TEIL C

Wellenenergie (I)

Die Gesamtleistung der Wellen- oder auch Brandungsenergie wird auf etwa 2,5 · 10¹² W geschätzt – bzw. auf rund 10 Mio. TWh pro Jahr. Das Potential für den Weltenergiemarkt soll 2.000 TWh betragen, was etwa 10 % der globalen Energieerzeugung nach dem Stand von 2005 entspricht. Die Internationale Energieagentur schätzt allerdings im August 2014, daß die nutzbaren Wellenressourcen theoretisch 29.500 TWh pro Jahr zur Verfügung stellen könnten.

Wellenenergie ist eine selbsterneuernde Energie, wobei im Detail zwischen Wind- und Seewellen unterschieden wird. Die durch anhaltenden Wind verursachte Meereswelle ist eine rhythmische Schwingung des Meerwassers. Die einzelnen Moleküle in einer Wasserwelle bewegen sich zwar im Kreis, doch die Energie bewegt sich in einer Richtung. Durch periodische Änderungen der Wasserspiegelform entsteht die transversale Welle, die quer zur Laufrichtung fließt. Dabei pflanzen sich nicht die Wassermassen, sondern die Bewegungsvorgänge fort, im Gegensatz zur Meeresströmung. Die Wellenhöhe ist die senkrechte Distanz zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt der kreisförmigen Schwingung, d.h. zwischen ‚Wellenberg’ und ‚Wellental’.

Ein Objekt, das in einem Wellenfeld eingetaucht ist, ist einer komplexen Mischung aus Bewegungen unterworfen - heben (hoch und runter), schwingen (vor und zurück) und rollen (hin und her). Die meisten der nachfolgend präsentierten Geräte und Anlagen extrahieren jedoch nur einen kleinen Anteil der Gesamtenergie einer Welle.

Unter den verschiedenen Typen der Meereswellen haben vom Wind erzeugte Wellen die höchsten Energiekonzentrationen. Einmal entstanden, können sie Tausende von Kilometern zurücklegen, ohne viel von ihrer Energie zu verlieren. In Küstennähe nimmt aufgrund der Wechselwirkungen mit dem Meeresboden die Energieintensität ab. Diese Energiestreuung kann durch Vorgänge wie Reflektion und Refraktion kompensiert werden und zu Energiekonzentrationen (hot spots) führen.

Da das durchschnittliche auf und nieder der Ozeanwellen etwa 2,5 m beträgt, können hier in jedem Fall nur Niederdruckturbinen Anwendung finden. Eine etwa 3 m hohe Welle enthält je laufendem Meter eine Leistung von mehr als 20 kW. Wellen bieten allerdings keine so gleichmäßige Strömung wie Gezeiten oder der Wind. Sie können in einem Moment sanft schlagen, und schon eine Stunde später brechen und donnern. Zudem können sie aus allen Richtungen kommen.

Erwähnt werden sollen an dieser Stelle die Forschungsergebnisse von 1987, als Ökologen auf Tatoosh Island im Pazifik feststellen, daß Seetang und Seepalmen in Gebieten mit hoher Brandung mehrfach so produktiv sein können, wie im fruchtbarsten Tropenwald. Es stellt sich heraus, daß die Wasserpflanzen die Energie der Wellen in biologische Produktivität umsetzen. Das wilde Wasser erleichtert einerseits die Nährstoffaufnahme, andererseits bieten die sich ständig hin und her bewegenden Blätter auch die idealen Voraussetzungen, um die Sonnenstrahlen optimal zu nutzen – ein gutes Beispiel für synergetische Effekte in der Natur. 

Auf der Jahrestagung der Europäischen Geowissenschaftlichen Union (EGU) im April 2014 in Wien berichten Forscher um Elizaveta Khymchenko vom Shirshov Institute of Oceanology (RAS) in Moskau zudem über sogenannte interne Wellen, die sie nun auch im Aralsee in Kasachstan aufgespürt haben.

Die weltweit in allen Gewässern auftretenden verborgenen, unterseeischen Strömungen, können sich zu Wellen so hoch wie Wolkenkratzer aufschwingen. Sie wirken bis an die Oberfläche, wobei Nährstoffe aus der Tiefe nach oben gelangen und das Überleben von Lebewesen ermöglichen. Zudem kühlen diese Wellen die Luft. Außerdem verfrachten die internen Wellen gewaltige Mengen Sand.

Dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) zufolge erreichten die Wogen in der Straße von Luzon zwischen Taiwan und den Philippinen eine Höhe von 170 m. Die Ursache dafür sind Gezeitenkräfte, denn die Flut schiebt sich zweimal täglich durch die Meerenge, wobei Unterseeklippen die Strömung stauen – bis sie über die Hindernisse schießt. Dabei schwappt schweres kaltes Tiefenwasser nach oben, bis es an Schwung verliert und wieder absackt – und eine Welle entsteht.

