Strom aus der Meereswelle - Wacker Chemie AG


Strom aus der Meereswelle

Als erstem Hersteller ist es WACKER gelungen, hauchdünne Präzisionsfolien aus Silicon als Rollenware zu produzieren. Wenn diese Siliconfolien mit Elektroden beschichtet werden, agieren sie als dielektrische Elastomere. Auf ihrer Basis können innovative Technologien realisiert werden – beispielsweise Kraftwerke, die Energie aus Meereswellen abschöpfen.

Mit der Energie von Meereswellen ließen sich theoretisch bis zu 29.500 Terawattstunden Strom im Jahr produzieren – das ist mehr als der gesamte Energiebedarf der Menschheit pro Jahr.

Wenn die Wellen gegen die Kaimauer branden und die Gischt haushoch spritzt, bekommen auch Landratten eine Ahnung von den gewaltigen Energien, die hier freigesetzt werden. Nach einer Hochrechnung der Vereinten Nationen speichern Wellen ein Energiepotenzial von 29.500 Terawattstunden – mehr, als die gesamte Menschheit im Jahr an Energie benötigt. Allerdings gibt es bislang keine technisch wirklich ausgereiften Systeme, um die im Meer steckende Kraft auch zuverlässig und kosteneffizient zu „ernten“. Hydraulisch arbeitende Wellenkraftwerke liegen als Prototypen vor, doch wurden sie immer wieder genau von der Energie zerstört, die sie eigentlich abschöpfen sollten – von den Meereswellen, meist als Folge von Winterstürmen.

Funktionsweise eines Wellenkraftwerks auf Basis von elektroaktiven Polymeren

Funktionale Membranen

Siliconelastomere sind wasserabweisend, aber für bestimmte Gase durchlässig. Das gilt auch für ELASTOSIL® Film. Die Siliconfolien halten Wasser zurück, Wasserdampf und bestimmte Gase können jedoch durch das Material diffundieren. Diese Gasdurchlässigkeit ist sehr selektiv: Kohlendioxid, Sauerstoff und Wasserdampf passieren die Siliconschicht sehr viel schneller als Stickstoff. Daher kann ELASTOSIL® Film zum Beispiel als Membran zur Gastrennung genutzt werden, etwa zur Abtrennung von Kohlendioxid.

Künstliche Muskeln

Mit dem vom Bundesforschungsministerium unterstützten Industrieverbund „Elektroaktive Polymere auf Siliconbasis zur Energiegewinnung“ gibt es nun einen neuen Ansatz, umweltfreundlichen Strom aus Wellenkraft zu gewinnen. Die Wacker Chemie AG liefert für dieses Projekt den grundlegenden Werkstoff – eine hauchdünne Folie auf Siliconbasis, die als dielektrisches Elastomer eingesetzt werden kann. Dielektrische Elastomere gehören zu den sogenannten elektroaktiven Polymeren (EAP), die bei Anlegen einer elektrischen Spannung ihre Form verändern. Sie wandeln also elektrische in mechanische Energie um. Da sie nach einem ähnlichen Prinzip funktionieren wie natürliche Muskeln, werden sie oft auch „künstliche Muskeln“ genannt.

„Siliconfolien überstehen über zehn Millionen Druckbelastungszyklen ohne geringste Materialermüdung.“

Dr. Andreas Köllnberger Global Product Development Manager, Engineering Silicone
EPoSiL-Projektleiter Dr. Istvan Denes prüft den an der TU Darmstadt entwickelten Demonstrator.

Bislang war es allerdings schwierig, Bauteile auf der Basis von dielektrischen Elastomeren in größeren Stückzahlen zu realisieren. „Es fehlten vor allem elastische Polymere mit Werkstoffeigenschaften, die für solche Anwendungen optimiert sind und sich problemlos weiterverarbeiten lassen“, erklärt Dr. Andreas Köllnberger, Global Product Development Manager für Engineering Silicones bei WACKER. Mit ELASTOSIL® Film hat WACKER jetzt eine elastische und extrem dünne Folie auf den Markt gebracht, die in Zukunft als Rollenware in großen Serien produziert werden kann und damit den Einstieg in die Massenfertigung von EAP-Bauteilen ermöglicht. Aber auch für Anwendungen jenseits der EAP-Technologie kommen Siliconfolien in Frage – beispielsweise als funktionelle Membran oder zur Wundversorgung.

