Beim Wandern beiläufig den Handyakku laden? Warum eigentlich nicht. Neue Anwendungen machen dies möglich. Minigeneratoren machen aus wenig viel und stellen bereits aus minimen Kräften nutzbaren Strom her. Anwendungsmöglichkeiten gibt es viele. Zwei davon stellen wir vor.

Die Idee, aus minimsten Bewegungen nutzbare Energie zu gewinnen, ist nicht neu! Bereits in den 1920er-Jahren kamen in der Schweiz erste Automatikuhren auf den Markt, die sich alleine durch die Handbewegungen des Uhrträgers wieder aufzogen.

Unter dem Konzept des «Energy Harvesting» gelingt es heutzutage neuen Mini-Generatoren, bereits kleinste Vibrationen und Bewegungen als kinetische Energie aufzufangen, um daraus Strom herzustellen.

Die Diskothek am Ursprung zukünftiger Strassenbeleuchtung

Vor 9 Jahren eröffnete im niederländischen Rotterdam die erste Diskothek der Welt, die ihren Strom direkt von den Tanzbeinen seiner Gäste bezog: der «Club Watt».

Das Prinzip ist einfach. Beim schwungvollen Tritt auf eine Bodenplatte wird die kinetische Energie der Schritte direkt in Strom umgewandelt. Dieser wird gespeichert oder direkt für die Lautsprecher- oder Lichtanlange genutzt. Dies geschieht mit dem sogenannten piezoelektrischen Effekt, mit dem Druck in Strom umgewandelt werden kann. Im Schnitt produzierte so jeder Gast während seiner Anwesenheit 10 Watt Strom, was gerade mal für 3-4 LEDs reichte.

Seit der Eröffnung des «Club Watt» sind jedoch gewaltige Effizienzfortschritte erzielt worden. Dem englischen Unternehmen Pavegen ist es gelungen, pro aufgesetztem Schritt bis 7 Watt Strom zu ernten. Und die Anwendung hat überall da Potential, wo grosse Menschen- oder Fahrzeugmassen regelmässig verkehren. Vielbefahrene Strassenabschnitte oder Radwege können so allein durch die kinetische Energie der Auto- und Radfahrer beleuchtet werden.

Ein weiterer Vorteil ist die Autonomie des Systems. Lohnt sich eine Kabelführung nur bedingt oder ist das Stromnetz instabil, ermöglicht der selbst erzeugte Strom trotzdem eine Versorgung mit Energie. In Rio de Janeiro beispielsweise hat Pavegen in der Favela «Morro da Mineira» kinetische Bodenplatten unter einen Fussballplatz verlegt. Die durch die Bodenplatten erzeugte Energie versorgt eine Flutlichtanlage und erlaubt es nun, bis tief in die Nacht dem Ball hinterherzujagen.

Das Handy beim Spazieren laden

Obwohl die Akkuleistung heutiger Mobiltelefone durch leistungsfähige Lithium-Ionen-Akkus im Vergleich zu früher einen grossen Effizienzsprung gemacht hat, ist die Stromspeichermenge von Akkus noch immer durch ihre Grösse begrenzt. Deshalb ist es schwierig, die Akkukapazität für mobile Anwendungen zu vergrössern ohne dabei an Gewicht zuzulegen.

Sogenannte «Triboelektrische Generatoren» (TENG) begegnen diesem Problem nun ganz neu. Anstatt die Akkukapazität zu erhöhen, zeigen Forscher, wie man mittels TENG bei Bewegung anfallende Reibungselektrizität nutzen kann, sodass der Akku gar nie leer wird. Im Grundsatz erzeugen diese Minigeneratoren mit demselben Prinzip Strom, wie wenn man sich den Pullover über den Kopf zieht und danach die Haare geladen zu Berge stehen.

Reibungselektrizität in Triboelektrischen Generatoren entsteht durch kleine scheibenförmig-aufeinanderliegende Plättchen mit unterschiedlicher Elektronenaffinität. Kommen diese miteinander in Kontakt, fliesst ein feiner elektrischer Strom. Adapterschaltungen schaffen es nun, die feinen Ströme auf ein nutzbares Niveau zu transformieren und für Anwendungen wie beispielsweise das Handy nutzbar zu machen.

Handys werden getragen oder stecken in der Hand- bzw. Hosentasche. Jeder unserer Schritte verursacht kleine Erschütterungen, die zum Kontakt zwischen den Plättchen und somit zu Reibung und Elektrizität führen. Diese kann nun gespeichert oder direkt genutzt werden.

Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Elektrogeneratoren ist die kleine Grösse, ihre geringen Kosten, ihre Vielseitigkeit und ihre bemerkenswerte Fähigkeit, effizient Energie aus menschlicher Bewegung zu generieren.

Viel Potential für die Zukunft

Stromernte durch kinetische Energie hat das Potential, die Energiezukunft mitzuprägen. Im Gesundheitswesen sind lebenslange Herzschrittmacher möglich, bei der Digitalisierung des Schienenverkehrs spielen die Minigeneratoren eine gewichtige Rolle und sogar bei der Unterstützung von infrastrukturschwachen Regionen können sie einen wichtigen Beitrag in Richtung bessere Zukunft leisten.

Werden weiterhin so grosse Entwicklungsfortschritte gemacht wie in den letzten Jahren, werden wir - bewusst oder unbewusst - noch vielen weiteren Anwendungen begegnen. Zuversicht ist angebracht, denn Anwendungsgebiete und Möglichkeiten scheinen nahezu unbegrenzt!

In der Schweiz forschen unter anderen die ETH Zürich und die Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften (ZHAW) intensiv an neuen Entwicklungen in diesem Bereich.

Was ist Energy Harvesting?

Hinter dem sogenannten Konzept des «Energy Harvesting», oder übersetzt «Energie ernten», steckt die Idee, kleine alltäglich und beiläufig anfallende Energievorkommen zu sammeln und in nutzbare Energie umzuwandeln. Schritte beim Gehen, Vibrationen vom Autoverkehr oder minimale Temperaturunterschiede werden dabei eingefangen und meistens als Strom direkt verwendet oder gespeichert. 

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