TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Mechanische Systeme

StrÖmungen (I)

Die Nutzung der Energie aus Strömungen wird in aller Ausführlichkeit in den Kapiteln Wasser- und Windenergie behandelt. Die dortigen Umsetzungen erfolgen jedoch zumeist im Multimeterbereich, während es beim Micro Energy Harvesting um z.T. wesentlich kleinere Dimensionen geht.

Schon 1999 zeigen Prof. Ray Baughman und seine Kollegen der University of Texas at Dallas, daß sich Nanoröhrchen wie Muskeln verhalten, wenn sie einem besonders ausgerichteten elektrischen Feld ausgesetzt werden. Es dauert nicht lange, bis man auch eine umgekehrte Funktion entdeckt.

In Kanada wird im Oktober 2003 das Forschungsergebnis der Wissenschaftler Larry Kostiuk und Daniel Kwok von der University of Alberta veröffentlicht, welche eine elektrokinetische Batterie erfunden haben, die ausschließlich mit Wasser funktioniert – wobei die Umsetzung bzw. Energiewandlung nicht auf dem chemischen Wege, sondern nur mittels der Strömung des Wassers durch mikroskopische Kanäle im Nanoformat erfolgt.

Das Phänomen hatte ein gewisser J. F. Osterle schon im Juni 1964 im Journal of Applied Mechanics beschrieben, ohne daß es damals jedoch zu einer entsprechenden Umsetzung gekommen wäre.

Das nun vorgestellte Labormodell, das auf einer manuell bedienten Einwegspritze beruht, mittels derer das Wasser durch ein 1 cm durchmessendes und 3 mm langes Glasröhrchen gepreßt wird, kann bereits eine LED zum Aufleuchten bringen. Die rund 10.000 Mikrokanäle des Glasröhrchens produzieren einen Output von 10 V und 1 mA. Die Markttauglichkeit soll noch vor Ende der Dekade erreicht werden. Tatsächlich hört man danach aber nie wieder etwas von dem Ansatz.

Schon ein Jahr vor dem kanadischen Team beginnen am India Institute of Science (IISc) Prof. Ajay K. Sood und sein Student Shankar Ghosh mit Versuchen, den Durchfluß von Flüssigkeiten durch Kohlenstoff-Nanoröhrchen energetisch zu nutzen. Sood hatte den Effekt zum ersten Mal bemerkt, als er studierte, wie eine auf einem Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgebrachte Flüssigkeiten den Fluß der Elektronen leiten kann.

Als die beiden ihre Ergebnisse im August 2004 erstmals veröffentlichen und nachweisen, daß der Durchfluß tatsächlich elektrische Energie produziert, blicken sie bereits auf eine Vielzahl von Experimenten mit flüssigen und gasförmigen Substanzen zurück, bei denen der Strom aufgrund unterschiedlicher Effekte erzeugt wird.

Das Konzept an sich scheint relativ einfach. Wenn Gas auf einen schräg geneigten Draht geleitet wird, erzeugt es ein Druckgefälle, ähnlich dem, was passiert, wenn der Wind auf einen Flugzeugflügel trifft. Dies bewirkt, daß sich die Temperatur des Drahtes ändert, was wiederum einen schwachen elektrischen Strom erzeugt. Das Phänomen tritt aufgrund von zwei bekannten Prinzipien der Physik auf: dem Bernoulli-Prinzip, das beschreibt, wie durch eine Neigung Druckgradienten gebildet werden, und dem Seebeck-Effekt, dem zufolge Druckänderungen zu Temperaturunterschieden führen, die wiederum Strom erzeugen.

Das Ganze bekommt schnell den Namen ‚Sood-Effekt’ vepaßt und bringt eine Reihe neuer Patente hervor. Großes Interesse besteht darin, mit einer entsprechenden technischen Umsetzung Herzschrittmacher betreiben zu können – alleine mittels der Blutströmung des betroffenen Patienten, das durch den Nanogenerator hindurchfließt. Neben Blut läßt sich der Durchflußgenerator aber auch mit salzigen Lösungen betreiben.