Laut der Anfang 2019 erschienenen Studie einer Gruppe von Wissenschaftlern um Borja G. Reguero von der spanischen Universidad de Cantabria hat die globale Erwärmung zu einem allmählichen, aber stetigen Anstieg der Leistung von Meereswellen geführt (‚A recent increase in global wave power as a consequence of oceanic warming‘). Für die Studie waren historische Daten über die Temperatur von Wind-induzierten Wellen und der Meeresoberfläche von 1948 bis 2017 analysiert worden. Die Ergebnisse zeigen einen direkten Zusammenhang zwischen der Erwärmung der Meere und der Wellenkraft, von der festgestellt wird, daß sie seit 1948 weltweit um 0,4 % pro Jahr zugenommen hat.

Im April 2019 folgt eine Studie von Ian Young und seinem Kollegen Augustinus Ribal an der Universität Melbourne, der zufolge die Windstärke und – etwas weniger markant – auch der Seegang in den vergangenen Jahrzehnten in vielen Meeresregionen zugenommen haben. Besonders deutlich stiegen die Extremwerte seit den 1980er Jahren, wobei sich die Forscher auf Messungen von insgesamt 31 Satelliten aus dem Zeitraum von 1985 bis 2018 sowie auf Daten von mehr als 80 Treibbojen bezogen (‚Multiplatform evaluation of global trends in wind speed and wave height‘).

Bei der Wellenhöhe stiegen die Spitzenwerte im Südpolarmeer um 1 cm pro Jahr und im Nordatlantik um 0,8 cm pro Jahr. Auf 30 Jahre hochgerechnet stieg die Höhe der Extremwellen im Südpolarmeer um 30 cm. Zu den Gründen für die beobachteten Änderungen äußern sich die Forscher nicht.

Einer Analyse der Technisch-Naturwissenschaftlichen Universität Norwegens (NTNU) in Trondheim aus dem Jahr 1999 zufolge sind bis zu diesem Zeitpunkt weltweit über 1.000 Patente im Bereich der Wellenkraftnutzung nachweisbar. Alleine in Großbritannien sind bis 1973 insgesamt 340 angemeldet worden. Ebenso ist nachweisbar, daß die Bewohner Polynesiens schon viele Jahrhunderte zuvor entdeckt hatten, daß man auf Meereswellen vorzüglich surfen kann. In einer gerechteren Welt würden sie dafür heute noch Tantiemen bekommen...

Trotzdem ist die Wellenenergie die am wenigsten entwickelte der alternativen Energiequellen, obwohl sie weltweit von weit mehr als 200 Unternehmen sowie diversen Universitäten erforscht wird (Stand Anfang 2017). Schließlich hat sie zumindest theoretisch eines der größten Erzeugungspotentiale und ist zudem berechenbarer als Wind oder Sonne, denn Wellen hören so gut wie nie auf.

Immerhin erscheint die Wellenenergie inzwischen zunehmend häufiger in SF-Romanen. Als Beispiele seien hier der Roman Prophezeiung von Sven Böttcher aus dem Jahr 2011 genannt, der von Wellen betriebene Salter-Wolkenboote erwähnt, mit denen man möglicherweise das Klimaproblem reduzieren kann; sowie das bemerkenswerte Buch Die Brücke von Monica Byrne, das 2014 erscheint, und in dem sich die Autorin ein wahrlich riesiges Wellenkraftwerk vorstellt, das sich zwischen Indien und Afrika erstreckt – und das von den Heldinnen des Romans von der einen zur anderen Seite ‚erwandert‘ wird.

Geschichte der Wellenenergie

Ähnlich der Strömungsenergie ist auch die Wellenenergie schon früh als potentielle Energiequelle zur Sprache gekommen. Aktenkundig ist ein Vorschlag aus dem Jahr 1799 von dem Pariser Mathematiker und Ingenieur Pierre Girard und dessen Sohn zur Nutzung der Wellenkraft. Da Girard im selben Jahr jedoch als Leiter der wissenschaftlichen Mission Napoleon nach Ägypten folgte, bleiben seine Pläne auf dem Papier.

Dankenswerterweise habe ich durch persönliche Korrespondenz mit Herrn Dr. Gerald Müller von der University of Southampton viele Informationen und Abbildungen von historischen Wellenenergieprojekten bekommen. Nach Durchführung weiterer Recherchen kann ich nun ein relativ komplettes Bild der Anfänge dieser Technologie aufzeichnen.

In den 1870er Jahren beginnen sich insbesondere Kalifornier als Erfinder von Anlagen zur Nutzung der Wellenenergie (Wave Motors) zu etablieren, um im Laufe dieses Jahrzehnts werden in den USA sechs Geräte patentiert, von denen eines von einem Erfinder aus Oakland stammt – und im Kapitelteil Gezeitenenergie behandelt wird, da dieses Gerät unter dem Namen ‚tide machine’ bekannt ist.

