Naturgewalt: Das Wellenkraftwerk auf der schottischen Insel Islay
29. April 2007 Dieser Betonkasten soll ein Wellenkraftwerk sein? Darauf muss man erst mal kommen. Was nicht leichtfällt, wenn, wie bei unserem Besuch des ersten in Europa installierten Wellenkraftwerks (das seinen Strom ins öffentliche Netz einspeist), der Atlantik ruhig daliegt wie ein Brett und das Wasser lediglich gelangweilt hin- und herschwappt. Doch ein Gutes hat die Ruhe: Sie macht eine nicht unbedeutende Besonderheit dieser Technik deutlich. Wie von Windrädern vorexerziert, liefern auch Wellenkraftwerke nur dann Strom, wenn der Wind bläst und sich Wellen bilden.
Wellenenergie ist also keine stetige Energieform. Sie kann demnach nicht in der Grundlast eingesetzt werden. Dazu braucht es thermische Anlagen, bei denen der turbinentreibende Dampf durch das Verbrennen von Kohle oder Öl auf Temperatur gebracht wird; oder Laufwasserkraftwerke, will man dem Wasser die Treue halten. Dass trotz dieses Nachteils das Interesse an der Wellenkraft enorm groß ist und zudem rasant zunimmt, hat gleich mehrere Ursachen: Die Wogen der Weltmeere bergen ein schier unerschöpfliches Potential an Energie.
Wellen schwappen in eine Betonröhre
Rund 18 Meter hoch und 20 Meter breit: Der „Kollektor” an der Westküste
Nach den Berechnungen des Internationalen Energierates in London (WEC) reicht es aus, 15 Prozent des weltweiten Strombedarfs zu decken. Zudem steht die Kraft der Wellen kostenlos zur Verfügung. Auch fällt bei ihrem Einsatz zur Stromerzeugung kein klimawirksames Kohlendioxid an, und - ganz wichtig - die Technik wird, wie andere regenerative Energien auch, finanziell bezuschusst. Vor allem in Großbritannien und Spanien gibt es üppige Vergütungen, so dass sich vor und an den Küsten dieser Länder besonders viel in Sachen Wellenkraft tut.
Das erste netzgebundene Wellenkraftwerk steht auf der schottischen Insel Islay. Dort, wo der Whisky durch die besonders hohe Schafpopulation und der damit einhergehenden intensiven Anreicherung des Torfes (er wird zum Trocknen des Malzes benötigt) mit Naturdung eine bei Whiskyfreunden hochgeschätzte Geschmacksnote erhält. Hier, an der steilen Westküste der Insel, hat man vor acht Jahren den rund 18 Meter hohen und etwa 20 Meter breiten „Kollektor“ des Kraftwerks gebaut. Das ist eine (nach hinten offene) bis ins Wasser hinabragende Betonröhre. In sie schwappen die Wellen hinein.
Simples Hin und Her
Der Wasserspiegel in der Röhre steigt und fällt im Rhythmus des Wellengangs und drückt die Luft nach oben, um sie gleich darauf wieder zurückzuziehen. Durch einen großen Querschnitt im Rohr und einen kleineren am Luftaustritt lassen sich geringe Wellenbewegungen in eine deutlich schnellere Luftbewegung übersetzen.
Mit diesem Hin und Her soll man eine Turbine (plus Generator) antreiben und Strom erzeugen können? Es geht, wie der Blick ins Innere des Betonbunkers zeigt. Hier steht der Prototyp einer Luftdruck-Turbine, deren Funktionsprinzip bereits vor über 20 Jahren von dem Schotten Alan Wells erdacht wurde und die heute seinen Namen trägt. Wells hat mit dieser Technik die Basis für das in Inverness sitzende Unternehmen Wavegen gelegt, das seit einigen Monaten zu Voith Siemens Hydro Power gehört, dem deutschen Hersteller von (Wasser-)Turbinen aus Heidenheim.
Noch magerer Wirkungsgrad
Die Wellsturbine hat wenig gemein mit klassischen Turbinen. Wenn man Parallelen sucht, dann sollte man sich die Flugtechnik der Vögel ansehen. Denn wie es Vögeln gelingt, sich durch Schlagen ihrer Tragflächen-Flügel vorwärtszubewegen, schafft es die Wellsturbine, ihren auf einer Welle sitzenden symmetrischen Turbinenschaufeln durch eine im rechten Winkel ankommende Luftströmung einen Drall zu verpassen und sie auf Touren zu bringen. Das Besondere des Wellsrades: Dieser Effekt wird auch erzielt, wenn der Luftstrom aus der entgegengesetzten Richtung kommt, und das, ohne dass sich die Drehrichtung der Turbinen ändert. Doch eins ist wichtig: Die Wellsturbine muss angedreht werden. Alleine durch Luftströmung läuft sie nicht an.