Das IISc-Team vergibt eine Exklusivlizenz an das im Jahr 2006 gegründete US Start-Up Trident Metrology Inc. im kalifornischen Pleasanton, wo man sich nun damit beschäftigt, mittels der von Sood vorgeschlagenen Methode Prototypen marktfähiger Gas-Durchflußsensoren zu entwickeln. Außerdem beantragt das Team weitere Patente für den Einsatz von Nanoröhrchen als Vibrationssensoren innerhalb von Flüssigkeiten sowie als Beschleunigungsmesser an festen Oberflächen, die beispielsweise die Erschütterungen bei Erdbeben aufzeichnen können. Doch auch in diesem Fall scheint es später nicht mehr weitergegangen zu sein - und auch das genannte Unternehmen ist nicht mehr aufzufinden.

In einem Konferenzbeitrag auf dem Internationalen Forum Mechatronik im September 2007 in Winterthur, Schweiz, berichten die Autoren Friedemann Tonner und José Israel Ramirez von der Fraunhofer-Technologie-Entwicklungsgruppe (TEG) in Stuttgart über verschiedene energieautarke Sensor-Aktor-Systeme und nennen dabei auch mehrere Ansätze zur Energiekonversion an pneumatischen Systemen, wie magnetohydrodynamische Wandlung, Wirbelstraßenenergienutzung und fluidische Oszillatoren zur Schwingungserzeugung. Insbesondere die letzteren sind wegen ihrer einfachen Bauart und Robustheit als Wandler für Strömungsenergie attraktiv.

Im  November 2008 folgt, gemeinsam mit Axel Bindel, ein Bericht unter dem Titel ,Fluidic oscillations as energy source for flow sensors’, der auf dem 2nd Symposium on Micro Environmental Machine Systems an der Tohoku University im japanischen Sendai vorgelegt wird.

Darin beschreiben die Wissenschaftler wie fluidische Schwingungen als Energiequelle für autarke Sensoren verwendet werden können. Hierfür entwerfen, simulieren und testen sie einen fluidischen Oszillator, der auf dem Coanda-Effekt basiert und in der Lage ist, in den Medien Luft und Wasser zu arbeiten. Die Messungen zeigen, daß der Oszillator durch Kopplung einer piezoelektrischen Kammer an einen seiner Kanäle etwa 150 µW Leistung ernten kann, was mittels zukünftiger Arbeiten weiter optimiert werden soll.

Das nächste Papier wird auf der Chemnitzer Fachtagung Mikrosystemtechnik im November 2009 vorgelegt. Unter dem Titel ,Fluidischer Oszillator zur Erzeugung elektrischer Energie’ untersucht A. Wilde mit Hilfe von Simulationen und Experimenten ein Oszillator, der eine Freistrahlschwingung mit Helmholtzresonatoren stabilisiert. Dabei ist die Schwingungsfrequenz des Oszillators nur wenig von der Einströmgeschwindigkeit abhängig.

Aus den Simulationen folgt, daß mit einem Oszillator von 56 mm Breite und 2 mm Höhe beim Betrieb in Luft und einer Druckdifferenz von 8 kPa einige Milliwatt elektrische Leistung erzeugt werden können, was zum Betrieb eines drahtlosen Sensors ausreicht.

Die Fluid-Strom-Umwandlung erfolgt in einem festen Gehäuse, durch welches das Medium auf einem Kurs geführt wird, der der Blutzirkulation im Herzen ähnelt. Der Coanda-Effekt bewirkt, daß der konstante Fluid-Strom zu oszillieren beginnt, wodurch eine periodische Druckschwankung in den Rückkopplungszweigen entsteht, an die Piezo-Keramiken gekoppelt sind.

Die fluidische Umwandlung gilt als einfach und kostengünstig und hat den Vorteil, daß sowohl Luft als auch Wasser verwendet werden kann, um Energie zu erzeugen. Zudem gibt es keine beweglichen Teile in dem System. Ziel der Forscher ist es, für ansonsten batteriebetriebene Geräte, wie zum Beispiel Wasserzähler, mit einer autonomen Energieversorgung zu bestücken, die auf fluidischen Oszillatoren basieren.

Da die Entwicklung im Rahmen der Fraunhofer-Gesellschaft erfolgt, liegt der Schwerpunkt auf der wissenschaftlichen Analyse – und weniger auf einer Umsetzung, von der bislang auch nichts zu sehen ist. Auf dem Markt befindliche Wasserzähler, die mittels der Fluidikoszillator-Technologie arbeiten, wie z.B. der SM700 der Firma Elster Metering (später von Honeywell übernommen), nutzen das Phänomen energetisch nicht aus, sondern sind mit Batterien ausgestattet.

