10 Innovationen in der Wasserkraft

Wenn Sie an den East River in New York City denken, ist erneuerbare Energie wahrscheinlich nicht das erste, was Ihnen in den Sinn kommt. Doch der Fluss, einst eine Jauchegrube und Abladeplatz für gelegentliche Leichen, hat sich an der Spitze der Bewegung für grüne Energie wiedergefunden. Im September 2012 versenkte Trey Taylor, Eigentümer von Verdant Power, eine spezielle dreiblättrige elektrische Turbine in der Wasserstraße, die entlang der Ostseite von Manhattan verläuft. Taylor entwarf die Turbine, die wie ein moderner Lüfter aussieht, der an einem torpedoförmigen Körper befestigt ist, um Strom aus dem Druck und Zug der rauschenden Strömungen des Flusses zu erzeugen [Quelle: McGeehan ].

Bis 2017 könnten 30 dieser Turbinen den Fluss punktieren, wobei jede Einheit 35 Kilowatt Strom erzeugt . Wenn das Projekt erfolgreich ist, könnte es genug Strom liefern, um Hunderte von Haushalten zu versorgen. Die Gezeitenturbinen des East River aus Kunststoff und geschichtetem Fiberglas sind eine von mehreren technologischen Innovationen, die die Welt der Wasserkraft erschüttern [Quelle: McGeehan ].

Von einem Ende des Planeten zum anderen arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure an einer Vielzahl von Konzepten – einige real, andere erfunden – die dazu beitragen werden, diese sehr alte Energiequelle zu einer noch wichtigeren modernen zu machen. Heutzutage stammen 6 Prozent des US-Stroms aus Wasserkraft (das sind 70 Prozent des in den USA erzeugten erneuerbaren Stroms) [Quelle: US DOE ]. Das Angebot ist grenzenlos, obwohl nicht jedes Gebiet ein guter Ort für den Bau eines Wasserkraftprojekts ist.

1. Fischtreppen
2. Helikoid-Schieber
3. Hydrosphäre
4. Luft-Wasser-Schwerkraft-Generator
5. Wellenkraft
6. Gezeitenkraft
7. Flusskraft
8. Vortex-Power
9. Rohrleistung
10. Furore machen

Wenn Sie ein Süßwasserfisch wie eine Forelle sind, ist das Letzte, was Sie sehen wollen, ein Damm. Dämme verhindern, dass Jungfische stromaufwärts in die Gewässer gelangen, wo sie laichen und den Rest ihres Lebens verbringen. Umweltschützer beklagen seit langem das Chaos, das Staudämme anrichten können. Betreten Sie Fischtreppen.

Eine der technologisch fortschrittlichsten Fischtreppen befindet sich in Montana beim Wasserkraftwerk Thompson Falls am Clark Fork River. Es ist die erste durchgehende Fischtreppe in den kontinentalen USA, die speziell für Bullenforellen, eine bedrohte Art , entwickelt wurde . Die 8 Millionen Dollar teure, 22 Meter hohe Leiter hat 48 Stufen, die die Fische erklimmen können [Quellen: Holyoak , PPL Montana ].

Fische, die stromaufwärts schwimmen, werden durch abfließendes Wasser von der kleinen Öffnung am Fuß der Leiter angelockt. Sie beginnen ihren Aufstieg über die Fischtreppe aus Stahl und Beton und kämpfen bei jedem Schritt gegen das reißende Wasser. Jede der 48 Stufen oder Becken ist etwa 1,5 Meter breit und 1,8 bis 3 Meter lang und hat oben und unten Öffnungen. Die Fische erreichen schließlich ein 5 Meter langes Sammelbecken und dann einen Auffangbehälter. Sobald sie sich im Tank befinden, untersuchen und markieren die Wissenschaftler die Fische, die dann über dem Damm ausgesetzt werden [Quellen: Holyoak , PPL Montana ].

Fischtreppen funktionieren jedoch nicht immer so gut, wie sie entworfen wurden. Eine separate Studie der University of Massachusetts Amherst ergab, dass nur ein kleiner Prozentsatz der Fischpopulationen sicher durch die von Forschern beobachteten Dämme gelangt [Quelle: Adams ].

Die Natur weiß ein oder zwei Dinge. Alles, was Sie tun müssen, ist zu schauen. Als ein Wasserkraftingenieur und ein Mediziner Ende des 20. Jahrhunderts ihre Noggins zusammensetzten, fanden sie einen neuen Weg, um die Leistung bestehender Wasserkraftwerke um fast 10 Prozent zu steigern [Quelle: Piesold und Caro ]. Alles, was sie taten, war, das spiralförmige Design menschlicher Blutgefäße anzuwenden , um ein ähnlich geformtes Druckrohr zu schaffen .

