Strom aus Strömung

Kraftwerke, die Elektrizität aus fließendem Meerwasser gewinnen, sind weltweit noch Raritäten. Ein neues, in Deutschland entwickeltes Konzept soll der umwelt-freundlichen Technologie kräftigen Schub geben. „High Tech gleich Low Tech” – diese verblüffende Gleichung stellt der Physiker Jochen Weilepp auf. Er ist bei Voith Hydro in Heidenheim für Meeresenergie zuständig, auch für Strömungs- und Gezeitenkraftwerke. Solche Anlagen müssen harten Umweltbedingungen trotzen und können oft tagelang nicht gewartet werden, weil Sturm und Wellen jedem Schiff den Zugang verwehren. Damit sie trotzdem zuverlässig laufen, so das Credo von Weilepp, müssen sie auf jeglichen technischen Schnickschnack verzichten. Low Tech sei die einzig geeignete Technologie für die raue Küste. Mit seinem Team hat er eine entsprechende Anlage konzipiert. „ Unsere Turbine hat ein extrem simples Design”, sagt er. Im Herbst 2009 soll ein Prototyp in Südkorea installiert werden. Aus Meeresströmungen Energie zu gewinnen, ist ein alter Traum. Um ihn zu verwirklichen, muss man nicht einmal weit auf die See hinausfahren. Denn besonders rasant strömt das Salzwasser, wenn Ebbe und Flut es in Flussmündungen oder Buchten drücken und wieder hinausziehen – vorausgesetzt, der Tidenhub ist groß genug. Dann genügt es, die Bucht mit einer Staumauer abzuschließen, und schon lässt sich aus dem ewigen Hin und Her der Wassermassen Strom gewinnen. Das erste – und noch immer größte – Bauwerk dieser Art steht bei der bretonischen Hafenstadt Saint-Malo. Ein 750 Meter langer Betondamm riegelt seit 1961 den Fluss Rance zum Meer hin ab. Der Wasserstand zwischen Ebbe und Flut schwankt hier um durchschnittlich zwölf Meter – genug, um 24 Turbinen mit einer Leistung von jeweils 10 Megawatt anzutreiben. Obwohl die Anlage einwandfrei arbeitet und jährlich rund 500 Millionen Kilowattstunden Strom liefert, wurden kaum weitere Gezeitenkraftwerke dieses Typs errichtet. Viele der weltweit rund 100 geeigneten Standorte werden wohl auch künftig leer ausgehen. Denn ein Wehr ist nicht nur teuer, es behindert auch die Schifffahrt und hat ökologische Nachteile, weil es den regelmäßigen Wasseraustausch einschränkt. WINDMÜHLE UNTER WASSER Doch es gibt noch eine andere Möglichkeit, Strömungsenergie anzuzapfen: mit einer Art Unterwasser-Windmühle. Der „Wasser-Wind” lässt sich mit denselben Mitteln einfangen wie eine steife Brise, denn es gelten dieselben physikalischen Gesetze. Natürlich gibt es auch Unterschiede: Wasser ist rund 840 Mal dichter als Luft, deshalb genügen kleinere Rotoren, um dieselbe Leistung zu erreichen – auch wenn Wasser erheblich langsamer strömt als Wind. Dafür macht im Meer das raue Umfeld den Ingenieuren zu schaffen: Korrosion, Algen- und Muschelbewuchs sowie der Wellengang. Dazu kommt die Strömung, die an der Konstruktion zerrt und das Fundament zu unterspülen droht. Nicht zuletzt muss man eine Wassermühle fest verankern, damit sie bei Sturm nicht umkippt oder davontreibt. In den letzten Jahren haben viele Forscher und Tüftler Konzepte für Strömungskraftwerke vorgelegt und reiche Stromausbeute versprochen. Doch die meisten Ideen haben bisher nicht den Weg aus den Labors gefunden – weil das nötige Geld fehlte oder weil die rauen Umweltbedingungen unterschätzt wurden. Die Technologie steht noch ganz am Anfang. Bis heute drehen sich nur vier Rotoren im Meer – zwei in