Durchfluss in Öl- und Gasleitungen liefert Strom für Sensoren in extremen Bedingungen
Im EU-finanzierten Projekt HarshEnergy näherte man sich dem Problem mithilfe von Nanomaterialien. Das Team hat für die Stromversorgung von Sensornetzen der Öl- und Gasindustrie, die Temperaturen über 250 °C und Druck von 10 000 psi ausgesetzt sind, innovative Systeme zur Energieernte entwickelt. In der Öl- und Gasindustrie herrschen oft derart extreme Bedingungen, dass konventionelle Methoden der Energieerzeugung, wie Solarzellen, nicht verwendet werden können, obwohl die Hauptaktivitäten trotz allem über Sensornetze überwacht werden sollen. „Die Lösung liegt in der Entwicklung und Optimierung von Nanomaterialien, die unter harten Umweltbedingungen mit hohen Temperaturen und hohem Druck ihre Energieernte leisten können“, sagt Projektkoordinator Dr. João Ventura. Die Energieernte ist wegen ihrer begrenzten Möglichkeiten zur Energieerzeugung eine Herausforderung. Grundlegend soll dabei Energie aus einem Prozess abgeschöpft werden, bei dem irgendeine Art von Energie verschwendet wird, wie die kinetische Energie von Flüssigkeiten, die durch eine Rohrleitung fließen. Doch die bestehenden Technologien können normalerweise nur geringe Strommengen erzeugen. Darum liegt die Herausforderung darin, wie man so eine kleine Energiemenge am besten nutzen kann. Technologie in Kombination HarshEnergy nutzte die Hybridisierung von drei verschiedenen Technologien zur Energieernte – Piezoelektrizität, Triboelektrizität und elektromagnetische Induktion – um Protoypen aus hybriden Mikro-/Nanogeneratoren zu entwickeln. „Diese Geräte vereinen komplementäre Erntetechnologien unter extremen Temperatur- und Druckbedingungen und nutzen dabei den Durchfluss von Flüssigkeiten in einer Leitung oder vorhandene Vibrationen, um Strom zu erzeugen“, erklärt Dr. Ventura. Mehrere Unternehmen nutzen bereits die Automatisierung und neu eingerichtete Überwachung ihrer Kernaktivitäten mit Hilfe von Sensornetzen, um große Datenmengen zu sammeln. Diese können Entscheidungsprozesse verbessern oder sogar zur Vorhersage der nächsten Wartungsrunde von Großmaschinen genutzt werden. Ventura zufolge werden „Unternehmen, die konkurrenzfähig bleiben wollen, ihre Überwachung durch den Einsatz von immer mehr Sensoren verbessern müssen, wofür immer mehr Energie gebraucht wird. Genau für solche Unternehmen wird HarshEnergy äußerst nützlich sein.“ Außerdem hat jeder Sensor normalerweise eine kleine Batterie als Energiequelle, die von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden muss. „Wenn in der Industrie hunderte oder tausende Sensoren zur Überwachung ihrer Aktivitäten eingesetzt werden, könnte dieser Austausch durch die Umsetzung eines Nanogenerators zu Energieernte entfallen, sodass der Betrieb günstiger, sicherer und sauberer wird, denn Batterien können ja explodieren und erzeugen viel Abfall. Wenn der Betrieb außerdem günstiger wird, kann die Industrie mehr Sensoren zur Überwachung ihrer Aktivitäten einbauen und durch die datengestützten Entscheidungen noch wettbewerbsfähiger werden“, beobachtet Ventura. Besser für die Umwelt Über ihre Lebensdauer hinweg haben triboelektrische Nanogeneratoren eine bessere Umweltleistung, niedrigere Produktionskosten und einen geringeren Kohlendioxidausstoß. Doch die Umweltleistung einiger Prototypen könnte durch den höheren Acrylgehalt ihrer Architektur und den höheren Stromverbrauch bei ihrer Herstellung geschmälert werden. Acryl kann aber ökologisch vertretbar sein, weil es recycelbar und potenziell wiederverwendbar ist. Außerdem erzeugt das Material bei Verbrennungsvorgängen keine giftigen Gase, die für den Menschen und die Umwelt schädlich sind, weil es auch dann stabil bleibt, wenn es ultravioletter Strahlung ausgesetzt ist. „Triboelektrische Nanogeneratoren haben eine bessere Umweltleistung als kommerzialisierte siliziumbasierte oder organische Solarzellen. Einige Prototypen haben jedoch eine etwas längere energetische Amortisationszeit als die Photovoltaiktechnologie mit einer aktiven Lichtsammelschicht aus Methylammonium-Bleiiodid mit Perowskitstruktur“, so Ventura abschließend.
Schlüsselbegriffe
HarshEnergy, Sensor, Energieernte, Temperatur, Druck, Nanomaterial, triboelektrisch, Gas, Öl, Hybridisierung, Piezoelektrizität, elektromagnetische Induktion
