Nachhaltigkeit von Wasserkraftwerken erhöhen Umwelt mit Wasserkraftwerken verbessern anstatt zu zerstören

Als sie auf einer Farm in Texas aufwuchsen, gab es für die Geschwister Gia Schneider und Abe Schneider immer etwas zu tun. Jeden Samstag um 14 Uhr ging die Familie zu einem Bach in der Nähe, um zu angeln, Steindämme und Seilschaukeln zu bauen und die Natur zu genießen.

Schließlich begann die Familie, jeden Sommer zu einem abgelegenen Fluss in Colorado zu fahren. Der Fluss gabelte sich in zwei Teile; die eine Seite wurde von Ranchern bewirtschaftet, die natürliche Merkmale wie Biberdämme zerstörten, während die andere Seite unberührt blieb. Die Familie stellte fest, dass die Fischerei auf der erhaltenen Seite besser war, was Abe dazu veranlasste, die Gesundheit der beiden Flussökosysteme zu messen. In der High School war er Mitautor einer Studie, die zeigte, dass es im Flussbett mit den Biberdämmen mehr nützliche Insekten gab.

Grundbaustein von Natel Energy

Diese Erfahrung lehrte die beiden Geschwister eine Lektion, die sie nicht vergessen haben. Heute sind sie Mitbegründer von Natel Energy, einem Unternehmen, das versucht, natürliche Flussökosysteme mit Wasserkraftsystemen zu imitieren, die nachhaltiger sind als herkömmliche Wasserkraftwerke.

„Die wichtigste Erkenntnis für uns, und das haben wir die ganze Zeit getan, ist die Überlegung, wie die Infrastruktur dazu beitragen kann, die Gesundheit unserer Umwelt zu verbessern – und Biberdämme sind ein gutes Beispiel für Infrastruktur, die es sonst nicht gäbe und die andere Tierpopulationen unterstützt“, sagt Abe. „Es ist eine Motivation für die Idee, dass Wasserkraft dazu beitragen kann, die Umwelt zu verbessern, anstatt sie zu zerstören.“

Durch neue, fischsichere Turbinen und andere Merkmale, die die natürlichen Flussbedingungen nachahmen sollen, können ihre Anlagen nach Ansicht der Gründer die Kluft zwischen Kraftwerkseffizienz und ökologischer Nachhaltigkeit überbrücken. Die Gründer glauben, dass sie durch die Nachrüstung bestehender Wasserkraftwerke und die Entwicklung neuer Projekte die Wasserkraftindustrie, die bei weitem die größte erneuerbare Stromquelle der Welt ist, aber in den letzten Jahren bei der Energieerzeugung nicht so stark gewachsen ist wie die Wind- und Solarenergie, aufwerten können.

„Wasserkraftwerke werden heute nur mit Blick auf die Stromerzeugung gebaut, während wir, wenn wir Wachstum erreichen wollen, sowohl die Effizienz als auch die Nachhaltigkeit der Flüsse berücksichtigen müssen“, sagt Gia.

Gründung von Natel Energy

Die Geschwister machten die ersten Schritte ihres Werdegangs am MIT. Gia kam 1995 ans MIT und studierte Chemieingenieurwesen, während Abe drei Jahre später folgte und sowohl seinen Bachelor- als auch seinen Master-Abschluss in Maschinenbau machte. Dabei verloren sie die Wasserkraft nie aus den Augen.

Im Rahmen des MIT $100K Entrepreneurship Competitions von 1998 (damals waren es $50K) präsentierten sie eine Idee für Wasserkraftwerke, die auf einem linearen Turbinendesign basierte. Sie wurden zu Finalisten des Wettbewerbs ernannt, wollten aber noch mehr Erfahrung in der Industrie sammeln, bevor sie ein Unternehmen gründeten. Nach dem Studium arbeitete Abe als Maschinenbauingenieur und war als Berater für die Betreiber kleiner Wasserkraftwerke tätig, während Gia in den Energieabteilungen einiger großer Finanzunternehmen arbeitete.

Im Jahr 2009 erhielten die Geschwister zusammen mit ihrem verstorbenen Vater Daniel einen Zuschuss für Kleinunternehmen in Höhe von 200.000 US-Dollar und gründeten Natel Energy. Zwischen 2009 und 2019 arbeiteten die Gründer an einem linearen Turbinendesign, das Abe als Turbinen auf einem Förderband beschreibt. Sie patentierten das System und setzten es an einigen Standorten ein, aber das Problem der sicheren Fischpassage blieb bestehen.

