Flüsse treten über die Ufer, Straßen werden gesperrt, Züge blockiert: Kurz vor Ostern wird der Norden Italiens von heftigen Unwettern heimgesucht. In vielen Teilen der Welt verursacht Regen katastrophale Schäden, doch was, wenn man solche Regenmengen in etwas Positives verwandeln könnte?
Regenwasser könnte dazu genutzt werden, sauberen Strom zu erzeugen. Forscher der National University of Singapore. haben kürzlich eine Methode entwickelt, um Regenenergie zu ernten – eine mögliche Lösung für die Herausforderungen, die uns der Klimawandel und extreme Wetterereignisse stellen.
Wenn zwei Materialien in Kontakt kommen, bewegen sich geladene Teilchen auf ihrer Oberfläche – so entsteht statische Elektrizität, zum Beispiel, wenn man einen Ballon an der Haut reibt. Auch Wasser kann beim Fließen über Oberflächen Ladung gewinnen oder verlieren. Forscher haben dieses Phänomen nun genutzt, um Strom aus Regentropfen zu erzeugen, die durch ein Rohr fließen.
Plug Flow: Wie Regentropfen Strom erzeugen
Sie nutzen einen speziellen Wasserfluss, der „Plug Flow“ genannt wird. Dabei fällt Wasser in kurzen Stößen durch ein vertikales, mit Polymer beschichtetes Rohr. Wenn die Tropfen aufeinandertreffen, entsteht ein Fluss, der elektrische Ladungen trennt und so Strom erzeugt.
Das Hauptprinzip der Methode ist die „Pfropfenströmung“. Dabei fließt die Flüssigkeit in einem Rohr fast gleichmäßig, nur an den Wänden wird sie langsamer. Die Flüssigkeit bewegt sich dann wie ein Pfropfen durch das Rohr.
Im Labor führten die Forscher ein Experiment durch. Mit einer Nadel erzeugten sie Wassertropfen in der Größe von Regentropfen. Unter der Nadel stellten sie ein 32 cm langes Rohr mit einem Durchmesser von nur 2 mm auf. Wenn der Tropfen die Öffnung des Rohrs trifft, zerfällt er in kleine Teile. Diese Tropfen haben Luft dazwischen und bewegen sich als Pfropfen nach unten durch das Rohr.
12 LEDs zum Leuchten gebracht
Das neue System konnte mehr als 10 % der Energie des fallenden Wassers in Elektrizität umwandeln. Im Vergleich zu fließendem Wasser erzeugte der Plug Flow fünfmal mehr Strom. Da die Tropfengeschwindigkeit langsamer war als bei Regen, glauben die Forscher, dass dieses System auch dazu verwendet werden könnte, Energie aus fallendem Regen zu gewinnen.
In weiteren Tests fanden die Forscher heraus, dass die Energie verdoppelt werden konnte, wenn Wasser durch zwei Rohre floss. Mit diesem Wissen konnten sie vier Rohre verwenden, um 12 LEDs für 20 Sekunden mit Strom zu versorgen.
„Wasser, das durch ein vertikales Rohr fällt, erzeugt eine beträchtliche Menge an Elektrizität, indem es ein spezifisches Muster des Wasserflusses nutzt: den Plug Flow“, resümiert Siowling Soh, der Autor der Studie. „Dieses Plug Flow-Muster könnte es ermöglichen, Regenenergie zu ernten, um sauberen und erneuerbaren Strom zu erzeugen.“
Regenstrom für Solaranlagen mit TENG-Technologie
Es gibt auch andere Ansätze, um Strom aus Regen zu erzeugen. So arbeiten Forschende an der Integration triboelektrischer Nanogeneratoren (TENG) in Photovoltaikanlagen, um Regen als zusätzliche Stromquelle zu nutzen und die Stromerzeugung unter verschiedenen Wetterbedingungen zu verbessern.