Eine weitere Innovation ist ein Wellenenergie-Antrieb für Schiffe von einem Erfinder aus Elliot, Kalifornien (s.u. Wellenbetriebene Schiffe und Boote), während drei Patente auf Einwohner von San Francisco zurückgehen. Das früheste stammt von Charles Buckner vom Mai 1873 (US-Nr. 138.474), der für Verbesserungen an seinem Wave Motor im Jahre 1875 ein zweites Patent erhält. Ein William Filmer folgt im Jahr 1878, doch über dieses System konnte ich bislang nichts herausfinden.

Ein ebenfalls frühes Patent zur Nutzung der Wellenenergie stammt von I. L. Roberts aus dem Jahr 1881 (US-Nr. 250.104). Dabei handelt es sich um eine Bojenreihe in einem Gerüst, bei der die einzelnen Schwimmer die Wellenenergie über Zahnstangen auf eine gemeinsame Achse übertragen.

In der Dezemberausgabe 1881 des San Francisco News Letter wird über das enorme Potential des ‚Ocean Wave Motor’ eines kalifornischen Bürgers namens John W. Swailes berichtet. Die Erfindung könne für öffentliche und private Bäder in dieser Stadt verwendet werden, zum Löschen von Bränden, zur Reinigung von Straßen, zum Durchspülen der Kanalisation, zur Erzeugung von Druckluft als Antrieb von Maschinen, aber auch von elektrischer Energie zur Straßenbeleuchtung.

Tatsächlich wird ein Unternehmen gegründet, das von der Stadt eine 50-Jahres-Konzession für kommunale und andere Zwecke gewährt bekommt. Was danach aus Swailes und seiner Erfindung wird, ist jedoch unbekannt.

1886 kauft der deutschstämmige jüdische Ingenieur, Geschäftsmann und spätere Bürgermeister Adolph Sutro bei Lands End in San Francisco das Cliff House Restaurant nebst dessen Umgebung. Sutro war sechs Jahre zuvor aus Nevada zurückgekehrt, wo er einen 3 Meilen langen Tunnel durch die Berge getrieben hatte, um die Entwässerung der Silberminen zu erleichtern.

Nun entwickelt er die Gegend zu einem Naherholungsgebiet und eröffnet auf der Klippe über dem Cliff House die Sutro Heights als öffentlichen Garten. Anschließend beginnt er sich ernsthaft mit dem Projekt eines mechanischen Gezeiten-Pools knapp unter dem nördlichen Ende des Cliff House zu beschäftigen, über das er schon nachdenkt, seitdem er vor einigen Jahren die Kraft bemerkt hat, die in den Wellen steckt.

Ebenfalls im Jahr 1886 erlaubt Sutro einem Erfinder namens E. F. Steen, auf einem felsigen Strandabschnitt seines Grundstücks ein Wellenkraftwerk zum Pumpen von Wasser und zur Stromerzeugung zu errichten. Steen beginnt tatsächlich mit dem Bau seiner Maschine, muß dann aber mit diversen technischen Problemen kämpfen. Über Steen selbst ist wenig bekannt, möglicherweise handelt es sich um einen europäischen Erfinder, da es kein US-Patent für einen Wellen-Motor unter diesem Namen gibt.

Im Januar 1887 wird das Wellenkraftwerk versehentlich gesprengt, als der während eines Sturmes kurz zuvor aufgegebene Zweimastschoner Parallel in der Nähe von Sutro Cove auf den Felsen aufläuft. Das Schiff war mit 40 Tonnen Dynamit und anderen brennbaren Materialien für den Eisenbahnbau beladen. Steen ist danach nicht mehr imstande das Projekt weiterzuführen, und was letztlich mit ihm passiert ist, ist bislang ebenfalls unbekannt. Die Reste seiner Maschine werden 1891 genutzt, als an der gleichen Stelle ein neuer Wellen-Motor gebaut wird (s.u.).

Im Mai 1887 beginnt Sutro mit dem Bau seines Gezeiten-Pool-Projekts ‚The Aquarium’, das als Bildungs-Attraktion für die vielen Besucher gedacht ist, die in das Gebiet kommen: In einem großen Gezeiten-Becken sollen die Wunder des Ozeans gefahrlos beobachtet werden können. Später werden daraus die Sutro Baths.

In den 1890er Jahren genießen Wellen- und Gezeitenenergie-Projekte in Kalifornien Erfolg, Beliebtheit und Finanzierung.

Bereits 1891 wird von einem Mann namens Henry P. Holland und seinem Finanzier J. A. Fischer auf einem großen Felsen in der Nähe des Standorts der Steen-Maschine ein weiterer Wellen-Motor konstruiert.

