TEIL C

Wellenenergie (V) - Ausgewählte Länder

Deutschland

Der deutsche Ingenieur Max Gehre aus Rath bei Düsseldorf, Inhaber der Dampfkesselfabrik Gehre, entwickelt im Jahr 1900 einen Wellengenerator, dessen Idee so einfach ist wie ein Marine-Fahrrad: Die auf- und absteigende Bewegung der Wellen bringt mittels Hebelmechanismus, Zahnkranz und einem Gewicht einen Dynamo in Drehung, um damit die kinetische in elektrische Energie umzuwandeln.

Erstmals umgesetzt wird das Konzept bei Büsum in Holstein in Form einer Versuchs-Leuchtboje, die immerhin 4 W liefert, was für die ‚starke Glühbirne‘ des Blinkfeuers ausreicht. Es lassen sich im Netz Fotos von dem frühen Wellenkonverter finden, die jedoch von gettyimages dominiert werden und deshalb hier nicht reproduziert sind. Die Erfindung macht allerdings Probleme, und die Büsumer Nachrichten schreiben im Oktober etwas von einem Sturmschaden, in dessen Folge die Boje dunkel bleibt.

Einer anderen Quelle zufolge soll Gehre sein Wellengenerator-Patent im April 1899 in Kanada hinterlegt haben. Zu finden ist jedenfalls die US-Ausgabe des Patents aus ebendiesem Jahr (US-Nr. 628.457).

Als ab 1900 die ersten Hotels und Pensionen von Büsum elektrifiziert werden, führt die Arbeiten hierzu Max Gehre durch. Zudem baut der innovative Ingenieur auf eigene Kosten ein ca. 30 m hohes Eisengerüst mit einem Windrad darauf und einer Glühlampe, die als Leuchtfeuer wirkt. Das neue Windkraft-Licht, welches das 1878 errichtete, etwa 3 m hohe Leuchthäuschen ersetzt, an dem jeden Abend eine Petroleumlampe hochgezogen wurde, ist bis 1911 verläßlich im Einsatz.

Letztlich finden die ‚alternativen‘ Ideen jedoch nicht die nötige Zustimmung der Behörden, und 1913 geht der neu gebaute, massive Leuchtturm in Betrieb – ebenfalls mit elektrischem Licht, jedoch ohne eigenständige Stromversorgung. Immerhin schaffen es Gehres Ideen auf diverse zeitgenössische Ansichtskarten, die damit für die ‚neuen‘ Energieformen Wellen und Wind werben. In dem hier aufgeführten Beispiel ist das Gerät zu sehen, welches „Elektricität durch Wellenschlag erzeugt.“ Auch in einem Artikel aus dem Jahr 1906 im Magazin Epocha wird beschrieben, wie die Boje alleine mit Hilfe von Meereswellen Strom erzeugt.

Im Jahr 1931 wird dem Erfinder Erich Roeder aus Eichwalde bei Berlin das Reichspatent für eine Wellenkraftmaschine erteilt, deren schwimmfähige Tragevorrichtung durch Trossen und Kabel sowie Fundamentblöcke in bestimmter Höhe unter dem Meeresspiegel verankert ist (Patent-Nr. 551141, veröffentlicht 1932).

Während sich bislang keine Belege für eine deutsche Berichterstattung darüber finden ließen, wird in der Ausgabe des US-Magazins Modern Mechanix vom August 1932 eine Meldung veröffentlicht,  in der Roeder sogar mit einem Modell seiner Schwimmplattform abgebildet ist.

Jahre später schlägt ein Walter Spieß aus Bayreuth ein Meereswellenkraftwerk vor, das mit Schwimmkörpern arbeitet, die so angeordnet sind, daß sie vom Seegang ausschließlich senkrecht auf- und ab bewegt werden. Es gibt auch den Vorschlag, bei der Renovierung alter und beim Bau neuer Deiche Brandungskraftwerke mit einzubeziehen. Leider habe ich bislang keine weiteren Informationen darüber finden können.

