Wellenkraftwerk

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Wellenkraftwerke sind eine Form kleinerer Wasserkraftwerke. Sie nutzen die Energie der Meereswellen zur Gewinnung elektrischen Stromes und zählen zu dem Bereich der erneuerbaren Energien. Bisher realisierte Anlagen sind Prototypen und dienen verschiedenen Versuchen und Erprobungen.

Im Unterschied zum Gezeitenkraftwerk wird nicht der Tidenhub ausgenutzt, um die Energiedifferenz zwischen Ebbe und Flut zu nutzen, sondern die kontinuierliche Wellenbewegung.

Potenzial[Bearbeiten]

Die beim Auftreffen von Wellen auf eine Steilküste freigesetzte Leistung beträgt durchschnittlich 19 bis 30 Kilowatt je Meter Küstenlinie; die Wellen auf hoher See erreichen an den günstigsten Stellen (z.B. nordöstlicher Pazifik, nordöstlicher Atlantik, Kap Hoorn, Pazifik südlich von Neuseeland) bis zu 100 kW je Meter Wellenwalze.[1] In den Binnenmeeren (Mittelmeer, Ostsee) betragen die Werte nur etwa ein Zehntel derjenigen der Ozeane. Anhand der von Messbojen an vielen Stellen der Meere und Ozeane seit Jahrzehnten gesammelten Werte der Wellenhöhe und -periode (Zeitdauer zwischen dem Ankommen eines Wellenberges an einem Punkt bis zu Ankommen des nächsten Wellenberges) kann die für den Standort eines Wellenkraftwerks verfügbare Wellenenergie im Voraus abgeschätzt werden.

Bislang kostet der Wellenstrom in der Produktion bis zu zehn Cent pro Kilowattstunde. Der Preis ist damit etwa doppelt so hoch wie der von Windenergie. Das erste kommerzielle Wellenkraftwerk der Welt mit einer Leistung von 300 kW wurde in der Hafenstadt Mutriku in Nordspanien von dem Energieversorger Ente Vasco de la Energía in Betrieb genommen.[2][3]

Funktionsprinzipien[Bearbeiten]

Die Nutzung der Wellenenergie ist mit verschiedenen Prinzipien möglich:

  • Pneumatische Kammer: Nutzung der ein- und ausströmenden Luft in einer Kammer, in der sich der Wasserspiegel durch eine Verbindung zum Meer hebt und senkt, durch einen Windgenerator.
  • Relativbewegung von Schwimmkörpern – sogenannte Seeschlange – zueinander oder zum Ufer. Die Bewegung wird dabei meist über hydraulische Systeme umgesetzt, die den Generator antreiben.
  • Nutzung der potenziellen Energie (Höhenenergie) auflaufender Wellen auf eine Rampe (Projekt Wave Dragon)
  • Nutzung des ansteigenden Meeresbodens vor der Küste in Wassertiefen von 8 bis 23 m (Projekt WaveRoller)
  • Bewegliche Platten, Tore oder Flossen

Pneumatische Kammer[Bearbeiten]

Wellenkraftwerk

Ein erstes Wellenkraftwerk auf Basis des OWC-Prinzips (englisch Oscillating Water Column, deutsch: schwingende Wassersäule) ist seit 2001 auf der schottischen Insel Islay zu Testzwecken in Betrieb und speiste damit erstmals Strom in ein kommerzielles Stromnetz ein. Es wurde vom schottischen Unternehmen Wavegen gebaut. In diesem Kraftwerkstyp drückt jede Welle das Wasser in kaminartige Betonröhren und zieht es dann bei einem Wellental wieder heraus. Am oberen Ende münden die Röhren in Turbinen. Durch die sich auf und ab bewegende Wassersäule wird die Luft in den Betonröhren abwechselnd komprimiert bzw. angesaugt. Dadurch entsteht im Auslass ein schneller Luftstrom, der eine Wells-Turbine antreibt.

Die Leistungsdaten des Kraftwerkes auf Islay (Limpet) waren in den ersten Betriebsjahren enttäuschend. Die ursprünglich vorgesehene Jahresdurchschnittsleistung von 500 kW musste, da beim Entwurf die Auswirkung eines Meeresbodenplateaus nicht berücksichtigt worden war, auf 212 kW reduziert werden. Insgesamt wurde 2002 jedoch nur eine Durchschnittsleistung von 21 kW erreicht.[4] 2005 übernahm Voith Hydro die Firma Wavegen und konnte die Verfügbarkeit der Turbinen schrittweise auf 98 % steigern.

2011 wurde das Wellenkraftwerk in der Hafenmole des baskischen Städtchens Mutriku in Betrieb genommen. Die Anlage mit 300 kW ist das erste kommerzielle Kraftwerk dieser Art und wird vom baskischen Versorger Ente Vasco de la Energía (EVE) betrieben. Es ist mit 16 Wells-Turbinen ausgerüstet.