Während das o.e. Modell von Steen auf einer Druck- und Zug-Bewegung basierte, arbeitet Hollands Anlage mittels einer großen Boje, die von den Wellen auf und ab bewegt wird und damit eine Pumpe betreibt, die Wasser durch ein Rohr auf eine nahegelegene Klippe hinauf befördert. Von dort soll das Wasser über eine Reihe von Wasserrädern wieder hinunterfließen und dabei Strom erzeugen.

Das System scheint aber auch nicht so zu funktionieren, wie es sollte. Der Motor wird deshalb bald darauf aufgegeben, bleibt aber für weitere 59 Jahre auf dem Felsen und wird ein bekanntes und häufig fotografiertes Wahrzeichen, bevor er schließlich 1950 von einem heftigen Sturm weggeblasen wird.

Einer der ersten ausführlichen Berichte über die Nutzung der Wellenergie stammt von A. W. Stahl aus dem Jahr 1892. Unter dem Titel ,The utilization of the power of ocean waves’ stellt er seine Arbeit auf einem Treffen der American Society of Mechanical Engineers in San Francisco vor.

Und im Jahre 1893 erlebt ein kleines Projekt in der Nähe des Cliff House einen erfolgreichen Test. Über den dortigen Erfinder der Surf Power Pump ist jedoch nichts bekannt.

Die Los Angeles Times berichtet 1894 über einen Wellen-Motor in Long Beach, der von Emil Gerlach aus Santa Monica getestet wird. Die Maschine funktioniert prinzipiell erfolgreich, es ist allerdings fraglich, ob sie Wasser mit ausreichender Kraft einen Hügel hinauf in ein Becken pumpen kann, von wo aus das Wasser dann wieder nach unten fließen würde, um einen elektrischen Dynamo anzutreiben.

Noch während Gerlach an einer größeren Version seiner Erfindung arbeitet, entscheidet sich im Juli 1895 der kleine Ferienort Capitola in der Nähe von Santa Cruz dafür, einen Gerlach-Wave-Motor zur Erzeugung von Strom für kommerzielle Zwecke einzusetzen. Denn Santa Cruz County benötigt nicht nur eine einzigartige Attraktion, um Touristen in die Stadt zu locken, sondern auch Energie.

Das Projekt wird von den Einheimischen mit großer Erwartung verfolgt, und die Zeitung Santa Cruz Daily Sentinel berichtet fortlaufend über dieses erste große Wellen-Motor-Projekt. Im Januar und März 1896 melden die Zeitungen erfolgreiche Tests des Gerlach-Wellen-Motors, doch schon Anfang Juni wird in der Sentinel mit großem Bedauern der Mißerfolg des Projekts verkündet.

Im Jahr 1895 führt die Zeitung San Francisco Examiner einen Wettbewerb durch, um die besten Ideen zur Verbesserung der Stadt und zur Erhöhung ihrer Bewohnerzahl auszuzeichnen. Der Gewinnerbeitrag umfaßt u.a. den Vorschlag, einen ‚Bonus’ von 50.000 $ auszuschreiben – für die Erfindung eines praktischen Mechanismus, der in der Lage ist die ‚Wellenenergie’ des Ozeans kommerziell zu nutzen.

Im November 1896 hat ein J. M. Dwyer ein funktionierendes Modell seiner Erfindung am Fuße des St. Powell laufen und hofft, ein zweites Modell an der Baker Beach zu bauen. Ein weiteres funktionierendes Modell stellt Henry Shomberg aus Los Gatos im Februar 1897 in San Francisco vor, wobei hier eine größere Version für einen Ort in der Nähe von Santa Cruz geplant ist. Weitere Details darüber habe ich bislang nicht finden können.

Der bisher erfolgreichste Wellenenergiewandler ist Müller zufolge der sogenannte Armstrong-Wave-Motor in Kalifornien, der von 1896 bis 1911 läuft – ein damit einen bis heute ungebrochenen Rekord hält. Bekannt wird er durch einen Bericht des Santa Cruz Sentinel im Juni 1898: „The Ocean Harnessed. A Wave Motor Has Finally Proved A Success.“

Dieser Motor wird allerdings nicht gebaut, um Strom zu erzeugen, sondern um Meerwasser zu pumpen, mit dem die Straßen gespritzt werden und der Staub zurückgehalten wird. Das Potential zur Erzeugung von Energie wird zwar erwähnt, die Idee wird aber nicht weiter verfolgt. Dieses Mal hatte Santa Cruz jedenfalls in das richtige Projekt investiert. Der Wellen-Motor ist eine Neuheit, der die Stadt einzigartig macht; er wird viel fotografiert und sogar auf Postkarten verewigt.