Weitere Wellenkraft-Patente aus den frühen Jahren stammen u.a. von Benno Steiner (DE-Nr. 1032190, 1955/1958), Dipl.-Ing. Werner Abelein (DE-Nr. 2921381, 1979/1980), Prof. Horst Lippmann (DE-Nr. 4418581, 1994), Wolf Klemm (DE-Nr. 4338103, 1993/1995) und Klaus Ranz (DE-Nr. 19734077, 1997/1998).

Und auch der türkischstämmige Maschinenschlosser Ali Dogan aus Bremerhaven investiert 1983 sein ganzes Geld in den Bau eines Funktionsmodells des von ihm erfundenen Wellenkraftwerks. Was später daraus wird, ist jedoch unbekannt. Und auch in den darauf folgenden zwei Jahrzehnten scheint es in Deutschland keine weiteren Entwicklungen im Bereich der Wellenenergie zu geben.

Erst im Januar 2006 findet während der Fachmesse ‚Clean Energy Power 2006’ in Berlin gleichzeitig auch das 1. Deutsche Meeresenergie-Forum statt, bei dem u.a. über die Nutzung der Wellenenergie gesprochen wird.  

Ebenfalls im Jahr 2006 engagiert sich der südwestdeutsche Energieversorger Energie Baden Württemberg AG (EnBW) für den Bau eines OWC Wellenkraftwerkes mit 250 kW Luftdruck-Turbine an der Nordsee, das noch vor Ende dieses Jahrzehnts den Betrieb aufnehmen soll und damit das erste überhaupt in Deutschland wäre. Die Turbine und die Technik würde die Firma Voith Siemens Hydro (VSH) aus dem baden-württembergischen Heidenheim liefern – zu diesem Zeitpunkt weltgrößter Anbieter für Turbinen und Generatoren zur Nutzung der Wasserkraft. Im Oktober beginnt die Standortsuche zwischen Cuxhaven und Emden.

Die VSH will die Wellenenergie bis zur Marktreife vorantreiben. Bereits im Mai 2005 hatte das Unternehmen daher die 1990 gegründete schottische Wellenenergiefirma Wavegen Ltd. übernommen, die seit dem Jahr 2000 eine 500 kW OWC-Testanlage auf der schottischen Insel Islay betreibt und damit etwa 50 Haushalte mit Elektrizität versorgt (s.u. Großbritannien).

Mittlerweile ist die Technik soweit ausgereift, daß VSH zusammen mit der britischen RWE-Tochter npower renewables bereits ein 3,5 MW Großprojekt auf der Hebrideninsel Lewis in Schottland prüft. Bei diesem – wie auch bei dem o.e. Projekt an der deutschen Nordseeküste – soll auf kostspielige Kraftwerkanlagen verzichtet werden, indem die 35 Turbinen einfach in bereits geplante Küstenschutzmauern integriert werden.

Im Rahmen eines weiteren Projektes an der baskischen Küste soll eine neu zu errichtende Kaimauer mit 16 Turbinen bestückt werden. In allen Fällen handelt es sich um die neuen und kleinen Wells-Turbinen (3 m Länge, Leistung 18,5 kW, Wirkungsgrad 40 %), die ab Ende 2007 auf Islay getestet werden. Mehr über die VSH findet sich weiter unten.

EnBW befindet sich Anfang 2010 noch immer auf Standortsuche an der niedersächsischen Nordseeküste, um ein 250 kW leistendes Wellenkraftwerk in ein geeignetes Küstenschutzbauwerk zu integrieren. Weiter scheint die Sache noch nicht gediehen zu sein.

Auf der Homepage der Berliner Firma Wave Energy befindet sich 2008 kaum mehr als die Ankündigung zukünftiger Aktivitäten. Es scheint sich um ein noch nicht gegründetes Unternehmen zu handeln. Auf der Grafik ist die angedachte Technologie leicht zu erkennen.

Der Wellenenergiekonverter besteht aus einem Schwimmkörper von 15 m Durchmesser und ist durch ein Rohr mit einer gleichgroßen Scheibe in 30 m Tiefe verbunden. Der Wellenhub ergibt eine oszillierende und kippende Bewegung, deren Leistung in Strom umgewandelt wird.