Forscher der Monash University in Australien wiederum arbeiten Anfang 2009 an ‚Mikrobot-Motoren’, die konzipiert sind um durch den Blutkreislauf des Menschen zu schwimmen. Der passende Name ist schnell gefunden: Proteus – nach dem Mini-U-Boot, das in dem SF-Film Fantastic Voyage aus dem Jahr 1966 eine Reise durch den menschlichen Körper macht.

Der nun vorgestellte kleine piezoelektrische Ultraschall-Resonanzmotor ist 250 µm breit, was der zweieinhalbfachen Breite eines Haares entspricht. Die Mikro-Automaten sollen sich ihren Strom selbst aus der Fließenergie des Blutes beschaffen, während sie die Blutbahnen nutzen um Methoden der minimal-invasiven Chirurgie umzusetzen.

Der Mikro-Robot könnte winzige Kameras und Sensor-Ausrüstungen mit sich führen und hätte auch Zugang zu sonst kaum erreichbaren Teilen des Körpers, wie beispielsweise zu einer von einem Schlaganfall geschädigten Arterie im Gehirn, die nicht mittels Kathetern behandelt werden kann.

Damit sich der Spermien-artige Proteus fortbewegen kann, bringt ein Vibrationsmotor einen spiralförmigen Schwanz, der ähnlich wie bakterielle Flagellen als eine Art Propeller fungiert, auf eine Umdrehungszahl von 1.295 U/m.

Weitaus größer sind demgegenüber Geräte, welche die Strömung des Fahrtwinds umsetzen. Über einige davon spreche ich ausführlich im Kapitel Windenergie (s.u. Neue Designs und Rotorformen).

Besser paßt in den hier behandelten Bereich des Micro Energy Harvesting dagegen das Konzept des Designers Wai Hoong Leng aus Malaysia, der einen Fahrradhelm mit eingebautem Windrad namens Wind-Helmet entwickelt hat, mit dem er sich im Februar 2009 an dem internationalen Corr77-Designwettbewerb beteiligt. Von einer Umsetzung ist bislang nichts zu sehen.

Die Idee zu dieser Technologie ist im Grunde nicht neu, auch wenn eine ihrer interessantesten Umsetzungen weitgehend unbekannt ist: So werden kleine Windräder z.B. schon seit vielen Jahren bei Flugzeugen eingesetzt, um mit der durch die Luftströmung anfallenden Energie vitale Instrumente wie das Radar oder Teile der Hydraulik weiterarbeiten zu lassen, sollten die Primärenergiesysteme einmal ausfallen.

Diese sogenannten Ram Air Turbines (RAT) fahren sich in solch einem Fall automatisch aus und ‚fallen’ quasi in den Luftstrom. Durch die Geschwindigkeit des Flugzeugs ergeben sich dabei beachtliche Energiemengen von bis zu 70 kW. Beim größten Passagierjet der Welt, dem Airbus A380, besitzt das ausgeklappte RAT-Windrad einen Durchmesser von knapp 1,60 m – was im Grunde schon über die Dimensionen des Micro Energy Harvesting hinausgeht.

Ebenfalls Anfang 2009 wollen Forscher am City College of New York (CCNY) diese Idee in deutlich kleinerem Maßstab auch im Automobilbau anwenden. Die Wissenschaftler um Prof. Yiannis Andreopoulos am Experimental Fluid Mechanics and Aerodynamics Laboratory entwickeln hierfür einen Energy Harvester, der an verschiedenen Stellen des Fahrzeugs montiert werden kann, um aus dem Fahrtwind Elektrizität zu erzeugen.

Dabei handelt sich um 3 x 2 x 0,2 cm große zylindrische Objekte, die sich überall am Fahrzeugrumpf oder an der Karosserie befestigen lassen. Ebenso ist eine Installation an der Außenseite von Flugzeugen möglich. Das Substrat ist ein Mylar-basierte Kunststoff mit piezoelektrischem Material von nur 18 µm Dicke auf der Oberseite. Durch die elastische Verformung dieser Aufsätze stellt sich ein piezoelektrischer Effekt ein.

Eine seitlich angebrachte Form erweist sich sowohl während der Computersimulationen als auch im Windkanal als besonders gut geeignet, da der Zylinder hier in positive Schwingungen gerät, die den piezoelektrischen Effekt - zusätzlich zur auftretenden Windverwirbelung als Hauptenergieträger - noch weiter verstärken.