Die Erfinder sind ein Brüderpaar namens William und John E. Armstrong. Sie hatten ursprünglich in den Klippen von Black Point ein kleines Modell gebaut, und die Vertreter der Stadt waren bei dessen Besichtigung beeindruckt. Die Armstrongs unterzeichneten daraufhin eine Vereinbarung mit der Stadt Santa Cruz, um ihr Gerät in den felsigen Klippen am Ufer des Strandes unterhalb von West Cliff Drive zu installieren.

Der Armstrong-Wave-Motor funktioniert nach dem Prinzip der oszillierenden Wassersäule und wird in den Felsen hineingebaut. In die Seite der Klippe werden zwei Brunnen mit rund 2,4 m und 1,5 m im Durchmesser gegraben, einer hinter dem anderen. Der vordere ist etwa 1,5 m vom Klippenrand entfernt. Ihre Tiefe erstreckt sich von 9 m über der Flutmarke bis zu einem Niveau unterhalb des Wasserstandes bei Ebbe. Durch einen Tunnel sind sie mit dem Meer verbunden.

In der vorderen Brunnenkammer befindet sich zwischen vertikalen Führungen ein 270 kg (andere Quellen: 300 kg) schwerer Schwimmer mit Gegengewicht, während die zweite Bohrung eine gängige Kolbenpumpe beinhaltet. Die Wellen, die gegen die Küste schlagen, pressen Wasser durch den Tunnel und den Brunnenschacht hinauf, heben dabei den Schwimmer an, ein Ventil öffnet sich und die Pumpe wird befüllt.

Geht das Wasser zurück, fällt auch das Wasser im Schacht, das Ventil schließt sich und das Gewicht des Schwimmers veranlaßt den mit im verbundenen Pumpenkolben, das Wasser durch ein senkrechtes Rohr 38 m hoch in einen rund 19.000 Liter fassenden Tank zu befördern, der sich auf der Spitze eines 18 m hohen Bohrturms auf dem Hügel befindet. Von dort fließt es kilometerweit entlang der Landstraßen und wird zur Berieselung verwendet. Bei normalen Wetterbedingungen füllt die Pumpe den Vorratsbehälter in etwa einer Stunde.

Der Wellenmotor, der umgerechnet etwa 0,9 – 1,5 kW leistet, wird 1910 oder 1911 demontiert, da ein verbesserter Straßenbelag es weiterhin unnötig macht, die Straßen zu besprühen. Im Jahr 2004 bricht ein Teil der Klippe ab, so daß von dem vorderen Schacht nur die halbrunde Rückwand bleibt. Der einzige bis heute erhaltene Teil der Anlage ist das 10 m tiefe hintere Brunnenloch, das inzwischen durch eine Abdeckung verschlossen wurde.

In den 1890er Jahren gibt es in San Francisco Firmen mit wohlklingenden Namen wie Wave Power & Air Compressing Company, Hercules Wave Motor Company und Pacific Wave Motor Company, die ich aber noch nicht näher zuordnen konnte. Die Abbildung des Prospekts der erstgenannten Firma von 1895 vermittelt vielleicht eine vage Vorstellung von der Funktionsweise des angepriesenen Apparats.

1897 gibt es einen Wright Wave Motor an der Manhattan Beach, dessen Reste heute im Sand am Fuß des Piers begraben sind. Und die Los Angeles Times berichtet im Jahr 1898 von einem Mann namens Burr aus San Francisco, der mit einem imaginären Wellen-Motor-Projekt Investoren betrügt.

In der darauffolgenden Dekade geht das Interesse wieder zurück, obwohl noch einige Versuche dokumentiert sind, die ich der Länderübersicht zugeordnet habe (s.u. USA).

Um das Jahr 1900 herum wird eine Vorrichtung erfunden, mit der sich die Wellenenergie bis zu einem gewissen Grad erfolgreich umsetzen läßt. Diese Vorrichtung, deren Herkunft sich nicht genau zurückverfolgen läßt, die im Juni 1901 aber sogar die Titelseite des norwegischen Kindermagazins MAGNE ziert, wird seither bei sogenannten Heul- oder Glockenbojen verwendet.

Dabei wird die Wellenbewegung durch einen Schwimmer auf die Tonne der Boje übertragen, die sich dann um ihre Längsachse dreht. Diese Bewegung wird wiederum auf ein Getriebe übertragen, welches nach und nach ein Gewicht nach oben zieht.

Von seinem höchsten Punkt fällt dieses Gewicht dann wieder herunter und bewegt dabei über dasselbe Getriebe den Anker eines kleinen Elektrogenerators, der Strom zum Aufleuchten der Befeuerung und zum Anschlagen des Glockenzeichens erzeugt.

Ein anderes Modell besteht aus einer Boje, die mit einem am Meeresboden verankerten Schwimmer verbunden ist. Der Transformator selbst setzt sich aus einem Stabmagneten und einem Induktor mit einer federbespannten Aufhängung zusammen.