An zwei unterschiedlich großen Wellsturbinen hat man bisher Versuche gemacht. Mit Hilfe der Voith-Techniker will man die Technik nun verfeinern, was auch schon gelungen ist. So harmoniert die neuere kleine Maschine, sie hat eine Nennleistung von 18,5 Kilowatt, deutlich besser mit der aus dem Wellenkollektor strömenden Luftmenge. Für die ältere 250-Kilowatt-Maschine war die Luftmenge viel zu gering. Momentan liegt der Wirkungsgrad zwar noch bei (mageren) 40 Prozent. Doch „Windausbeuten“ von bis zu 60 Prozent seien, wie die Voith-Ingenieure sagen, durchaus möglich, ohne dass dazu Grundlegendes an der Turbine verändert werden muss. Will man noch höhere Wirkungsgrade erreichen, wird die Maschine komplizierter (und anfälliger). So könnte man man die Turbinenschaufeln „pitchen“. Das heißt, ihre Anstellwinkel ließen sich stets an den jeweiligen Winddruck und die Strömungsrichtung des Luftstroms anpassen.
Fünfmal größere Wellenenergie auf hoher See
Von diesen Extravaganzen will man derzeit noch nichts wissen. Heute geht es darum, die Wellsturbine zuverlässig zum Laufen zu bringen - und erste Maschinen zu verkaufen. Anfragen und Projektideen liegen vor. So sollen in eine vor der baskischen Küste neu zu errichtende Kaimauer 16 Mini-Wellsturbinen (mit einer Leistung von je 18,5 Kilowatt) eingebaut werden. Und gemeinsam mit einer britischen RWE-Tochter plant man, an die Küste der Hebrideninsel Lewis ein 3,5-Megawatt-Wellenkraftwerk zu setzen. 35 Wellsturbinen mit jeweils einer Nennleistung von 100 Kilowatt würden benötigt.
Die ein- und austretende Luft treibt eine Wellsturbine im Rohr an
Das Wavegen-Konzept sei dann besonders attraktiv, wenn nicht eigens ein teurer Beton-Wellenkollektor an die Küste gebaut werden muss. Ein weiterer Vorteil: ihre Anlagen können nicht von den Wellen weggerissen und zerstört werden. Dieser Gefahr sind alle anderen Wellenkraftwerke ausgesetzt. Sie setzen auf am Meeresboden verankerten, schwimmenden Lösungen. Sie müssen ihre Anlagen so auslegen, dass ihnen auch orkanartige Stürme und Monsterwellen nichts anhaben können. Diesem höheren Risiko können sie einen klar definierbaren Vorteil entgegensetzen: Die Wellenenergie ist auf hoher See fünfmal so groß wie an der Küste.
30.000 Tonnen Stahl
Vor allem zwei Offshore-Wellenkraftwerkskonzepte machen immer wieder von sich reden. Das ist zum einen der sogenannte Wellendrache (Wave Dragon), dessen Prinzip bereits in den achtziger Jahren von norwegischen Wissenschaftlern erdacht wurde und der seit 2003 an zwei Testanlagen vor der dänischen Nordseeküste erprobt wird. Obwohl sich eine der Versuchsanlagen 2005 von den Ankerketten gerissen und Schutz an der Küste gesucht hat, scheint man mit den Testergebnissen zufrieden zu sein. Nur so ist zu erklären, dass man sich nun daranwagt, einen 17 Millionen Euro teuren Monsterdrachen zu planen, der vor der Küste von Wales Wellenenergie einfangen soll. Der Meereskoloss wird 300 mal 150 Meter groß; 30.000 Tonnen Stahl sollen verbaut werden. 20 in das schwimmende Kraftwerk installierte Turbinen bringen es auf eine Leistung von sieben Megawatt. Die Stromausbeute soll bei 20 Gigawattstunden im Jahr liegen.
Bei dem Wellendrachen werden die Wellen von zwei weitausladenden Reflektorarmen eingefangen und schwappen eine sanft ansteigende Rampe empor, von wo das Wasser in ein Reservoir strömt (das beim angedachten Großdrachen 8000 Kubikmeter fasst). Aus diesem Tank fließt es durch senkrecht angeordnete Niederdruckturbinen ins Meer zurück. Die Turbinen müssen sehr robust sein, sind sie doch auf der rauhen See starken, ständig wechselnden Belastungen ausgesetzt.
