Energie aus dem Meer

16.12.2005

Gezeiten- und Wellenkraftwerke sind im Kommen, noch aber ist ungewiss, welche Technik sich durchsetzen wird

Deutschland hat nicht nur wenig Öl, sondern auch wenig Sonne und Wind. Noch ist Deutschland Weltmeister in der Photovoltaik und Windenergie - durchaus sinnvoll, denn Wind und Sonne kosten nichts, aber die Anlagen zur Energiegewinnung sind teuer. Das haben die Deutschen auch bei der Meereskraft verstanden: Obwohl Deutschland etwa im Vergleich zu Großbritannien nicht nur kaum Küste hat, sondern eigentlich gar keine Küste mit starken Gezeiten oder Strömungen, könnten hier dennoch Gezeiten- und Wellenkraftwerke entwickelt und exportiert werden.

Was aussieht wie eine Windkraftanlage, die ins Wasser abgesetzt wird, ist der SeaFlow am 16. Juni 2003 (Foto: Marine Current Turbines Ltd.)

Im Gegensatz etwa zur Windenergie, bei der die Technik mittlerweile gut erforscht und wettbewerbsfähig ist, sind Gezeiten- und Wellenkraftwerke noch im Kommen. Noch ist auch keineswegs klar, welche Techniken sich auf dem Markt durchsetzen werden. Dabei läuft ein solches Gezeitenkraftwerk bereits seit 1966 bei La Rance zwischen den französischen Städtchen St. Malo und Dinard.

Wellenkraftwerke könnten, so George Lemonis vom griechischen Zentrum für Erneuerbare Energien in der Encyclopedia of Energy (Elsevier Press), 10% unseres heutigen weltweiten Strombedarfs decken, während Gezeitenkraftwerke den Bedarf um den Faktor 50 übertreffen könnten. Schließlich bedecken die Ozeane rund 3/4 der Erdoberfläche; dort wird also der Großteil der auf die Erde eintreffende Solarenergie gespeichert. Hinzu kommt, dass Gezeiten- und Wellenkraftwerke zuverlässig laufen. Der Strom wird mit einer nahezu hundertprozentigen Vorhersagbarkeit erzeugt.

Das Kraftwerk als Staudamm

Wenn das Kraftwerk bei La Rance problemlos läuft, warum wurden dann nicht mehr gebaut? Ein Grund dürfte sein, dass Frankreich bereits 1966 alle Karten auf die Kernenergie gesetzt hatte. Möglicherweise gab es Interessenkonflikte bei Électricité de France. Außerdem wäre die Anlage bei La Rance nicht leicht zu reproduzieren, da das Kraftwerk in eine natürliche Formation eingebaut ist. Der Damm, der die zwei Städte quasi als befahrbare Brücke verbindet, musste nicht sehr breit sein, obwohl das Volumen hinter dem Damm sehr groß ist, weil die Schlucht so weit ins Landesinnere reicht. Das Kraftwerk bei La Rance ist mit einer Leistung von 240 MW immer noch weltweit die größte Anlage. Das zweitgrößte Kraftwerk am kanadischen Annapolis River hat lediglich eine Leistung von20-25 MW. Ein Kohlekraftwerk erreicht leicht 600 MW, ein Kernkraftwerk meist um die 1.000 MW.

Das Kraftwerk bei La Rance ist also technisch gesehen mehr oder weniger ein Staudamm. Die Turbinen in La Rance unterscheiden sich übrigens nicht von denen, die in Staudämmen in Frankreich verwendet werden. Allerdings unterscheidet sich La Rance in einer Hinsicht grundsätzlich von einem Staudamm: Das Kraftwerk ist so ausgelegt, dass es Strom in beide Richtungen erzeugen kann - die Flut füllt die Schlucht und während der Ebbe fließt das Wasser wieder aus dem Becken ins Meer.

Hier beginnt aber bereits das Problem, denn das Kraftwerk befindet sich an der Mündung des Flusses La Rance, der das Becken ständig nachfüllt. In La Rance wurde bald festgestellt, dass das Kraftwerk deshalb am besten funktioniert, wenn es nur im "Ebbe-Modus" läuft, d.h. bei Flut wird kein Strom erzeugt, sondern das Becken wird gefüllt. Wäre eine Lagune statt eines Flusses hinter dem Damm, könnte das Kraftwerk effizienter Strom in beiden Richtungen erzeugen. Doch mittlerweile weiß man, dass dadurch die Effizienz nicht erhöht wird. Um Kosten zu senken, erzeugen heute solche Gezeitenkraftwerke (tidal barrages) Strom in der Regel nur bei Ebbe. Sollte die Stromerzeugung bei Ebbe und Flut erwünscht sein, zum Beispiel um sie besser über den Tag zu verteilen, könnte man ein zweites Kraftwerk in einer nahe gelegenen Lagune installieren, das bei Flut in Betrieb geht, damit die zwei Kraftwerke sich gegenseitig ausgleichen.