Bei 3 m Wellenhöhe soll ein einziges Modul 500 kW produzieren. Wegen des geringen Abstands, in dem die Module betrieben werden können, ist es laut den Entwicklern möglich, pro Quadratkilometer Meeresfläche bis zu 1.000 Wellenenergiekonverter zu installieren.

Bei dem Update dieses Kapitelteils im Jahr 2018 zeigt sich, daß sich noch immer nichts Neues ergeben hat, und auch von einer praktischen Umsetzung ist nichts zu finden.

Ein völlig neues Konzept für Wellenenergie-Konverter stellt 2008 das Innovationsbüro Kloss in Bochum vor: Ein leistungsoptimierter, geschlossener Wellenenergie-Konverter.

Im Gegensatz zu bekannten Konstruktionen ist dieser Wellenenergie-Konverter in der Lage, die Energie vertikaler und horizontaler Wellenkräfte kleiner und großer Meereswellen gleichzeitig zu nutzen und durch einen sich selbst verstärkenden Schaukeleffekt zu erhöhen. Zudem verhindert seine Funktionsweise leistungsmindernde, äußere Einflüsse.

Diese Vorteile ergeben zusammen eine sehr hohe Effizienz, die auf Grund geringer Bau- und Unterhaltskosten Energieerzeugungskosten ermöglicht, die unter denen von Kohle-, Gas- und Atomkraftwerken liegen. Produkt- und Umweltschutz: Die geschlossene Bauweise verhindert, daß Fremdstoffe ins Innere des Konverters dringen bzw. Stoffe aus ihm ins Meer gelangen.

Aufgrund unseres persönlichen Kontakts habe ich den bereits zum Patent angemeldeten Vorschlag von Herrn Kloss etwas ausführlicher auch in die Rubrik weitere Innovatien, die ich gut finde mit aufgenommen (s.d.).

Ansonsten scheint die Wellenenergie in Deutschland noch immer auf nur geringes Interesse zu stoßen. Eine der wenigen Ausnahmen ist die Firma Brandl Motor in Berlin.

Eine Brandl-Generator-Boje basiert ähnlich wie eine OWC-Boje auf der schwingenden Bewegung der Wellen, arbeitet jedoch nicht mit Luftströmungen, sondern mit einem Linearmotor, der aus einer Spule und einem Magneten besteht.

Im Grunde handelt es sich um einen Schwimmkörper, an dem ein Rohr montiert ist, welches senkrecht im Wasser hängt. Im oberen Teil des Rohres befindet sich eine fest montierte Spule. Daran angebracht ist eine Feder, an deren Ende ein Massestück im unteren Teil des Rohres schwingen kann, wobei ein Magnet, der über einen Stab mit dem Massestück verbunden ist, sich durch die Spule bewegen und eine Spannung induzieren kann. Eine Boje mit einem Schwimmkörper von 15 m Durchmesser soll eine Leistung von 1 MW liefern. Eine alternative Bauweise arbeitet mit einem fest installierten Sockel und hydraulisch gepumptem Drucköl.

Der Erfinder und ehemalige Motorenentwickler bei Porsche, der Österreicher Gerhard Brandl, beschäftigt sich u.a. auch mit der Entwicklung eines Freikolbenmotors. Auf seine Bojen will er ferner Darrieus-Senkrechtachser setzen. 2007 und 2008 erhält die Innovation etwas Presse – eine Umsetzung scheint jedoch noch in weiter Ferne zu liegen, zumindest gibt es es seitdem keine weiteren Neuigkeiten über das Unternehmen oder die Boje.

Eine weitere Innovation aus Deutschland ist das patentierte Imweco Comtanks-System von Erhard Otte aus Bünde, der seine Geräte gerne mit Offshore-Windkraftanlagen kombinieren möchte. Um seine Idee mit der Wellenenergie voran zu bringen, gründet Otte Ende der 1990er die eltec wavepower GmbH mit dem Ziel, aus den Schwingungsbewegungen elektrische Energie zu erzeugen, erleidet allerdings Schiffbruch, da er keine Investoren findet.