Solarmodule wandeln Sonnenlicht in Strom um, und in den letzten Jahren hat sich die Effizienz der Solarzellen kontinuierlich verbessert. Wenn aber die Wetterbedingungen nicht stimmen, kann man kaum was machen: Die Effizienz sinkt.
Jetzt haben die Forschenden einen neuen Weg gefunden, um die Stromerzeugung von PV-Anlagen noch weiter zu optimieren. Anstatt die Sonnenenergie noch effektiver zu nutzen, sollen die Module Regen als Stromquelle erschließen. Und das heißt: Auch bei schlechtem Wetter lässt sich weiter Energie erzeugen. Deshalb sind diese neuen Ertragsmöglichkeiten eine ideale Ergänzung für Situationen, in denen herkömmliche Solarmodule wenig Strom bei schlechten Wetterbedingungen produzieren können.
Strom aus Bewegung
Auf der ganzen Welt arbeiten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen an kleinen Generatoren, die Strom aus Bewegung erzeugen. In diesem Fall wird der Strom nicht aus Regen selbst produziert, sondern aus der Bewegung, die die Regentropfen erzeugen.
Das zugrundeliegende physikalische Prinzip ist einfach: Wenn zwei Schichten mit geringer Leitfähigkeit und unterschiedlichen Materialien (wie beispielsweise Gummisohlen und PVC) in Kontakt kommen, tauschen sie Elektronen aus und laden sich gegensätzlich auf. Dies wird als der triboelektrische Effekt bezeichnet. Wenn die Schichten dann voneinander getrennt werden, entsteht durch elektrostatische Induktion eine Spannung, und durch Elektroden, die an den Schichten angebracht sind, kann ein Strom abgeleitet werden. Durch wiederholtes Annähern und Entfernen der beiden Schichten entsteht ein periodischer Stromimpuls. Ein Beispiel dafür: die statische Aufladung, die entsteht, wenn beispielsweise ein Ballon an Kleidung gerieben wird. Das gleiche kann man beobachten, wenn man frisch getrocknete Haare mit einem Plastikkamm kämmt.
Was ist TENG?
Triboelektrische Nanogeneratoren (TENG) sind winzige Bauelemente, die in PV-Module integriert werden können, ohne die bisherigen Solarzellen zu beeinträchtigen. Die Schichten der TENG-Zellen sind vollständig transparent, sodass das Sonnenlicht ungehindert auf die Solarzellen treffen kann. Bei Regen hingegen treffen die Tropfen nicht unmittelbar auf die Solarzellen, sondern auf die TENG-Schicht. So können die die Nanogeneratoren ihre Wirkung entfalten. Mit anderen Worten: Die Miniaturgeneratoren gewinnen Strom aus der Reibung zweier Materialien.
Laut dem Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen (INT) könnte diese Innovation schon bald verfügbar sein. Die sogenannten TENGs (Triboelektrische Nanogeneratoren), die die Stromgewinnung durch Regenenergie ermöglichen, stehen kurz vor der Markteinführung.
Unter Laborbedingungen haben Forscher bereits erfolgreich 50 bis 100 Watt Strom pro Quadratmeter mithilfe der TENG-Technologie erzeugt. Dies entspricht etwa 20 bis 30 Prozent der optimalen Leistung einer Solarzelle. Daher könnte ein Solarmodul mit TENG-Beschichtung auch bei regnerischem Wetter eine signifikante Menge an Strom liefern. Die triboelektrischen Nanogeneratoren können in Solarzellen integriert werden, ohne den Wirkungsgrad zu beeinträchtigen.
TENG-Technologie auch für die Kleidung?
Aktuell befinden sich die Untersuchungen zu TENG noch im Forschungsstadium. Wenn Photovoltaikanlagen mit den Nanogeneratoren ausgestattet werden, könnten sie zukünftig auch Strom erzeugen.
Die Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut gehen sogar noch einen Schritt weiter und erwarten, dass diese entwickelten Generatoren in Zukunft in Kleidungsstücken und Schuhen integriert werden können, um bei jeder Bewegung Strom zu erzeugen.
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