate System) konzipiert Tsai ein System, das die kinetische Energie sich schnell bewegender Fahrzeuge verwendet, um ein magnetisches Feld zu verändern und damit Strom zu erzeugen.

Hierbei sind an der Unterseite der Autos Magneteinrichtungen montiert, die beim Darüberfahren ein Stromerzeugungsgerät aufladen, das in der Straße installiert ist.

Als Vorteile werden die höhere Effizienz bei der Erzeugung von Elektrizität, die relativ einfache Installation und Infrastruktur und die fehlenden mechanischen Elemente wie Generatoren genannt. Es besteht keine Gefahr durch Verunreinigungen, und das System ist gegenüber den meisten Wetterbedingungen völlig resistent.

Zudem kann der mobile Part leicht in bestehende Fahrzeuge eingebaut werden. Etwas mehr Arbeit wäre notwendig, um diese Magnetstreifen in den Autobahnen zu installieren. Anderseits könnte das System auch gut auf der Schiene und bei U-Bahnlinien verwendet werden.

Im Dezember 2013 erscheinen Berichte über eine weitere Alternative, die der mexikanische Unternehmer Héctor Ricardo Macías Hernández geschaffen hat. Sein System besteht aus kleinen Rampen aus einem harten Polymer, wie er bei der Herstellung von Reifen verwendet wird. Diese Rampen sind in die Straße eingebettet, ragen 5 cm über die Oberfläche hinaus und werden vorübergehend nach unten gedrückt, wenn ein Auto darüber fährt.

Wenn dies geschieht, wird Luft durch einen Faltenbalg gezwungen, der an der Unterseite der Rampe befestigt ist. Die Luft wandert durch einen Schlauch und wird in einem Speichertank komprimiert. Die gespeicherte Druckluft wird schließlich in eine Turbine eingespeist um Strom zu erzeugen.

Laut Hernández handelt es sich um eine Technologie, die zu niedrigen Preisen umgesetzt werden könnte, während piezoelektrische Systeme für die Entwicklungsländer zu teuer seien. Das System, das auch so ausgelegt werden kann, daß es Strom von Fußgängern erzeugt, befindet sich noch in der Entwicklung, die mit Unterstützung des mexikanischen Instituts für Patentrecht (IMPI) durchgeführt wird.

Später hört man erst wieder etwas darüber, als sich Hernández im Oktober 2014 darüber aufregt, daß ein Projekt namens Tope (?), das Studenten der Universidad Tecnológica de México (UNITEC) durchgeführt haben, ein Plagiat der von ihm patentierten Entwicklung darstellt – und eine Strafanzeige dagegen vorbereitet. Wie die Sache weitergegangen ist, konnte ich noch nicht herausfinden.

Die Idee der Straßengeneratoren scheint sich besonders in Indien großer Beliebtheit zu erfreuen – weshalb ich die entsprechenden Meldung nun auch unabhängig von der chronologischen Reihenfolge hintereinander stellen werde. Als erstes Beispiel sei hier die Studie von P. Chandra Sekhar, A. Balasubrahmanyam und K. Rajashaker Reddy genannt, die im Januar 2014 veröffentlicht wird.

Das studentische Team des Prakasam Engineering College in Kandukuri erarbeitet unter der Leitung von Prof. Meeravali eine Technologie namens Power Hump, bei der die Energie sich bewegender Fahrzeuge mittels Zahnstange, Welle und elektrischem Dynamo in elektrische Energie umgewandelt wird.

Ein Prototyp mit einem einfachen Gleichstrommotor erreicht eine Leistung von 12 V, wobei die Kosten mit nur 400 Rupien angegeben werden, was etwa 5,5 € entspricht.

Ein weiteres Beispiel ist der Bericht ,Generating Energy from Road Ribs’ der Studenten Gaurav RajAnand, Pranav Reddy und Mrinal Kumar, der im Februar 2014 folgt und einen Beitrag für den Wettbewerb IEEE Abhivyakti 14 darstellt. Auch dieses Team stellt einen ersten Prototypen her, dessen Effizienz sie mit 14 % kalkulieren, während der Output 2 W beträgt.

