Wellenkraftwerk

Wellenkraftwerke sind eine Form der Wasserkraftwerke. Sie nutzen die Energie der Meereswellen zur Gewinnung elektrischen Stromes. Wellenkraft zählt zu den erneuerbaren Energien.

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

Inhaltsverzeichnis

Potenzial

Die beim Auftreffen von Wellen auf eine Steilküste freigesetzte Leistung beträgt durchschnittlich 15 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.

Nach Berechnungen des internationalen Weltenergierates in London könnten Wellen- und Gezeitenkraftwerke 15 Prozent des weltweiten Strombedarfs decken (diese Berechnung berücksichtigt allerdings nur küstennahe Standorte). Geeignete Standorte in Europa seien die Küsten Großbritanniens, Spaniens, Portugals, Irlands und Norwegens. In Schottland könnten bis zum Jahr 2020 rund vierzig Prozent des Strombedarfs auf diese Art gedeckt 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. Die Wellenkraftwerksbetreiber hoffen, den Preis innerhalb der nächsten zehn Jahre auf vier Cent zu senken und damit dem von Kohle und Gas anzugleichen. Das erste kommerzielle Wellenkraftwerk der Welt mit einer Leistung von 300 kW wurde in der Hafenstadt Mutriku, von dem Energieversorger Ente Vasco de la Energía, in Betrieb genommen.[2][3]

Bestimmte Firmen behaupten, mit ihren jeweiligen Technologien in Serienfertigung bereits jetzt auf einen Erzeugerpreis von 3 Cent/kWh zu kommen und damit konkurrenzfähig sein zu können (z. B. Ocean Power Technologies Inc., SDE Wave Energy Ltd., Wave Dragon ApS).[4]

Funktionsprinzipien

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 8-23m (Projekt WaveRoller)
  • Bewegliche Platten, Tore oder Flossen

Pneumatische Kammer

Wellenkraftwerk

Ein erstes Wellenkraftwerk auf Basis des OWC-Prinzips („oscillating water column“, deutsch: schwingende Wassersäule) ist seit 2001 auf der schottischen Insel Islay zu Testzwecken in Betrieb und speiste damit erstmalig Strom in ein kommerzielles Stromnetz ein. Es wurde von der schottischen Firma 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.[5] 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 300 kW-Anlage 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. Vorgesehen ist, dass in Zukunft vergleichbare Anlagen in bestehenden Wellenbrechern, Hafenmauern sowie in Neubauten integriert werden.

Für 2006 plante das schottisch-färöische Konsortium SeWave die Inbetriebnahme eines Wellenkraftwerks auf der färöischen Insel Sandoy. Es beruht auf der Technologie der Anlage auf Islay. Hierzu werden Tunnel in die Kliffs gebohrt, in denen sich die Generatoren befinden sollen. Es wird das weltweit erste Kraftwerk dieser Art sein, mehrere Millionen Euro kosten und einen Ertrag von 800 Megawattstunden im Jahr liefern. Das entspricht einer durchschnittlichen Leistung von etwa 90 Kilowatt, genug für etwa 40 Haushalte. Danach soll auf den Färöern ein Wellenkraftwerk mit zehn Turbinen entstehen, das etwa 10 Millionen Euro kosten könnte und 13 Gigawattstunden im Jahr (rund 1,5 Megawatt Durchschnittsleistung) produzieren soll. Die Methode der Kliff-Tunnels soll dann auch an Orten wie den Shetlandinseln und Orkney realisiert werden.[6] [7]

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

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 inhomogen, 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 haben 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 3 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

Nach dem gleichen Prinzip wurde auch ein mobiles Wellenkraftwerk als Schiffsantrieb vorgeschlagen und seit 2005 im Internet zur Diskussion gestellt. Bei dem "Öko-Trimaran"[8] 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[9] 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 die Energiebilanz deutlich verbessert, das heißt die für die Herstellung benötigte Menge an Energie wird in sehr viel kürzerer Zeit von der Anlage selbst wieder erzeugt.[10] [11]

Ebenfalls eine bei Herstellung und Installation energiesparende und evtl. bereits in weniger als 10 Jahren auch sehr preisgünstige Variante aus Kalifornien von SRI International nutzt spezielle Polymere (gummiartige Kunststoffe), die in speziellen Bojen die Wellenbewegung in Strom umwandeln.[12]

Rampe

Skizze Wave Dragon

Das Projekt Wave Dragon[13] 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 bereits seit 2003 in Nissum Bredning, einem Fjord im nördlichen Teil von Dänemark.