Leider haben jedoch, genau wie die ähnlich konstruierten Staudämme, solche Gezeitenkraftwerke einen merklichen Einfluss auf die Umwelt. Ökosysteme an Küsten sind um den natürlichen 12-Stunden-Zyklus entstanden, aber hinter solchen Gezeitenkraftwerken sind die Becken entweder länger (bei Ebbe-Betrieb) oder kürzer (bei Flut-Betrieb) als normal gefüllt. Neben den noch unkalkulierbaren Kosten ist der Einfluss auf die Umwelt wohl der Hauptgrund für das Ausbleiben anderer Projekte - z.B. im Seven Estuary im Kanal zwischen Bristol/England und Cardiff/Wales. Dort könnten Gezeitenkraftwerke 6-8% der britischen Stromversorgung mit einer installierten Kapazität von 8.640 MW decken (im Vergleich zu 17.000 MW beim Drei-Schluchten-Damm in China). Zur Zeit wird jedoch über einen Neustart des Projekts gemunkelt, das Ende der 1980er auf Eis gelegt wurde, als Großbritannien mit Öl aus der Nordsee quasi überflutet war.

Laut Firmenangaben soll SeaGen 2007-2008 kommerziell vermarktet werden. Solche Turbinen können auch unter stillgelegten Ölplattformen installiert werden -- und davon werden wir bald jede Menge haben. (Es gibt außerdem Pläne, Windanlagen auf solchen Ölplattformen zu installieren, z.B. im Golf von Mexiko.) (Foto: Marine Current Turbines Ltd.)

Neue, umweltverträglichere Techniken

Nun könnten aber neue Techniken zum Einsatz kommen, die umweltverträglicher sind, denn es hat sich seitdem viel getan. Gezeitenkraftwerke sind nicht mehr bloße Staudämme, die man vor Lagunen setzt, sondern Unterwasserrotoren, hydraulische Hebevorrichtungen und Rohre, die die Druckschwankungen unter Wasser auf eine Turbine an Land übertragen. Letztere Technik ist beispielsweise für die San Francisco Bay im Gespräch - eine der besten natürlichen Formationen für Gezeitenkraftwerke in den USA. Die Stadt San Francisco könnte ihren ganzen Strombedarf aus der Bay decken und den Rest exportieren. Die britische Firma HydroVenturi hat das System entwickelt, das die ganze Elektronik and technische Einrichtungen aus dem Wasser holt und an Land setzt.

Das neue Unterwasserrotor-System ist Windenergieanlagen abgeschaut. Weil Wasser eine größere Energiedichte aufweist - 850 mal mehr als Luft -, kann man mit viel kleineren Rotoren auskommen, die sich auch noch viel langsamer drehen. Eine der Firmen, die diese Technik entwickelt haben, ist die britische Marine Current Turbines Ltd. Ihr SeaGen-System hat zwei Rotoren auf beiden Seiten eines Turms und einer installierten Leistung von 1 MW (Windkraftanlagen haben heute leicht 2 MW). SeaGen ist die Weiterentwicklung des einrotorigen SeaFlow, die mit nur einem Rotor auskam.

Das Stingray-Konzept verfolgt einen völlig anderen Ansatz. Hier drückt die Strömung einen Flügel rauf und runter, der einen hydraulischen Generator antreibt. Nachdem mehrere Testanlagen vor der Küste der Shetland-Inseln erfolgreich funktioniert haben, möchte die britische Firma Engineering Business eine 500-kW-Anlage im "Feld" testen. Diese Anlage hat den Vorteil, dass es gar keine schnellen Bewegungen gibt, die Meerstiere gefährden könnten. (Foto: Engineering Business)

Ganz klar: Großbritannien führt auf diesem Sektor, weil es neben Frankreich und Irland das meiste Meereskraftpotential in Europa hat. Aber obwohl Deutschland kaum Küste und keine Flächen mit großen Gezeiten hat, mischt man trotzdem bei der Entwicklung im SeaFlow-Projekt mit, denn die Gezeiten kosten nichts, aber die Anlagen schon.

