Pico OWC - Wie ein fauchendes Monster

14.12.2007

Von den Besonderheiten der Wellenenergiegewinnung auf dem Mittelatlantischen Rücken

Schon seit mehreren Jahrzehnten beschäftigten sich weltweit Ingenieure mit Gezeiten- und Wellenenergiekraftwerken. Aufgrund der großen Zerstörungskraft von Meereswellen und den Folgen der Korrosion im äußerst aggressiven Medium Meerwasser wurden dabei immer wieder Konstruktionsschwächen der jeweils favorisierten Technologien spürbar.

Zusätzlich auftretende Engpässe bei der Energieerzeugung während geringem Wellengang haben den flächendeckenden Einsatz dieser Anlagen bisher ausbleiben lassen – und noch viel mehr die Folgen der mit dem Ölpreis schwankenden Energie-Visionen von politischen Entscheidungsträgern. Das Interesse an der Nutzung der Wellenenergie unterlag in den letzten 30 Jahren einem zyklischen Auf und Ab aus Enthusiasmus, Enttäuschung und neuem Anlauf. Aufgrund der gegenwärtigen Lage auf dem Energiemarkt und der Zunahme der Bedeutung erneuerbarer Energieträger könnten die Entwickler von Wellenenergie-Technologien nun einen weiteren, entscheidenden Auftrieb erfahren. Das erhoffen sich auch die Ingenieure des Wellenkraftwerks auf der Azoreninsel Pico.

Das Wellenkraftwerk auf Pico - vom Meer aus kaum zu erkennen

Verglichen mit der Sonnenenergieeinstrahlung in Erdoberflächennähe und dem praktisch nutzbaren Windenergiefluss weisen vom Wind erzeugte Meereswellen eine höhere Energiekonzentration auf. Einmal entstanden, können sie auf offener See tausende von Kilometern zurücklegen, ohne spürbare Anteile ihrer Energie zu verlieren. In Küstennähe nimmt ihre Energieintensität aufgrund der Wechselwirkungen mit dem Meeresboden ab. Diese Energiestreuung kann durch Vorgänge wie Reflektion und Refraktion kompensiert werden und zu Energiekonzentrationen, zu so genannten "hot spots" führen. Unregelmäßigkeiten bei Wellenamplitude, Phase und Richtung erschweren die Nutzung der Energie der Wellen.

Wellenenergie ist wie andere regenerative Energiequellen auch global ungleichmäßig verteilt. Eine erhöhte Wellenaktivität ist in den mittleren Breiten (30° - 60°) beider Erdhälften anzutreffen. Groben Schätzungen zufolge liegt das jährliche Mittel des theoretisch nutzbaren Potentials der Energie der Meereswellen zwischen einem und zehn Terawatt. Zur Energiegewinnung können neben Oberflächen- und Gezeitenwellen auch Meeresströmungen, Salzgehaltsunterschiede sowie thermale Gefälle zwischen warmen und kalten Wassermassen in unterschiedlichen Meerestiefen genutzt werden.

Studien für das Nordostatlantik-Gebiet beziffern die Ressource "Wellenleistung" mit 290 Gigawatt. Auch die portugiesische Küste gilt mit einem durchschnittlichen Leistungspotential der Wellen von 30 Kilowatt pro Meter Wellenkamm als viel versprechender Standort von Wellenenergiekaftwerken. In den vergangenen Jahren wurden hier bereits verschiedene Varianten gestestet. Ein aussichtsreicher Kandidat verbirgt sich auf der vom Atlantik umtosten Azoreninsel Pico in einem bunkerähnlichen Gemäuer. Auch hier haben Ingenieure den Kampf gegen die Elemente aufgenommen und trotzen den widrigen Bedingungen – und die sind nicht immer nur von der Natur gemacht.