Der Unstetigkeit der Energieabgabe, die mit jeder Welle schwankt, versucht man durch Kurzzeitspeicher, beispielsweise Schwungrädern beizukommen. Auch der parallele Betrieb mehrerer gleichartiger Kraftwerke, die räumlich getrennt sind, kann die Schwankungen glätten.

Auftriebskörper[Bearbeiten]

Hauptartikel: Seeschlange (Wellenkraftwerk)

2 von 3 Anlagen des Typs P-750 Mitte Oktober 2007

Eine Möglichkeit, die Bewegungsenergie der Wellen zu nutzen, wird durch eine Anordnung von beweglichen, durch Gelenke verbundenen, an der Oberfläche schwimmenden Elementen (Teppich) umgesetzt. Die Meereswellen verwinden die Gesamtkonstruktion. In den Gelenken befinden sich Hydraulikzylinder. Durch die Bewegung wird die Arbeitsflüssigkeit durch Röhren mit integrierten Turbinen und Generatoren in die Ausgleichszylinder gedrückt. Die Stromerzeugung ist ungleichmässig, mittelt sich aber bei Einsatz vieler Geräte.

Eine ähnliche Konstruktion waren die frühen Salter-Enten gewesen. Hier hebt und senkt die Welle die Nockenhebel einer überdimensionalen Achse.

Pionierarbeit leistet seit einigen Jahren die Firma Pelamis Wave Power aus Edinburgh-Schottland. Sie hat das „PELAMIS“ genannte Projekt entwickelt. Das Kraftwerk ähnelt in seinem Aussehen einer Schlange. Daher auch der Name „Pelamis“ (griechisch für Seeschlange). 4 lange Stahlröhren und 3  „Energieumwandlungsmodule“ mit je 250 kW Leistung ergeben eine P-750 Anlage, die eine Nennleistung von 750 kW hat. Sie ist 150 m lang, hat einen Durchmesser von 3,5 m und wiegt mit Ballast 700 t.

Anfang Oktober 2007 lagen die 3 Anlagen P-750 001, P-750 002 und P-750 003 für letzte Tests im Hafen von Peniche (90 km nördlich von Lissabon). 2008 wurden sie dann nach Norden geschleppt und vor Aguçadoura in der Nähe von Pavoa do Varzim (nördlich von Porto/ Portugal) in Betrieb genommen.

Allerdings wurden alle drei Anlagen im ersten Quartal 2009 wegen technischer und finanzieller Probleme stillgelegt und in den Hafen von Porto geschleppt. Momentan existieren keine Angaben, ob es jemals zur Wiederinbetriebnahme kommen wird.

Mobiles Wellenkraftwerk: Öko-Trimarean (Fotomontage)

Nach dem gleichen Prinzip wurde auch ein mobiles Wellenkraftwerk als Schiffsantrieb vorgeschlagen und seit 2005 im Internet zur Diskussion gestellt. Bei dem "Öko-Trimaran"[5] genannten Entwurf setzen drei gleich große bewegliche Schwimmer die Wellenenergie über die oben beschriebene hydraulische Zwischenstufe in elektrischen Strom um. Das Schiff soll außerdem die Sonnenenergie (Fotovoltaik) und die Windenergie (Windrad) nutzen.

Auch einige Bojen-Konstruktionen[6] nutzen Hydraulikzylinder.

Bei einem Anaconda genannten Modell von Seeschlangen-Wellenkraftwerken besteht der Schwimmkörper im Wesentlichen aus einem gummiartigen Material. Die für die Herstellung nötige Energie sinkt damit im Vergleich zu den aus Stahl bestehenden Körpern anderer Modelle erheblich, wodurch sich der Erntefaktor deutlich verbessert, das heißt die für die Herstellung benötigte Menge an Energie wird in sehr viel kürzerer Zeit von der Anlage selbst wieder erzeugt.[7] [8]

Eine Variante von SRI International nutzt spezielle Polymere (gummiartige Kunststoffe), die in speziellen Bojen die Wellenbewegung in Strom umwandeln.[9]

Rampe[Bearbeiten]

Skizze Wave Dragon

Das Projekt Wave Dragon[10] besteht aus einem Wellenkonzentrator, der die Wellen durch zwei v-förmig angeordnete Barrieren zur Mitte hin konzentriert. Die so verstärkten Wellen laufen eine Rampe hinauf. Von dort aus fließt das Wasser über Turbinen, die einen Generator antreiben, zurück ins Meer. Die gesamte Anlage ist als schwimmendes Offshore-Kraftwerk ausgelegt und daher nicht an die Küste gebunden. Ein Prototyp existiert seit 2003 in Nissum Bredning, einem Fjord im nördlichen Teil von Dänemark.