Seine bojenähnlichen Schwimmtanks, bis zu 15 m hoch und mit einem Durchmesser von bis zu 5 m, sind über Strömungskanäle mit einem Zentraltank verbunden. In dem System befindet sich eine Arbeitsflüssigkeit wie z.B. Glykol, deren durch das Auf und Ab der Schwimmtanks erzeugte Strömungsenergie umgewandelt wird. Hierfür favorisiert Otte einen MHD-Generator, bei dem die leitfähige Arbeitsflüssigkeit durch ein Magnetfeld gepumpt wird. Positive und negative Ladungsträger sammeln sich dabei an entsprechenden Polen und der so auftretende Kapazitätsunterschied kann als elektrischer Strom nutzbar gemacht werden. Über Modellversuche oder gar Umsetzungen dieser Innovationen ist bislang nichts bekannt.

Durch persönliche Korrespondenz erfahre ich 2009 von der Wellenpumpe, die Gangolf Jobb entwickelt und als Kleinmodell auch schon erfolgreich getestet hat. Auf seiner (englischsprachigen) Seite findet man Video-Clips der Versuche sowie diverse weitere Entwurfszeichnungen.

Seine Erfindung ist eine direkt von Wasserwellen angetriebene Pumpe ohne bewegliche Teile, die den oszillierenden Luftdruck in Wellenkammern nutzt, um damit Wasser über eine Kaskade von artesischen Gefäßen nach oben zu befördern. Konstruiert wird die Wellenpumpe vorzugsweise und kostengünstig aus armiertem Beton.

Ein weiteres Wellenkraftwerk, diesmal mit Solarunterstützung und auf schwimmenden Plattformen, wird 2009 von Dipl.-Ing. Dieter Lang aus Mohlsdorf-Teichwolframsdorf angemeldet (DE-Nr. 10 2009 056 596, erteilt 2014).

Ein häufiges Schicksal individueller Erfindungen: Bereits 2016 ist das Schutzrecht wegen Nichtzahlung der Jahresgebühr erloschen. Bei dem gewaltigen technischen Aufwand, den Wellenkraftwerke erfordern um signifikante Mengen an Energie bereitzustellen, ist sogar die Herstellung, Untersuchung und Optimierung eines kleinen Prototypen für eine Einzelperson kaum zu stemmen.

Im Rahmen der Konferenz Clean Technology im Juli 2011 stellt das Fraunhofer Center for Manufacturing Innovation (CMI) [das übrigens an der Boston University angesiedelt ist] das Konzept kostengünstiger Wellenkraftwerke unter dem Namen Mobile Wave Energy Harvesting vor – die auf Schiffen basieren, welche mit vier bis sechs hochklappbaren Schwimmern versehen sind.

Herkömmliche Wellenkraftwerke benötigen Unterseekabel, um den gewonnen Strom an Land zu bringen, die meist jenseits von 500.000 $ pro Kilometer kosten und damit einen entscheidenden Kostenfaktor bilden. Dieses Problem lösen die neuen Kraftwerks-Schiffe durch Mobilität, indem sie den gewonnen Strom bis zum Einlaufen in den Hafen an Bord in großen Akkus mit einer Kapazität von 20 MWh zwischenspeichern.

Das Konzept sieht vor, daß jedes der 50 m langen Kraftwerks-Schiffe täglich für 20 Stunden ausläuft und Energie sammelt, ehe es wieder andockt. Ein Vorteil dabei wäre, daß die Schiffe zur Stromerzeugung immer Meeresregionen mit gerade günstigem Seegang ansteuern können. Zudem ist es möglich, die Ausfahrten so zu planen, daß die mobilen Kraftwerke rechtzeitig vor den täglichen Verbrauchsspitzen in den Hafen zurückkehren und den gesammelten Strom genau dann ins Netz einspeisen, wenn er am meisten benötigt wird.

Durch den Einsatz einer entsprechenden Zahl an Schiffen ist der Ansatz praktisch beliebig skalierbar, zudem können einzelne Kraftwerkseinheiten in der Nähe zu versorgender Küstengebiete zum Einsatz kommen. Das modulare System aus mobilen Kraftwerken ist auch besonders sturmsicher, denn bei Bedarf können die Schiffe im nächsten Hafen vor Anker gehen. Leider scheint es sich auch bei diesem Projekt nur um einen ,Papiertiger’ zu handeln, denn umgesetzt wurde bisher nichts.

