Buch der Synergie
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TEIL C
Strömungsenergie
Die selbsterneuernde Strömungsenergie innerhalb der Meere, die hier von Gezeitenströmungen getrennt betrachtet wird, ist in die Summe der starken Hauptströmungen (50 · 109 W) und in die Summe der lokalen Strömungen (ebenfalls 50 · 109 W) aufgeteilt. Allein dem Golfstrom wird eine Leistung zwischen 15 und 25 · 109 W zugeschrieben. Da sich nur relativ wenige Länder resp. Unternehmen mit dieser Technologie beschäftigen habe ich die Darstellung hier entsprechend zusammengefaßt. Zu berücksichtigen ist ferner die Unterscheidung zwischen den Strömungen, die aufgrund von Erdrotation und thermischen Effekten stattfinden - und den Gezeiten, die ich ja schon behandelt habe. Die in beiden Fällen eingesetzten Geräte sind allerdings weitgehend identisch - sofern es sich um küstenferne Anlagen handelt.
Als besonders geeignete Standorte für Meeresströmungskraftwerke gelten:
Wirtschaftlich ausnutzen lassen sich Strömungen mit einer Geschwindigkeit
ab 2 m/s. Das US-Departement of Energy hat bereits Mitte der 1980er Jahre
an die AERO Environment Inc. in Pasadena einen Auftrag vergeben,
der den Bau und Betrieb von 250 Turbinen mit einem Durchmesser von
je 20 m zum Inhalt hat. Diese Turbinen sollen dem etwa sechs Knoten
schnellen Golfstrom insgesamt 75 MW abzapfen, weiterführende Planungen
sprechen von einer 1.000 MW Anlage mit 200 Großturbinen. Diese
Pläne sind bislang jedoch nicht umgesetzt worden.
Wie schon im vorausgegangenen Kapitel zur Gezeitenenergie erwähnt, gibt es bei den folgenden Technologien Überschneidungen zwischen ihrem Einsatz bei der Gezeitennutzung und dem der Nutzung anderer Meeresströmungen. Einige der Turbinen werden uns daher schon bekannt vorkommen.
Der leichteren Übersicht halber habe ich auch diese Auflistung länderspezifisch unterteilt.
Australien
Mitte 2007 wird in den Blogs die patentierte
S-Turbine des australischen Farmers und Erfinders Fred Sundermann vorgestellt,
die immerhin schon 1 kW produziert. Für ein Projekt in Port Phillip
gibt es bereits größere Pläne: Dort sollen in einer
Wassertiefe von 25 m insgesamt 36 Turbinen installiert werden, die
dann gemeinsam 1.260 MW erzeugen.
Die S-Turbine würde sich von anderen Systemen darin unterscheiden, daß ihre Konstruktion das Wasser zwingt, den Weg durch die Rotorschaufeln zu nehmen und nicht daran vorbei.
Deutschland
1997 meldet Gerhard Steinmüller aus Schulzendorf
bei Berlin das Patent Nr. 195.25927.0 an, das aus einem U-Boot-ähnlichen
Hohlkörper und Propellern mit Spannweiten von 40 bis 90 m besteht
und damit eine Alternative zu fest fundamentierten Systemen bildet.
Von einer Umsetzung ist leider nichts bekannt.
Großbritannien
Mit der Ausnutzung der Meeresströmungen
beschäftigt sich das GEC Hirst Research Lab. (als
Teil der US-amerikanischen General Electric Co.),
das schon vor seiner Auflösung in den 1990er Jahren
spezielle Turbinen mit 8 m Durchmesser entwickelt hat, die bei einer
Strömung
von 5 m/s eine Leistung von 1 MW erreichen. Turbinen von 100 m Durchmesser
werden an der Reading University
konzipiert, bei einer Strömung von nur 2 m/s sollen diese Unterwasser-Riesenräder
eine Leistung von 10 MW erzielen, ihre Umdrehungsgeschwindigkeit
beträgt dabei nur 1 U/m.
Neben diesen Axial-Strömungsturbinen untersucht und entwickelt in Großbritannien zu dieser Zeit besonders eine Firma Maldon (?) aus Essex spezielle Vertikal- und Horizontalsysteme. Die Versuche werden gemacht, um die zwischen den englischen Inseln auftretenden Strömungen zur Versorgung von Inselgemeinschaften auszunutzen.
Die britische Firma Engineering Business Ltd. (EB) aus Northumberland, die sich mit Offshore-Technologien beschäftigt, beginnt 1997 an einem Unterwasser-Energiesystem namens Active Water Column Generator (AWCG) zu arbeiten. Nachdem das britische Handels- und Industrieministerium die Entwicklung im Jahr 1998 mit einem Smart Award auszeichnet, wird 1999 erstmals ein kleineres Modell gebaut und getestet.
(Grafik)
Bei der AWCG Technologie erfolgt die Energieübertragung der in der Strömung oszillierenden Tragfläche durch Luftdruck – und die Stromerzeugung über eine damit betriebene Turbine. Aus diesem Vorläuferprojekt entwickelt sich im Laufe der Jahre der Stingray Tidal Stream Generator, dessen Patent das Unternehmen besitzt.