Die Endlosfolien werden in einem zum Patent angemeldeten Verfahren aus additionsvernetzenden Siliconkautschuken gefertigt, die ohne den Zusatz von Lösemitteln verarbeitet werden. Sie stehen in Stärken unter 100 Mikrometern kommerziell zur Verfügung; erhältlich sind sogar bis zu 20 Mikrometer dünne Folien.

Dünner als ein menschliches Haar: ELASTOSIL® Film und Silpuran® Film, die Präzisionsfolien aus Silicon, eignen sich unter anderem für funktionelle Verpackungsfolien, Wundpflaster, Sensoren, Aktoren oder auch energiesparende Elektrorelais.

Der Herstellungsprozess ergibt homogene, fehlerfreie Folien, die sich durch eine außerordentlich hohe Dickenkonstanz auszeichnen. Die Schichtdicke weicht über die gesamte Breite und Länge der Folienbahn um maximal fünf Prozent nach oben oder unten vom Sollwert ab. Um sicherzustellen, dass keine Partikel aus der Folienoberfläche herausstehen, findet die Fertigung der Siliconfolien unter Reinraumbedingungen statt.

Siliconfolien besitzen alle wesentlichen Eigenschaften, die Silicone auszeichnen: Sie sind hitzebeständig, kälteflexibel, chemisch inert und biokompatibel. Ihre Oberfläche ist stark hydrophob, also wasserabweisend. Typisch sind auch ihre hohe Beständigkeit gegenüber einer Vielzahl physikalischer und chemischer Einflüsse sowie ihre guten elastischen Eigenschaften, die dazu beitragen, dass Siliconfolien trotz jahrelanger mechanischer Beanspruchung nicht ermüden.

SILPURAN® Film

Mit SILPURAN® Film hat WACKER eine hochreine Produktvariante seiner hochdünnen und äußerst präzise gefertigten Folien aus Siliconkautschuk entwickelt, die sich speziell an die Bedürfnisse der Health-Care- und Medizintechnikindustrie richtet. Der für diese Folien verwendete Siliconkautschuk ist biokompatibel gemäß ausgewählter Tests nach ISO 10993 und USP (United States Pharmacopeia) Class VI. SILPURAN®- Silicone werden gemäß dem WACKER-eigenen Standard für medizinische Rohstoffe (WACKER CLEAN OPERATIONS) unter Reinraumbedingungen produziert und verpackt, um jegliche Verunreinigungen auszuschließen. SILPURAN® Film ermöglicht beispielsweise die Herstellung atmungsaktiver Wundpflaster, die den Heilungsprozess optimal unterstützen. Auch in medizinischen Geräten und in der Prothetik bietet SILPURAN® Film neue Möglichkeiten.

Ausdehnung in der Ebene

Mithilfe von ELASTOSIL® Film lassen sich beispielsweise verformbare Kondensatoren herstellen. Dazu werden die Folien auf der Ober- und Unterseite mit einem flexiblen, elektrisch leitfähigen Material beschichtet. Liegt eine Gleichspannung an, ziehen sich die Elektroden infolge ihrer entgegengesetzten Aufladung elektrostatisch an und drücken das weiche Folienmaterial zusammen. Die Elastomerschicht wird dünner, dehnt sich aber zugleich in der Ebene aus. Folge: Der Kondensator wird insgesamt flacher und „breiter“. Wird der Kondensator entladen, nimmt die Elastomerfolie infolge ihrer Elastizität wieder ihre ursprüngliche Gestalt an.