Der Helicoid-Schieber ähnelt einem Gewehrlauf, in den spiralförmige Rillen eingraviert sind. Rauschendes Wasser fließt durch die spiralförmige Druckleitung und beginnt sich wie eine Kugel durch einen gezogenen Lauf zu drehen. Die Rohre konzentrieren den Wasserfluss direkt auf die elektrische Turbine und verbessern so die Leistung der Turbine [Quelle: Piesold und Caro ].

It looks good on paper, but inventor Rick Dickson says his idea can work when put to the test. Dickson is talking about a hydroelectric generator that takes advantage of the immense pressure differentials in the deep water of lakes or oceans. He calls it a hydrosphere and believes it can generate up to 500 megawatts of continuous renewable energy [source: Scoop].

Although he has yet to build a prototype or secure a patent , Dickson's hydrosphere is a type of enclosed, cylindrical hydroelectric dam that works off the varying pressure of ocean or lake water [source: Scoop].

The hydrosphere led Dickson to another invention, the Air-Water-Gravity generator, which he believes is the hydropower plant of the future . The AWG is a large, hollow cylinder filled with air and anchored to the seafloor at varying depths. An electrical generator sits inside the cylinder. To generate power, a valve lets water into the device under great pressure. The flowing water enters a vacuum chamber and forces a piston to climb a stator, the stationary part of the generator on which a rotor spins. As the piston moves up the stator, it generates electricity [source: Free Press Release].

When the piston reaches a metal stop at the top of the stator, it releases a valve connected to a hollow snorkel pipe at the base of the cylinder. The pipe opens, allowing air to decompress. That forces the rotor down the stator, once again generating electricity. Water is also pushed out of the cylinder at great force and out the snorkel pipe to the surface of the ocean. The water shoots out of the top of the pipe like a geyser. The release valve then closes, the water intake reopens, and the cycle repeats itself. Depending on its size and the depth on which it is placed in the ocean, the AWG can produce up to a half a gigawatt of continuous power [sources: Free Press Release, Beyond Fossil Fuels]. The device hadn't been prototyped or patented at the time of publication.

The echo of waves slamming against a rocky shore or a sandy beach is a soothing sound. Did you know that it's also an energetic sound? Kinetic energy is the energy of movement, and rushing water is brimming with it. That's because wave motion is fueled by the wind and oceanic geology [source: Union of Concerned Scientists].

Ingenieure und Wissenschaftler haben eine Vielzahl von Geräten entwickelt, um die von Wellen erzeugte hydrokinetische Energie zu nutzen. Tatsächlich sagen Wissenschaftler, wenn wir nur 15 Prozent der Energie entlang der US-Küste (insbesondere der Westküste) gewinnen könnten, könnten die Vereinigten Staaten so viel Strom erzeugen wie alle Wasserkraftwerke in der Nation [Quelle: Union of Concerned Scientists ] .

Apropos hydrokinetische Energie, bist du jemals im Meer schwimmen gegangen? Hat dich die auslaufende Flut vom Ufer gezogen? Gezeiten haben einen starken Schlag, und wir können sie zur Stromerzeugung nutzen.

Im Jahr 2012 begann eines der ersten Gezeitenkraftprojekte in den Vereinigten Staaten mit der Einspeisung von Strom in das Stromnetz . Das Projekt, eine Unterwasserturbine vor der Küste von Maine, wurde von Ocean Renewable Power Co. gebaut. Die Turbine ähnelt einem altmodischen Rasenmäher, ist aber im Wesentlichen eine Art Unterwasserwindmühle. Die Flügel der Turbine drehen sich, wenn die Flut in der Cobscook Bay in der Nähe von Eastport ein- und ausströmt. Die Gezeiten in der Gegend gehören zu den höchsten in Maine und erreichen 20 Fuß (6 Meter). Der 21-Millionen-Dollar-Generator kann 25 bis 30 Haushalte mit Strom versorgen [Quellen: Sharp , Woodard ].

Das Aufstauen eines Flusses zur Stromerzeugung ist so 20. Jahrhundert. Dämme verändern nicht nur die Landschaft, sondern können auch die Tierwelt beeinträchtigen (erinnern Sie sich an die erwähnten Fischtreppen?). Was wäre, wenn wir die Kraft des Flusses nutzen könnten, ohne Dämme und Stauseen zu bauen? Ein in Kalifornien ansässiges Unternehmen namens Bourne Energy glaubt, die Antwort gefunden zu haben [Quelle: Bourne Energy ].

