Wie wird Wellenenergie zur Stromerzeugung genutzt?

Der Großteil des Stroms, der die industrielle Welt antreibt, stammt aus Induktionsgeneratoren. Der erste kam 1896 online und wurde von der fallenden Wasserkaskade der Niagarafälle angetrieben. Die meisten modernen Induktionsgeneratoren sind jedoch dampfbetrieben, und die Brennstoffe der Wahl zum Erhitzen des Wassers sind seit langem Spulen, Erdöl und Erdgas – sogenannte fossile Brennstoffe.

Im Jahr 2011 lieferten fossile Brennstoffe 82 Prozent des weltweiten Stroms, aber es gibt immer mehr Beweise für die verheerenden Auswirkungen der Verbrennungsnebenprodukte auf die Umwelt. Im Oktober 2018 warnten Wissenschaftler, dass die globale Erwärmung, zu der die Verbrennung fossiler Brennstoffe einen wesentlichen Beitrag leistet, sich schnell einem irreversiblen Wendepunkt nähert. Das Ergebnis solcher Warnungen ist eine Verlagerung weg von fossilen Brennstoffen und hin zu erneuerbaren Energiequellen wie Photovoltaik, Geothermie und Windkraftanlagen.

Wellenkraft ist eine der Optionen auf dem Tisch. Die Ozeane stellen ein riesiges Reservoir an ungenutzter Energie dar. Laut dem Electric Power Research Institute beträgt die potenzielle Wellenenergie rund um die Küsten der Vereinigten Staaten, einschließlich Alaskas, etwa 2.640 Terawattstunden/Jahr. Das ist genug Energie, um 2,5 Millionen Haushalte ein ganzes Jahr lang mit Strom zu versorgen. Eine andere Sichtweise ist, dass eine einzelne Welle genug Energie hat, um ein Elektroauto über Hunderte von Kilometern anzutreiben.

Es gibt vier Haupttechnologien, um Wellenenergie zu nutzen. Manche arbeiten in Ufernähe, manche offshore und manche in der Tiefsee. Wellenenergiekonverter (WECs) sind so konzipiert, dass sie auf der Wasseroberfläche verbleiben, unterscheiden sich jedoch in den Ausrichtung der Kollektoren zur Wellenbewegung und in den Methoden zur Erzeugung von Elektrizität. Die vier Arten von Wellenstromgeneratoren sind Punktabsorber, Terminatoren, Überlaufvorrichtungen und Dämpfungsglieder.

Ob Sie es glauben oder nicht, Wellenkraft ist eine andere Form der Sonnenenergie. Die Sonne erwärmt verschiedene Teile der Erde unterschiedlich stark, und die daraus resultierenden Temperaturunterschiede erzeugen die Winde, die mit dem Meerwasser interagieren, um Wellen zu erzeugen. Die Sonnenstrahlung erzeugt auch Temperaturunterschiede im Wasser selbst, und diese treiben Unterwasserströmungen an. In Zukunft mag es möglich sein, die Energie dieser Strömungen zu nutzen, aber im Moment richtet sich die Aufmerksamkeit der Energieindustrie hauptsächlich auf Oberflächenwellen.

In einem Wasserkraftwerk treibt die Energie des fallenden Wassers direkt die Turbinen an, die Wechselstrom erzeugen. Dieses Prinzip wird bei einigen Formen der Wellenerzeugung fast unverändert verwendet, bei anderen hingegen wird die Energie der Steigendes und fallendes Wasser muss ein anderes Medium passieren, bevor es die Arbeit des Spinnens verrichten kann Turbine. Dieses Medium ist oft Luft. Die Luft ist in einer Kammer eingeschlossen und wird durch die Bewegung der Wellen komprimiert. Die Druckluft wird dann durch eine kleine Öffnung gepresst, wodurch ein Luftstrahl entsteht, der die notwendige Arbeit verrichten kann. Bei einigen Technologien wird die Energie der Wellen durch hydraulische Kolben in mechanische Energie umgewandelt. Die Kolben wiederum treiben die Turbinen an, die Strom erzeugen.