Dieser 180 t schwere Energiekonverter besteht aus einer Standsäule mit Auslegern (ähnlich dem unteren Teil eines Bürodrehstuhles) und soll im Yell-Sund bei den Shetland-Inseln auf dem Meeresgrund verankert werden. Der obere Teil, der gleichfalls völlig im Wasser verschwindet, besteht aus einem Wippenarm, an dessen freiem Ende ein horizontaler, hydrodynamisch geformter Kippflügel befestigt ist. Durch die Kraft der Meeresströmung wird der Arm auf und nieder bewegt und erzeugt über einen Hochdrucköl-Kreislauf und einen Generator innerhalb der Standsäule elektrischen Strom.
Gesponsert mit rund 60 Mio. € vom britischen Handels- und Industrieministerium werden ab 2002 und im Rahmen eines Dreijahres-Programms umfangreiche Tests an der Stingray-Technologie durchgeführt, außerdem gibt es Pläne für eine 5 MW Version.
Tony Trapp, Chef des Unternehmens, kommt nach dem Bau und der Installation einer riesigen 150 kW Demonstrationsanlage im Jahr 2005 jedoch zu dem ernüchternden Schluß, daß weder sein Apparat, noch andere Gezeitenkraftwerke, je kostendeckend arbeiten können.
Andere Unternehmen scheinen allerdings anderer Meinung zu sein.
Anfang 2000 beginnt die Arbeit am dem damals weltweit ersten Strömungskraftwerk, das im Rahmen eines britisch-deutschen Projekts umgesetzt wird. Nach einigen Jahren Planung werden im Bristol Channel vor der Küste Cornwalls die ersten Rotoren installiert. Die Seaflow Anlage, welche wie ein Unterwasser-Windkraftwerk aussieht, nutzt die von den Gezeiten verursachten Meeresströmungen. Für eine erfolgreiche kommerzielle Nutzung müssen allerdings Strömungsgeschwindigkeiten von mindestens 2 - 2,5 m/sec vorhanden sein.
Rotor, Netzanschluss, Steuerung und Regelung der Anlage werden von Mitarbeitern der Universitäts-Gesamthochschule Kassel wissenschaftlich bearbeitet und in Zusammenarbeit mit Komponentenherstellern optimiert. Involviert sind das Institut für Elektrische Energietechnik/Rationelle Energiewandlung und das Institut für Solare Energieversorgungstechnik (ISET) unter der Leitung von Prof. Jürgen Schmid. Das internationale Konsortium unter Leitung des Ingenieurbüros IT Power wird auf britischer Seite durch einen Spezialisten für Offshore-Installationen Seacore Ltd. ergänzt. Die Triebstrangkomponenten (Generator, Getriebe etc.) werden von verschiedenen deutschen Herstellern gebaut, die auch Windkraftanlagenhersteller beliefern. Dieses Projekt, das ursprünglich als nur von der Europäischen Kommission gefördertes Forschungsvorhaben startete, wird inzwischen auch vom Bundeswirtschaftsministerium und vom Britischen Department for Trade and Industry mitfinanziert.
Bei der Seaflow-Pilotanlage wird ein Turm, ein sogenannter Monopile, im Meeresboden verankert. Je nachdem wie tief der Meeresgrund bzw. wie stark die Strömung ist, wird ein Rotor mit einem größeren Durchmesser oder zwei an einem Querbalken befindlichen kleinere Rotoren (10 – 15 m Durchmesser) installiert. Die Pilotanlage wird mit einem Rotor von 15 m Durchmesser ausgestattet. Damit sich die Rotorblätter immer unter der Wasseroberfläche befinden, ist die Rotornabe rund 10 m unter dem Niveau des Gezeiten-Tiefstands angebracht. Bei Bedarf kann der gesamte Rotor hochgefahren und oberhalb der Wasseroberfläche gewartet werden.
In Abhängigkeit von der Witterung und der Auslastung des für die Installation zuständigen Unternehmens Seacore Ltd. sollte die 3,6 Mio. € teure Pilotanlage schon 2002 installiert werden. Da die Komponenten – ähnlich wie bei einer Windkraftanlage – bereits vormontiert vorliegen, dauert die eigentliche Installation nur wenige Tage. Tatsächlich verzögern sich die Arbeiten bis zum Folgejahr.
Die Pilotanlage, welche für eine Nennleistung von 350 kW ausgelegt ist, soll insbesondere Aufschluß über den Energieertrag dieses Systems bringen. Erwartet werden von Experten rund 4.000 Vollaststunden, was in etwa der Nutzungsdauer von Offshore-Windkraftanlagen entspricht. Noch besser als bei großräumig verteilten Windkraftanlagen kann durch eine geschickte räumliche Verteilung der Meeresströmungsturbinen eine zeitliche Verschiebung und dadurch eine gleichmäßige Stromproduktion realisiert werden.
Während bei Wellenkraftwerken die Stromproduktion maßgeblich von der Witterung abhängt und die Anlagen betreffend ihrer Standfestigkeit und Auslegung auch auf extreme Energiespitzen ausgelegt werden müssen, garantieren Meeresströmungen eine kontinuierlichere Stromproduktion. Außerdem beeinflussen extreme Energiespitzen wie Stürme die Unterwasseranlage nur unwesentlich.
