Kapazitive Wandler Energie aus dem Bach

Die Idee, fließendes Wasser zur Stromgewinnung zu nutzen, ist alt. Ein neuartiges Prinzip auf Basis von kapazitiven Wandlern verwendet ebenfalls die Wasserkraft als Energielieferanten – und das ­absolut ­umweltfreundlich.

Wege, um frei zur Verfügung stehende Umgebungsenergie in nutzbare elektrische Energie zu wandeln, gibt es viele. Eine davon, die bisher ein Schattendasein führt, könnte möglicherweise noch groß herauskommen: der kapazitive Wandler. Bisher gibt es ihn praktisch nur mikro­skopisch aufgebaut mit Leistungen von wenigen Mikrowatt. Große Ausführungen erschienen bislang utopisch. Doch das soll sich nun ändern. Neueste Entwicklungen zielen auf Ausgangsleistungen bis 100 W.

Kernelement ist ein Kondensator mit veränderbarer Kapazität – etwa mit gegeneinander beweglichen Platten. Er wird auf eine bestimmte Spannung aufgeladen und dann von der Außenwelt isoliert.

Vergrößert man den Plattenabstand, verkleinert sich die Kapazität. Weil aber die Ladung konstant bleibt, steigt die Spannung entsprechend. Gleichzeitig steigt auch proportional dazu die ­gespeicherte Energie, weil Kraft aufgewendet werden muss, um die sich anziehenden Platten weiter auseinander zu ziehen. So lässt sich auf sehr einfachem Weg mechanische Energie in elektrische Energie umwandeln.

Läuft dieser Vorgang periodisch ab, dann lässt sich damit Dauerleistung erzeugen. Dazu lässt man im Zustand kleiner Kapazität, also hoher Spannung, die Ladung über einen Schalter auf einen zweiten Kondensator mit fester Größe abfließen. Nach dem Ladungsausgleich öffnet der Schalter wieder, und die Kapazität wird durch Annäherung der Platten vergrößert. Der Kondensator wird wieder mit der Eingangsspannung verbunden, neu aufgeladen, und das Ganze beginnt von vorn.

Wie bei einer Ladungspumpe lädt sich der zweite Kondensator schrittweise bis auf einen Sättigungswert auf. Bei regelmäßiger Wiederholung – Dehnen, Laden, Entspannen, Entladen – ist ein Dauerstrom entnehmbar. Zum allerersten Start braucht das System eine extern zugeführte Spannung, danach kann es sich selbst versorgen.

Die erzeugte Leistung hängt von der Schaltfrequenz, von der Eingangsleistung, von Maximal- und Minimalkapazität und der hineingesteckten mechanischen Leistung ab. Die bisher konkret aufgebauten Wandler dieser Art liegen leistungsmäßig weit hinter anderen Wandler-Typen zurück. Ihr Vorteil ist jedoch: Sie lassen sich mikrominiaturisiert aufbauen, das heißt in einkristallinem Silizium in Standard-MEMS-Technik – bei Bedarf mit elektronischen Funk­tionselementen auf demselben Chip.

Silikonfolie als Kondensator

Will man kapazitive Wandler in Großversion für hohe Leistungen aufbauen, dann ist die erste Frage, wie sich geeignete Kondensatoren beschaffen lassen. Sie müssen sowohl eine hohe Grundkapazität als auch ein großes Variationsverhältnis der Kapazität aufweisen. Eine kreative Idee dazu hatten Forscher am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung in Würzburg in der Abteilung CeSMa (Center for Smart Materials).

Ein großes Forschungsgebiet bei CeSMa sind Silikone – hochelastische Kunststoffe mit einigen außergewöhnlichen Eigenschaften. Dünne Folien aus Silikonen zeigen sich für den besagten Zweck als bestens geeignet. Sie lassen sich um mehrere hundert Prozent dehnen, ohne zu reißen und sind außerdem sehr langzeitstabil und elektrisch hoch durchschlagfest.

Eine derartige Folie wird auf beiden Seiten mit Graphit beschichtet, darüber kommt noch eine Isolationsschicht. Das Würzburger Team unter Leitung von Dr. Bernhard Brunner hat es geschafft, die Beschichtung so auszuführen, dass sie bei Dehnung um bis zu 100 % keine Risse bekommt, sondern durchgängig leitend bleibt. Dabei nimmt die Fläche zu und die Dicke ab; die Kapazität steigt. Ausgiebige Tests haben gezeigt, dass sich die Folien sehr gut als variable Kondensatoren eignen. In Stärken von einigen 100 µm halten sie Spannungen bis in den kV-Bereich aus.

Die von außen einwirkende mechanische Kraft soll eine Kraft sein, die nichts kostet, also sowieso schon vorhanden ist. Reichlich zur Verfügung steht die Strömung von Gewässern. Wie ist es nun möglich, mit Hilfe der Strömung Folien periodisch zu dehnen und wieder loszulassen?

Die am CeSMa gefundene Lösung: Man lässt das Wasser durch ein Rohr strömen, das in einem begrenzten Bereich verengt ist. In einem seitlich angesetzten Steigrohr entsteht dabei aufgrund des »Venturi-Effekts« ein Luftunterdruck, durch den sich eine kreisrund aufgespannte Folie nach innen durchwölbt (Bild 1). Die in der Versuchsanordnung verwendete Folie hat einen Durchmesser von 16 cm.

Durch die Dehnung vergrößert sich die Kapazität; in diesem Zustand wird sie aufgeladen. Ist die maximale Durchbiegung erreicht, öffnet sich automatisch gesteuert ein Belüftungsventil, und die Folie zieht sich wieder gerade. Die Kapazität sinkt und die Spannung steigt entsprechend. Es läuft dann der schon beschriebene Vorgang ab. Bei dem aufgebauten Versuchssystem betragen die Frequenzen zwischen 0,1 und 0,5 Hz. Bei einer Beladespannung von 4.000 V und einer Entladespannung von 8.000 V entsteht mit jedem Zyklus eine elektrische Energie der Größenordnung 0,1 J.

Die angeschlossene Leistungselektronik wandelt die Hochspannung in eine niedrigere, praktisch nutzbare Spannung. Die eingesetzte Mechanik und Elektronik sind Standardtechnik, die ohne teure oder schwer beschaffbare Rohstoffe auskommt. Aufgebaut wurde das Versuchssystem im Rahmen des Forschungsprojekts DEGREEN (»Dielektrische Elastomer-Generatoren für ­REgenerative ENergien«), das Teil des Bayerischen Konzepts für Forschung und Technologieentwicklung im Energiebereich ist.

Ungenutzte Potenziale der regenerativen Energieerzeugung – beispielsweise in fließenden Kleingewässern – sollen wirtschaftlich und ohne Beeinträchtigung der Umwelt erschlossen werden. Das Bayerische Wirtschaftsministerium fördert die vom Fraunhofer ISC koordinierten Arbeiten mit 8 Mio. Euro.