Pilot-Projekt im Lavafeld

Die "Europäische Pilot-Anlage" auf Pico wurde zwischen 1995 und 1999 vom Instituto Superior Técnico (IST) in Zusammenarbeit mit portugiesischen, britischen und irischen Partnern gebaut – grösstenteils gefördert von der Europäischen Kommission. Erste kurze Tests des mit einer Nennleistung von 400 Kilowatt eingestuften Kraftwerks fanden im Oktober 1999 statt. Ausfälle aufgrund von Überschwemmungen sowie Ausrüstungsprobleme und Fehlfunktionen der Komponenten – hauptsächlich der Turbine - beeinträchtigten die Tests und verzögerten die Inbetriebnahme der Anlage: Zeitplanverschiebungen nach hinten sind ständige Begleiter aller Wellenenergie-Wandlerprojekte, die vor allem der Unberechenbarkeit der Elemente geschuldet sind. Doch es gab auch eine Reihe von anderen Problemen.

Der Bunker - "fauchendes Monster" inmitten erstarrter Lava. Künftig könnten in Hafenmolen integrierte OWC-Anlagen neben der Energiegewinnung auch Bedeutung für den Küstenschutz erlangen. Verschiedene Projekte sind bereits in der Planung. Quelle: Frank Neumann, Wave Energy Centre

So bestand die Regionalregierung auf einen lokalen Bauunternehmer: ein Ansinnen, das immer wieder zu Verzögerungen, unerwarteten Schwierigkeiten und Qualitätseinbußen führte, da die beauftragte Firma nicht auf eine Aufgabe dieser Größenordnung vorbereitet war. Die Entlegenheit der Insel stellte die Ingenieure vor zusätzliche logistische Probleme. Selbst einfachste Sensoren müssen bei Bedarf jeweils vom Festland eingeflogen werden.

Das Wave Energy Centre – Zweiter Anlauf auf Pico

2003 schlossen sich verschiedene Unternehmen sowie Forschungs- und Entwicklungsinstitutionen in Portugal und darüber hinaus zum gemeinnützigen Wave Energy Centre (WavEC) zusammen, das sich der Entwicklung und Förderung der Energiegewinnung aus Meereswellen verschrieben hat. Noch im gleichen Jahr schlug das WavEC ein Projekt zur Generalüberholung und zum Test der schwer in Mitleidenschaft gezogenen Anlage auf Pico vor, die praktisch vor dem Aus stand.

2004 begannen die Arbeiten im Rahmen eines neuen nationalen Finanzierungsschemas (PRIME/ DEMTEC), das Anreize für die Implementierung von Pilot-Projekten mit dem Charakter technologischer Innovationen schaffen soll. In die Sanierung des Kraftwerks auf Pico wurde ca. 1 Million Euro investiert – ein vergleichsweise bescheidener Betrag, der den beteiligten Akteuren einiges an Improvisationskunst abverlangt.

Der Zahn der Zeit nagt in Form des hoch korrosiven Meerwassers beständig am Bauwerk und hinterlässt seine Spuren. Die Betonkammer hat den ständigen Kontakt mit dem rauen Seeklima bisher überstanden und zeigt mit fortschreitender Lebensdauer noch keine maßgeblichen Beschädigungen.

Wie zum Beispiel Frank Neumann vom Wave Energy Centre. Der im Siegerland aufgewachsene Deutsche ist mittlerweile Projektingenieur des Pico-OWC und verbringt teilweise mehrere Monate des Jahres vor Ort. Gemeinsam mit dem WavEC-Gründer und Direktor António Sarmento hatte er zuvor an anderen Themen aus dem Bereich Wellenenergie gearbeitet, wie beispielsweise an der Integration von OWC-Anlagen in Wellenbrechern. 2004 war er bei den Archimedes Wave Swing-Tests an der nordportugiesischen Küste bei Póvoa de Varzim dabei.