Da sich die Verformung des Kondensators beliebig oft wiederholen und gezielt steuern lässt, werden EAP-Folien beispielsweise in Aktoren eingesetzt, die elektrische Spannung in Bewegung umsetzen. Dieser Mechanismus lässt sich aber auch umdrehen: EAP-Folien können dann aus mechanischer Bewegung Strom erzeugen. EAP-Technologien eignen sich folglich auch für Sensoren oder neuartige Generatoren. Stets bildet der verformbare Kondensator dabei die Basiseinheit des Systems.

Da elektroaktive Polymere mechanische in elektrische Energie umsetzen, eignen sich Siliconfolien auch für die Anwendung in Sensoren.

Bis zu 20 Mikrometer dünn

Wird solch eine Basiseinheit als dielektrischer Elastomeraktor betrieben, muss eine Spannung angelegt werden. Die Höhe dieser Betriebsspannung hängt vor allem von der Foliendicke ab: Je dünner die Elastomerfolie, desto niedriger die Spannung. Bei den derzeit in der Entwicklung befindlichen Aktoren liegen die Folienstärken typischerweise zwischen 20 und 60 Mikrometern. Das ist deutlich dünner als ein menschliches Haar. Gearbeitet wird mit Spannungen von einigen Kilovolt. Bei solchen Spannungen nimmt die Schichtdicke der Folie materialabhängig um etwa 5 bis 30 Prozent ab. Gleichzeitig vergrößert sich die Fläche typischerweise um bis zu 50 Prozent.

Liegt Spannung an, verändert sich eine einzelne Aktor-Basiseinheit nur um wenige Mikrometer in der Dicke. Für die technische Nutzung ist das zu wenig. Werden jedoch die Basiseinheiten in großer Zahl übereinandergestapelt und elektrisch parallelgeschaltet, ergeben sich Effekte in einer Größenordnung von mehreren Millimetern oder sogar Zentimetern. Mithilfe solcher Stapel oder „Stacks“, die in beliebiger Form angeordnet werden können, lassen sich also vielfältige Bewegungsformen erzeugen.

Relais , Schalter und Ventile

EAP-Aktoren wiegen wenig, lassen sich präzise regeln und arbeiten äußerst effizient. Das hat sich insbesondere in der Elektrobranche herumgesprochen. Relais, Schalter und Ventile auf der Basis von dielektrischen Elastomeraktoren stehen kurz vor der Marktreife und könnten innerhalb der nächsten zwei bis fünf Jahre auf den Markt kommen. Auch in der Automobilindustrie steht der Einsatz von EAP-Aktoren bevor, wo sie elektrische Stellmotoren ersetzen sollen. Im Unterschied zu herkömmlichen elektromagnetischen Relais benötigen EAP-Relais nur während des Schaltvorgangs Strom. Da Relais in unzähligen Geräten und Einrichtungen vorhanden sind, besteht hier ein großes Energie-Einsparpotenzial. Auch die Ventiltechnik könnte von der EAP-Technologie profitieren. So lässt sich der Durchfluss eines Fluids mithilfe von EAP-basierten Aktoren exakt einstellen, was mit einem herkömmlichen Fluidventil nicht ohne Weiteres möglich ist.

Ohne jede Materialermüdung

Eine wichtige Rolle spielt auch die außergewöhnlich hohe Beständigkeit der Folien. Ihre dielektrischen, mechanischen und elastischen Eigenschaften sind weder von der Höhe der anliegenden Spannung noch von der Temperatur abhängig. Sie verändern sich auch nicht im Laufe der Zeit – ein Vorteil der Siliconfolien gegenüber dielektrischen Folien aus organischen Kunststoffen. „Das silicontypische Eigenschaftsprofil der Folien macht die EAP-Bauteile robust, langlebig und wartungsarm“, erklärt der WACKER-Chemiker Dr. Andreas Köllnberger. „Prüfungen an Prototypen haben gezeigt, dass Siliconfolien über zehn Millionen Druckbelastungszyklen ohne geringste Materialermüdung überstehen.“

ELASTOSIL® Film wird unter Reinraumbedingungen produziert und istals Rollenware in Stärken ab 20 Mikrometern lieferbar.