Scharfe Schaufeln unnötig

Dann führten die Gründer einige Modellierungen durch, die darauf hindeuteten, dass sie mit einer extrem abgerundeten Kante an einer Turbinenschaufel – im Gegensatz zu den scharfen Schaufeln, die normalerweise für Wasserkraftturbinen verwendet werden – einen hohen Kraftwerkswirkungsgrad erzielen könnten. Diese Erkenntnis brachte sie zu der Einsicht, dass sie keine scharfen Schaufeln brauchten und vielleicht auch keine komplexe neue Turbine.

„Es ist so kontraintuitiv, aber wir sagten uns, dass wir vielleicht die gleichen Ergebnisse mit einer Propellerturbine erzielen können, die am häufigsten verwendet wird“, sagt Abe. Es begann als Scherz – oder als Herausforderung – und er machte einige Modellierungen und erkannte schnell: „Heiliger Strohsack, das könnte tatsächlich funktionieren! Statt eines Antriebsstrangs mit der Komplexität eines Jahrzehnts hat man einen Antriebsstrang mit einem einzigen beweglichen Teil und fast keiner Änderung der Belastung, und das in einem Formfaktor, an den die gesamte Branche gewöhnt ist.“

Die von Natel entwickelte Turbine verfügt über dicke Schaufeln, die laut Tests von Dritten mehr als 99 Prozent der Fische sicher passieren lassen. Die Turbinen von Natel ermöglichen auch die Passage wichtiger Flusssedimente und können mit Strukturen gekoppelt werden, welche die natürlichen Merkmale von Flüssen wie Baumstämme, Biberdämme und Felsbögen nachahmen.

„Wir wollen eine möglichst effiziente Maschine, aber auch eine möglichst fischsichere Maschine, und diese Schnittmenge hat zu unserem einzigartigen geistigen Eigentum geführt“, sagt Gia.

Aufladung der Wasserkraft

Natel hat bereits zwei Versionen seiner neuesten Turbine, der so genannten Restoration Hydro Turbine, in bestehenden Anlagen in Maine und Oregon installiert. Das Unternehmen hofft, dass bis Ende dieses Jahres zwei weitere Anlagen installiert werden, darunter auch eine in Europa, einem Schlüsselmarkt für Natel aufgrund seiner strengeren Umweltvorschriften für Wasserkraftwerke. Nach Angaben der Gründer haben die ersten beiden Turbinen seit ihrer Installation mehr als 90 Prozent der im Wasser vorhandenen Energie in Energie an der Turbine umgewandelt – ein vergleichbarer Wirkungsgrad wie bei herkömmlichen Turbinen.

Natel ist der Ansicht, dass seine Systeme eine wichtige Rolle bei der Förderung der Wasserkraftindustrie spielen können, die mit einer zunehmenden Kontrolle und Umweltvorschriften konfrontiert ist, die andernfalls zur Schließung vieler bestehender Anlagen führen könnten. Die Gründer geben an, dass die Wasserkraftwerke, die das Unternehmen möglicherweise in den USA und Europa nachrüsten könnte, eine Gesamtkapazität von etwa 30 GW haben – genug, um Millionen von Haushalten mit Strom zu versorgen.

Natel hat auch den Ehrgeiz, völlig neue Anlagen auf den vielen nicht mit Strom betriebenen Dämmen in den USA und Europa zu bauen. (Derzeit sind nur 3 Prozent der 80.000 Staudämme in den Vereinigten Staaten mit Strom versorgt.) Die Gründer schätzen, dass ihre Systeme in den USA und Europa etwa 48 GW an neuer Elektrizität erzeugen könnten – das entspricht der Leistung von mehr als 100 Millionen Sonnenkollektoren. „Die Zahlen, die wir vor Augen haben, sind ziemlich aussagekräftig“, sagt Gia. „Wir könnten die bestehende installierte Basis erheblich erweitern und gleichzeitig die bestehende Basis modernisieren, um weiterhin produktiv zu sein und gleichzeitig moderne Umweltanforderungen zu erfüllen.“

Insgesamt sehen die Gründer die Wasserkraft als eine Schlüsseltechnologie für den Übergang zu einer nachhaltigen Energieversorgung an, eine Einschätzung, die auch von der jüngsten MIT-Forschung geteilt wird. „Wasserkraft liefert heute den Großteil der Stromzuverlässigkeitsdienste in vielen dieser Bereiche – Dinge wie Spannungsregulierung, Frequenzregulierung, Speicherung“, sagt Gia. „Das ist der Schlüssel zum Verständnis: Beim Übergang zu einem kohlenstofffreien Netz brauchen wir ein zuverlässiges Netz, und die Wasserkraft spielt dabei eine sehr wichtige Rolle. Vor allem, wenn wir diesen Übergang so schnell wie möglich vollziehen wollen, werden wir jedes bisschen emissionsfreier Ressourcen brauchen, das wir bekommen können.“