Im Oktober 2011 erhält Jan Peckolt, Olympia-Medaillengewinner von 2008 im Segeln, für ein nach Abschluß seiner Sportkarriere im Rahmen einer Diplomarbeit an der Universität Duisburg-Essen (UDE) entwickeltes innovatives Meereswellen-Energiekonzept den mit 12.000 € dotierten RWE-Zukunftspreis 2011. Das System eignet sich speziell für die Kopplung mit Offshore-Windparks und soll unter dem Projektnamen NEMOS (Nutzung des Energiepotentials von Meereswellen in Offshore-Windparks zur Stromerzeugung) weiterentwickelt werden.

Nach erfolgreichem Test des Prototyps will Peckolt mit seiner als Startup der Universität im Jahr 2012 gegründeten und in Düsseldorf beheimateten Firma NEMOS GmbH bis 2015 die Marktreife erreichen. Dies soll in zwei Phasen erfolgen: In der ersten Phase von 2012 bis 2013, dem Conceptual Engineering, werden Betriebs- und Umsetzungskonzepte entwickelt und im Maßstab 1:10 im natürlichen Seegang getestet und auf ihre Wirtschaftlichkeit geprüft. Dabei sollen für den Umgang mit extremem Seegang auch geeignete Sicherheitskonzepte und Überlebensstrategien entwickelt werden. Diese Versuche sollen im dänischen Testzentrum Nissum Bredning durchgeführt werden.

In einer zweiten Phase 2014 – 2015 erfolgen anschließend die Detailkonstruktion und die Erstellung eines marktnahen Prototyps, wobei die Systemparameter speziell auf den geplanten Standort in Kombination mit einer Windkraftanlage abgestimmt werden. Die Entwicklungsarbeiten werden durchgeführt in Kooperation mit Partnerunternehmen verschiedener Industriezweige, mit dem Entwicklungszentrum für Schiffstechnik und Transportsysteme e.V (DST) und dem Institut für Schiffstechnik, Meerestechnik und Transportsysteme (ISMT) der Universität Duisburg-Essen.

Eine NEMOS-Anlage in voller Größe besteht aus einem länglichen Auftriebskörper mit einer Fläche von 16 m², der mit drei Seilen am Meeresgrund verankert ist. Er wird durch Wellen zur Bewegung angeregt und überträgt mechanische Energie über ein weiteres Seil an einen Generator, der geschützt vor Seewasser in einer Höhe von 11 m am Turm einer Windkraftanlage positioniert ist.

Neu an der Entwicklung sind vor allem die Bewegungsbahn des Schwimmkörpers (verschiedene Kreisbögen) und die Steuerungsstrategie, wodurch bis zu 80 % der einkommenden Wellenenergie zum Antrieb elektrischer Generatoren genutzt werden können (herkömmliche Systeme mit einer reinen Vertikalbewegung liegen deutlich unter 50 %).

Bei einer Veränderung der Wellenrichtung paßt sich die Ausrichtung des Körpers durch ein zum Patent angemeldetes System selbsttätig an, und seine Bewegungsbahn wird entsprechend der Wellenlaufrichtung geregelt. Zum Schutz vor extremen Wellenlasten in starken Stürmen kann das System auf eine ruhigere Wassertiefe abgesenkt werden.

Im Februar 2013 wird der erste Abschnitt des neuen skalierten Prototyps im Wellentank getestet, und im Sommer laufen Versuche auf dem Testgelände in der dänischen Nordsee, bei denen alle Komponenten auch bei schweren Stürmen unbeschädigt bleiben. Erfolgreich getestet wird der Konverter sowohl im Normalbetrieb als auch im Sicherheitsmodus, bei dem der Schwimmkörper mit weniger Bewegung in tieferes Wasser getaucht wird.

Um die Komponenten des Systems zu analysieren, werden zudem Dauertests des Ankersystems, der Seile und der Rollen durchgeführt, die auf einem Prüfstand auf dem Meeresboden enormen Wechselbelastungen ausgesetzt sind. Ab September folgt dann in Kooperation mit den Industriepartnern die detaillierte Analyse der Ergebnisse.

