Trinkwassergewinnung mittels Wellenenergie

23.12.2005

Wellenkraftwerke sollen angekoppelte Entsalzungsanlagen mit Energie beliefern

In den letzten Jahren entstand im Rahmen der Entwicklung alternativer Energiequellen auch eine Wellenenergie- Industrie - trotz aller Widrigkeiten. Obwohl die Technologie relativ neu und gegenwärtig noch nicht mit Technologien wie der Windkraft wirtschaftlich konkurrieren kann, erfreut sie sich wachsender Beliebtheit. Schließlich gehört die Energiedichte von Ozeanwellen zu den höchsten innerhalb der Klasse regenerativer Energiequellen. Zwei australische Unternehmen wollen durch die Verbindung ihres Know-hows erschwinglich Meerwasser in Trinkwasser umwandeln.

Groben Schätzungen zufolge transportieren Meereswellen pro Jahr rund zehn Millionen Terawattstunden (TWh) Energie, das Potential zum Beitrag für den Weltenergiemarkt wird auf eine Größenordnung von 2000 TWh pro Jahr geschätzt - das entspricht ca. 10% der weltweiten Elektroenergieerzeugung. Zur Energieerzeugung können neben Oberflächen- und Gezeitenwellen auch Meeresströmungen genutzt werden.

Verschiedene Projekte beschäftigten sich weltweit bereits seit mehreren Jahrzehnten mit Gezeiten- und Wellenspeicherkraftwerken. Bei Wellenkraftwerken wurden Konstruktionsschwächen durch die große Zerstörungskraft der Ozeane (wie z.B. OSPREY 1, Wave Dragon) sichtbar. Zusätzlich auftretende Schwierigkeiten bei der Energieerzeugung während geringem Wellengang haben den flächendeckenden Einsatz dieser Anlagen bisher ausbleiben lassen - ebenso die mit dem Ölpreis schwankenden Energie- Vorstellungen von politischen Entscheidern.

Unter den verschiedenen Typen der Meereswellen haben vom Wind erzeugte Wellen die höchsten Energiekonzentrationen. Einmal entstanden, können sie tausende von Kilometern zurücklegen, ohne viel von ihrer Energie zu verlieren. In Küstennähe nimmt aufgrund der Wechselwirkungen mit dem Meeresboden die Energieintensität ab. Diese Energiestreuung kann durch Vorgänge wie Reflektion und Refraktion kompensiert werden und zu Energiekonzentrationen ("hot spots") führen. Unregelmäßigkeiten bei Wellenamplitude, Phase und Richtung erschweren die Nutzung der Energie der Wellen. (Quelle)

Das Interesse an der Nutzung der Wellenenergie unterlag in den letzten 30 Jahren einem zyklischen Auf und Ab aus Enthusiasmus, Enttäuschung und abermaligem Überdenken. Auch in Europa gibt es Wellenkraft-Interessenten. Studien für das Nordostatlantik-Gebiet bezifferten die Ressource "Wellenleistung" mit 290 GW.

Das weltweite durchschnittliche Leistungspotential von Wellen, in Kilowatt pro Meter Wellenkamm, stark vereinfacht. Wie andere regenerative Energiequellen ist auch die Wellenenergie ungleichmäßig verteilt. Eine erhöhte Wellenaktivität ist in den mittleren Breiten (30° - 60°) beider Erdhälften anzutreffen. Die Verteilung der Wellenenergie entspricht im Wesentlichen der Verteilung der Windenergie. (Quelle)

Das Port Kembla-Wellenkraftwerk

In letzter Zeit rückte die Nutzung der Meeresenergie als direkte Prozessenergie für Meerwasserentsalzungsanlagen in den Blickpunkt der Fachleute. So auch bei Energetech Australien, wo man ursprünglich lediglich vorhatte, günstig Energie aus Wellenkraft zu erzeugen, aber die nun eingegangene Partnerschaft mit dem australischen Entsalzungs-Spezialisten H2AU geht weiter und sieht die unmittelbare Nutzung der gewonnenen Energie zur Meerwasserentsalzung vor.

Die Anlage soll in Küstennähe arbeiten - die anfallende konzentrierte Salzlösung wird weit entfernt vom Land an das Meer zurückgegeben. Das gewonnene Trinkwasser wird in einer Pipeline zum Festland transportiert. Die Rückgabe der aufkonzentrierten Salzlösung kann in kleineren Meeresgewässern (Meeresbuchten, Randmeere) mit niedrigen Austauschraten zu angrenzenden Meeren zu Umweltproblemen führen, z.B. am Persischen Golf. Die erhöhte Salzfracht verteuert wiederum die Meerwasserentsalzung, so dass dort bei unveränderter Salzkonzentrat- Einleitung ab 2015 mit Problemen in der Trinkwasserversorgung gerechnet wird.

Das Prinzip der oszillierenden Wassersäule. Durch die Energie der einlaufenden Wellen angetrieben, strömt Wasser durch eine unter dem Meeresspiegel liegende Öffnung in eine Kammer. Die Wassersäule schwingt mit der Frequenz der Wellen auf und ab und erzeugt so oszillierende Luftströmungen, die eine Turbine in der oberen Kammeröffnung antreiben. Lösungen für ausgereifte Turbinen- Technologien gelten als entscheidend für den Durchbruch bei der Kommerzialisierung von OWC- Kraftwerken. (Quelle)

Energetechs Wellenkraftwerk, 80 km südlich von Sydney bei Port Kembla gelegen, bedient sich des OWC-Prinzips (Oscillating Water Column - oszillierende Wassersäule in einer pneumatischen Kammer). Dieses ist seit längerem etabliert und gilt heute als Standardtechnik (Übersicht) zu weltweit betriebenen OWC-Kraftwerken). Im Kleinmaßstab wird sie seit Jahrzehnten zur Energieversorgung von Leuchtbojen (OWC-Bojen) eingesetzt. Auch in Europa gibt es OWC-Anlagen (Pico-OWC auf der Azoreninsel Pico mit 400 kW, LIMPET auf Islay/ Schottland mit 500 kW). Dieser Kraftwerkstyp bietet sich außerdem für eine Integration in den Küstenschutz an.

