Aus Wellen werden Watt

In den Weltmeeren steckt Energie in riesigen Mengen. Die soll künftig helfen, sauberen Strom zu erzeugen. Die nötige Technologie dafür wird gerade entwickelt und getestet. Eher bescheidene Wellen schlug Ende März eine Ankündigung des Energieversorgungsunternehmens EnBW. Dabei hat der Karlsruher Energiekonzern eine echte Neuigkeit zu bieten: Das Unternehmen will künftig Strom aus dem Auf und Ab der Meereswellen gewinnen. Gemeinsam mit dem Land Niedersachsen und der Firma Voith Siemens Hydro Power Generation aus Heidenheim macht sich die EnBW auf die Suche nach einem geeigneten Standort an der Nordseeküste – und wird so zu einem Vorreiter in Deutschland bei der Nutzung dieser exotischen Art der Energiegewinnung. Ist ein geeigneter Standort gefunden, soll in den nächsten Jahren mit dem Bau des ersten deutschen Wellenkraftwerks begonnen werden. Es wird eine Leistung von 250 Kilowatt haben und damit jährlich rund 400 000 Kilowattstunden Strom generieren – genug, um etwa 120 Haushalte zu versorgen. Die Pläne der EnBW, Energie künftig auch aus dem Meer zu schöpfen, passen zu den Zielen der Europäischen Union: Im März beschlossen die EU-Regierungschefs, den Anteil der erneuerbaren Quellen an der Energieversorgung bis 2020 auf mindestens 20 Prozent zu erhöhen. Dadurch soll der Klimawandel gebremst werden, für den Wissenschaftler vor allem den Ausstoß von Kohlendioxid beim Verbrennen fossiler Energieträger verantwortlich machen – zum Beispiel in Kraftwerken. Stromerzeugungsanlagen, die Meereswellen als Energiequelle verwenden, bieten dazu eine klimaschonende Alternative. Bislang wird Wasserkraft fast nur durch Aufstauen von Flüssen genutzt, deren Wasser man zur Stromerzeugung durch Turbinen im Stauwehr leitet. Solche Wasserkraftwerke decken weltweit rund ein Fünftel des Strombedarfs. Die Energie im Meer wird dagegen kaum angezapft – trotz des gewaltigen Potenzials: „Theoretisch liegt es bei rund 1,8 Terawatt Gesamtleistung”, sagt Jochen Weilepp, Leiter der Abteilung für Meeresenergien bei Voith Siemens Hydro Power Generation. „Davon entfällt ein Terawatt auf die Wellenenergie.” Zum Vergleich: Ein Terawatt entspricht der Leistung von etwa 700 großen Kernkraftwerken. Schätzungen des World Energy Council besagen, dass weltweit durch die Wellenbewegung eine Leistung von 15 bis 30 Kilowatt pro Meter Küstenlinie freigesetzt wird. Ließe sich diese Energie nutzen, würde jeder Küstenabschnitt von 30 bis 60 Kilometer Länge im Schnitt ein großes fossiles oder Kernkraftwerk ersetzen – dadurch könnte man etwa ein Sechstel des weltweiten Strombedarfs stillen. In den Siebziger- und Achtzigerjahren – nach der ersten großen Ölkrise – hatten Forscher damit begonnen, sich mit der Nutzung der sauberen Energieressource Wellenenergie zu beschäftigen. Doch sie blieben in den Anfängen stecken. Entweder hielt die eingesetzte Technik den rauen Bedingungen im salzigen Meerwasser nicht stand oder die Anlagen waren nicht effizient genug. Dazu kam, dass das politische und ökonomische Interesse an einer nachhaltigen Energieversorgung wieder nachließ – nachdem die Ölpreise deutlich gesunken waren. Die Forschung zur Wellenenergienutzung verharrte 20 Jahre lang im Dornröschenschlaf. Doch seit ein paar Jahren pumpen Deutschland und die EU kräftig Fördergelder in