Daß die volle Funktionalität der Komponenten trotz ‚natürlicher Abdeckung‘ uneingeschränkt erhalten blieb, wird im Oktober 2013 berichtet. Dabei hätten sich die angewandten Schutzmechanismen bewährt, ohne daß etwas darüber gesagt wird, um was für Mechanismen es sich dabei handelt. Mit den steigenden Temperaturen im Sommer war auch das natürliche Wachstum der Unterwasserflora enorm angestiegen, wie man auf dem Foto des Testsystems gut erkennen kann.

Die Ergebnisse des fünfmonatigen Feldtests des NEMOS-Wellen-Energiewandlers im Maßstab 1:10, die im Oktober abgeschlossen werden, zeigen einen Wirkungsgrad von mehr als 50 %. Neben der Analyse der Testergebnisse sind als nächste Schritte die Untersuchung des Baumaterials der Hardware im Labor der Universität Amberg sowie erste Pläne für die Entwicklung eines Prototyps vorgesehen. Der Fokus liegt dabei auf der Konzeption des PTO, um eine effiziente und wirtschaftliche Energieumwandlung zu erreichen.

Im August 2014 berichtet das Unternehmen über die Entwicklung eines innovativen Zapfwellenantriebs (PTO), mit dem die mechanische Energie des Schwimmkörpers sehr effizient in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Für das in Praxistests bestätigte Konzept mit einem Wirkungsgrad von ca. 80 % werden zwei Patente angemeldet.

Zudem wird bis Oktober ein Prüfstand entwickelt und gebaut, der das Testen der Riemen des künftigen Wellenenergiekonverters im Maßstab 1:1 unter voller erwarteter Belastung ermöglicht. Durch einen neuartigen Aufbau können 200.000 Zyklen pro Tag unter extremen Bedingungen durchgeführt werden. Dies bedeutet, daß es der Test der zyklischen Umkehrbewegungen mit einer Änderung der Drehmomentrichtung in jedem Lastzyklus 10-mal schneller erfolgen kann, als dies bei der Anwendung auf See der Fall wäre.

Ein zwischenzeitlich entwickelter Prototyp im Maßstab 1:5 mit einem Schwimmkörper von 3,5 m Länge und einem Generator, der in sechs Metern Höhe befestigt ist, wird von Juli bis Oktober im dänischen Limfjord getestet, wobei sich der neue Turm, die Automatisierung des Systems und alle Komponenten der Seilkinematik als robust und zuverlässig erweisen. Besonders hervorgehoben wird der Nachweis einer PTO-Effizienz von bis zu 80 %, was in der Wellenenergie als einzigartig gilt.

Ende des Jahres folgt im Rahmen des EU-Projekts MARINET eine Testreihe im Wellentank der École Centrale de Nantes (ECN) in Nantes, einem der größten weltweit. Aufgrund der genauen Einstellungen und Reproduzierbarkeit der Wellenbedingungen können bei mehr als 200 Tests umfangreiche hydromechanische Parameterstudien durchgeführt werden, deren Ergebnisse bei den bevorstehenden Feldtests und dem Gerät in voller Größe in die Automatisierung des Systems integriert werden sollen.

Im November 2015 folgt ein Kurzbericht über die zwischenzeitlichen Fortschritte. Demnach wurden parallel zum Dauertest des 1:5-Gerätes bei Nissum Bredning am dänischen Limfjord auch auf verschiedenen Prüfständen die ersten Komponenten des Prototyps im Maßstab 1:1 untersucht. Dabei werden am IFT der Universität Stuttgart und in Kooperation mit der Liros GmbH, einem der weltweit größten Hersteller vonTauwerk, die Riemen, Getriebewellen und Seile unter voller Betriebsbelastung getestet.

Juli 2016 wird gemeldet, daß der Kern des NEMOS-Wellenkraftwerks, das im kommenden Jahr in der küstennahen belgischen Nordsee in Betrieb gehen soll, nun an der UDE getestet wird, wo hierfür ein 40 Tonnen schwerer und 9 m hoher Prüfstand eingerichtet wurde.