Ansteigender Meeresboden in Küstennähe[Bearbeiten]

"WaveRoller" vor dem Absenken auf den Meeresboden (2012)
Markierungszeichen des Standortes des "WaveRoller" an Land und Wasser

Für die Nutzung der Wellenkraft am ansteigenden Meeresbodens in Küstennähe hat die finnische Firma AW-Energy das Waveroller[11] genannte Prinzip entwickelt. In Wassertiefen von 8 bis 20 m -also praktisch fast noch am Strand- sind auf absenkbaren Metallplattformen vertikale, bewegliche Metallplatten befestigt. Die Strömungen führen dazu, dass sich diese Metallplatten hin- und her bewegen. Ein Hydrauliksystem mit enormem Druck erzeugt in einem angeschlossenen Hydraulikmotor ein Drehmoment. In einem dahinter geschalteten Generator wird daraus elektrische Energie erzeugt. Über ein Seekabel ist die Anlage mit dem Stromnetz verbunden.

Die erste Anlage dieser Art ging im Sommer 2012 nördlich der Hafenstadt Peniche bei Baleal vor der Küste Portugals in Betrieb. Diese Anlage bestand aus einer Plattform mit drei beweglichen "Platten". Die Nennleistung betrug insgesamt 300 kW. Momentan laufen unterschiedliche Testreihen. Die Anzahl der "Platten" variiert von 1 bis 3. Am Meeresboden verankert, ist von den Anlagen über Wasser -außer den Markierungszeichen- nichts zu sehen.

Bewegliche Platten, Tore oder Flossen[Bearbeiten]

Bei dem Japanischen Wellenkraftwerk "Pendulor"[12] stoßen die am Ufer anbrandenden Wellen ein Tor auf und fließen in einen dahinterliegenden Behälter. Beim Zurückfließen wird das Tor in die andere Richtung bewegt. Die Bewegungen des Tores werden über eine Hydraulik in elektrische Energie umgesetzt.

Der Schiffsentwurf "Orcelle" der Reederei Wallenius-Wilhelmsen, ein Übersee-Autotransporter, nutzt die Wellenenergie durch annähernd waagrecht unten am Rumpf angeordnete Platten, die vom Wellengang jeweils um eine quer zur Fahrtrichtung liegende Achse bewegt werden. Dieses Schiff soll außer der Energie der Wellen auch die der Sonne und des Windes nutzen.

Dagegen bewegt sich der in Japan realisierte Katamaran "Suntory Mermaid II" ausschließlich mit Wellenkraft vorwärts. Er erreicht dabei allerdings nur sehr bescheidene Leistungen (weniger als Schrittgeschwindigkeit). Bewirkt wird das durch zwei ebenfalls annähernd waagerecht angeordnete bewegliche Platten am Heck, welche durch die Wellen um eine quer zur Fahrtrichtung liegende Welle bewegt werden.

Um eine schwimmende Klappe, die in Küstennähe in einer Wassertiefe von 10 bis 15 Metern am Meeresboden verankert wird, handelt es sich bei der Entwicklung der Firma Aquamarine Power. 2009 wurde ein erster Prototyp dieser Anlage ("Oyster 315" mit 315 kW) im Testfeld Billia Croo des European Marine Energy Centres (EMEC) auf den Orkney-Inseln geprüft. Bei diesem Anlagentyp werden durch die Hin- und Herbewegung der Klappe zwei hydraulische Kolben angetrieben, die Wasser durch eine Rohrleitung an Land pumpen. Das unter hohem Druck stehende Wasser treibt hier eine Turbine an.

Probleme[Bearbeiten]

Viele Versuchsanlagen wurden durch Winterstürme zerstört, die etwa hundertmal so viel Leistung liefern wie die Wellenbewegung während der anderen Jahreszeiten.[13] Da deshalb mit Wellenkraftwerken noch keine ausreichenden Erfahrungen vorliegen, weiß man über die ökologischen Auswirkungen, beispielsweise auf Meereslebewesen, bisher wenig.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Wellenenergie-Karte
  2. Mutriku, das erste Wellenkraftwerk
  3. Pressemitteilung auf der Seite des Turbinenausrüsters
  4. ETSU Report V/06/00180/00 Rep, wavegen.co.uk (PDF; 1,4 MB)
  5. Öko-Trimaran
  6. vgl. z. B. SRI Wave-Buoy Generator (EPAM) auf YouTube
  7. 4. Juli 2008, in: New Scientist
  8. Renewable Energy World, 15. Juli 2008
  9. SRI Demonstrates Ocean Wave-Powered Generator off California Coast, 8. Dezember 2008, SRI International
  10. wavedragon.net und The Wave Dragon wave energy converter auf YouTube
  11. [1]
  12. Pendulor (PDF; 88 kB)
  13. Pico OWC – Wie ein fauchendes Monster. Von den Besonderheiten der Wellenenergiegewinnung auf dem Mittelatlantischen Rücken