Großbritannien, einer in Norwegen und einer bei New York. Die erste Pilotanlage „SEAFLOW”, ein britisches Projekt mit deutscher Beteiligung, ging im Juni 2003 in Betrieb. Zwei Kilometer vor der Südküste des Bristol Channel wurde ein mächtiger Schaft 15 Meter tief im Meeresboden einbetoniert. Sein oberes Ende ragt rund 10 Meter aus dem Wasser, gekrönt von einer Wartungskanzel samt Kran. Der Rotor hat 11 Meter Durchmesser. Die Anlage hat eine Nennleistung von 300 Kilowatt, die sie allerdings nur erreicht, wenn die Gezeitenströme ihre größte Stärke haben. Die Erfahrungen mit SEAFLOW führten 2008 zum Bau einer größeren Turbine, der „SeaGen” , vor der Nordküste Irlands. Am Schaft des ersten kommerziellen Strömungskraftwerks – Nennleistung: 1,2 Megawatt – drehen sich zwei Rotoren nebeneinander. Das spart Kosten, weil nur ein Trägerbauwerk nötig ist. 2011 soll eine ganze Kraftwerks-Farm mit 10,5 Megawatt Leistung folgen. Die Konstruktion orientiert sich an Windmühlen. Das heißt, es gibt Rotorblätter, deren Anstellwinkel sich variieren lässt, es gibt ein Getriebe und einen Generator. Im Prinzip wird eine Windmühle ins Wasser gestellt. Das kann nur funktionieren, wenn das ganze Bauwerk wasserdicht ist. „Doch eine rotierende Welle kriegt man nie 100 Prozent dicht”, sagt Voith-Experte Weilepp. Deshalb muss entweder eine Pumpe das eingedrungene Wasser wieder hinausschaffen oder eine Verlustschmierung ständig Öl in den Spalt zwischen Welle und Rohr drücken. Aber: Beide Lösungen erfordern zusätzliche Wartungsarbeiten und machen die Anlage letztlich störungsanfälliger. Revolutionäres Konzept Das württembergische Maschinenbauunternehmen Voith geht daher einen anderen Weg. Es macht aus der Not eine Tugend – und lässt das Wasser gezielt eindringen. „Ein revolutionärer Ansatz”, wie Weilepp schwärmt. Die Spülung hat gleich mehrere Vorteile: Das Wasser kühlt und schmiert das Lager. Dadurch ist kein Öl nötig, das ständig nachgefüllt werden müsste und die Umwelt verschmutzen würde. Und: Das Wasser fließt durch den Generator, wo es als Kühlmittel dient. Nach der Devise, dass alles kaputtgeht, was kaputtgehen kann, verzichtet Voith sogar auf ein Getriebe. Erfahrungen bei der Windkraft haben gezeigt, dass gerade dieses Bauteil besonders anfällig ist. Der Propeller treibt den Generator direkt an. Auch lässt sich – eine weitere Vereinfachung – der Anstellwinkel der Rotorblätter nicht variieren. Sonst dient die Verstellung dazu, dass die Anlage bei unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten stets die optimale Leistung liefert. Doch es geht auch anders: Durch Veränderungen des Drehmoments am Generator rotiert der Rotor mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, je nach Strömung. So bleibt auch ohne Winkelverstellung der Anströmwinkel des Wassers zum Rotorblatt immer optimal. Und noch ein Unterschied zur Windmühle: Während sich die Rotoren an Land stets in den Wind drehen, ist die Voith-Anlage starr. Anders als beim SeaGen-Konzept gibt es kein Bauteil, das aus dem Wasser ragt. Allerdings ist die gesamte empfindliche Leistungselektronik außerhalb der Turbine an Land untergebracht, damit sie nicht unter der rauen Umwelt leidet. Bei Wartungsarbeiten hilft ein Spezialschiff, das die abgetauchte Turbine ortet und aus dem Meer hievt. Der kleine Prototyp, der im Herbst in Südkorea im Meer verankert werden soll, hat eine Leistung von 110 