Die Wellenkraft befindet sich noch weitgehend in der experimentellen Phase und Hunderte von verschiedenen Designs wurden patentiert, obwohl nur ein Bruchteil davon tatsächlich entwickelt wurde. Eines, das 2008 und 2009 kommerziellen Strom vor der Küste Portugals lieferte, und die schottische Regierung plant die Entwicklung eines großen Projekts im kabbeligen Wasser der Nordsee. Ein ähnliches Projekt ist vor der Küste Australiens geplant. Derzeit gibt es vier Haupttypen von Wellengeneratoren:

Ein Punktabsorber ist in erster Linie ein Tiefseegerät. Es bleibt verankert und schaukelt auf den vorbeiziehenden Wellen auf und ab. Es besteht aus einem zentralen Zylinder, der frei in einem Gehäuse schwebt, und wenn die Welle vorbeiläuft, bewegen sich Zylinder und Gehäuse relativ zueinander. Die Bewegung treibt ein elektromagnetisches Induktionsgerät oder einen hydraulischen Kolben an, der die notwendige Energie zum Antrieb einer Turbine erzeugt. Da diese Geräte Energie absorbieren, können sie die Eigenschaften der Wellen beeinflussen, die das Ufer erreichen. Dies ist ein Grund, warum sie an Standorten weit vor der Küste eingesetzt werden.

Eine oszillierende Wassersäule (OWC) ist eine besondere Art von Punktabsorbern. Es sieht auch aus wie eine Boje, hat aber statt eines frei schwebenden Innenzylinders eine Wassersäule, die mit den Wellen steigt und fällt. Die Bewegung des Wassers drückt Druckluft durch eine Öffnung, um einen Kolben anzutreiben.

Terminatoren können an Land oder in Küstennähe angebracht werden. Sie sind im Grunde lange Röhren, und wenn sie offshore eingesetzt werden, fangen sie Wasser durch unterirdische Hafenöffnungen auf. Die Rohre sind so verankert, dass sie sich in Richtung der Wellenbewegung erstrecken, und das Auf- und Absteigen der Meeresoberfläche drückt eine Säule eingefangener Luft durch eine kleine Öffnung, um eine Turbine anzutreiben. An Land treiben die Wellen, die auf den Strand prallen, den Prozess an, sodass sich die Öffnungen in den Enden der Rohre befinden. Jeder Terminator kann je nach Wellenbedingungen eine Leistung im Bereich von 500 Kilowatt bis 2 Megawatt erzeugen. Das ist genug Strom für eine ganze Nachbarschaft.

Dämpfungsglieder sind wie Terminatoren lange Röhren, die senkrecht zur Wellenbewegung eingesetzt werden. Sie sind an einem Ende verankert und in Segmenten aufgebaut, die sich im Wellengang relativ zueinander bewegen. Die Bewegung treibt einen hydraulischen Kolben oder eine andere mechanische Vorrichtung an, die sich an jedem Segment befindet, und die Energie treibt eine Turbine an, die wiederum Strom erzeugt.

Überlaufvorrichtungen sind lang und erstrecken sich senkrecht zur Richtung der Wellenbewegung. Sie bilden eine Barriere, ähnlich wie ein Deich oder ein Damm, der Wasser sammelt. Der Wasserspiegel steigt mit jeder vorbeiziehenden Welle, und wenn er wieder sinkt, treibt er Turbinen an, die Strom erzeugen. Die Gesamtwirkung ist ungefähr die gleiche wie bei Wasserkraftwerken. Die Turbinen und Übertragungseinrichtungen sind oft auf Offshore-Plattformen untergebracht. Überlaufvorrichtungen können auch an Land gebaut werden, um die Energie von Wellen einzufangen, die auf den Strand prallen.

Trotz des offensichtlichen Versprechens der Wellenkraft hinkt die Entwicklung der Solar- und Windkraft weit hinterher. Kommerzielle Großanlagen sind noch Zukunftsmusik. Einige Energieexperten vergleichen den Zustand des Wellenstroms mit dem von Solar- und Windstrom vor 30 Jahren. Der Grund dafür liegt zum Teil in der Natur der Meereswellen. Sie sind unregelmäßig und unberechenbar. Die Höhe der Wellen und ihre Periode, also der Abstand zwischen ihnen, können von Tag zu Tag oder sogar von Stunde zu Stunde variieren.

Ein weiteres Problem ist die Kraftübertragung. Wellenkraft kann keinen Zweck erfüllen, bis sie ans Ufer übertragen wird. Die meisten WEA sind mit Transformatoren ausgestattet, um die Spannung für eine effizientere Übertragung entlang von Unterwasserstromleitungen zu erhöhen. Diese Stromleitungen liegen normalerweise auf dem Meeresboden, und ihre Installation erhöht die Kosten einer Wellenkraftwerksanlage erheblich, insbesondere wenn die Station weit von der Küste entfernt liegt. Darüber hinaus ist mit jeder Übertragung von elektrischer Energie eine gewisse Verlustleistung verbunden.