Wasserkraft Ohne Staudamm: Strom dezentral an Kanälen erzeugen

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Wasserkraft bleibt oft ungenutzt, wo die Strömung zu schwach scheint. Doch auch schwache Strömungen lassen sich nutzbar machen: Ein amerikanisch-deutsches Erfinderduo entwickelte dazu ein modulares System aus Hydro-Transition-Unit und paarweise angeordneten Rotoren. Aus dem Forschungsprojekt entstand ein international tätiges, marktfähiges Start-up. 

Wasserkraft ist weltweit die größte Quelle erneuerbarer Energie. Laut der Internationalen Energieagentur wird mittels Wasserkraft beinahe so viel Energie erzeugt wie durch alle anderen erneuerbaren Quellen zusammen. Dennoch bleibt enormes Potenzial ungenutzt. Emily Morris und Professor Thorsten Stoesser haben eine dezentrale Wasserkraftanlage entwickelt, mit der neue Standorte erschlossen werden: Sie nutzt den Wasserfluss in Kanälen und Wasserwegen, an denen herkömmliche Wasserkraftanlagen wirtschaftlich nicht tragfähig wären. Für ihre Arbeit wurde das Erfinderduo als Finalist in der Kategorie "Nicht-EPO-Staaten" des Europäischen Erfinderpreises 2026 ausgewählt.

Wie lässt sich Wasserkraft in bestehenden Kanälen und Wasserwegen nutzen?

Herkömmliche Wasserkraftanlagen gibt es in den verschiedensten Größen, von großen Wasserkraftwerken mit Staudamm, bis hin zu Mikro-Wasserkraftwerken, die in der Regel die natürliche Wasserströmung ausnutzen. In vielen dieser kleineren Systeme strömt das Wasser an den Turbinen vorbei oder fließt mit geringer Geschwindigkeit durch sie hindurch, wodurch sie eher wenig Strom erzeugen.

Die Lösung, die Morris und Stoesser entwickelt haben, verfolgt einen neuen Ansatz: Das modulare System erzeugt Strom direkt in vorhandenen Kanälen. Kernstück des Konzepts ist eine "Hydro-Transition Unit", die den Wasserstrom lenkt und verengt, sodass das Wasser mit höherer Geschwindigkeit durch die Turbinen strömt. Mit diesem beschleunigten Wasserstrom wird in flachen, langsam fließenden Wasserwegen mehr Energie erzeugt.

Das System besteht aus paarweise angeordneten, gegenläufigen Darrieus-Rotoren an einer Vertikalachse – eine Konfiguration, die auch für flache Kanäle und variable Wasserstände geeignet ist. Jedes Modul erzeugt in der Regel 5 bis 25 Kilowatt. Das modulare Prinzip ermöglicht die schrittweise Vergrößerung des Systems im Laufe der Zeit entlang eines Wasserkanals. Standardisierte Turbinenbauteile, modulare Rinnen und die Montage nach dem Kassettenprinzip ermöglichen ein schnelles Ein- und Ausbauen der Module zur Wartung ohne Unterbrechung des Wasserflusses. 

Die konstruktive Lösung der Hydro-Transition-Unit ist bewusst einfach gehalten und basiert hauptsächlich auf Schwerkraft und Reibung zwischen dem Betonfundament und dem Kanalbett. Die auf die Einheit wirkenden hydrodynamischen Kräfte lassen sich aus Wasserdruck und Strömungsbedingungen berechnen, sodass die Stabilität des Systems fundiert bewerten lässt. Das Entwicklungsteam fügte dann einen geeigneten Sicherheitsfaktor hinzu, um sicherzustellen, dass die Einheit während des Betriebs stabil bleibt. Dieser Ansatz vermeidet komplexe Verankerungen oder größere bauliche Eingriffe.

Was als kleines wissenschaftliches Projekt mit einer einzelnen Rinne und einer Handvoll Studierender begann, ist zu einer Technologie ausgereift, die in echten Kanälen zum Einsatz kommt

Thorsten Stoesser, Professor, University College London

Inspiration durch eine Anfrage der Pfadfinderinnen

Der Ursprung der Technologie liegt im Jahr 2008. Damals war Stoesser Assistenz-Professor am Georgia Institute of Technology. Die Girlscouts of Georgia fragten ihn nach Möglichkeiten, mit Gezeitenströmung Strom für ihr Lager zu generieren. Daraufhin begann Stoesser, in einer Wasserrinne hydrokinetische Vorrichtungen zu testen. Ungefähr zur gleichen Zeit arbeitete Morris beim Unternehmen AMT an Antriebsstrangtechnologien für die Schifffahrt. Als dieses Projekt in eine andere Richtung gelenkt wurde, erkannte sie das Potenzial, ähnliche Ingenieurkonzepte auf die Stromerzeugung mit Wasserkraft in flachen Gewässern zu übertragen.