Die nächste Nachricht stammt vom Februar 2017, demnach habe die belgische Werft Gardec damit begonnen, den Nordsee-Prototyp zu montieren. Dabei werden der Turm sowie das Kraftwerk mit bis zu 50 mm dicken Stahlplatten verschweißt. Dem folgen umfangreiche Laboruntersuchungen und Dauertests der innovativen Schraubanker.

Im Juni genehmigen die belgischen Behörden nach einem mehrmonatigen Untersuchungsverfahren, das eine öffentliche Anhörung und zahlreiche Detailuntersuchungen beinhaltete, den Einbau des Prototyps in der Nordsee nahe dem Hafen von Ostende. Die Genehmigung umfaßt den Bau des Wellenenergiewandlers mit seiner Turmstruktur sowie die Durchführung der geplanten Forschungsarbeiten für eine Dauer von drei Jahren. Im Juli wird der seit Oktober 2016 laufende Langzeittest des 1:5-Modells abgeschlossen, das störungsfrei Wellenhöhen von mehr als 1,5 m ausgehalten hat.

Im September 2017 werden am geplanten Installationsstandort Bodenuntersuchungen durchgeführt, um die Stabilität des Fundaments der Forschungsstrukturen zu überprüfen. Nun konzentriert sich das Team auf die Installation des Großprototypen mit einem Schwimmer, der mehr als 10 m³ Wasser verdrängt und einer voll ausgestatteten Forschungsstation auf einer unabhängigen Struktur. Dieses System soll genügend Energie erzeugen, um mehrere Haushalte mit Strom zu versorgen.

Ich empfinde es übrigens als Affront, daß die Homepage dieses deutschen Projekts, das zudem mit deutschen Steuergeldern vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird, ausschließlich in Englisch präsentiert wird.

Im September 2019 geht in der belgischen Nordsee vor Ostende ein skalierter Anlagenprototyp mit einer Leistung von 10 kW in den Versuchsbetrieb, der zwei Jahre lang laufen soll. Ist er erfolgreich, soll anschließend ein größeres Kraftwerk gebaut werden.

Der Schwimmkörper hat eine Fläche von 8 x 2 m und ist über zwei Seile mit der Unterkonstruktion verbunden, die vollkommen untergetaucht ist. Sie wird von einer Art Ankerkette festgehalten. Der Schwimmkörper zieht im Takt des Wellengangs an den beiden Seilen, die sich über eine mit dem Generator verbundene Umlenkrolle bewegen. Eine kraftvolle Feder zieht sie zurück, wenn die Welle ausläuft und der Schwimmkörper sich wieder absenkt.

In die Entwicklung dieser Rückholfeder, die auch als Kurzzeitspeicher für die vom Schwimmkörper erzeugte kinetische Energie dient, hatte das Team viel Mühe gesteckt. Sie besteht aus CFK und ihr Gewicht liegt um 75 % unter dem vergleichbarer Federn.

Ebenfalls im Jahr 2011 startet die bereits 1952 gegründete HAB Hallen- und Anlagenbau GmbH aus Wusterhusen mit der Entwicklung und dem Bau des „ersten deutschen Meereswellenschwimmergenerators“, bei dem es sich um eine CX-2 genannte Energieboje handelt, deren Körper aus glasfaserverstärktem Kunststoff besteht. Dieser überträgt die linearen Bewegungen der Wellen auf ein Triebstockgetriebe. Von dort gelangt die Bewegung zu einem Gleichlaufgetriebe, welches sie in Rotation umwandelt und damit den Generator  antreibt.

Die zusammen mit dem Zinnowitzer Tauchgondel-Ingenieur Andreas Wulff entworfene Konstruktion wird zum Patent angemeldet, und mit dem Errichten und Testen eines Prototypen in der Pommerschen Bucht vor Usedom im Jahr 2012 wird der Funktionsnachweis erbracht, wofür die Firma den zweite Platz beim Ludwig-Bölkow-Preis erringt. Zum Einsatz kommt dabei auch ein von der HAB entwickelter Sauganker, der ohne das üblicherweise erforderliche kostenintensive und mit hohem Schalldruckpegel einhergehende Rammen einen Verankerungspunkt auf dem Meeresgrund schafft.