Eine moderne Form dieser Technologie zeigt mir mein Freund und Energieexperte Gotthard Schulte-Tigges. Er hat ganz einfach einen Schwimmring mit einer Induktionstaschenlanpe gekoppelt. Seitdem es Hochleistungsmagnete gibt, sieht er die Chance, den Gesamtwirkungsgrad des Systems merklich erhöhen zu können.

Die Erfindung des hydraulischen Widders im Jahre 1796 durch Joseph Michel Montgolfier, einen der beiden Luftfahrt-Pionier-Brüder, bildet wiederum die Grundlage für einen amerikanischen Vorschlag zur Nutzung der Wellenenergie, der in Deutschland 1931 von Hanns Günther veröffentlicht wird - leider ohne Angaben zu dem ursprünglichen Erfinder.

Dabei wird der Druck der Wellen genutzt, um mittels einer langen Reihe von Widdern Meerwasser in ein höher gelegenes Reservoir zu pumpen, aus dem es dann beim Rücklauf über Turbinen und Generatoren zur Stromgewinnung eingesetzt wird.

Zur Zeit der vorletzten Jahrhunderwende gibt es aber auch schon diverse andere Vorschläge, bei denen u.a. die Energiespeicherung mittels Druckluft integriert wird. Umgesetzt wird jedoch keiner dieser Vorschläge, was zumeist mit der damals noch sehr ineffizenten Technik zusammenhängt.

Da es über den Hydraulischen Widder inzwischen (wieder) genügend verfügbare Informationen gibt, beschränke ich mich hier auf eine knappe Übersicht:

Das Prinzip des Stoßhebers wird 1772 von John Whitehurst erfunden, der seine erste Pulsation Engine in Oulton Park, Cheshire, u.a. für den Betrieb einer Brauerei errichtet, wobei die Ventile noch von Hand bedient werden. 1796 entwickelt der Franzose Joseph Montgolfier – der Erfinder des Heißluftballons – ein selbst schließendes Ventil und damit die selbsttätige Widderpumpe (bélier hydraulique o. Bélier-siphon). Trotzdem erhalten in den USA im Jahr 1809 die Herren J. Cerneau und S. S. Hallet ein Patent darauf.

Dort nimmt das Interesse an den einfach gebauten, langlebigen und im Unterhalt billigen hydraulischen Widdern ab ca. 1840 stark zu, es werden weitere Patente erteilt und einheimische Unternehmen nehmen die Produktion auf.

Erst nach Mitte des 20. Jh. geht das Interesse wieder zurück, als sich mit dem Aufkommen der Elektrizität auch elektrische Pumpen ausbreiten.

Hydraulische Widder (o. Stoßheber) sind Maschinen, die von einem Wassergefälle angetrieben werden und dabei einen Teil des zufließenden Wassers stoßweise über das Höhenniveau des Zulaufs hinaus hochfördern: Eine große Menge Wasser strömt durch ein Stoßventil, das mittels Zusatzgewichten oder Federkraft offen gehalten wird.

Die starke Strömung des Wassers bewirkt, daß die Federkraft überwunden wird und sich das Ventil plötzlich schließt, wobei sich kurzzeitig eine rückwirkende Druckwelle aufbaut. Diese öffnet ihrerseits das Druck- oder Flatterventil und drückt das Wasser in die Steigleitung, woraufhin der Druck in der Pumpe abfällt. Das Flatterventil schließt sich, das Stoßventil öffnet sich, das Wasser fließt wieder durch und der Arbeitszyklus beginnt von neuem.

Auch heute werden noch Widder gebaut, in Europa beschränkt sich ihre Anwendung allerdings auf die Wasserversorgung abgelegener Gehöfte und Berghütten. Immerhin können sie das Wasser bis zum 20-fachen des Arbeitsgefälles anheben, wobei der Wirkungsgrad etwa 15 % beträgt. Kleine Ausführungen kosten rund 300 € (Stand 2022).

Ein Anwendungsbeispiel in Deutschland ist die Burg Hohenzollern, wo das Wasser mit zwei Widdern 220 m hoch gefördert wird. In der Schweiz wiederum führt die Firma Schlumpf Innovations eine über 100-jährige Familientradition weiter, indem sie Anfang der 1990er Jahre die ersten Hochleistungs-Widderanlagen für mehrere hundert Meter Förderhöhe entwickelt. Die bisher größten realisierten Förderhöhen betragen 480 m (vertikal), die Förderleistungen reichen bis 15.000 Litern pro Tag.

In jüngerer Zeit wird der Einsatz hydraulischer Widder beispielsweise im Rahmen der Agenda 21 Aktivitäten vom Landesamt für Entwicklungszusammenarbeit in Bremen gefördert – und zwar in den Bergregionen Chinas. Dort ermöglicht man 1999 über 40.000 Menschen im Rahmen von Selbsthilfeprojekten ihre Ackerflächen mittels dieser Technologie energieunabhängig zu bewässern und sich zudem an eine Hauswasserleitung anzuschließen.

