Strom erzeugen, wo es bislang nicht möglich war – und zwar in Fließgewässern mit geringen Fallhöhen von bis zu einem Meter. Als klima- und umweltfreundliche Alternative zu Laufwasserkraftwerken hat das Forschungsinstitut Wasser und Umwelt der Universität Siegen den neuen Energiewandler StECon (Stiller Energie Converter), ein flexibles Wasserrad, entwickelt. Das durch die KlimaExpo.NRW qualifizierte Projekt soll den Ausbau erneuerbarer Energien vorantreiben. Es könnte die Gewinnung von Energie aus Wasserkraft weiterbringen.
Als Treiber der Energiewende ist die Wasserkraft unverzichtbar, doch gilt ihr Potenzial in Deutschland als nahezu ausgeschöpft. Ein Neubau von Laufwasserkraftwerken ist wegen der dafür notwendigen Errichtung von Querbauwerken im Fließgewässer negativ behaftet, da dies einen größeren Eingriff ins Ökosystem bedeutet und damit den Grundsätzen der Europäischen Wasserrahmenrichtlinie widerspricht. Insbesondere Fließgewässer in Deutschland bieten jedoch ein nahezu unbegrenztes kinetisches Energiepotenzial, das bislang nicht energetisch effizient genutzt wurde. Eine Lösung entwickelte daher das Forschungsinstitut Wasser und Umwelt der Universität Siegen: den Energiewandler StECon.
Neuartiges, flexibles Wasserrad
Erfinder der Technik ist der Mathematiker Hans-Ludwig Stiller aus Bonn, der das Patent seiner Wasserkraftmaschine bereits im März 2011 anmeldete, noch bevor die Zusammenarbeit mit der Uni Siegen begann. Er baute ein Wasserrad mit beweglichen Schaufeln und einer Drehachse, die entweder senkrecht oder auch waagerecht im Wasser sitzt. Es folgt der Funktionsweise eines Ruders: Über dem Wasser wird das Ruder parallel zum Wasser gedreht, sodass es möglichst flach zurückgeführt werden kann und beim Eintauchen keine Bremswirkung erzeugt wird. Beim Eintauchen in das Wasser wird das Ruder so gedreht, dass eine möglichst große Fläche entsteht, mit der man die Strömungsenergie energetisch nutzen kann – mit dem Unterschied, dass der komplette Bewegungsablauf beim StECon unter Wasser stattfindet und das Rad zur Energiegewinnung eingesetzt wird.
Ein spezielles Planetengetriebe mit dreifachem Zahneingriff ermöglicht dabei einen gleichmäßigen Bewegungsablauf bei einem Übersetzungsverhältnis von 2:1. Damit ist seine Funktionsweise gewährleistet, auch wenn er vollständig untergetaucht ist. Auf Grund der kompakten Bauweise lässt sich der Energiewandler sowohl in freien Strömungen als auch in begrenzten Kanalquerschnitten einsetzen. Bestmögliche Einsatzgebiete stellen daher Bootsanleger oder Ablaufkanäle von Kläranlagen dar. Für die Energiegewinnung vor Ort bietet der StECon damit eine klima- und umweltfreundliche Alternative.
Erfolgreiche Projekt- und Testphase
Rund anderthalb Jahre dauerte die Testphase des ersten Projekts, das vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wurde. In gemeinsamer Zusammenarbeit des Forschungsinstituts für Wasser und Umwelt mit dem Institut für Konstruktionstechnik – CAD – Mechatronik der Universität Siegen untersuchte das Forscher-Team von Oktober 2014 bis Ende März 2016 die Leistungsmerkmale des StECon als Energiewandler im Fallhöhenbereich der tief- und unterschlächtigen Wasserräder. In einer Reihe physikalischer Modellversuche analysierten sie anhand eines Testmodells die komplexen Bewegungen der Schaufelruder, deren gegenseitige Beeinflussung mit der Strömung und ihren Strömungswiderstand. Anschließend variierten sie die Einstellungen verschiedener Schaufelruderformen, sodass mithilfe der Ergebnisse ein bestmöglicher Prototyp gebaut werden konnte.
Vom Prototyp zum fertigen Produkt
Eingesetzt und getestet wird der erste Prototyp zunächst an einem Bootsanleger im Rhein, woraus das Forscher-Team wichtige Daten für den Betrieb des Wasserrades in unbegrenzten Fließgewässern gewinnen kann. Anhand dieser Daten wird in einem weiteren Schritt mittels numerischer Simulation das Potenzial für Kläranlagen bestimmt. Ein zweiter, größerer Prototyp soll daraufhin für ein Jahr am selben Ort als Pilotanlage installiert werden und weitere Aufschlüsse über das Verhalten des Wasserrades geben. Außerdem installieren die Forscher an den Prototypen des StECon verschiedene Messeinrichtungen, die alle relevanten Messdaten für den Betrieb des Rades aufnehmen werden. Die aus den Untersuchungen hervorgehenden Erkenntnisse sollen Aufschlüsse zur Wirtschaftlichkeit sowie über diverse Möglichkeiten der Weiterentwicklung geben.