Die größten Potentiale für Strömungskraftwerke nach dem Seaflow-Prinzip liegen außerhalb Europas. Doch selbst in Europa sind bislang schon über 100 Standorte bekannt, die sich für eine Energiegewinnung aus Meeresströmungen eignen würde. Diese befinden sich vor allem entlang der britischen, französischen, portugiesischen und spanischen Küste. Nach einer ersten unvollständigen wissenschaftlichen Studie beträgt das Potential in Europa 12.000 MW. Ähnlich wie dies bei der Suche nach geeigneten Standorten für Windkraftanlagen bereits der Fall ist, befindet sich ein Simulationsprogramm in der Entwicklung, welches die Strömungen in Abhängigkeit der Meeresbodenprofile berechnen soll. Dadurch wird zukünftig eine schnellere und aussagekräftigere Suche nach geeigneten Standorten möglich.
Die Patente sowie die Verwertungsrechte an Seaflow sind in Besitz der im Jahr 2000 gegründeten Marine Current Turbine Ltd. (MCT). MCT bietet den Rahmen für eine finanzielle Beteiligung aus der Industrie, um mittelfristig Kraftwerksparks mit einer Gesamtleistung von 5 bis 10 MW realisieren zu können. Im April 2005 gibt das Unternehmen bekannt, daß der 300 kW Experimental-Prototyp nahe Lynmouth seine erwartete Leistung zu 100 % erreicht. Die Markteinführung von 500 kW bzw. 1.000 kW Rotoren sollen im Jahr 2007 oder 2008 erreicht werden.
Im August 2007 wird bekannt, daß auch eine Seaflow-Anlage mit dabei sein wird, wenn ab Anfang 2008 an der Küste Nordirlands die Demonstrationsanlagen von drei Gezeiten-Generatoren zusammen 1,2 MW erzeugen sollen. Diese wird von MCT inzwischen unter dem Namen SeaGen vermarktet (s.d.).
Das Centre for Research in Energy and the Environment befindet sich an der Robert Gordon University in Aberdeen, Schottland. Hier erfolgen Untersuchungen an Meeresströmung-Energieanlagen ab 2003. Unter dem Namen Sea Snail wird ein kombiniertes System entwickelt, das aus einem Rotor nebst mehreren Tragflächen besteht. Der erste Prototyp hat eine Leistung von 150 kW und wird im Eynhallow Sound getestet.
Auch diese Konstruktion wird ausgewählt, um in Form einer 30 t schweren Versuchsplattform und mit einer Leistung von 750 kW ab 2006 in Orkney einem Praxistest unterzogen zu werden.
Der auch im Bereich der Wellenenergie (s.d.) aktive Prof. Stephen Salter von der Edinburgh University entwickelt 2003 ein System mit der Bezeichnung Polo, das in Tiefen um 50 m eingesetzt werden kann, um die dort vorhandenen stärkeren Strömungen zu nutzen.
Die zylindrische, schwimmende Konstruktion besteht aus einem Rotor mit vertikaler Achse, dessen Generator sich an der Oberfläche befindet. Der Rotor ist mit verstellbaren Blättern ausgestattet. Ein erster Prototyp soll 2004 entstehen, doch anscheinend wird dieses Projekt nicht weiterverfolgt.
Italien
Die 1983 als
Teil der Caronte Shipping Group. in Messina, Italien,
gegründete Firma Ponte di Archimede International S.p.A ist
auf die Erforschung und Entwicklung alternativer und erneuerbarer
Energiequellen spezialisiert, unter besonderer Berücksichtigung ökologischer
Aspekte. Der Name stammt übrigens von dem Projekt einer schachtartigen
Unterwasser-Hängebrücke, die von unten verankert und von oben mittels
Pontons stabilisiert einen kostengünstigen Mittelweg zwischen Untertunnelung
oder Überbrückung von Gewässern bilden soll.
Zusammen mit dem Institute of Energy Conversion der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und mit Unterstützung des Synergy European Fund werden 1997 in der Straße von Jintang (Zhoushan-Archipel), mit Blick auf Shanghai, Studien zur Anwendung der Enermar Anlage durchgeführt.
Das Unternehmen beginnt im März 2002 mit dem Testbetrieb ihrer patentierten Kobold Turbine etwa 150 m vor der Küste von Torre Faro in der Straße von Messina. Die Realisierung des ersten Prototyps wird zu 50 % von der Verwaltung der Region Sizilien im Rahmen der Strukturfonds der EU finanziert.
(herausgehoben)
Es handelt sich dabei um ist eine Cross-Flow-Turbine mit vertikaler Achse und drei geraden Blättern von 5 oder 6 m Länge. Der Durchmesser der Turbine beträgt knapp 6 m. Die verankerte Plattform des Enermar Strömungskraftwerks, unter dem die Turbine zentriert angebracht ist, hat einen Durchmesser von 10 m und eine Höhe von 2,5 m, von denen 1,5 m unterhalb der Wasseroberfläche liegen. Obenauf gibt es einen Kontrollraum, auf dem zeitweilig auch Solarpaneele angebracht werden. Bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 2,5 m/s beträgt die Nennleistung 70 kW, erreicht werden 40 kW. Der Wirkungsgrad wird mit 23 % angegeben.
2005 beginnt eine Zusammenarbeit mit der UNIDO, bei der es um den Einsatz des Systems in der VR China, den Philippinen und in Indonesien geht. Im März 2006 wird die Anlage an das Stromnetz der ENEL in Messina angeschlossen, außerdem laufen weitere Modelltests am National Institute for Naval Architecture Research and Experimentation (INSEAN) in Rom. Für den März 2007 ist geplant, daß eine 200 kW Kobold Turbine Strom für eine indonesische Insel liefern soll. Hierfür wird mit der indonesischen Firma für Alternativenergie Walinusa Energi, ein Tochter der Tason Holdings, das Joint-Venture PT. Kobold Nusa gegründet.