Die im September 2005 auf Pico begonnenen Test ließen recht bald einen Schwachpunkt der Konstruktion erkennen: die Leitschaufeln des ursprünglichen Stators waren für hohe Drucke zu schwach ausgelegt. Besonders bemerkbar machte sich das bei den während nicht optimaler Turbinenoperationen immer wieder auftretenden Strömungsabrissen. Dadurch wurden die Leitschaufeln laufend beschädigt, ständige Wartungsarbeiten waren die Folge. Inzwischen wurde das Design verbessert, doch im September 2006 brach ein Rollenlager, das gerade noch kurz vor der öffentlichen Abschlusspräsentation des PRIME-DEMTEC-Projekts ausgetauscht werden konnte.

Im Innern des Bunkers

WavEC-Ingenieur Luís Viera öffnet während einer Wartungspause die wuchtige Eingangstür der Anlage und gibt den Blick frei auf das Innenleben des Kraftwerks. Die Anlage ist mit einer einzelnen, horizontal angeordneten Wells-Turbine mit feststehenden Schaufeln und beidseitigen Leitschaufeln ausgerüstet. Wells-Turbinen wurden speziell für OWC-Wellenkraftwerke konzipiert: trotz wechselnder Strömungsrichtungen der Luft laufen sie mit gleicher Drehrichtung.

Ocean Energy Conversion in Europe. Recent advancements and prospects. Quelle: European Commission, Centre for Renewable Energy Sources 2006

Der Rotor hat einen Durchmesser von 2,3 Metern, die nutzbare Drehzahl liegt zwischen 750 und 1500 Umdrehungen pro Minute – theoretisch. Mittlerweile wurde das Tragwerk der Turbo-Generator-Baugruppe zur Schwingungsdämpfung verstärkt, denn in der Nähe deren Eigenfrequenz wird durch das Auftreten von Resonanzen die Struktur des gesamten Bauwerks gefährdet. Durch diese Maßnahmen konnte die maximal zulässige Drehzahl der Turbine von vormals 1150 auf 1300 Umdrehungen pro Minute gesteigert werden. Zum Anlaufen der Turbine muss der Generator als Motor bemüht werden.

Der Stator besteht aus einem zweireihigen Leitrad, in dessen Mitte der einflächige Rotor läuft. Der 400-Kilowatt-Generator wurde so angepasst, dass über eine relativ weite Geschwindigkeitsspanne gearbeitet werden kann. Der gemittelte Wirkungsgrad für den Zwei-Wegefluss der Wells-Turbine lag bisher bei nur ca. 40% – hauptsächlich aufgrund der noch niedrigen Drehzahl, mit der sich die Wellenkraftwerker zurzeit noch begnügen müssen.

Eine weitere Turbine ähnlicher Bauart, aber mit verstellbaren Schaufeln und ohne Leitschaufeln, wartet am Instituto Superior Técnico in Lissabon auf ihren Test – vorerst im "Trocknen". Man will aufgrund ihrer Sensibilität und Komplexität kein unnötiges Risiko eingehen – denn wie sich zeigte, ist die Steuerung solcher Turbinen alles andere als trivial und sollte erst in aufwändigen Laborversuchen getestet werden. Der zweite "Turbinen-Einschub" im OWC Pico soll zunächst als Turbinen-Testplattform für verschiedene, vorwiegend kleinere Turbinentypen ausgebaut werden.

Quelle: Frank Neumann, Wave Energy Centre

Der oben abgebildete Screenshot der Steuersoftware verdeutlicht 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. Ein Bypass-Ventil im oberen Teil der pneumatischen Kammer sorgt für ein Ableiten von Energieüberschüssen bei schwerer See. Ventile im Turbinenschacht sollen die Turbinen-Generatoren-Einheit von der Kammer isolieren und zusätzlichen Schutz bei zu energiegeladenem Wellengang bieten. Eine speicherprogrammierbare Steuerung vereint alle Anfahr- und Abbruchabläufe und löst Warnmeldungen im Falle von Havarien aus. Die Steuersoftware erlaubt die direkte visuelle Kontrolle der Prozessparameter wie Temperaturen, Vibrationen, Schmierung der Turbinenlager, Ventilpositionen, Umdrehungsgeschwindigkeit, Wellenhöhe, Leistung und andere mehr. Lösungen für ausgereifte Turbinen-Technologien gelten als entscheidend für den Durchbruch bei der Kommerzialisierung von OWC-Kraftwerken. Für die nächste Generation von Wellenkraftwerken wird zudem die kurzfristige Wellenvorhersage im Sekunden- und Minutenbereich an Bedeutung gewinnen.