Ansteigender Meeresboden in Küstennähe

Für die Nutzung der Wellenkraft am ansteigenden Meeresbodens in Küstennähe hat die finnische Firma AW-Energy das Waveroller[14] genannte Prinzip entwickelt. Dazu werden auf dem Meeresboden vor der Küste vertikal bewegliche Platten verankert. Die Platten nehmen die speziellen Bewegungen und Kräfte in den Wellen in Strandnähe auf und erzeugen in einem Hydrauliksystem einen enormen Druck. Dieser Druck erzeugt in einem angeschlossenen Hydraulikmotor ein Drehmoment. In einem dahinter geschalteten Generator wird daraus elektrische Energie. Die Verbindung zu elektrischen Anlagen an Land wird über ein Kabel hergestellt. Die erste Anlage dieser Art soll 2011 vor der Küste Portugals in Betrieb gehen. Nördlich der Hafenstadt Peniche sollen bei Baleal in einer Meerestiefe von 8-20m die Platten verankert werden. Am Meeresboden verankert, wird von den Anlagen über Wasser nichts zu sehen sein.

Bewegliche Platten, Tore oder Flossen

Bei dem Japanischen Wellenkraftwerk "Pendulor"[15] 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 waagrecht 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. Seit 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. Der Einsatz einer größeren Anlage mit 800 kW wird in 2011 erfolgen. 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. 2012 und 2013 will Aquamarine Power weitere "Austern" installieren, um ein Feld mit insgesamt 2,4 MW zu schaffen.

Kombinationsmöglichkeiten

Während bei Meeresströmungskraftwerken[16] die Luft- und Wassermassen in der gleichen Richtung strömen sollten, was nur an den Passatgürteln der Erde gegeben ist, kann die Nutzung der Windkraftanlagen gemeinsam mit der Wellenenergie überall realisiert werden[17] und es gibt eine Fülle von Variationsmöglichkeiten.[18] [19] [20] Durch Synergieeffekte werden Kosten[21] sowohl beim Bau als auch beim Betrieb eingespart. Schon bei der Entwicklung von MUFOW (Multiple Unit Floating Offshore Windfarm)[22] [23] sollten solche Hybridlösungen vom Beginn an im Mittelpunkt stehen. Das gilt ganz besonders für mobile Wellenkraftwerke an Schiffen. Dort erreicht man mit der Wellenkraft allein nur sehr bescheidene Fahrleistungen, wie das Beispiel der "Suntory Mermaid II" zeigt (siehe oben). Die Schiffsentwürfe "Orcelle" und "Öko-Trimaran" sind dagegen Hybrid-Lösungen, die allerdings eine völlig neue Gesamt-Konzeption voraussetzen.

Probleme

Viele Versuchsanlagen wurden durch Winterstürme zerstört, die etwa hundertmal so viel Leistung liefern wie die Wellenbewegung während der anderen Jahreszeiten.[24] Da deshalb mit Wellenkraftwerken noch keine ausreichenden Erfahrungen vorliegen, weiß man über die ökologischen Auswirkungen, beispielsweise auf Meereslebewesen, bisher wenig.

Siehe auch

Weblinks


Einzelnachweise

  1. [1] Wellenenergie-Karte
  2. Erstes kommerzielles Wellenkraftwerk der Welt Eintrag auf energieblog24.de
  3. [2] Pressemitteilung auf der Seite des Turbinenausrüsters
  4. wavec.org – Auflistung von Firmen und Institutionen, die sich mit dem Thema „Wellenenergie“ beschäftigen
  5. ETSU Report V/06/00180/00 Rep, wavegen.co.uk (PDF)
  6. Wellenkraftwerk, Meldung 9. Januar 2004, auf Englisch
  7. Wellenkraftwerk, Meldung 6. Januar 2005, auf Englisch
  8. Öko-Trimaran
  9. vgl. z. B. de.youtube.com
  10. 4. Juli 2008, in: New Scientist
  11. Renewable Energy World, 15. Juli 2008
  12. SRI Demonstrates Ocean Wave-Powered Generator off California Coast, 8. Dezember 2008, SRI International
  13. wavedragon.net und de.youtube.com
  14. [3]
  15. Pendulor
  16. offshore-kraftwerke.kusan.de
  17. greenoceanenergy.com
  18. oceanpowertechnologies.com
  19. waveenergy.de
  20. uni-leipzig.de
  21. tech.blorge.com
  22. kusan.de
  23. eru.rl.ac.uk
  24. Pico OWC – Wie ein fauchendes Monster. Von den Besonderheiten der Wellenenergiegewinnung auf dem Mittelatlantischen Rücken

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