Doch zurück zur Wellenenergie.

In den vergangenen 200 Jahren sind - wie schon gesagt - mehr als 1.000 enstprechende Patente erteilt worden. Neuere und umfassende Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zur großtechnischen Umsetzung von Wellenkraftwerken werden hauptsächlich in Japan, England, Frankreich, den USA und Skandinavien geleistet – zumeist mit dem langristigen Ziel, Kraftwerke im Megawattbereich zu entwickeln und marktreif zu machen.

Die Nutzung der Wellenenergie läßt sich gegenwärtig sechs technisch unterschiedlichen Methoden zuordnen, wobei die meisten aktuell verfolgten Technologien nach dem Prinzip der oszillierenden Wassersäulen (OWC) arbeiten, dessen technische Umsetzung auf den Japaner Yoshido Masuda zurückgeht.  

Oszillierende Wassersäulen / Oscillating water columns (OWC)

Überspül-Techniken / Overtopping devices (OTS)

Pumpenbestückte Schwimmkörper / Float with pumps (FP)

Wellen-Mühle-Turbine-Systeme / Wave mill-turbine systems (WT)

Mechanische Syteme / Mechanical systems (MS)

Lineargeneratoren / Linear generator systems (LG)

Die verschiedenen Methoden werden im Text noch einzeln beschrieben, vorab nur eine Kurzbeschreibung der OWC-Technik:

Eine Betonkammer – ähnlich einem umgestülpten Eimer – besitzt im vorderen Bereich unterhalb der Wasseroberfläche eine Öffnung, durch welche die Wellen in den Hohlraum eindringen können. Wenn der Wasserspiegel in dieser hydrodynamischen Kammer steigt und fällt, wird dabei Luft in eine Röhre hinaufgedrückt oder hinuntergesaugt, und die Anlage atmet wie eine Lunge. Der Luftstrom treibt wiederum eine sogenannte Wells-Turbine an, die symmetrische Schaufeln besitzt und sich immer in die gleiche Richtung dreht. Erst ihre Erfindung verhalf OWC-Kraftwerken auszureifen (s.u.). 

Auf der folgenden Liste sind die 2004 installierten Wellenenergie-Systeme aufgeführt:

Prototypen	Installierte Leistung	Ort	Land	Typ	Einlauf-breite	Wasser- tiefe	Zeitraum
Kaimei	375 kW 1000 kW 560 kW	Japanisches Meer, Ostmeer	Japan	schwimmendes OWC	B: 12 m	T: 40 m	1978-1979 1979-1980 1985-1986
Toftestallen	500 kW	Toftestallen	Norwegen	Felsküsten-OWC	Ø: 10 m	T: 70 m	1985-1988
LIMPET	500 kW	Isle of Islay	Schottland	Felsküsten-OWC	B: ?? m	T: ?? m	seit 2000
ART- Osprey	500 kW	vor Schottland	Schottland	OWC	B: ?? m	T: 20 m	gescheitert 1995
Pico-OWC	400 kW	Azoren	Portugal	Felsküsten-OWC	B: 12 m	T: 8 m	seit 2001
Tapchan	350 kW	Toftestallen	Norwegen	Tapered Channel	B: 55 m	T: 70 m	seit 1986
Trivandrum-OWC	150 kW 75 kW	Trivandrum	Indien	Wellenbrecher-OWC	B: 8 m	T: 10 m	1990-1995 seit 1996
Mighty Whale	110 kW	Japanisches Meer, Ostmeer	Japan	schwimmendes OWC	B: 30 m	T: 40 m	seit 1998
Islay-OWC	75 kW	Isle of Islay	Schottland	Felsküsten-OWC	B: 17 m	T: 3 m	seit 1988
Sakata-OWC	60 kW	Sakata	Japan	Wellenbrecher-OWC	B: 20 m	T: 18 m	seit 1988
Sanze-OWC	40 kW o. Turbine	Sanze	Japan	Felsküsten-OWC	B: 17 m	T: 3 m	1983-1984 seit 1984
Niigata-OWC	40 kW	Niigata	Japan	Wellenbrecher-OWC	B: 13 m	T: 6,5 m	1986-1988
Kujukuri-OWC	30 kW	Kujukuri	Japan	10 OWC mit Druck- speicher	ø: 2 m	T: 2 m	seit 1987
Nicht OWC’s	15 kW	Muroran	Japan	Pendel in Kammer	B: 3 m	T: 2 - 3,5 m	seit 1983
Nicht OWC’s	12 kW	Iriomote Island	Japan	2 Salter-Ducks in Kammer	B: 20 m	T: 10 m	1984-1988
Dawanshan-OWC	30 kW	Dawanshan Island	China	Felsküsten-OWC	B: 4 m	T: 10 m	seit 1990

Ausführliche und weiterführende Informationen - auch aus den Folgejahren - sind in den Länderübersichten weiter unten aufgeführt.