Zwei Container stehen 100 Meter landeinwärts und beherbergen die Steuerelektronik. Von hier aus überwacht Ingenieur Viera das reibungslose Funktionieren der Anlage. Die Arbeit in der Abgeschiedenheit am Ende der Welt scheint ihm nichts auszumachen, im Gegenteil. Er ist Azoreaner mit Leib und Seele und kann sich kaum eine andere Tätigkeit vorstellen. Er erinnert sich an die ersten Gehversuche und daran, dass die Bewohner im nahen Küstendörfchen Porto Cachorro wenig angetan waren vom Lärmpegel des Ungetüms. Hier konnte zwar mit einigen Lärmschutz-Maen Abhilfe geschaffen werden, doch ist die Geräuschkulisse eines in Betrieb befindlichen OWC-Kraftwerks nach wie vor beträchtlich.

Suspendierte Salzwasserpartikel im Luftstrom des Turbinenausgangs. Sie sind aufgrund ihres Korrosionspotentials für die Beschaffenheit der Turbinenschaufeln problematisch und hinsichtlich des Langzeitbetriebs unerwünscht. Sie entstehen hauptsächlich während energetischer Bedingungen in der pneumatischen Kammer, wenn das Ausgleichsventil ganz oder teilweise geöffnet ist und es bei fallender Wassersäule zu "Mini-Tornados" kommt. Rollt die See über die Anlage, saugt die Turbine zusätzlich Meerwassertropfen an. Quelle: Frank Neumann, Wave Energy Centre

Blick in die Zukunft: Lohnt der Aufwand?

In den Test-Zeiträumen von September-November 2005 und Juni-Oktober 2006 wurde insgesamt eine Megawattstunde ins lokale Netz der Insel eingespeist, im von vielen Wartungspausen geprägten Folgejahr noch einmal soviel. Diese Zahlen mögen auf den ersten Blick nicht groß erscheinen. Und sagen doch viel über die Anfangsschwierigkeiten bei der Etablierung einer Technologie aus, die sich nun anschicken könnte, den Kinderschuhen zu entwachsen.

Nach Meisterung vieler Schwierigkeiten zeigten die Ingenieure, dass die Anlage kontinuierlich arbeiten und selbst bei wenig energetischen Seebedingungen Energie liefern kann. Modifikationen an den erkannten Schwachpunkten sind in Arbeit. Für das "Meeresingenieurwesen" konnten fundamentale neue Kenntnisse gewonnen werden. Diesen wird demnächst größere Aufmerksamkeit zuteil werden – denn neue Projekte wie die Integration von OWC-Kraftwerken in Wellenbrechern stehen an.

Frank Neumann jedenfalls würde sich freuen, wenn das WavEC bald mit der eigentlichen Forschung am Objekt selbst beginnen könnte, denn seit zwei Jahren besteht die Hauptbeschäftigung aus dem Stopfen vor allem finanzieller Löcher. Im Vergleich mit anderen erneuerbaren Energien wird die Gewinnung der Energie des Meeres immer noch sehr stiefmütterlich behandelt und nur verhalten gefördert. Und besonders für die Wellenenergie gilt, was vorher bei der Nutzbarmachung anderer Energiequellen galt: neue Lösungen sind teuer, bis sie sich als Standard durchsetzen. Für Frank Neumann liegt es auf der Hand, dass fossile Energieträger nur dann erfolgreich ersetzt werden können, wenn sämtliche Quellen erneuerbarer Energien maximal genutzt würden.