Der Bau des Modells Kobold II beginnt in Indonesien jedoch erst im Mai 2009, wo die Anlage Ende des Jahres an der Küste von Lombok installiert werden soll. Partner ist die Firma PT. Java Sea Transnautics. Das Projekt wird von der UNIDO unterstützt und finanziert. Aktuellere Informationen sind bislang nicht verfügbar.
Im Jahr 2005 wird ein technologisch ähnliches Projekt von der Aircraft Design and Aeroflight Dynamics Group (ADAG) der Universität von Neapel verfolgt. Das Mythos genannte System besteht ebenfalls aus einer schwimmenden Boje und einer Vertikalachsen-Unterwasserturbine mit drei Blättern.
Der Durchmesser des Rotors beträgt 12 m, die Länge der 80 cm breiten Blätter jeweils 10 m. Man erwartet einen Wirkungsgrad über 30 %. Die geplanten Bojenmaße betragen 14 m Durchmesser und 3 m Höhe. Bei einer Strömung von 2 m/s soll ein Output von 150 kW erreicht werden. Kooperationspartner ist das Angstroem Laboratory der Universität Uppsala in Sweden.
Norwegen
Seit den 1990er Jahren entwickelt das norwegische Unternehmen Hammerfest Strøm neuartige Strömungs-Turbinen, die gemeinsam mit anderen Industriepartnern wie ABB und Rolls-Royce sowie verschiedenen wissenschaftlichen Instituten gebaut und getestet werden. Die horizontal angebrachten Rotorblätter haben eine Länge von 15 – 16 m und stellen sich automatisch der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung nach. Die Stromgeneratoren sind gekapselt und speziell für den Unterwasserbetrieb konzipiert. Im Unterschied zu den Türmen von Windkraftrotoren sind die Trägerstrukturen unter Wasser schräg errichtet, um den wesentlich höheren Druckkräften dieser Umgebung besser entgegenwirken zu können.
Der Bau der Demonstrationsanlage in 17 m Tiefe in der Meerenge zwischen Kvalsund und Hammerfest, wo eine maximale Strömungsgeschwindigkeit von 2,5 m/s vorherrscht, wird 2002 beendet, 2003 erfolgt der Anschluß an das Stromnetz. Auch über dieses Projekt habe ich bereits im vorangegangenen Kapitel berichtet.
Im Laufe des Jahres 2004 sollten insgesamt 20 Turbinen installiert werden. Der erwartete Output beträgt 32 GWh pro Jahr, und das Investitionsvolumen wird mit 100 Mio. Norwegische Kronen angegeben. Das Projekt ist jedoch nicht realisiert worden.
Taiwan
Taiwan,
das 99,2 % seines Energiebedarfs importiert, zeigt 2007 Interesse
daran, im Osten des Landes die Energie des Kuroshio Meeresstroms zu
nutzen, einem Arm des nordpazifischen Stromes, dem äquivalent zum
Golfstrom. Die küstennahe und nach Norden fließende Strömung hat eine
Durchschnittsgeschwindigkeit von 1,0 m/s und erreicht stellenweise
sogar bis zu 1,4 m/s.
Da man mit einem nutzbaren Potential von 30 GW rechnet wird 2010 vorgeschlagen, eine 30 MW Pilotanlage mit dem Namen Kuroshio Power Plant (KPP) zu bauen. Verantwortlich für die Forschungsplanung im Rahmen des Taiwan National Energy Program, einem Multi-Milliarden US-Dollar Fünf-Jahres-Projekt, das 2009 gestartet ist, ist Prof. Chen Falin an der National Taiwan University in Taipei. Er ist ein starker Befürworter des Meeresströmungs-Projekts. Im März 2010 wird daher zwischen der National Taiwan Ocean University, dem Industrial Technology Research Institute und der CSBC Corp., einem staatlichen Schiffbauunternehmen, ein ,memorandum of understanding’ unterzeichnet, um gemeinsam eine Einrichtung für Feldforschungen zur Energieerzeugung aus der Meeresströmung zu konstruieren. Langfristiges Ziel sind ummantelte 0,5 MW Turbinen mit 10 m Durchmesser, die in Clustern direkt am Meeresboden verankert oder an verankerten, unter Wasser schwimmenden Plattformrahmen befestigt sind.
USA
Der in Amerika lebende, russischstämmige Prof. Alexander M. Gorlov erhält bereits 1994 sein erstes Patent für die nach ihm benannte Turbine. In den Jahren 1998/1999 wird seine Anlage an den Marine Hydrodynamics Laboratories der Universität von Michigan untersucht. Die leicht verdrillte Abwandlung eines Darrieus-Rotors (s.d.) zeichnet sich insbesondere durch sehr stark reduzierte Vibrationen aus. Als Wirkungsgrad werden 35 % ermittelt. Im Jahr 2001 erhält Gorlov den Thomas A. Edison Patent-Preis für seine Entwicklung.