Im August 2010 startet ein von der National Science Foundation mit 364.684 $ gefördertes Forschungsvorhaben unter dem Titel ,Fluidic Energy Harvesters: A case of Aero-Electro-Mechanical Interaction’, dessen Abschluß im Juli 2014 erwartet wird. Hierbei soll Andreopoulos gemeinsam mit seinen Kollegen Niell Elvin und Oleg Goushcha die Leistung einzelner Konfigurationen von Windenergie-Erntern erkunden, die optimal in einem Strömungsfeld positioniert werden.

Auf dem Weg zu einem grundlegenden Verständnis der dreifach gekoppelten Wechselwirkung zwischen den Luftbewegungen, der Dynamik der schwingenden Struktur und dem elektrischen Feld des piezoelektrischen Materials sollen detaillierte Abbildung der Strömungsfelder Informationen darüber liefern, wo das Energie-Ernten die maximale oder optimale Leistung bringt.

Tatsächlich erscheinen bis zum Projektende vier Publikationen von Andreopoulos und weiteren Mitgliedern seiner Forschungsgruppe, bei denen es u.a. um die Leistung eines selbsterregten, fluidischen Energie-Ernters (,The performance of a self-excited fluidic energy harvester’, 2012) oder um die Wechselwirkungen zwischen Wirbeln und einem flexiblen Ausleger geht (,Interactions of vortices with a flexible beam with applications in fluidic energy harvesting’, 2014).

Auch das 10. Kapitel des im Januar 2013 erschienenen Buches Advances in Energy Harvesting Methods, das sich mit strömungsinduzierten Vibrationen für das piezoelektrische Energy Harvesting beschäftigt, stammt aus der Feder des CCNY-Teams. Hierbei geht es u.a. um das Potential turbulenter Grenzschichten für das Energy-Harvesting.

Im Juli 2015 meldet die Research Foundation of the City University of New York das Patent für einen ,Fluidic energy harvester using active material’ an, als dessen Erfinder Andreopoulos, Elvin und Goushcha genannt werden (US-Nr. 20160087556, veröffentlicht 2016). Von einer praktischen Umsetzung ist bislang nichts bekannt.

Eine aus meiner Sicht geniale Umsetzung von Windströmungen bildet das Prinzip des Windbelt von Shawn Frayne, das ich ebenfalls im Kapitel Windenergie ausführlich darstelle (s.d.).

Ich denke, daß es sich bei dieser, bereits 2007 bekannt gewordenen, Methode um die einfachste, am leichtesten herstellbare und auch langlebigste Form aller bislang bekannten Technologien handelt, Strömungsenergie der Luft in Elektrizität umzuwandeln – mit einem Gummiband, einer winzigen Kupferspirale und zwei kleinen Magneten. Und schon die kleinsten Prototypen erreichten bei einer 16 km/h Brise einen Output von 40 mW.

Die Strömungen innerhalb von Leitungen – im vorliegenden Fall von Gasleitungen – zu nutzen, ist Inhalt einer im Januar 2009 erstmals publizierten Methode der britischen Firma 2OC.

Das Unternehmen hat den Plan, den Druck aus dem Erdgasnetz, der vor der Verteilung des Gases an die Endabnehmer wieder reduziert werden muß, energetisch zurückzugewinnen. Bis 2010 möchte man damit alleine nur im Osten Londons bis zu 20 MW Leistung generieren. Insgesamt wird im Vereinigten Königreich von einem Gesamtpotential von bis zu 1 GW ausgegangen. Die energetische Nutzung des Erdgas-Druckabbaus würde dezentral mittels 20 cm großen ‚Turbo-Expandern’ auf den Rohrleitungen erfolgen.

Leider läßt sich später nichts mehr über diesen Ansatz finden.

Da Flüssigkeiten bekanntermaßen eine weit höhere Dichte als Gase haben, werden inzwischen auch Systeme zur Nutzung der Strömung in Wasserleitungen entwickelt. Im Januar 2009 präsentiert der Designer Jin Woohan auf der Greener Conference in New York beispielsweise eine Mini-Hydro-Turbine, die durch den Wasserdruck aus der Leitung angetrieben Elektrizität erzeugt und als Ladegerät für kleine Elektrogeräte dienen soll.

Immerhin gehen in Deutschland pro Person beim Duschen täglich 20 - 40 l Wasser durch den Abfluß, für die Toilette werden noch einmal 40 l und für die sonstige Körperpflege 5 - 15 l veranschlagt. Rechnet man weitere Verbraucher wie Wasch- oder Spülmaschinen hinzu, das Wässern von Balkon- oder Gartenpflanzen usw., kommen über den Monat hinweg signifikante Mengen an Wasser – und damit an potentiell nutzbarerer Energie zusammen.