Vom hauseigenen Know-how profitiert die international ständig wachsende Wellenkraftwerks-Gemeinde indes heute schon – in diesem Jahr haben z.B. Ingenieure aus Chile und Südkorea dem Bunker inmitten des Atlantiks ihre Aufwartung gemacht.

Pilot-Zone an Portugals Küste geplant

Zur Intensivierung der Forschung an Wellenenergie-Technologien hat man sich in Portugal auf die Einrichtung einer Pilot-Zone verständigt. Nördlich von São Pedro de Moel soll auf einer Fläche von 320 Quadratkilometern vor der portugiesischen Küste eine Art maritimer Testfläche entstehen, in der die Aktivitäten des Sektors konzentriert und Synergien geschaffen werden könnten. Vereinfachte Lizensierungsverfahren und Erlaubnisvergaben sowie Unterstützung in der notwendigen Infrastruktur sollen die Entwicklung neuer Technologien beschleunigen – wenigstens auf dem Papier. Denn trotz Absegnung durch den Ministerrat ist es bisher nur bei der Idee geblieben – bis heute ist noch nicht einmal die für das Vorhaben vorgesehene Geschäftsleitung aus einem staatlichen oder privaten Unternehmen ins Leben gerufen worden. Vor diesem Hintergrund wirken die kürzlich bekannt gegebenen Ziele bei erneuerbaren Energien grotesk übertrieben - bis 2010 sind demnach 250 Megawatt in der Pilot-Zone zu installieren.

Nach den letzten Wahlen in Portugal wurde der "Plano Tecnológico" ins Leben gerufen, der innovationsträchtige Vorhaben im Allgemeinen sowie die die Gründung technologiebasierter kleiner und mittlerer Unternehmen im Besonderen fördern soll. Unverständlicherweise hat dieser Plan bisher einen Bogen um die Förderung der Nutzung einer der Ressourcen des Landes gemacht. Stattdessen behindert bisher eine Melange aus fehlenden Kooperationspartnern, konservativen Investoren, uneffizientem Staat und fehlender Kooperationsfähigkeit die weitere Entwicklung des Wellenenergie-Sektors als viel versprechende Komponente eines zukunftsfähigen Energiemixes – erst jüngst zu sehen beim Scheitern des geplanten Wellenbrecher-OWC-Projekts Foz do Douro in Porto. Die Ingenieure auf Pico sind verärgert über diese Situation, denn die Zeit drängt. Nichtsdestotrotz wollen sie ihr Kraftwerk im Dezember einem mehrtägigen Test unterziehen.

Voith Siemens Hydro setzt auf Wellenenergie

Und auch deutsche Unternehmen investieren in die Gewinnung der Energie der Meereswellen. Voith Siemens Hydro erwarb 2005 die schottische Firma Wavegen. Sie besitzt Erfahrungen mit OWC-Kraftwerken und den erforderlichen Leistungs-Entnahmesystemen: das Unternehmen ist Entwickler und Betreiber des 500-Kilowatt- Wellenkraftwerks LIMPET auf der schottischen Insel Islay. LIMPET gilt im direkten Vergleich mit dem Pico-OWC als moderner und teilweise besser konzipiert. Die Pico-Turbine und deren Tragestruktur sowie Leitschaufeln und Statoren wurden Ende der 90er Jahre vom Wavegen-Vorgänger ART konzipiert und geliefert.

Bei der Voith Siemens Hydro Power Generation arbeitet man nun an einem kommerziellen Wellenkraftwerk – in Mutriku, an der spanischen Atlantikküste. 16 Wells-Turbinen sollen in eine neue Hafenmole eingebaut werden. Die 300-Kilowatt-Anlage wird voraussichtlich im Winter 2008/2009 ans Netz gehen und 250 Haushalte mit Strom versorgen. In der Planung ist außerdem das erste Wellenkraftwerk Deutschlands: ein Pilot-Projekt an der deutschen Nordseeküste soll bei einer Leistung von 250 Kilowatt 400 Megawattstunden Jahresenergie liefern und damit rund 120 Haushalte versorgen können.

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