Die Rechte an der Gorlovs Technik werden später von dem US-Unternehmen GCK Technology in San Antonio gekauft, doch obwohl es für die weitere Erforschung der Wasserkraft allein im Jahr 2003 Fördermittel in Höhe von etwa 5 Mio. $ gibt, fällt für die Untersuchung an offenen Strömungswandlern nicht ein einziger Cent ab. Einzig private Seiten sind dazu bereit, Arbeiten an dieser Form der Energienutzung finanziell zu unterstützen. Im Laufe der Jahre beschäftigen sich jedoch zunehmend mehr Firmen mit dieser Technologie, insbesondere im Bereich der Gezeitenenergie.
Die Verdant Power LLC in Arlington, Virginia, wird im März 2000 gegründet, nachdem das Team zwei Jahre lang Versuche mit ihrem selbstentwickelten Prototypen einer Free-Flow Turbine durchgeführt hatte. Das Untenehmen arbeitet in den Folgejahren auch an verschiedenen anderen Konzepten wie der Gorlov Turbine, der CycloTurbine (einem Senkrecht-Darrieus) und der Instream Energy Generation Technology (IEGT).
Gemeinsam mit der New York Power Authority (NYPA) und der New York University (NYU) forscht man außerdem an einer eher konventionellen Dreiblatt-Struktur, die nach diversen Grundlagenuntersuchungen als Prototyp erstmals in Pakistan entwickelt, hergestellt und getestet wird.
Nach einer weiteren Demonstrationsanlage 2003 im East River von New York City plant man für 2006 eine Pilotanlage, bei der – vorerst befristet – sechs jeweils 5 m durchmessende Axialturbinen im Flussbett installiert werden sollen. Der East River ist im Grunde kein richtiger Fluss – er verbindet vielmehr den Meeresarm Long Island Sound mit dem New Yorker Hafen und damit dem Atlantik. Die Strömung ist mit 7,4 km/h so stark, daß es ein Unterwasserturbinenkraftwerk lohnenswert erscheinen läßt.
Bis 2008 sollen sich hier im Abstand von bis zu 30 m und auf einer Länge von 1,5 km zwischen 200 und 300 Rotoren drehen - ist geplant. Mit den geschätzten 10 MW Stromertrag könnten 8.000 Haushalte versorgt werden, bei Kosten, die etwa denen der Windenergie entsprechen.
Im August 2006 investiert die Tudor Investment 7,5 Mio. $ in die Entwicklung von Verdant, ein weiterer gleichgroßer Betrag wird für Anfang 2007 anvisiert.
Im April 2007 meldet die Presse, daß Verdant – nach neun Jahren, vier verschiedenen Prototypen und fünf unterschiedlichen Ansätzen – nun endlich damit begonnen hat, fünf weitere seiner knapp 5 m durchmessenden Unterwasserturbinen in den East River abzusenken. Der Strom des bereits zuvor installierten ersten dreiblättrigen Axialrotors (35 kW) hatte einen Supermarkt in Manhattan sowie ein Parkhaus mit Strom versorgt, wo sich Elektrofahrzeuge mit Gezeitenstrom aufladen ließen. Neben dem erwarteten Gesamtertrag von 175 kW wird eine sechste Turbine, die mit diversen Meßinstrumenten ausgestattet ist, das Gebiet überwachen und den Einfluß der Anlagen auf das marine Leben aufzeichnen.
Die sechs Anlagen müssen allerdings im August 2007 schon wieder aus dem Fluß gehoben werden, um repariert um umkonstruiert zu werden. Die starke Strömung hatte die Rotorblätter beschädigt. Schon zuvor waren mehrere Blätter abgebrochen und durch stärkere ersetzt worden. Mehr daüber im Kapitel Gezeitenenergie - USA.
Eines der weniger konventionellen Modelle, an denen Verdant auch gearbeitet hat, ist die ‚Cycloidal Turbine’ – die unweigerlich an einige Windkraftsysteme erinnert, welche auf der ursprünglichen, persischen Rotorform beruhen (s.d.). Das Rad dieser Turbine ist mit einer Anzahl von ‚Paddeln’ bestückt, die individuell verstellt werden können, so daß das Resultat aus Widerstand und Auftrieb jeweils einzeln optimiert werden kann. Über eine praktische Umsetzung ist nichts bekannt geworden.
Im Jahr 2002 beginnt die Atlantis Resources Corp. aus Maclean mit der Entwicklung von Entwürfen und Konzepten für frei schwimmende Gezeitenturbinen (s.d.). Firmengründer Mick Perry hat jedoch auch die Idee, die starke nach Süden gerichtete Meeresströmung im Osten Australiens zu nutzen. Für seine Vielblatt-Kettenturbine namens Aquanator wird er bereits Mitte 2004 als Erfinder des Jahres gekürt. Bis dahin hat das Privatunternehmen schon 3 Mio. $ in die Entwicklung gesteckt. Die Tragflächen-Segelelemente werden in Zusammenarbeit mit Experten der Monash University optimiert.
Nach diversen Modell-Tests in San Remo, Victoria, im niedrigen kW-Bereich und vielen Schleppversuchen baut und installiert die inzwischen in Atlantis Energy Ltd. umbenannte Firma im Februar 2005 in der Mündung des Clarence River bei Maclean im nördlichen New South Wales einen 100 kW Aquanator. Hier herrscht eine Strömungsgeschwindigkeit von 2,5 Knoten. Im September 2006 wird die 30 t schwere, 57 m breite und 9 m hohe Testanlage erfolgreich ans öffentliche Netz angeschlossen. In einem ab 2007 beginnenden Zweijahresvertrag vereinbart das Unternehmen mit der Firma Country Energy, einem der größten Stromanbieter des Landes, daß dieser den Strom aus der Aquanator-Anlage übernimmt.