Im Juli sind es Abhishek Agarwal und sein Team aus Gurgaon, Haryana, die sich unter dem Titel ,Energy Harvesting Retractable Speed Bump’ mit einem Prototyp am Wettbewerb ,Create the Future 2014’ beteiligen.

Ihr Energiegewinnungsverfahren basiert auf Walzen, Federn und Stoßdämpfern und besitzt zudem einen Energiespeicher, der auch die Abwärme der Stoßdämpfer nutzen soll.

Etwas offizieller ist der Ansatz von Forschern des Government Engineering College (GEC), die einem Bericht vom September 2014 zufolge einen Weg gefunden haben, um Energie aus dem Gewicht der Fahrzeuge zu ernten, die durch eine Mautstelle fahren.

Die in diesem Modell verwendeten Hauptkomponenten sind eine flache Plattform, Federn, Getriebe und ein Generator. Die Plattform ist auf einer Druckfeder montiert und mit Zahnstange und Ritzel verbunden, um die Last des Fahrzeugs auf diese zu übertragen. Dadurch wird die Hubbewegung in eine Drehbewegung umgewandelt, die schließlich auf die Generatorwelle übertragen wird und damit den Strom erzeugt. Ein Ratschenmechanismus sorgt dafür, daß sich die Leistung nur in eine Richtung überträgt.

Verläßt das Fahrzeug die Plattform wieder, kehrt diese aufgrund der Federwirkung in ihre ursprüngliche Position zurück. In diesem wie allen vorangegangenen Fällen läßt sich aber nichts darüber finden, daß die Innovationen bislang tatsächlich zum Einsatz gekommen sind.

Im März 2014 erreicht mich der Bericht über eine Energieabsorptionsplattform nebst Fotos des funktionsfähigen Vorführmodells im Maßstab 1:10, das von dem Physiker Dipl.-Ing. Edmond D. Krecké aus Monaco entwickelt und gebaut wurde und eine fortschrittliche Version des vorstehenden Modells darstellt.

Hier ist die Plattform mit mindestens einem hydraulischen oder pneumatischen Zylinder verbunden, so daß bei der Passage eines Fahrzeugs ein entsprechender Druck erzeugt wird. Beim Bremsen wird die Rampe nach unten gedrückt und das Gewicht des Fahrzeugs wird für die Erzeugung potentieller Energie in einem hydraulischen oder pneumatischen System verwendet. Wird die Fahrt fortgesetzt, beschleunigt das Fahrzeug über die Rampe, während gleichzeitig kinetische Energie erzeugt wird.

Die Hydraulikfluid fließt dabei über ein Rückschlagventil in einen Druckspeicher, wo die Energie in nutzbarer Form gespeichert wird und später leicht verwendet werden kann, um ein Gebäude mit Hydraulikflüssigkeit oder Druckluft zu versorgen. Ebenso läßt sich der Druck verwenden, um Generatoren zur Erzeugung elektrischer Energie anzutreiben.

Der Erfinder schätzt die Kosten einer Energieabsorptionplatform bei Serienfertigung auf rund 8.000 €. Man sollte allerdings darauf hinweisen, daß Krecké einige Jahre zuvor eine sogenannte Isomax-Terrasol-Technologie entwickelt hatte, bei der ein Mischprinzip aus Sonnenwärme und Erdkühle Häuser kostenlos temperieren sollte. Im Oktober 2011 war dann vor Gericht allerdings festgestellt worden, daß Krecké ein Bilanzfälscher sei und daß das von ihm entwickelte Prinzip gar nicht funktioniere.

Im Juli 2014 erscheint eine Studie von Prof. P. Papageorgas und seinem Team am Technological Educational Institute of Piraeus (TEI) in Griechenland, bei der es um im Straßen eingebettete piezoelektrische Generatoren geht (,Energy Harvesting Implementing Embedded Piezoelectric Generators – The Potential for the Attiki Odos Traffic Grid’).

Das Ziel dieser Forschung ist es, die Vorteile eines entsprechenden Energy-Harvesting-Systems zu analysieren und zu präsentieren, sowie dessen Nutzung im ,Attiki Odos’-Autobahnverkehr zu untersuchen. Dabei konzentriert man sich zunächst auf die Untersuchung der verfügbaren Technologien und die Bewertung der erzeugten Energie, wenn diese Technologie an bestimmten Stellen des griechischen Straßennetzes eingesetzt wird.

