Schülerprojekt Regenkraftwerk

Projekt im Schuljahr 2009/2010

Wie in vergangenen Jahren trafen sich auch in diesem Schuljahr interessierte Schüler, um ein technisches Projekt durch zu führen und am Wettbewerb Vision-Ing21 teil zu nehmen, der jährlich vom Förderkreis Ingenieurstudium durchgeführt wird. Die Projektidee, die kinetische Energie des abfließenden Regenwassers zu nutzen, entstand beim Brainstorming während des ersten Treffens. Der Vorschlag eines Schülers wurde von den Mitschülern mit Begeisterung angenommen und aufgrund des Interesses für umweltfreundliche alternative Energien ging der Vorschlag bei einer Abstimmung unter mehreren Vorschlägen als Sieger hervor.
Das Projekt wurde von einer Schülergruppe aus verschiedenen Klassen der 11. und 12. Jahrgangsstufe bearbeitet.
Aufgrund der guten Zusammenarbeit bei Projekten in vergangenen Schuljahren wurde am Fraunhofer IIS um Unterstützung angefragt. Zwei Mitarbeiter stellten sich zur Verfügung, um bei der Planung und Durchführung beratend zur Seite zu stehen.

Bevor mit dem Bau des Demonstrators begonnen wurde, wurden umfangreiche Überlegungen zur Realisierung und zu Anwendungen durchgeführt.

Vor Weihnachten wurde die Projektidee von mehreren Blickwinkeln umfassend betrachtet und die Projektziele genau definiert.
Bei den Besprechungen mit dem Projektpartner Fraunhofer IIS kam auch die Problematik bei der Einspeisung ins öffentliche Stromnetz zur Sprache. Schwierigkeiten gibt es sowohl bei der Planbarkeit seitens der Energieversorger, als auch bei der technischen Umsetzung an der nächsten Trafostation.
Als umweltschonend können regenerative Energiesysteme nur bezeichnet werden, wenn letztendlich ein konventionelles Kraftwerk abgeschaltet werden kann. Da ein Großkraftwerk zum Erreichen der vollen Leistung mehrere Stunden benötigt, ist es für den Energieversorger notwendig vorauszuplanen. Da dezentrale Kraftwerke häufig vom Wetter abhängig sind (Solar-/ Windkraftwerke) und deren elektrische Leistung im Voraus ungewiss ist, decken die Energieversorger den Bedarf mit wetterunabhängigen Energien ab, um eine lückenlose Stromversorgung zu gewährleisten. Die bei günstigen Wetterbedingungen zusätzliche Energie geht oft als Überschuss verloren. Das Regenkraftwerk kann eine Solaranlage ergänzen, da diese gerade bei Regen kaum elektrische Energie erzeugt.

Ein technisches Problem bei der Einspeisung elektrischer Energie ergibt sich an Transformatorstationen, die nicht ohne Weiteres Energie in beide Richtungen transportieren können. Es wurden Fragen erörtert wie der optimale Einbauort des Regenkraftwerks. In der Kanalisation gewährleistet das gesammelte Regen- und Abwasser eine einigermaßen kontinuierliche Energieausbeute. Die zu erwartenden Wasserströme sind größer als bei einzelnen Regenrinnen. Nachteil ist die Verschmutzung und Verstopfung der Turbinen durch das schmutzige Abwasser. Eine flächendeckende Verbreitung der Regenkraftwerke in einer Großstadt erscheint sinnvoll.
In Regenfallrohren lässt sich ein kleines Regenkraftwerk problemlos nachrüsten. Deshalb wurde in dem Projekt der Schwerpunkt auf diese Variante gelegt. Einsatzmöglichkeiten ergeben sich an Gebäuden mit großen Dachflächen wie Stadien, Fabrikhallen, Supermärkte oder Behörden. An Hochhäusern kann das fallende Regenwasser mehrmals hintereinander durch Wasserräder abgebremst werden.

Die theoretische Abschätzung der zu erwartenden Energieausbeute wurde zwischen Weihnachten und den Faschingsferien angefertigt. Es wurde die Energie des über das Schuldach gesammelten Regenwassers abgeschätzt. Aus den Bauplänen des Schulgebäudes wurde eine Dachfläche von 2100 m² ermittelt. Bei einem durchschnittlichen Niederschlag von 60 cm pro Jahr erhält man eine jährliche Wassermenge von 1260 m³. Beim Abfließen vom Dach ergibt sich bei einer Höhe von 15 m eine potentielle Energie von 185 MJ. Auf das Jahr gemittelt ergibt sich eine durchschnittliche Leistung von 5,88 W. Da es nicht rund um die Uhr regnet, ergibt sich bei einer Stunde Regen am Tag in dieser Zeit eine durchschnittliche Leistung von ca. 141 W. Mit einem Wirkungsgrad von 10 % erhält man schließlich eine elektrische Leitung von 14,1 W.
Da ein beträchtlicher Anteil des Regens bei heftigen Gewittern fällt, liegt dann die momentane Leistungsfähigkeit kurzzeitig deutlich über dem Durchschnitt.
Mögliche Verluste treten bei Verdunstung, im Winter bei Dachlawinen und beim Überlauf der Dachrinne auf.

Die geringe Energiemenge kann dazu verwendet werden, um Steuerelektronik anzutreiben, die beispielsweise elektrische Jalousien steuert, welche bei Regen hochgefahren werden müssen. Andere Anwendungsmöglichkeiten bestehen im Speichern der Energie beispielsweise für eine Notbeleuchtung. Es kann auch ein Verbraucher mit geringer elektrischer Leistung angeschlossen werden, wie eine LED-Beleuchtung. Energieüberschuss kann eventuell ins öffentliche Stromnetz eingespeist werden.

Da Regenfälle häufig nur relativ geringe Wassermengen liefern, ist die Verwendung von löffelförmigen Schaufelrädern sinnvoll. Um den nötigen Druck zu erzeugen, wird das Wasser vor dem Wasserrad gestaut.

Nach den Faschingsferien konnte mit dem Bau eines Demonstrators begonnen werden. Dazu wurde ein handelsüblicher Fahrradnabendynamo verwendet, da dieser werksseitig bereits gut optimiert ist und schon bei geringer Drehzahl eine elektrische Spannung erzeugt.
Schaufelrad und Dynamo sind mit einem Keilriemen verbunden, der auf verschiedene Übersetzungen einstellbar ist. Dieser Keilriemen ist durch ein Langloch spannbar.

Mit dem Demonstrator wurde eine Testreihe durchgeführt, um die theoretisch abgeschätzte elektrische Leistung experimentell zu bestätigen.
Weiterhin wurde mit Hilfe der Landesgewerbeanstalt eine Patentrecherche durchgeführt.