Mitte 2007 steigt die US-Investmentbank Morgan Stanley als Aktionär bei Atlantis ein und übernimmt 49 % der Anteile, während die ursprünglich zusammen mit 200 weiteren Investoren gegründete Atlantis Energy Ltd. im November 2007 in Yamba Energy Ltd. umbenannt wird. Diese Firma bleibt in Mona Vale beheimatet und ihre Haupttätigkeit besteht aus passivem Investment in die Atlantis Resources Corporation Pte Ltd. (ARC) mit Sitz in Singapur.
Im Mai 2008 wird die Aquanator Turbine entfernt und das bisherige Prüfgelände von Atlantis stillgelegt – während zeitgleich in San Remo, in Nähe der Phillip Island Brücke eine neue Anlage, jetzt Nereus I bzw. AN-150 Turbine genannt, installiert und ans Netz angeschlossen wird. Durch die schnellere Strömung bedingt werden hier 150 kW erzielt. Diese Konstruktion soll auch für Flüsse tauglich sein. Allerdings ist man mit den Ergebnissen dieses Systems nicht zufrieden. Im Juli 2008 wird am New Haven Wharf daraufhin eine Nereus II oder AN-400 Gezeitenstromturbine getestet, deren Resultate eine enorme Zunahme in der Effizienz zeigen.
Im September 2008 übernimmt die ARC die Rechte an Mick Perrys Aquanator, beschäftigt sich aber weiterhin mehr mit der AS Serie (ummantelte Horizontalachsen-Turbinen) und der AK Serie (offene Horizontalachsen-Turbinen), über die ich im Kapitel Gezeitenergie bereits berichtet habe.
Im Februar 2006 gibt die Bermuda Electric Light Company Limited (BELCO) bekannt, daß man mit dem Unternehmen Current to Current Bermuda Limited (CCB) einen Vertrag zur Errichtung eines 20 MW Strömungskraftwerkes geschlossen habe. Die ersten 10 MW sollen Ende 2007 in Betrieb gehen. BELCO ist der alleinige Stromversorger der Insel, während die CCB eine Tochter des US-Unternehmens Current to Current Corp. in Massachusetts ist, das die Patente für die Entwicklungen des Teams um Manfred Kuehnle hält.
des FAU-Rotors
Die Florida Atlantic University (FAU) arbeitet an Strömungsturbinen, die primär im Golfstrom eingesetzt werden sollen.
Vom Wissenschaftsrat des Staates bekommt die Universität Anfang 2007 einen Betrag von 5 Mio. $ zur Gründung des Florida Center of Excellence in Ocean Energy Technology (COET), das sich mit der Nutzung der Meeresströmung im Golfstrom beschäftigen soll und dabei mit einer ganzen Reihe von Institutionen und Firmen zusammenarbeiten wird: die U.S. Navy, das U.S. Department of Energy, das National Renewable Energy Laboratory, die Unternehmen Florida Power & Light, Ocean Renewable Power, Lockheed Martin, Clipper Windpower, Oceaneering und Aquantis, sowie die University of Central Florida, die Nova Southeastern University und die Harbor Branch Oceanographic Institution.
Mit den am COET entwickelten und Ende 2007 vorgestellten frei schwimmenden Strömungsturbinen könnte man ein Drittel der Stromversorgung des Bundesstaates decken, wird vorgerechnet. Zu diesem Zeitpunkt arbeitet man bereits an einem großen 20 kW Demonstrationsmodell, das ein wenig wie ein rumpfloses Flugzeuge aussieht. Die beiden Dreiblattrotoren haben jeweils einen Durchmesser von 3 m. Dieses Modell soll im Folgejahr mindestens zwei Wochen lang in Betrieb gehen, um erste praktische Meßergebnisse zu beschaffen. Die kommerziellen Versionen sind in zehnfacher Größe geplant.
An der FAU arbeitet man außerdem an der Nutzung des Temperaturunterschieds zwischen dem kalten Tiefenwasser und dem warmen Oberflächenwasser zur Stromerzeugung (s.u. Thermalgradient). Das COET in Boca Raton, Florida, erhält für seine Arbeit über 15 Mio. $ an staatlichen und bundesstaatlichen Zuschüssen. Entsprechend langsam geht die Arbeit voran.
2007 unterzeichnet Florida mit dem Vereinigten Königreich ein Partnerschaftsabkommen über den globalen Klimawandel – physikalisch sind sie durch den Golfstrom miteinander verbunden. Mitte 2008 besuchen Vertreter der FAU und des COET zusammen mit Floridas Gouverneur Charlie Crist verschiedene Universitäten und Organisationen in Großbritannien um Informationen auszutauschen und Abkommen in den Bereichen Meeresenergien, Umweltschutz und Klimawandel zu formalisieren.