Port Kembla- Wellenkraftwerk von Energetech, schematisch. Quelle: Alain Clément, Pat McCullen, António Falcão, Antonio Fiorentino, Fred Gardner, Karin Hammarlund, George Lemonis, Tony Lewis, Kim Nielsen, Simona Petroncini et al. Renewable and Sustainable Energy Reviews 6 (2002) 420 (Quelle)

Die installierte Deniss-Auld-Turbine (3kW), eine Alternative zu der bisher häufig in OWC-Aggregaten eingesetzten Wells-Turbine, weist eine Einzelblattverstellung mit vergleichsweise geringen Umdrehungszahlen (500 Umdrehungen pro Minute) sowie höherem Drehmoment auf - das soll unter anderem die Notwendigkeit von Wartungsarbeiten mindern. Ein Drucksensor misst den Druck jeder ankommenden Welle am Kammereingang und sendet eine druckproportionale Spannung an einen PLC (Programmable Logic Controller), der verschiedene Parameter zur Optimierung der Turbineneffizienz anpasst. Die Turbine ist ein Schlüsselelement für die Effizienz der gesamten Anlage und muss der Tatsache Rechnung tragen, dass der Luftstrom nicht ständig mit konstanter Geschwindigkeit aus der gleichen Richtung kommt (Kompression/Dekompression).

Das Port Kembla- Wellenkraftwerk von Energetech und JPKenny Ltd. ist für den Betrieb in Küstennähe ausgelegt. 36 Meter lang, 35 Meter breit, Masse: 485 Tonnen. Die Baustahl- Konstruktion ist 200 Meter vor dem Wellenbrecher von Port Kembla auf dem Meeresboden verankert und soll einem Sturm, der einmal alle hundert Jahre vorkommt, widerstehen können. Wände zu beiden Seiten der Eintrittsöffnung fokussieren die Energie der Wellen in die OWC- Kammer. Der entstehende Luftstrom treibt mit seiner hohen Geschwindigkeit die Turbine an. So sollen mindestens 500 MWh Elektroenergie pro Jahr geliefert werden. (Quelle)

Die Anlage speist vor Ort per 11 kV- Kabel in das örtliche Netz ein und wird bis zu 500 Haushalte mit Strom versorgen. Ein Teil der Energie soll jedoch einer angekoppelten Meerwasserentsalzungsanlage zugeführt werden - Energie ist bei Meerwasserentsalzungs- Verfahren ein Hauptkostenfaktor. H2AU ist spezialisiert in Entsalzungsanlagen für Kreuzfahrtschiffe und marine Strukturen wie Ölplattformen. Mittels umgekehrter Osmose sollen im Verbund mit dem Port Kembla-Wellenkraftwerk neben Elektrizität mit verbleibenden Teilkapazitäten 2.000 Liter Trinkwasser pro Tag produziert werden.

Kürzlich durchgeführte Tests geben nach Firmenangaben Anlass zu mehr Optimismus: ein ausgewachsenes Exemplar könnte 1.500 Haushalte mit Strom beliefern oder aber täglich 3 Millionen Liter Trinkwasser bereitstellen. In einem weiteren Schritt wollen Energetech und H2AU den sich in der pneumatischen Kammer aufbauenden Druck der Luftsäule direkt als Arbeitsdruck für die Umkehrosmose nutzen. Damit entfiele der verlustbehaftete Schritt der Umwandlung in elektrische Energie, die anschließend die den Arbeitsdruck bereitstellenden Pumpen antreibt.

Energetech prüft derzeit neben Australien Projekte in den Vereinigten Staaten, Spanien und Großbritannien. Die australische Regierung will bis 2010 jährlich 9.500 GWh zusätzliche Energie aus regenerativen Quellen erschließen - das entspricht dem Bedarf von vier Millionen Menschen (MRET - Mandatory Renewable Energy Target). Das Port Kembla-Wellenkraftwerk nimmt sich bei dieser Größenordnung zwar bescheiden aus, leistet jedoch als Demonstrationsanlage neben dem erzielten Erkenntnisgewinn einen wichtigen Beitrag zur Verbreitung und Kommerzialisierung von Wellenkraftwerken. Eine Serienproduktion würde den Baupreis auf 1,6 Millionen US-Dollar drücken und so zu einer preislich vertretbaren Energiequelle führen, die auch mit Kohlestrom konkurrieren kann. Energetech erwartet einen Strompreis von rund 5 US-Cent pro Kilowattstunde, der Amortisierungszeitraum eines Kraftwerks soll bei 100 Jahren liegen.

Und auch in Deutschland wird wieder über der Nutzung der Energie der Meereswellen zu reden sein - spätestens beim 1. Deutschen Meeresenergie- Forum, das Mitte Januar 2006 im Rahmen der "Clean Energy Power 2006" im Berliner ICC stattfindet.

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