Schlangenähnlich auf der Meeresoberfläche
Deutlich weiter als der Wellendrache hat es ein zweites Offshore-Konzept gebracht: die Seeschlange. Denn diese unter dem griechischen Namen Pelamis bekannte Maschine hat bereits Käufer gefunden. Unter der Regie des portugiesischen Energieversorgers Enersis sollen in diesem Sommer drei rund 150 Meter lange Seewürste in Portugals Norden vor Póvoa de Varzim in dem an dieser Stelle etwa 50 Meter tiefen Wasser verankert werden - und Strom liefern. Die Leistung je Anlage: 750 Kilowatt. Eine etwas kleinere Anlage hat über ein Jahr lang demonstriert, dass die Technik auch funktioniert. Vor den schottischen Orkneyinseln war die Testschlange den Wellenkräften ausgesetzt, nachdem zuvor im Rahmen eines sechsjährigen Forschungs- und Entwicklungsprojekts bei dem norwegischen Energiekonzern Hydro das Konzept seetauglich gemacht worden war.
Der Pelamis schwimmt schlangenähnlich auf der Meeresoberfläche. Gelenke zwischen den vier Segmenten, aus denen er sich zusammensetzt, machen das möglich. Er ist 150 Meter lang, 750 Tonnen schwer und hat einen Durchmesser von dreieinhalb Metern. Für die Stromerzeugung wichtig sind die in der Nähe der Gelenke sitzenden „Power Modules“. Das sind Kolbenpumpen, die bei jedem Einknicken des Pelamis betätigt werden und Hydrauliköl unter Druck setzen.
Rückschläge sind unvermeidlich
Um die gesammelte Energie zwischenzulagern, kommt das Öl in „Windkessel“. Von hier aus leitet man es zu den stromerzeugenden Hydraulikgeneratoren. Über ein an die Küste führendes Kabel wird der Wellenstrom an Land geschafft.
Ob die in den kommenden Jahren ans Netz gehenden Wellenkraftwerke fest gegründet an Steilküsten installiert werden oder man sie lieber vor den Küsten auf dem Meer wird schwimmen lassen, ist momentan schwer abzuschätzen. Das auch deshalb, da trotz jüngster Erfolge beider Konzepte diese Technik noch ganz am Anfang eines langen Reifungsprozesses steht. Rückschläge sind unvermeidlich. Das auch, da kaum ein anderes Medium so aggressiv ist wie Salzwasser, mit dem diese Anlagen ständig in Kontakt sind. Auch die Wavegen-Luftturbine ist betroffen. Und zwar bereitet dort salzhaltige, feuchte Luft mehr Probleme als Salzwasser. So hat sich herausgestellt, dass Salzablagerungen auf den Turbinenschaufeln den Wirkungsgrad senken. Die Voith-Techniker sind deshalb dazu übergegangen, ihre Wellsturbine während des Betriebs regelmäßig mit Salzwasser zu besprühen.
Strömungsräder im East River in New York
Die Wellenenergie hat im Reigen der Meeresenergien zwar das mit Abstand größte Potential. Einfacher zu nutzen sind jedoch Gezeiten- und Meeresströmungen. Zudem bieten sie den Vorteil, ihre Energie berechenbarer zur Verfügung zu stellen. Vor allem die Tidenenergie wird schon länger in großem Maßstab „angezapft“. So ist bereits 1966 westlich von St-Malo an der Nordküste der Bretagne ein mit 24 Kaplanturbinen bestücktes Gezeitenkraftwerk in Betrieb gegangen. Der Tidenhub beträgt hier 12 Meter. Die Leistung der Anlage liegt bei 240 Megawatt. Weltweit produzieren heute rund ein Dutzend Tidenkraftwerke Meeresstrom.
Weniger Erfahrung hat man mit Strömungskraftwerken, bei denen es sich um „unter Wasser arbeitende Windräder“ handelt. Ein Prototyp eines solchen Wasserrades hat man im Bristol Channel vor der Küste Cornwalls getestet. Der Rotor der Seaflow-Anlage misst elf Meter im Durchmesser und dreht sich fünfzehnmal in der Minute. Seine Blätter sind um 180 Grad zu verstellen, um die Strömung sowohl bei Ebbe als auch bei Flut optimal nutzen zu können. Deutlich kleinere Strömungsräder drehen sich seit einigen Wochen im East River in New York. Dabei ist der East River gar kein richtiger Fluss, er verbindet vielmehr den Meeresarm Long Island Sound mit dem New Yorker Hafen und damit dem Atlantik. Geballte Gezeitenenergie ist damit Auslöser der Strömung. Wenn man den Angaben trauen kann, dann sollen hier auf blankem Fels bis zu 300 Wasserturbinen aufgestellt werden. Zusammengefasst soll ihre Leistung bei zehn Megawatt liegen.
Text: F.A.Z., 24.04.2007, Nr. 95 / Seite T1
Bildmaterial: dpa, F.A.Z., Voith AG
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