Das Shawapawa wiederum ist eine Wasser-angetriebenes, batteriefreies Radio für die Dusche, mit dem sich der britische Designer Arthur Schmitt beim Core77 Wettbewerb im Februar 2009 bewirbt.

Dabei reicht es aus, das Gerät zwischen dem Wasserhahn und dem Brauseschlauch zu installieren. Das Wasser bringt eine kleine Turbine zum drehen, was ausreichend Energie erzeugt um das Radio zu betreiben.

Um das Wassersparen zu fördern, kann der Benutzer dessen Fluß mit dem leichten Antippen einer Taste stoppen, z.B. während des Einseifens. Sollten beim Duschen über 30 l Wasser verbraucht werden, beginnt eine Warn-LED zu blinken.

Anfang 2011 wird von dem britischen Online-Shop Gizoo ein fast gleichartiges Gerät angeboten – zu einem Preis etwas mehr als 40 €.

Das von Vivian Blick entwickelte und vermutlich von der Firma Tango Group aus Gloucester hergestellte H2O Radio bezieht seinen Strom ebenfalls aus dem Wasserdruck, wobei die eingebaute Mikroturbine 1,6 bar in ca. 2,4 V bei 60 mA umwandelt.

Zur Energiespeicherung besitzt das patentierte Gerät (EU-Nr. 1037472, nicht verifiziert) zudem einen einen AAA-Akku, der alle paar Jahre ersetzt werden muß. Beim aktuellen Update 2016 ist das Radio aber nicht mehr im Angebot.

Ein Duschkopf mit eigebauten LED-Licht wird im April 2009 in den Blogs vorgestellt. Das ECOLight von Osram-Silvanya beleuchtet jeden Duschgang – ohne hierfür Batterien zu benötigen, da es sich dank einer kleinen Wasserturbine selbst mit Strom versorgt.

Als zusätzliches Feature färbt sich das ECOLight rot, falls die Wassertemperatur auf über 41°C steigt. Das Gerät kostet 40 $.

Die indirekte Energie des Regens nutzt ein Design-Konzept von Cheolyeon Jo und Youngsun Lee, das im November 2009 auf der Messe 100% Design Tokyo vorgestellt wird.

Die in den Boden eingelassenen Eco Sign Scheiben, die wie digitale Gully-Deckel aussehen, haben es in sich: Je nachdem, auf welchen der vier Fußtaster man 2 Sekunden lang drückt, erscheinen Richtungspfeile zur nächsten Bus- oder U-Bahn-Station – samt Angaben über die nächsten Abfahrtzeiten.

Unter dem Display ist ein Rotor versteckt, der von dem hinein- und hindurchfließenden Regenwasser betrieben wird um die Stromversorgung des Systems zu gewährleisten.

Bei dem Wettbewerb Ecomagination Challenge der Firma General Electric (GE) werden im November 2010 neben den zwölf Hauptgewinnern auch noch fünf Innovationspreisträger ausgezeichnet, die jeweils 100.000 $ erhalten.

Unter diesen ist auch die 2006 gegründete Firma Capstone Metering LLC aus Plano, Texas, die einen Wasserzähler entwickelt, der den Wasserdruck im Inneren verwendet, um die Leistungsüberwachungs-  und Kommunikations-Hardware zu betreiben. Der als revolutionär bezeichnete Wasserzähler namens IntelliH₂O besitzt eine integrierte Druck-  und Temperaturerfassung, ein System zur drahtlosen 2-Wege-Kommunikation und eine ebenfalls integrierte Energieerzeugung mit Akku-System.

Nachdem die Firma Chickasaw Nation Industries Inc. (CNI) im Juli 2011 eine Beteiligung an der Capstone Metering erwirbt (die im November weiter aufgestockt wird), kann das Unternehmen in Partnerschaft mit der Firma Honeywell Business Solutions zwischen August und Oktober ein erstes Pilotprogramm durchführen. Dabei werden in Ponca City, Oklahoma, 20 Stück der neuartigen Wasserzähler installiert und mit großem Erfolg getestet.

Im Jahr 2012 erhält Capstone das erstes internationale Patent – und kommt 2013 tatsächlich mit seinem Produkt auf den Markt.

 

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