Wellenkraft Die Anlagen zur Stromerzeugung durch Wellenkraft teilen sich in drei Hauptgruppen: die erste wird von den Wellen überschwemmt; die zweite besteht aus einer oszillierenden Wassersäule und die dritte ist eine Art "Gelenkschlange".

Das Überschwemmungssystem heißt Wave Dragon. Dieses von 6 EU-Mitgliedstaaten geförderte Projekt war das erste Wellenkraftwerk überhaupt, das Strom in ein Netz einspeiste. Die Anlage ist mit dem Seeboden verankert, schwimmt aber an der Oberfläche. Die Wellen werden über eine Rampe in die Mitte der Anlage geleitet, wo das Wasser durchsickert und die Turbinen antreibt. Zwei 30-Meter lange Wave Dragons erzeugen jetzt schon Strom vor der Küste Dänemarks mit einer Auslastung von 80%. Kostenpunkt: zwischen 7-10 Cent pro kWh (im Vergleich: Kohlekraft kostet 3-4 Cent pro kWh, Windkraft ab 5 Cent). Wellenkraftwerke können zwischen dem 30. und 60. Breitengrad verwendet werden, denn dort sind die Wellen ausreichend stark. 2006 soll eine 150-Meter lange Anlage mit einer installierten Leistung von 7 MW vor der Küste von Wales in Betrieb gehen.

Das Wirkprinzip des Wave Dragon (Foto: Wave Dragon ApS)

Die schottische Firma Wavegen entwickelte das Oscillating-Column System (OSC). Hier wird eine Luftkammer an Land gebaut. Der Luftdruck in der Kammer wird erhöht, wenn die Wellen eintreffen - ähnlich dem Effekt beim Rohren-Gezeitenkraftwerk. Die Wellen treiben eine Wells-Turbine an Land an, die sich immer weiter dreht, egal ob die Luft in die Kammer hinein oder aus ihr herausfließt.

Das Wirkprinzip des OSC (Foto: Wavegen)

Die schottische Firma Ocean Power Delivery hat die gelenkige, schwimmende Schlange namens Pelamis entwickelt. Zur Zeit entsteht vor der Küste Portugals ein Kraftwerk aus drei solchen Schlangen mit jeweils 750 kW. Jede der 150 Meter langen Anlagen besteht aus 5 verketteten Zylindern. Indem sie sich gegeneinander verkeilen, pumpen sie eine Arbeitsflüssigkeit durch hydraulische Generatoren ähnlich wie beim Stingray. Zur Zeit zahlt Portugal 23,5 Cent pro kWh für Strom aus Wellenenergie, um seine hervorragenden Ressourcen zu entwickeln.

Eine Pelamis-Anlage im wässrigen Feldtest (Foto: Ocean Power Delivery)

Noch ist die Auswahl an möglichen Lösungen groß, und es lässt sich noch nicht sagen, welche der Techniken sich durchsetzen wird. Zum Beispiel hat Wavegens OSC-Anlage nicht zu den Ergebnissen geführt, die sich die Ingenieure anfangs erhofft hatten, obwohl sie der Auffassung sind, dass dies auf eine falsche Einschätzung der Lage und nicht etwa auf ein inhärentes Problem in der Technik zurückzuführen ist.

Am Ende könnte sich aber ganz eine andere Technik durchsetzen - vielleicht das alte, fast schon ad acta gelegte Meereswärmekraftwerk (OTEC - Ocean Thermal Energy Conversion). Hier wird die Temperaturdifferenz zwischen Wasserschichten im Meer ausgenutzt, um Strom zu erzeugen, z.B. durch den Rankine- oder Kalina-Prozess. Am Äquator sind die Temperaturunterschiede am größten, weshalb diese Technik die Wellenkraft bestens ergänzt, da Wellen am Äquator schwach sind.

Das erste OTEC-Kraftwerk wurde vom französischen Erfinder der Neonröhre entwickelt und ging bereits 1930 in Kuba in Betrieb. Die Anlage hat sich jedoch nicht rentiert, weil der Eigenverbrauch die Erzeugung überstieg. Georges Claude war bald pleite. Mehr als 75 Jahre später konnte die Forschung immer noch keinen kommerziellen Erfolg für die OTEC verbuchen, auch wenn das Arbeitsprinzip mittlerweile als bewiesen gilt. Angesichts zunehmender Energieknappheit sollte aber versucht werden, schleunigst Konzepte zu entwickeln, wie wir Wellen- und Gezeitenkraftwerke wettbewerbsfähig machen können.

Craig Morris übersetzt bei Petite Planète und ist der Autor des Telepolis-Buches Zukunftsenergien.

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