Den Einsatz des StECon bewiesen die Siegener Forscherinnen und Forscher bereits mit dem ersten Forschungsprojekt. Ihre Tests und die daraus ermittelten Messwerte unter Laborbedingungen belegten, dass die Technik bisher nicht nutzbare Klein- und Kleinstwasserkraftpotenziale energetisch erschlossen werden können. Seit November 2016 läuft nun das Folgeprojekt StECon-Infra, welches im Rahmen des Leitmarktwettbewerbs EnergieUmweltwirtschaft.NRW durch Mittel der EU und des Landes Nordrhein-Westfalen gefördert wird. In dem Vorhaben werden nun anwendungsbezogene Untersuchungen unter realen Einsatzbedingungen durchgeführt, mit dem Ziel, die Marktreife des Energiewandlers zu erreichen.
Wenig Aufwand, viel Wirkkraft
Insbesondere Kläranlagen sind ein ideales Beispiel für die Praxistauglichkeit und Effizienz des StECon: Über 630 öffentliche Kläranlagen in NRW reinigen laut Statistischem Bundesamt jeden Tag durchschnittlich 2,4 Milliarden Kubikmeter Wasser und verbrauchen dabei sehr viel Energie. Wird der StECon an den Ausläufen der Kläranlagen installiert, sind diese in der Lage, Strom direkt für ihren eigenen Bedarf zu produzieren. Da die Kläranlagenbetreiber durch die neue Stromquelle zusätzliche Energie erzeugen, sinken auch ihre Energiekosten. Darüber hinaus bieten Fließgewässer ein bisher überwiegend ungenutztes, aber nicht zu vernachlässigendes Potenzial, dass durch den StECon energetisch nutzbar gemacht werden kann. Durch den Energiewandler bleibt der Eingriff in die Natur darüber hinaus minimal: Es müssen keine Gewässer aufgestaut, große Wasserkraftwerke gebaut oder Stromleitungen verlegt werden – das schont Umwelt und Klima. Damit ist der StECon eine Alternative zum Neubau von Laufwasserkraftwerken.
Hohes Standortpotenzial in NRW
Diese Zahlen allein stellen schon eine hohe Anzahl möglicher Standorte und ein hohes Wasserkraftpotenzial in Aussicht. Da der StECon auch in der freien Strömung, ohne vorangehenden Aufstau und voll im Wasser eingetaucht funktioniert, bietet sich jeder Standort in Fließgewässern mit ausreichender Strömungsintensität an. Hierfür kommen in NRW Flüsse wie Rhein, Weser und Ems mit ihrer hohen Strömungsenergie in Betracht, wobei auch das Potenzial der Nebenflüsse einen hohen energetischen Ertrag mithilfe des StECon verspricht. Die etwa in Köln am Rhein gelegenen Schiffsanleger sind alle in einem Abstand von 200 Metern platziert. Durch ihre Vielzahl bietet sich hier ein hohes Standortpotenzial für den erfolgreichen Einsatz des StECon an.
Projekt mit Vorreiterfunktion
Aufgrund seiner Innovationskraft wurde das Projekt in die landesweite Klimaschutz-Leistungsschau der KlimaExpo.NRW aufgenommen. Im Themenfeld Energie neu denken präsentiert es gemeinsam mit weiteren Vorreitern die Potenziale im Bereich der Erneuerbaren Energien. Hierbei leisten Projekte, von der Entwicklung effizienter Technik bis hin zur Solarforschung, wichtige Beiträge zum Klimaschutz in NRW. Mit dem StECon haben die Forscherinnen und Forscher der Universität Siegen eine neue Lösung zur Erschließung von Wasserkraftpotenzial gefunden, die die Energiewende vorantreibt und zur Energieversorgungssicherheit beiträgt. „Das Projekt zeigt, wie Pionier- und Forschergeist dem Klimawandel etwas entgegensetzen können. Dass das Potenzial der Wasserkraft in Deutschland dank dieses Projektes noch besser genutzt werden kann, ist ein wichtiger Schritt für den Ausbau von Erneuerbaren Energien“, sagt Dr. Heinrich Dornbusch, Geschäftsführer der KlimaExpo.NRW.