Das RiverStar-System des Unternehmens erntet kinetische Energie entlang eines Flusses und nicht an einer Stelle, wie es bei Dämmen der Fall ist. So funktioniert es: Ingenieure platzieren eine Reihe von "Modulen" über einem Fluss. Jedes Modul besteht aus einer Turbine, einem Stabilisator, einem Verankerungssystem und einem Energieumwandlungssystem. Hochspannungs-Stahlkabel halten jede Einheit an Ort und Stelle und verbinden sie in einem Array miteinander. Fließendes Wasser fließt durch die Turbinen, und während sie sich drehen, sammeln sie die Energie des Flusses, die einen Generator antreibt. Beamte von Bourne sagen, dass RiverStar in einem Fluss mit einer Wassergeschwindigkeit von 4 Knoten 50 Kilowatt erzeugen kann. Das Unternehmen fügt hinzu, dass RiverStar die Wanderungsmuster von Fischen nicht beeinflusst oder den Flussverkehr behindert.

Im Jahr 2007 fand Michael Bernitsas, Professor an der University of Michigan, einen Weg, die kinetische Energie eines fließenden Flusses zu nutzen, indem er untersuchte, wie sich Fische durch Wasser bewegen. Er schuf ein Gerät, das er VIVACE nennt , was die Abkürzung für Vortex Induced Vibration for Aquatic Clean Energy [Quellen: Vortex Energy , Lafay ] ist.

Wie Ihnen jeder Forellenfischer sagen kann, krümmen sich die Fische, wenn sich ein Fischschwarm durch das Wasser bewegt, und erzeugen winzige wirbelnde Wirbel. Die Fische stoßen ihre Körper von den Wirbeln ab, um sich vorwärts zu bewegen. VIVACE funktioniert genauso. Ingenieure platzieren eine Reihe von Zylindern auf dem Fluss- oder Meeresboden. Der vorbeiströmende Strom fließt über die Zylinder und erzeugt Wirbel, die die Zylinder auf und ab bewegen. In jedem Zylinder befindet sich ein Magnet, der sich über eine Metallspule bewegt und einen elektrischen Gleichstrom erzeugt . VIVACE nimmt dann den Gleichstrom und wandelt ihn in Wechselstrom um. Im Gegensatz zu anderen hydrokinetischen Technologien kann die Erfindung von Bernitsas Energie aus langsam fließenden Flüssen nutzen [Quellen: Vortex Energy , Lafay ].

Abwasserleitungen , Frischwasserleitungen, Abwasserrohre und Leitungen – fast jede Stadt hat eine Art Wasserrohr, das sich durch sie schlängelt. Was wäre, wenn es eine Möglichkeit gäbe, die Kraft des rauschenden Wassers zu nutzen, das durch städtische Rohre fließt? Eine neue Erfindung hat genau das getan.

Ein israelisches Unternehmen namens Leviathan hat eine Wasserturbine entwickelt, die in ein Rohr eingeschlossen werden kann. Wenn Wasser an der Turbine vorbeiströmt, erzeugt es Strom. Das Gerät namens Benkatina-Turbine arbeitet das Wasser ab, das durch geschlossene Wasserleitungen, Abwasserrohre, Kanäle und Rohre fließt, die Abwasser aus Fabriken entfernen [Quelle: Leviathan Energy ].

Stellen Sie sich vor, Sie verwandeln Ihr Zuhause in ein Mini-Wasserkraftwerk. Genau das hat Fulton Innovation im Sinn. Das in Michigan ansässige Unternehmen hat lilliputanische Wasserkrafttechnologien entwickelt, die elektrische Radios, Lautsprecher, Uhren und Fernseher mit Strom versorgen können, indem sie das Wasser verwenden, das aus einem Badezimmerhahn kommt.

Das Herzstück der Splashpower-Technologie von Fulton ist ein Gerät namens Miniature Hydroelectric Generator. Solche Generatoren erzeugen Strom, indem sie den Wasserfluss in einem Haus oder Gebäude nutzen. Jedes Mal, wenn Sie das Wasser mit einem Splashpower-Minigenerator betreiben, können Sie Sprinkleranlagen, Notbeleuchtung, einen Wasserenthärter und sogar Lagerbeleuchtung im Freien mit Strom versorgen. Die Mini-Wasserkraftgeräte können auch zum Laden von Batterien verwendet werden [Quelle: Splashpower ].

Anmerkung des Autors: 10 Innovationen in der Wasserkraft

Haben Sie sich jemals gefragt, warum die meisten Menschen in der Nähe von Gewässern leben? Wasser machte es einfach, von einem Ort zum anderen zu gelangen. Wasserquellen wurden für die Landwirtschaft genutzt. Zudem war Wasserkraft über Jahrhunderte die Energie der Wahl. Die Geschichte der Wasserkraft ist im Wesentlichen die Geschichte der Menschheit. Die alten Griechen nutzten ihre Muskeln, um Mehl von Hand zu mahlen. Dann erfanden sie eines der ersten Wasserräder, das die Arbeit so viel einfacher machte. Sie und andere wendeten diese Technologie auf die Textilherstellung, Holzverarbeitung und andere Zwecke an. Im Laufe der Jahrhunderte haben wir neue und bessere Wege entwickelt, um die Kraft des rauschenden Wassers zu nutzen, wie die in diesem Artikel.

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