Kilowatt. Die spätere Standardgröße wird 1 Megawatt betragen. Dafür braucht die Turbine einen Rotor von 16 Meter Durchmesser und mindestens 35 Meter Wassertiefe. Auch größere Anlagen nach diesem Konzept sind denkbar. Um 4 Megawatt zu erziehen, sind bis zu 35 Meter große Rotoren und eine Wassertiefe von 60 Metern nötig. Allerdings: Der Strom, den die Unterwassermühlen liefern, ist nicht billig. Die Technologie wird wohl nie mit einem Kohlekraftwerk konkurrieren können. Noch lassen sich die Erzeugungskosten kaum abschätzen, weil die Erfahrungen fehlen. Weilepp vermutet, dass sie „irgendwo zwischen denen von Photovoltaik und Offshore-Wind” liegen und sich – wenn die Kinderkrankheiten ausgestanden sind – denen von Windparks auf See angleichen werden. Obwohl die Betreiber sicher noch Lehrgeld bezahlen müssen, sind die Voraussetzungen für diese Art Stromgewinnung günstig. Denn alle Nationen suchen händeringend nach Wegen, ihre Treibhausgas-Emissionen zu reduzieren und ihre Dreckschleudern gegen regenerative Stromquellen einzutauschen. Wann die Technologie der Meeresströmungskraftwerke ausgereift sein wird und ob sie sich durchsetzt, liegt letztlich am Willen der Regierungen. Ohne Anschubfinanzierung kann sie im Wettbewerb mit anderen Stromquellen derzeit nicht bestehen. Doch Weilepp ist überzeugt: „In Zukunft wird man es sich nicht mehr leisten können, irgendeine Energieform nicht zu nutzen.” Zumal der Strömungsstrom so sicher fließt, wie sich der Mond um die Erde dreht – und damit grundlastfähig ist. Das haben die Wassermühlen ihren Schwestern an Land voraus. Deutschland bleibt allerdings außen vor. Hier fehlen geeignete Standorte, um auf diese Art Strom zu gewinnen. ■ Klaus Jacob, Diplom- Bauingenieur und freier Journalist in Stuttgart, be-fasst sich für bdw seit vielen Jahren mit Energiethemen. von Klaus Jacob Windrad für das Meer Der Aufbau der neuen Anlage von Voith Hydro ist genial einfach. So haben die Ingenieure des Maschinenbauunternehmens auf die sonst übliche Ölschmierung verzichtet. Stattdessen dringt kontrolliert Meerwasser in die Anlage ein und sorgt für die Schmierung der beweglichen Teile. Das verhindert eine Verschmutzung des Wassers durch auslaufendes Öl und macht eine Kühlung des Schmieröls überflüssig. Auch ein Getriebe ist in dem neuartigen Kraftwerk nicht erforderlich. Mehr zum Thema Internet Homepage der BGR: www.bgr.bund.de International Seabed Authority: www.isa.org.jm Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen: www.marum.de Homepage von Nautilus Minerals: www.nautilusminerals.com „Technologien treiben den Bedarf nach Hightech-Rohstoffen”; Studie von ISI und IZT: www.izt.de/izt-im-ueberblick/presse/ pressemitteilungen/article/102/51/ „Schätze aus der Tiefsee”; Beitrag im Evonik Magazin 1/2008 (über das Archiv): corporate.evonik.de/de/company/ magazine/flash.html Homepage des IFM Geomar (Uni Kiel): www.ifm-geomar.de Kompetenzzentrum Biotecmarin: www.biotecmarin.de Homepage der Firma Proqinase an der Klinik für Tumorbiologie in Freiburg: www.proqinase.com Homepage von Voith Hydro: www.voithhydro.de Homepage des AWI: www.awi-bremerhaven.de Infos zum Eisendüngungs-Experiment: www.lohafex.com Kompakt · In den Meeren stecken riesige Energiereserven, die sich aber nur schwer nutzen lassen. · Mit einem neuartigen Strömungskraftwerk könnten deutsche Ingenieure der marinen Stromerzeugung zum Durchbruch verhelfen.