Erst Anfang 2009 versenken Forscher der FAU endlich ihre Meßgeräte in 8 km und 35 km Entfernung und in 220 m bis 645 m Tiefe vor der Atlantikküste von Dania Beach. Mit einem Hochfrequenz-, Low-Power-Sonar sollen die Wasser-Geschwindigkeiten des Golfstroms an verschiedenen Orten vermessen werden. Die Daten sollen zeigen, was zu erwarten ist wenn die erste Testturbine dort ins Wasser eingebracht wird. Dies ist für den Herbst geplant. Ziel ist es, zu beweisen, daß die Beschaffung von Energie aus dem Golfstrom machbar ist, um private Unternehmen zur Erprobung und Entwicklung fortgeschrittener Technologien zu motivieren.
(Grafik)
Im Juni 2007 berichten Blogs über Phi Tran, der eine Turbine entwickelt hat, die sowohl in der Luft als auch im Wasser eingesetzt werden kann. Die Neo-Aerodynamic Turbine ist ein Senkrechtachser mit vier segmentierten Klappflügeln, die ein aerodynamisches Profil aufweisen. Als erster Schritt produzierte das Unternehmen 10 Beta-Modelle, die international verteilt und dort praktisch erprobt werden sollen.
Trans Unternehmen Neo-Aerodynamic Ltd. Co. befindet sich in Cypress, Texas, und will bis Ende 2007 bereits 1.000 Privathäuser ausgerüstet haben. Im Laufe des Jahres 2008 sollen dann fünf verschiedene Geräte vorgestellt werden – sowohl Windkraftanlagen als auch Anlagen zur Nutzung von Meeresströmungen. Ob allerdings der Sprung von einem 10 kW System zu einer anvisierten Anlage mit 3 MW in so kurzer Zeit gelingen wird, erscheint mir als sehr fraglich.
(1. Laborversuch)
Viel Presse bekommt Ende 2008 Prof. Michael Bernitsas von der University of Michigan – Ann Arbor, der seit 2005 am Department of Naval Architecture and Marine Engineering einen Strömungswandler namens VIVACE entwickelt. Der Name steht für Vortex Induced Vibrations Aquatic Clean Energy.
In Nachahmung der Fische, die schwimmend schwache Wirbel an ihrem Körper ausnutzen um schneller voran zu kommen, werden auch hier Turbulenzen ausgenutzt, die durch Wirbel im Wasser entstehen. Immerhin hätte schon Leonardo da Vinci dieses Phänomen in Form der Aeolsharfe beobachtet, einem Instrument, dessen Saiten durch Einwirkung eines Luftstroms zur Resonanz und somit zum Klingen gebracht werden.
Bei von Wasser umströmten Zylindern bilden sich solche Wirbel aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeit an der der Fließrichtung entgegen gesetzten Seite und bringen die Zylinder zum Vibrieren. Dadurch ist es möglich, auch in langsam fließenden Strömungen von 0,25 m/s aus der mechanischen Energie, die durch die Schwingung der gefederten Zylinder entsteht, Elektrizität zu erzeugen. An jedem Zylinder sind an den Enden Magnete befestigt, während die Spulen in den Stützen angebracht sind. Das funktionierende Labormodell besteht aus schlanken Zylindern, die an Federn befestigt quer in der Strömung liegen.
(2. Laborversuch)
Ursprünglich hatte Bernitsas im Auftrag der Ölindustrie daran gearbeitet, die sogenannten Wirbelinduzierten Schwingungen (VIV) zu unterdrücken oder zu dämpfen. Nach seinem Umdenken begann er zu untersuchen, wie sich die destruktiven Auswirkungen statt dessen energetisch nutzen lassen. Im Oktober 2009 laufen Tests mit einem Modell im Strömungskanal bei einer Geschwindigkeit 1 m/s, im Februar 2010 beginnt die Arbeit an einem größeren Modell mit 4 Zylindern und einer Strömungsgeschwindigkeit von 1,3 m/s. Die Amplitude der Zylinder entspricht etwa dem dreifachen Zylinderdurchmesser, womit die gesamte resultierende Bewegung rund 6 Durchmesser beträgt.
Das kostengünstige System kann mit einem Gerüst auf dem Meeresboden angebracht werden, wobei eine 1 x 1,5 km große Fläche mit Einzelsystemen in Höhe zweistöckiger Häuser bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 3 Knoten bis zu 500 MW leisten und 500.000 Haushalte mit Strom versorgen kann. Da keine Staudämme, Turbinen oder Propeller nötig sind, stellen die VIVACE-Anlagen für das Wasserleben keine Gefahr da. Die Zylinder bewegen sich auch langsam genug, damit Fische ihnen ausweichen können und selbst bei einer Kollision nicht verletzt würden. Unterstützt wird die Entwicklung vom US Department of Energy, dem Office of Naval Research, der National Science Foundation, der Detroit/Wayne County Port Authority, der DTE Energy Foundation, der Link Foundation und der Commercialization Initiative der Michigan University, dem Patentinhaber von VIVACE.
Ein Prototyp des Systems mit zwei Zylindern, von denen jeder etwa 10 cm im Durchmesser und etwas mehr als 2 m lang ist, wird im August 2010 im St. Clair River in Port Huron, Michigan, unter realen Bedingungen getestet. Das Gerät kostete schätzungsweise 25.000 $, während Bernitsas für den gesamten Entwicklungsprozeß samt Bau, Installation und Test rund 1 Mio. $ veranschlagt.
Für die Kommerzialisierung gründet Bernitsas bereits 2004 in Michigan seine Firma Vortex Hydro Energy LLC (VHE). Auf seiner Homepage präsentiert das Unternehmen die 2007 an der Universität von Michigan durchgeführten Untersuchungen in Form diverser Papiere und Powerpoint-Präsentationen, wobei ein Wirkungsgrad von 32 % genannt wird.
