Laut Zahlen des Umweltbundesamtes verbrauchen Privathaushalte rund 25 Prozent der gesamten in Deutschland verbrauchten Energie. Und noch immer wird fast die Hälfte dieser Energie aus fossilen Brennstoffen wie Erdöl und Erdgas gewonnen. Erneuerbare Energien spielen – trotz des fortschreitenden Klimawandels – weiter eine untergeordnete Rolle.
“Hier ist aus erneuerbaren Energien gewonnener Wasserstoff als Energieträger zukünftig vielfach besser geeignet”, erklärt Prof. Holger Seidlitz, Leichtbau-Spezialist an der BTU Cottbus-Senftenberg und Leiter des Forschungsbereichs “Polymermaterialien und Composite PYCO” des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung IAP am Standort Wildau. Er und sein Team entwickeln zurzeit eine kleine und effiziente Windanlage und einen neuartige Wasserstofftank aus Faserverbundwerkstoffen.
Eigener Wasserstoff für Haus und Auto
“Das Windrad wird so klein ausgelegt sein, dass sich auch Privatleute eine solche Anlage in den Garten stellen können”, betont Seidlitz. “Der Wasserstoff wird dann vor Ort in einem kleinen Elektrolyseur erzeugt und im Tank gespeichert.” Mit diesem Wasserstoff wird dann mittels einer Brennstoffzelle im Haus Wärme und Strom produziert. Außerdem könnte jeder Besitzer eines Wasserstoffautos zu Hause tanken. Seidlitz sieht den größten Vorteil des Systems darin, dass es klein und zugleich sehr effizient ist.
So dreht sich der Propeller des Windrads auch schon bei wenig Wind und produziert Energie. “Hier in der Lausitz weht der Wind sehr viel schwächer als in Norddeutschland”, sagt der Maschinenbau-Ingenieur Marcello Ambrosio, der das Projekt am Fraunhofer IAP betreut. “Wir haben das Design der Rotorblätter daran angepasst und ihre Masse im Vergleich zu herkömmlichen Kleinwindanlagen um rund 30 Prozent verringert.” Hergestellt wird er aus Faserverbundwerkstoffen mit einem industriellen 3D-Drucker am Fraunhofer IAP, der bis zu zwei mal zwei Meter große Objekte drucken kann.
Leichte und agile Rotoren
Faserverbundwerkstoffe bestehen aus Faserstreifen, die in eine Form einlegt werden. Anschließend werden sie mit Hilfe eines Harzes oder anderer Kunststoffe zum Bauteil ausgehärtet. Das Verlegen geschieht am Fraunhofer IAP nicht mehr mit der Hand, sondern mit einer modernen Automated-Fibre-Placement-Anlage. Sie platziert die Verstärkungsfasern präzise in der Form. “Anders als beim Verlegen per Hand gibt es hier weniger Überlappungen, sodass wir deutlich die Maße reduzieren können,” sagt Ambrosio.
Ein großer Pluspunkt des Rotors ist, dass er sich nicht auch nur bei schwachem Wind dreht; er hält ebenso Starkwinden stand, denn die Rotorblätter können sich bei Sturm elastisch verbiegen und aus dem Wind drehen. “Damit drosselt die Anlage von allein die Rotationsgeschwindigkeit und nimmt keinen Schaden”, so Holger Seidlitz. Eine komplizierte Steuertechnik ist somit ebenso überflüssig wie eine aufwändige Mechanik. Die ersten Tests der Rotoren im Freiland sollen in den kommenden Monaten stattfinden.
Tank mit eingebauten Sicherheitssensoren
Ebenso wie der Rotor wird auch der Wasserstofftank in Leichtbauweise aus Carbonfaser-Verbunden gefertigt und ist daher entscheidend leichter als herkömmliche Stahltanks. Um die nötige Sicherheit zu gewährleisten, werden die Tanks aus Carbonfaserstreifen hergestellt, die auf einen zylindrischen Körper aufgewickelt werden. Diese werden dann mit Kunstharz getränkt, wodurch sie zu einem stabilen Tank aushärten, der Hunderten Bar Druck widersteht. So kann kein Wasserstoff entweichen, der ansonsten in Kombination mit Luftsauerstoff ein explosives Gemisch bilden kann.
“Aktuell arbeiten wir mit 3D-Druckern, die elektrisch leitfähige Tinten verarbeiten können”, erläutert Marcello Ambrosio. Diese würden direkt in den Faserverbund integriert, was es den Forschern ermöglicht, auch kleine elektronische Bauteile in die Tankwand einzuarbeiten. So entsteht ein Frühwarnsystem, das für einen künftigen sicheren Einsatz beim Endkunden eine wichtige Voraussetzung darstellt.
Titelbild: Neuartige Schwachwind-Rotoren und Wasserstofftanks mit eingebauten Sicherheitssensoren sollen in windschwachen Regionen wie der Lausitz Kleinwindkraftanlagen für den Privatgebrauch möglich machen. © Fraunhofer IAP
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