Die Arbeit wird mit Hilfe der School of Engineering and Physical Sciences der britischen Heriot-Watt University durchgeführt.

Auch in Italien besteht Interesse an Straßengeneratoren, wie Meldungen vom September 2014 belegen. Hier ist es das Anfang 2011 gegründete Start-up Underground Power, welches mit der patentierten Erfindung einer neuen Pflastertechnologie Energie dort aus dem Verkehr herausziehen will, wo Fahrzeuge zwangsläufig verlangsamen müssen.

Die in Zusammenarbeit mit dem Politecnico di Milano entwickelte Technologie namens Lybra besteht aus einem 3 m breiten und 1 m langen Gerät von 10 cm Höhe, das aus einem Gummi hergestellt ist, wie er bei Reifen zum Einsatz kommt und bündig in den Asphalt eingesetzt wird.

Ein erster Teststreifen war im Sommer am Auchan Shoppin Center in Rescaldina nahe Mailand installiert worden. Den Berechnungen der Ingenieure zufolge sollte eine Kette von zehn Geräten in einem gut befahrenen Kreisverkehr der Lage sein, pro Jahr 100.000 kWh zu erzeugen.

Nachdem die Firma im Jahr 2013 zu einem der ,10 vielversprechendsten grünen Unternehmen Italiens’ gekürt wird, erhält sie 2014 eine ,Rekordfinanzierung’ in Form eines 1-Million-Euro-Kredits von der italienischen Großbank UniCredit. Über konkrete Geschäftsabschlüsse oder kommerzielle Installationen ist aber noch nichts zu finden.

Die nächste Meldung stammt vom Januar 2015. Diesmal ist es die University of Illinois at Chicago (UIC), die gemeinsam mit der ebenfalls Chicago in beheimateten Firma New Energy Innovations Inc. (NEI) das von Ralph A. Black gemeinsam mit Asad Ali erfundene und patentierte Traffic Powered Renewable Energy System (TPRES) weiter optimieren will (US-Nr. 8.754.539, angemeldet 2012, erteilt 2014).

Das TPRES verwendet eine Reihe von Luftpumpen, die innerhalb der Fahrbahn eingebettet sind und Luft komprimieren, wenn Autos darüber fahren. Die Druckluft wird dann verwendet, um Elektrizität zu erzeugen. Ein genauer Preise wird noch nicht genannt, Schätzungen sprechen von 100.000 $ pro Installation, was ziemlich hoch klingt.

Im Frühjahr 2015 will das Unternehmen mit Crowdfunding-Bemühungen beginnen, wobei die Absicht besteht, bereits im Sommer die Herstellung bei der Firma Classic Sheet Metal Inc. in Franklin Park, Illinois, zu starten. Zusätzliches Tiefbau-Know-how und Erhebungen, wo Installationen stattfinden könnten, soll die Firma Hoffman Estates beisteuern. Weitere Neuigkeiten gibt es bislang nicht.

Im Mai 2015 berichtet eine Gruppe von Wissenschaftlern der University of Wisconsin-Madison um Prof. Xudong Wang und sein Doktoranden Yanchao Mao, daß sie innerhalb eines Jahres einen Nanogenerator entwickelt haben, der Energie aus der Reibung eines rollenden Autoreifens erntet (und an den Konzeptreifen BH03 erinnert, den die Firma Goodyear Tire & Rubber Co. im März dieses Jahres präsentiert hatte, s.u. Piezoelektrizität).

Zu Demonstrationszwecken statten die Forscher ein ferngesteuertes Spielzeugauto mit der Technik aus, die mit einer LED verbunden ist, sodaß die Reifen jedes Mal aufleuchteten, wenn gerade Energie gewonnen wird. Weitere Details sind noch nicht zu erfahren.

Über eine weitere Firma, die sich mit Straßengeneratoren befaßt, wird erstmals im April 2015 berichtet. Dabei handelt es sich im die schon 2007 von Jim Nigg gegründete Constructis LLC (Construct Innovative Solutions) in Greenville, die bislang aber noch nie in Erscheinung getreten war.