alternative Konzepte der Energieversorgung – auch aus dem Meer. Eines der ersten Projekte in Europa war das „European Pilot Plant” – ein Wellenkraftwerk, das 1998 auf der portugiesischen Azoreninsel Pico zu Testzwecken errichtet wurde. Die Pilotanlage auf dem vulkanischen Eiland im Nordatlantik avancierte zu einem viel beachteten Exponat der Weltausstellung EXPO 1998 in Lissabon – und ging als weltweit erstes funktionsfähiges Wellenkraftwerk mit nennenswerter Leistung ans Stromnetz. Bei dem Kraftwerk auf Pico nutzte man das Prinzip der pendelnden Wassersäule (OWC, Oscillating Water Column) zur Stromerzeugung (siehe Grafik unten). Die Mechanik für das Kraftwerk in Pico tüftelte die aus Schottland stammende Firma Wavegen aus, die Elektronik lieferte das portugiesische Unternehmen Efacec. Die Größe des auf Pico errichteten Prototyps erlaubte eine Leistung von 400 Kilowatt – damit ließen sich rund zehn Prozent des Strombedarfs der Insel decken. „Doch die Anlage war nur kurz in Betrieb”, berichtet Frank Neumann, Ingenieur und ausgewiesener Experte für Wellenenergie. Nach einem guten Start zeigten sich Mängel in der Mechanik der Anlage, und deren Finanzierung geriet ins Wanken. Die Portugiesen legten das Projekt auf Eis. Nun soll das exotische Kraftwerk für rund eine Million Euro technisch aufgerüstet und wieder ans Netz gebracht werden. Frank Neumann leitet die Instandsetzung und den Testbetrieb. Er ist ein Idealist – und von der OWC-Technologie überzeugt. „Man kann damit einen Wirkungsgrad bis zu 25 Prozent erreichen”, sagt Neumann. Das ist ein ähnlich hoher Wert, wie ihn Windräder haben. Das Prinzip der OWC-Technologie ist ebenso einfach wie faszinierend. „Man muss sich nur einen umgestülpten Eimer vorstellen”, erklärt Neumann den Aufbau. Die eimerförmige Betonkammer besitzt im vorderen Bereich unterhalb der Wasseroberfläche eine Öffnung, durch die die Wellen eindringen. Wenn der Wasserspiegel im Rhythmus der Wellen steigt und fällt, wird Luft abwechselnd in eine Röhre hinaufgedrückt und hinuntergesaugt: Die Anlage atmet wie eine Lunge. Der Luftstrom treibt eine Turbine an. Die Turbine, die einen Durchmesser von etwa 2,50 Metern hat, ist das Herz der Anlage. Mit 1000 bis 1400 Umdrehungen pro Minute zerhackt sie den Luftstrom und wandelt die Bewegungsenergie der Wellen über den Generator in Elektrizität um. Die Stromerzeugung beginnt bei einer Wellenhöhe von mindestens einem Meter. Wenn der Wellenkamm auf 3 bis 3,50 Meter steigt, wird die Turbine gestoppt. Das Anfahren und Drosseln der Anlage erledigt das Kraftwerk automatisch. „Meereswellen nicht zu nutzen, ist Energieverschwendung”, sagt Neumann. Der Preis für die Stromgewinnung aus Wellenenergie liegt allerdings mit rund 23 Cent pro Kilowattstunde (kWh) bislang noch deutlich über dem aktuellen durchschnittlichen Strompreis in der EU von 10 Cent pro kWh. Mit der technologischen Weiterentwickelung dürfte der Preis für Wellenstrom jedoch purzeln. Neumann rechnet damit, dass er in wenigen Jahren ebenfalls etwa 10 Cent pro kWh betragen wird. Im Jahr 2000 ging im Westen der schottischen Hebrideninsel Islay ein weiteres Wellenkraftwerk in Betrieb. Die Anlage heißt „ Limpet”, abgekürzt von „Land Installed Marine Powered Energy Transformer” („an Land errichteter Transformator für Meeresenergie”), auf deutsch: „Napfschnecke”. Wie eines dieser robusten Weichtiere schmiegt sich das Kraftwerk an eine steile Klippe. Limpet startete als ein von der Queen’s University in Belfast koordiniertes und von der EU bezuschusstes Projekt der Firma Wavegen, die 2005 von Voith Siemens Hydro Power Generation übernommen wurde. Wie das Pico-Kraftwerk basiert Limpet auf dem OWC-Prinzip. Anders als auf den Azoren lassen sich auf Islay wegen des deutlich schwächeren Wellengangs allerdings nur recht kleine Turbinen mit maximal 50 Kilowatt Leistung testen. Portugal erprobt zurzeit an mehreren Standorten am Atlantik verschiedene Technologien, um Energie aus Meereswellen zu ziehen. So entsteht derzeit bei Póvoa de Varzim in Nordportugal ein Park aus drei „Pelamis”. Kostenpunkt: 8 Millionen Euro. Jede dieser „ Seeschlangen” ist ein auf dem Meer schwimmendes Kraftwerk, das aus drei oder vier miteinander verbundenen Hydraulik-Zylindern besteht, eine Gesamtlänge von gut 140 Metern besitzt und einen Rumpf von 3,50 Meter Durchmesser hat. Die schottische Firma Ocean Power Delivery (ODP) hat die Technologie in den Neunzigerjahren entwickelt und einen 750 Kilowatt starken Protoypen zur Vorserienreife gebracht. 2004 war Pelamis im European Marine Energy Centre in Orkney (Schottland) erfolgreich getestet worden und gilt inzwischen als ausgereifte Technologie. Die drei „Seeschlangen” für Póvoa de Varzim sollen in diesem Sommer vor die portugiesische Küste geschleppt und an ein Unterseekabel angeschlossen werden. Es ist im Gespräch, an dem Standort im Norden Portugals in den nächsten Jahren weitere 28 Pelamis zu installieren. Das dann rund 22,5 Megawatt starke Kraftwerk könnte rund 15 000 Haushalte mit Strom versorgen. 20 Pelamis-Farmen dieser Dimension könnten die Elektrizitätsversorgung einer Großstadt wie Bremen stemmen. In Nordeuropa macht ein kleines Kraftwerk, das auf einer anderen Technologie beruht, seit 2003 von sich reden: der „Wave Dragon”. Der „Wellendrache” vor dem Ort Nissum an der dänischen Nordseeküste ist zwar nur die im Maßstab 1 zu 4 verkleinerte Version eines an der britischen Atlantikküste geplanten Prototyps, der einmal 4 bis 5 Megawatt Leistung bringen soll. Doch auch als 20-Kilowatt-Anlage stellt er ein stattliches, 237 Tonnen schweres Stahlbauwerk dar. Der Wave Dragon arbeitet wie ein Stauwehr: Von zwei 180 Meter langen Fangarmen gelenkt, schwappen die Wellen über eine Rampe in ein flaches Speicherbecken, das über dem Meeresspiegel liegt. Durch eine spezielle Turbine fließt das Wasser dann auf Meereshöhe zurück – ein simples Bauprinzip, das fast ohne Wartung auskommt. Nachdem die kleine Version des Wave Dragon überzeugende Ergebnisse lieferte, treibt Großbritannien nun die Installation des stärkeren Prototyps in Milford Haven in Wales zügig voran. Die große Schwester des kleinen Nordseedrachen soll ab Ende 2007 mit 16 Turbinen Strom generieren. In Deutschland hielt man sich bislang bei der Nutzung der Wellenkraft zurück. Nun will die EnBW mit der an der Nordsee geplanten Demonstrationsanlage den Anfang machen. Allerdings bieten die deutsche Nord- und Ostseeküste relativ geringe Ressourcen an nutzbarer Wellenenergie. Daher wird die Technologie in Deutschland auch künftig wohl ein Schattendasein führen. Weltweit sind die Fachleute beim Thema Energie aus dem Meer optimistisch: Die Internationale Energieagentur (IEA) schätzt die nutzbaren Ressourcen für Gezeitenkraftwerke global auf jährlich mindestens 800 Terawattstunden, für Osmosekraftwerke auf 2000 TWh, für Meereswärmekraftwerke auf 10 000 TWh und für Wellenkraftwerke sogar auf bis zu 80 000 TWh. Die Kapazität an Wellenstrom, der sich wirtschaftlich rentabel gewinnen lässt, wächst, je knapper fossile und nukleare Brennstoffe werden und je höher deren Preise klettern. „In den nächsten Jahren werden allein in Europa fast 300 Millionen Euro in Entwicklung und Bau von Meeresenergieanlagen investiert”, prognostiziert Jochen Bard, Leiter des Instituts für Solare Energieversorgungstechnik in Kassel. Um die Baukosten – derzeit 4 bis 5 Milliarden Euro pro Megawatt – zu senken, könnten Wellenkraftwerke in Hafenschutzmauern integriert werden, die als Wellenbrecher ohnehin nötig sind. So würde ein Bauwerk zwei Funktionen erfüllen – und die Kosten ließen sich aufteilen. Auch die EnBW- Anlage soll in Küstenschutzbauten eingefügt werden. Doch bei allen Rechenmodellen darf man nicht vergessen, dass Wellen genau wie Wind und Sonne unzuverlässig sind: Die Natur richtet sich nicht nach den Bedürfnissen der Menschen. Auch hier hat die EnBW eine Lösung parat. Das Unternehmen plant, ein Druckluftspeicherkraftwerk zu bauen (bdw 3/2007: „Mit Druckluft gegen die Flaute”). Damit ließe sich zu viel erzeugte Energie in Form von komprimierter Luft in einem Hohlraum speichern – und später, bei Bedarf, wieder in Strom zurückverwandeln. Die Kombination beider neuer Technologien – Wellen- und Druckluftspeicherkraftwerk – bietet die Chance, dem Meer einen soliden Platz in der Riege der erneuerbaren Energiequellen zu verschaffen. ■ Beate Schümann ist freie Autorin in Hamburg. Sie schreibt vor allem wissenschaftliche Reportagen für Magazine und überregionale Tageszeitungen. Beate Schümann Ohne Titel · Das Potenzial an Meeresenergie ist über 100-mal so groß wie der Stromverbrauch in Deutschland. · Die meisten Projekte zur Nutzung von Wellenenergie stecken bislang noch im Planungs- oder Prototypenstadium. · Der Energieversorger EnBW will an der Nordseeküste in den nächsten Jahren das erste deutsche Wellenkraftwerk bauen. Ohne Titel Noch mehr Ideen, wie sich die Energie des meeres anzapfen lässt: Gezeitenkraftwerk Zur Energiegewinnung wird die Differenz zwischen Ebbe und Flut genutzt. Die Kraft liegt in der Dynamik des steigenden und fallenden Wasserspiegels. In einem Deich befinden sich Schleusen und die stromerzeugenden Turbinen. Bei Flut treibt sie das eindringende, bei Ebbe das gestaute, abfließende Wasser an. Das erste und mit 240 Megawatt Leistung bislang weltweit mächtigste Gezeitenkraftwerk steht im Mündungsbecken der Rance bei St. Malo in Westfrankreich. Meeresströmungskraftwerk Ähnlich wie beim Windstrom, erzeugt bei diesem Kraftwerk ein Rotor Elektrizität. Der Propeller wird von der kontinuierlichen Meeresströmung angetrieben. Der Stahlpfeiler, auf dem der Rotor sitzt, ist tief in den Meeresboden gerammt. Da die Dichte des Wassers deutlich höher ist als die der Luft, können Meeresströmungskraftwerke eine höhere Leistung erbringen als Windräder. Die Nutzung dieser Energiequelle steckt aber noch in den Kinderschuhen. Die erste Pilotanlage „Seaflow”, die vor der Küste Cornwalls steht, ist