Diese enorme Ausdauer und Belastbarkeit ist eine zentrale Voraussetzung, damit Siliconfolien beim sogenannten Energy Harvesting zum Einsatz kommen können: Im Verbundprojekt „Elektroaktive Polymere auf Siliconbasis zur Energiegewinnung“ arbeitet ein Konsortium von vier Industrieunternehmen und zwei Universitäten unter Leitung der Robert Bosch GmbH an der Entwicklung von Meereswellengeneratoren. Dazu wurde an der TU Darmstadt das Modell eines Wellenkraftwerks entworfen, das einer Boje ähnelt. Deren obere Hälfte schwimmt auf der Oberfläche, während die untere Hälfte fest am Meeresboden verankert ist. Beide sind durch einen Stapel aus Tausenden leitfähig beschichteten Siliconfolien-Stücken miteinander verbunden. Die Wellenbewegung deformiert die Folien im Abstand von drei bis zehn Sekunden. Ober- und unterhalb des sehr gut isolierenden Silicons sind eine positiv und eine negativ geladene Elektrode angebracht. Durch die Bewegung der Wellen wird das Silicon zunächst zusammengepresst und entspannt danach wieder. Mit dem Auf und Ab des Wasserspiegels rücken auch die beiden Elektroden ober- und unterhalb des Siliconelastomers näher aneinander und wieder voneinander weg. Sobald die Siliconfolie gerade entspannt ist und wieder dicker wird, entfernen sich die Elektroden und mit ihnen die Ladungen voneinander – die elektrische Energie im Wandler erhöht sich. Gewünschte Folge: Die mechanische Energie aus der Welle ist in elektrische Energie umgesetzt. „Die elektrischen Ströme der Einzelschichten addieren sich“, erklärt Projektleiter Dr. Istvan Denes von der zentralen Bosch-Forschung.

Siliconelastomere

Siliconelastomere sind gummielastische Werkstoffe. Sie bestehen aus anorganischen Polysiloxanen, die bei der Vulkanisation zu einem dreidimensionalen Netzwerk irreversibel vernetzen. Siliconelastomere besitzen ein Eigenschaftsprofil, das sie in vielen technischen Anwendungen unentbehrlich macht: Sie sind außerordentlich hitzebeständig, zugleich auch kälteflexibel, chemisch inert und biokompatibel. Siliconelastomere besitzen eine stark hydrophobe, also wasserabweisende Oberfläche. Sie sind für Gase selektiv durchlässig und sie wirken sehr gut elektrisch isolierend. Typisch ist ihre hohe Beständigkeit gegen eine Vielzahl physikalischer und chemischer Einflüsse, weshalb sie – anders als organische Gummis – auch nicht altern. So bleiben ihre chemischen, physikalischen und technischen Eigenschaften zwischen etwa -45 und +200 Grad Celsius nahezu konstant. Sie verkraften anhaltende mechanische und elektrische Belastungen sowie die fortwährende Einwirkung von Sauerstoff, Ozon und UV-Strahlung.

Im Verbund liefern dann mehrere Wandler Strom. Der Wirkungsgrad der Darmstädter Versuchsanlage liegt bei rund 50 Prozent – und damit höher als bei konventionellen Kraftwerken. Nun soll in diesem Jahr das erste maßstabsgetreu verkleinerte Modell eines solchen Wellengenerators im Wellenkanal der Technischen Universität Hamburg- Harburg zu Wasser gelassen werden.

Nahezu wartungsfrei

Da die auf Siliconfolien basierenden Generatoren ohne hydraulische Komponenten und Turbinen auskommen, sind sie nahezu wartungsfrei und damit deutlich kostengünstiger zu betreiben als herkömmliche Wellenkraftwerke mit ihren anfälligen, hydraulisch bewegten Teilen. In nicht allzu ferner Zukunft könnten also vor den Küsten dieser Welt Wellenkraftwerke im Meeresboden verankert sein, die mittels der nie versiegenden Auf- und Abwärtsbewegung der Wellen Strom erzeugen.