Das patentierte Roadway Energy Sensory System (R.E.S.S.) besteht aus Modulen, welche die Energie sich bewegender Fahrzeuge, Fahrräder und Fußgänger erfassen und speichern. In Gruppen von je zwei Modulen der Maße 150 x 90 x 90 cm sollen sie in Straßen, Gehwegen, Rampen und Zugängen eingebettet werden. Die Kästen haben kleine vorspringende vertikale Rippen, die nach unten gedrückt werden, wenn Fahrzeuge über sie hinweg rollen.

Ein derartiger Set von Modulen soll je nach Verkehrsdichte zwischen 10 kW und 95 kW pro Tag erzeugen können. Die Kosten samt Installation sollen 10.000 – 20.000 $ betragen.

Constructis ist in der Prototyp-Phase und hofft, ein Modul bereits in diesem Sommer einem Feldtest unterziehen zu können. Es ist jedoch nichts davon festzustellen, daß es bislang tatsächlich dazu gekommen wäre (Stand 2016).

Im Dezember 2015 berichten die Fachblogs darüber, daß Forscher der University of Texas in San Antonio (UTSA) um Prof. Samer Dessouky in Zusammenarbeit mit Lubinda Walubita vom Texas A&M Transportation Institute (TTI) des texanischen Department of Transportation (TxDOT) mit einem Vertrag in Höhe von 1,32 Mio. $ bedacht worden sind, um ein System zu entwerfen, das Energie aus der Bewegung von Fahrzeugen entlang der staatlichen Straßen erntet. Dessoukys Team hat bereits entsprechende Vorarbeiten geleistet.

Die Wissenschaftler, zu denen auch Experten des Southwest Research Institute (SwRI) gehören, wollen piezoelektrische Sensoren entwickeln, die unter Asphaltschichten plaziert Strom für Lichter, Ampeln, Plakate usw. liefern. Ein solches System würde es dem TxDOT auch erlauben, den Zustand der Fahrbahnen kontinuierlich zu überwachen.

Die erste Phase des Projekts, die 18 Monate dauern wird, umfaßt die grundlegende Planung und Entwicklung der Ernte-Module. Diese sollen aus piezoelektrischen Low-Cost-Materialien und -Sensoren hergestellt und 5 cm unter der Fahrbahnoberfläche permanent installiert werden.

Sollten auch die nachfolgenden Phasen grünes Licht bekommen, rechnen die Forscher damit, innerhalb von dreieinhalb Jahren ein vollständiges, funktionales Ernte- und Erfassungssystem bereitstellen zu können.

Interessant ist in diesem Zusammenhang auch eine Werbekampagne der Firma Volvo für das neue Hybridmodell XC90 T8. In dem 2-minütigen Clip vom April 2016 ist zu sehen, wie über Nacht ein Straßengenerator auf einer gut befahrenen Strecke in Kalifornien installiert wird („Wie hijacked an Highway in California“).

Das peristaltische System des Architekten Bob Partington besteht aus Kautschuk-Matten, unter denen flexible, Wasser führende Schläuche installiert sind, welche zusammengedrückt werden, sobald ein Fahrzeug darüber fährt. Die gewonnene hydraulische Energie wird dann in Strom umgewandelt.

Und während jedes der vorbeifahrenden Autos unwissentlich ein paar Watt in die Akkus des XC90 pumpt, erscheint auf einer gut sichtbaren Werbetafel ein großes Dankeschön, das ein versteckter Beobachter an das jeweils gerade ,angezapfte’ Fahrzeug richtet: „Thank you for the extra miles, Jeep.“

Hinweis: Es gibt noch eine ganze Reihe von Gerätschaften welche den Fahrtwind von Fahrzeugen und Zügen ausnutzen sollen. Diese finden sich im Kapitel Windenergie unter den Neuen Designs und Rotorformen sowie bei den Darrieus-Rotoren (s.d.).

Letztendlich darf man bei all diesen System aber nicht vergessen, daß die derart ,gewonnene’ Energie tatsächlich aus den fossilen Brennstoffen der Fahrzeuge stammt, die ja erst für deren Bewegung sorgen. Ein sinnvoller Einsatz ist daher nur in bestimmten Fällen gegeben, bei denen z.B. längere Kabelstrecken eingespart oder komplizierte Anschlüsse vermieden werden können.

 

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