für eine Leistung von 300 Kilowatt ausgelegt. Bald soll in Nordirland ein ganzer Park von 40 Seaflow-Anlagen errichtet werden. Meereswärmekraftwerk An der Meeresoberfläche ist das Wasser wärmer, in der Tiefe kälter. Aus dieser Temperaturdifferenz lässt sich Energie gewinnen. Dazu wird eine Flüssigkeit, zum Beispiel Ammoniak, durch Kontakt mit dem wärmeren Wasser verdampft – wobei sie sich ausdehnt und einen Generator antreibt, der elektrischen Strom erzeugt. Danach lässt man den Dampf im kälteren Tiefenwasser kondensieren, und der Zyklus beginnt erneut. Meereswärmekraftwerke können in einem offenen oder geschlossenen Kreislauf Energie erzeugen. Der hohe Aufwand und die hohen Kosten im Verhältnis zur Energieausbeute haben eine größere Verbreitung bisher verhindert. Osmosekraftwerk (Salzgradientenkraftwerk) Es bezieht seine Energie aus dem Unterschied im Salzgehalt zwischen Süß- und Meerwasser. Bei der Osmose werden Salzlösungen verschiedener Konzentration über eine halbdurchlässige Membran in Kontakt gebracht, die zwar Wasser, aber kein Salz austreten lässt. Der Konzentrationsausgleich wird dadurch erreicht, dass Wasser von der Seite der Membran mit niedrigerer Konzentration auf die Seite mit höherer übertritt. Der dadurch entstehende Druck erzeugt über eine Turbine elektrischen Strom. Ohne Titel In Wellenkraftwerken (auch Dünungskraftwerke genannt) wird das Auf und Ab der Meereswellen zur Stromerzeugung genutzt. Sie sind zurzeit die am besten erforschte Form der Umwandlung von Meeresenergie. Ein solches Kraftwerk ist vor allem dann vielversprechend, wenn die Schwingung der Wellen und der beweglichen Kraftwerksteile in Resonanz sind (Pendelprinzip). Der bisher meistgetestete Wellenkraftwerkstyp basiert auf dem sogenannten OWC-Prinzip (Oscillating Water Column, oszillierende Wassersäule): Die Welle wird in einer Kammer gefangen, in die sie durch eine unterhalb der Wasseroberfläche offene Wand gelangt. Durch den Wellenimpuls steigt und fällt der Wasserspiegel innerhalb der Kammer, wodurch die Luft oberhalb der Wassersäule komprimiert wird. Dadurch treibt sie eine Turbine an, die richtungsunabhängig Strom erzeugt. Die Dimension der Kammer ist entscheidend für die Effizienz, da sie die Resonanzeigenschaften bestimmt. COMMUNITY FERNSEHEN Auch die Kollegen vom Wissensmagazin „nano” sind vom 8. Ozean fasziniert. In Zusammenarbeit mit der Redaktion von bdw haben sie einen packenden TV-Bericht darüber produziert. Erstausstrahlung ist in 3Sat am Donnerstag, den 28. Juni, um 18.30 Uhr. Die Wiederholungstermine und mehr erfahren Sie unter: www.3sat.de/nano Lesen José L. Lozán, Hartmut Grassl, Hans-Wolfgang Hubberten Warnsignale aus den Polarregionen – Natur, Klimawandel, Ressourcen, Umweltschutz Delius Klasing Bielefeld 2001, € 35,– Internet „Arctic Climate Impact Assessment” – Report zu Folgen des Klimawandels für die Arktis: www.acia.uaf.edu Alfred-Wegener-Institut (AWI): www.awi-bremerhaven.de Homepage der Hamburgischen Schiffbau-Versuchsanstalt: www.hsva.de Homepage der GMT: www.maritime-technik.de „Russland will Schiffsverkehr in der Arktis beleben” – Bericht der Bundesagentur für Außenwirtschaft: www.bfai.de/fdb-SE, MKT20060428111225, Google.html „Das Meer als Energiequelle” – Infobrief des Bundestags: www.bundestag.de/bic/ analysen/ 2005/2005_11_101.pdf