Der Zivilingenieur Geoff Goeggel, Inhaber der Hawaii Consulting Group, schlägt mit seinem HeliTube Konzept einen neuartigen Wandler für Meeresströmungen vor, der wesentlich effektiver als andere Systeme sein soll.
Es handelt sich um verankerte, schwimmend rotierende Ballon-Boyen, deren Drehung durch ein spiralförmig umlaufendes ‚Rotorblatt’ veranlaßt wird. Sobald die HeliTubes ins Meer eingebracht sind, werden sie mit Süßwasser aus einer angeschlossenen Umkehrosmose-Entsalzungsanlage befüllt. Ein Videoclip wird im September 2008 veröffentlicht, in dem von 750 kW großen Einheiten gesprochen wird, die zu Zigtausenden in den Golfstrom eingebracht werden sollen. Bislang ist von Experimenten oder Umsetzungen nichts bekannt.
Im August 2008 vereinbaren die 2002 gegründete Hydro Green Energy LLC aus Houston, Texas, sowie die Wind Energy Systems Technology Group (WEST) aus New Iberia, Louisiana, um das weltweit erste kombinierte Wind/Wasserkraft-Projekt im Golf von Mexiko umzusetzen und beantragen die entsprechenden Genehmigungen bei der Federal Energy Regulatory Commission. Der Plan sieht vor, dem Wind und den Meeresströmungen rund 5 GW Energie zu entziehen. Da WEST bereits Standortgenehmigungen für Windparks hat, sollen diese nun auch der Hydro Green als Versuchs- und Testplattformen dienen.
Die patentierte, ummantelte Strömungsturbine von Hydro Green (s.u. Laufwasserkraftwerke), die unter einer Schwimmbake befestigt ist, wird 2008/2009 erstmals in einem 2 x 35 kW Pilotprojekt in Hastings, Minnesota, eingesetzt (andere Quellen: 2 x 100 kW). Zusätzliche Projekte sind in weiteren Bundesstaaten im Gange, darunter in Texas und Louisiana. Im April 2008 hatte das Unternehmen in seiner ersten Finanzierungsrunde 2,6 Mio. $ vom Quercus Trust eingeworben. Der Bau einer Fertigungsstätte ist für 2009 geplant, um anschließend mit der Errichtung modularer Farmen zu beginnen. Gedacht wird an regelrechte Turbinenmauern aus 8 x 10 kleinen 2 kW-Einheiten.
Der Erfinder John Robson aus Mundelein, Illinois, gründet 2009 die Firma Gulf Stream Turbines LLC, um seine Erfindungen zu kommerzialisieren. Das erste Patent hatte er 2003, ein zweites 2007 erhalten. Seine Gulf Stream Turbine ist ein freischwimmender Unterwassergenerator mit zwei hocheffizienten Rotoren aus Fiberglas und Karbonfasern. Eine einzelne Turbine, die mit zwei 600 kW Generatoren ausgerüstet ist, soll theoretisch knapp 9 Mio. kWh pro Jahr erzeugen.
(Grafik)
Es gibt detaillierte Pläne, doch die Firma sucht 2010 noch nach Unternehmen oder Investoren, die an einer Lizenz interessiert sind. Technische Versuchen oder Umsetzungen gibt es bislang nicht.
Im September 2010 berichtet die Fachpresse über das Projekt von Prof. Darris White von der Embry-Riddle Aeronautical University in Daytona Beach, Florida, einen Schwarm von Unterwasser-Turbinen zu bauen, der sich wie ein Fischschwarm verhält und dabei die Strömungsenergie abzapft. Diese autonomen Turbinen bräuchten nicht am Meeresboden befestigt zu werden. Statt dessen würden sie so verbunden werden, daß sie sich gemeinsam bewegen könnten. Sensoren erlauben ihnen, miteinander zu kommunizieren.
White, der betont, daß der Golfstrom 21.000 Mal mehr Energie hat als die Niagarafälle, arbeitet an der Entwicklung eines Algorithmus, der es den autonomen Turbinen ermöglicht in Formation zu schwimmen. Das Team beginnt mit dem Bau eines Prototyps, der in zwei Jahren im Golfstrom erprobt werden soll.
Grenzen der Nutzung
Die Grenzen dieser Strömungsenergienutzung beginnen mit der Schwierigkeit einer im voraus realistisch zu berechnenden späteren Energieleistung – da sogar der Golfstrom seine Unregelmäßigkeiten hat. Vergleicht man Meeresströmungskraftwerke mit Laufwasserkraftwerken auf dem Land, so sind erstere eigentlich unwirtschaftlich.
Neben den hohen Investitionskosten bilden die notwendige Verankerung oder die massive Fundamentierung der Kraftwerkskomponenten ebenso große Probleme wie die Wartung der Anlagen. Es kann bei einer zu großen Energieentnahme zu Störungen innerhalb der Strömung kommen, auch können Wechselwirkungen mit Gezeitenströmungen nicht ausgeschlossen werden. Das Resultat könnten wiederum Klimastörungen sein. Weiterhin befürchtet werden auch Störungen der Schiffahrt und des Fischfangs.
Als nächstes kommen wir zu der Nutzung der Wellenenergie.