Im Jahresreport 2005 des Ocean Energy Systems Department (OES) der Internationalen Energie Agentur (IEA) wird von der ‚Geburt einer neuen Industrie’ gesprochen. Grund ist ein 2005 abgeschlossener Vertrag zwischen der Firma Ocean Power Delivery und einem portugiesischen Konsortium über den Bau von drei Anlagen zur Nutzung der Wellenenergie mit jeweils 750 kW Leistung, über die unten noch ausführlich berichtet wird. Gleichzeitig werden in Australien, Kanada, Irland und den USA Prototypen neuer Anlagenformen in Betrieb genommen, und etliche Firmen präsentieren Entwicklungen, die kurz vor der Marktreife stehen. 

Wellenenergie und Kunst

Bevor wir nun die einzelnen Vorschläge, Versuche und Umsetzungen der Wellenenergie betrachten, möchte ich noch auf sehr schöne künstlerische Nutzungen hinweisen, bei denen die Wellen beispielwseise Musik machen.

Die Sea Organ (morske orgulje) liegt am Ufer von Zadar, Kroatien, und ist die weltweit erste Orgel, die vom Meer selbst gespielt werden kann. Es handelt sich um eine einfache aber elegante Treppe aus weißem Stein, unter der sich 35 musikalisch gestimmte Rohre befinden, die mit Pfeifen-Öffnungen auf dem Bürgersteig verbunden sind.

Die Bewegung der Meereswellen schiebt Luft durch die Rohre, wobei je nach Größe und Geschwindigkeit der Welle musikalische Akkorde gespielt werden.

Dieses Meisterwerk der Akustik und Architektur wird 2005 von dem dalmatinischen Steinmetz-Experten und Architekten Nikola Bašić geschaffen, der für sein Projekt 2006 den European Prize for Urban Public Space erhält. Neben die Einheimischen kommen auch viele Touristen zu diesem einzigartigen Hydro/Aerophon, um seine zufälligen harmonischen Klänge zu genießen.

In direkter Nähe befindet sich übrigens noch eine weitere Instalation von Bašić namens Sun Salutation, die aus einem großen Kreis mit eingelassenen Solarpeneelen und LEDs besteht, die nach Sonnenuntergang aufleuchten - gespeist von der tagsüber gespeicherten Sonnenenergie.

Eine weitere Anlage besteht schon seit 1986 in der San Francisco Bay am Ende eines Stegs östlich des St. Francis Yacht Club. Sie gilt als eine der am besten versteckten Juwelen der Stadt.

Die an mediterrane Ruinen erinnernde Architektur der Wave Organ besteht aus den geretteten Überresten der zerstörten Krypten des ehemaligen Laurel Hill Friedhofs und wird von den Exploratorium-Künstlern Peter Richards und George Gonzalez geschaffen.

Das Umweltkunstwerk nutzt den Puls des Meeres durch 25 PVC- und Betonrohre in verschiedenen Höhen, die das Rauschen von Wellen und das Gurgeln von Wasser über höher gelegene Öffnungen zu den Zuhörern bringen.

Die nicht harmonisch gestimmte Wellen-Orgel ist am besten bei Flut zu hören, kann aber auch zu anderen Tageszeiten genossen werden, obwohl die gurgelnden Rhythmen dann deutlich leiser sind. Die Inspiration für das Werk kam ursprünglich von dem Künstler Bill Fontana, der Klänge aus der Entlüftungsleitung eines schwimmenden Betondocks in Sydney aufnahm.

Die 15 m hohe Blackpool High Tide Organ der Künstler Liam Curtin und John Gooding wird wiederum im Jahr 2002 an der New Promenade in Blackpool aufgestellt.

Die Skulptur besteht aus Beton, Stahl, Zink und Kupferblech, wobei die Wellenenergie bei Flut Luft durch acht Rohre preßt, die unter der Promenade entlang führen und mit 18 Orgelpfeifen in der Skulptur verbunden sind, die in einer harmonischen B-Dur Reihe gestimmt sind.

Zum Bereich der ‚Wellen-Kunst‘ gehörte auch die 80.000 $ teure Kupferskulptur namens Wavespout (Breathing Sea) von Ned Kahn aus dem Jahr 1993, die auf dem Ventura Pier der Stadt San Buenaventura in Kalifornien installiert wurde.

Dabei handelte es sich um einen Springbrunnen, der die Energie der Meereswellen nutzte, um am Ende des Piers ein Blasloch zu erzeugen.

Das Objekt wird allerdings schon Ende 1995 im Zuge eines Sturmes zerstört und in zwei Teilen an Land gespült. Die Teile wurden zwar gerettet, doch eine geplante Neuinstallation wurde später nicht umgesetzt.

 

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