Gründung der Firma Emrgy

2014 gründete Morris in Atlanta das Unternehmen Emrgy, um die Technologie zu vermarkten. Sie vereinte Stoessers Forschung im Bereich der Hydrodynamik mit einem modularen, skalierbaren Ingenieursansatz. Eine der größten Hürden bei der Kommerzialisierung war es, die Finanzierung sicherzustellen, um über Laborexperimente und Tests im kleinen Maßstab hinauszukommen. Die frühen Phasen erforderten Geduld, Ausdauer und Unterstützung, da die Technologie Schritt für Schritt getestet, optimiert und validiert werden musste, bevor sie als zuverlässig für den realen Betrieb gelten konnte. Dann stand das Unternehmen vor der schwierigen Aufgabe, Kanalbetreiber zu finden, die bereit waren, ein kalkuliertes Risiko einzugehen und eine neue Technologie in ihrer Infrastruktur zu einzusetzen. Letztlich bestand die technische Herausforderung nicht nur darin, das System effizient zu machen. Es musste auch robust, einfach zu bedienen und mit Blick auf die langfristige Wartung überzeugend sein. 

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Pilotprojekt verläuft nach Plan

Dank einer Partnerschaft mit der Stadt Atlanta konnte das Start-up sein System in realer Größe in einer Abwasseraufbereitungsanlage testen und das Konzept der „Hydro-Transition Unit“ verfeinern.
„Insgesamt verlief das Pilotprojekt weitgehend wie geplant, was ermutigend war, da viele unserer Annahmen aus früheren Entwicklungsphasen bestätigt wurden“, teilen Stoesser und Morris schriftlich mit. „Die wichtigste technische Herausforderung war die Variabilität des Wasserflusses im Normalbetrieb. Der Durchfluss änderte sich im Tagesverlauf um etwa 30 Prozent, wobei die höchsten Durchflussraten am späten Vormittag auftraten. Dadurch wurde deutlich, wie wichtig es ist, das System so auszulegen, dass es unter variablen Strömungsbedingungen effizient und zuverlässig arbeitet – und nicht nur unter idealen, stationären Bedingungen.“

Diese frühe Vorführanlage führte zu weiteren Projekten, unter anderem mit Denver Water. Auch das Energieministerium der Vereinigten Staaten unterstützte das junge Unternehmen von Anfang an. Gute Kommunikation und ein starkes technisches Konzept halfen dabei, Vertrauen in das Unternehmen und seine Technologie aufzubauen. „Persönliche Gespräche waren sehr wichtig, weil wir die Technologie dadurch klar erklären und Bedenken direkt adressieren konnten“, berichten die beiden Gründer. „Entscheidend war am Ende zu zeigen, dass das potenzielle Ergebnis erheblich ist, während die technischen und finanziellen Risiken vergleichsweise klein und beherrschbar sind.“

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Ausblick: Internationale Wachstumspläne

Heute hat Emrgy Vereinbarungen mit 48 Wasser- und Bewässerungsverbänden. Diese stellen Zugang zu rund 19.000 Kilometer an Kanalinfrastruktur in den USA bereit und ermöglichen die schrittweise Inbetriebnahme dezentraler Wasserkraftanlagen entlang bestehender Wasserwege. Das Unternehmen ist nicht nur in den USA, sondern auch in Neuseeland aktiv. Der Einsatz in anderen Ländern, zum Beispiel in Italien und Thailand, ist geplant. Besonders vielversprechend sind aus Sicht des Anbieters Bewässerungskanäle und Unterwasserläufe von Wasserkraftwerken, da sie in vielen Regionen der Welt oft berechenbare Strömungen und ähnliche betriebliche Anforderungen aufweisen. Obwohl sich die regulatorischen Rahmenbedingungen von Land zu Land unterscheiden, sind die grundlegenden technischen und genehmigungsbezogenen Fragestellungen in diesen kontrollierten Wassersystemen häufig vergleichbar.