Nach ungefähr sechs Monaten Testbetrieb versagt bei Eisgang allerdings der Drehkranz der Anlage, so daß der obere Teil abbricht. Aufgrund dieser Erfahrung wird eine Anlage mit einfacherer Technologie und robusteren Bauteilen entwickelt. Dies scheint länger zu dauern, als geplant, denn erst im im Sommer 2015 ist wieder etwas über das Projekt zu erfahren, als die Ingenieure der HAB das Wellenkraftwerk in einer Versuchsanlage auf dem Betriebsgelände testen, bevor es in der Ostsee vor Nienhagen seinen Härtetest antreten wird.

Beim diesem Realtest soll der flache, auf dem Wasser schwimmende und im Durchmesser 5 m große Bojenkörper eine Leistung von 10 kW erzielen. Spätere Bojen sollen 50 kW erreichen. Obwohl die Forschungen von ministerieller Seite mit 400.000 € unterstützt werden, ist danach nichts mehr über das Projekt zu hören.

Im Juli 2013 berichtet die Fachpresse über die Arbeit des Projektes EPoSil (Elektroaktive Polymere auf Silikonbasis zur Energiegewinnung), das bis Januar 2015 vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit fast 2 Mio. € unterstützt wird. Das Projekt zur Nutzung der Wellenkraft wird von einem Forschungsverbund aus vier Unternehmen und zwei Universitäten umgesetzt.

Die Partner sind die Wacker Chemie AG, die einen Werkstoff auf Silikonbasis liefert, der ein wesentlicher Bestandteil des sogenannten elektroaktiven Polymers ist, welches mechanische in elektrische Energie umsetzt; das Ingenieurbüro Brinkmeyer & Partner in Winnenden, das die Anlagen zum Test der Generatoreinheiten konstruiert; die Firma Bosch-Rexroth, die das Konsortium beim Bau der Modelle unterstützt; die TU Darmstadt, die eine Methode entwickelt, um die elektroaktiven Polymere zu testen; sowie die TU Hamburg-Harburg, in deren Wellenkanal das geplante, schwimmende Maßstabmodell erprobt werden soll.  Die Koordination übernimmt Bosch zusammen mit dem Unterauftragnehmer Compliant Transducer Systems.

Über den Hintergrund des Elastomer-Energiewandlers zur Wellenenergienutzung habe ich bereits ausführlich unter Elektrostatik im Kapitel Micro Energy Harvesting gesprochen (s.d.).

Kurz zusammengefaßt besteht er aus einer dreilagigen Folie. Oben und unten befindet sich je eine elektrisch leitende Schicht als Elektrode, während in der Mitte ein extrem elastisches, sehr gut isolierendes Silikon liegt. Durch die Bewegung der Wellen wird eine mechanische Kraft auf den Wandler übertragen, wobei das Silikon zunächst zusammengepreßt wird und beiden Elektroden näher aneinander rücken.

Jetzt wird von außen eine elektrische Spannung angelegt und eine der Elektroden positiv, die andere negativ geladen. Bewegt sich die Welle weiter, nimmt die Kraft auf den Wandler ab, das Silikon entspannt sich und wird wieder dicker. Daher entfernen sich die Elektroden und mit ihnen die Ladungen voneinander, wodurch sich die elektrische Energie im Wandler erhöht, die nun entnommen wird, bevor der Zyklus von vorne beginnt.

Die TU Darmstadt stellt einem ersten Demonstrator her, der im Labor während sogenannter Trockentests bereits funktioniert. Es ist eigentlich geplant, daß im Jahr 2014 ein maßstabgetreues, verkleinertes Modell im Wellenkanal der TU Hamburg-Harburg zu Wasser gelassen wird, doch dies scheint nicht erfolgt zu sein, denn später ist über das Projekt nichts mehr zu hören.

Im Jahr 2014 gründet der Segler und Ingenieur Philipp Sinn das bayerische Unternehmen SINN Power GmbH mit Sitz in Gauting und dem Ziel, regenerativen Strom aus Wellenenergie zu erzeugen, durch einzelne Wellenkraftmodule an Offshore- oder Hafenbauwerken oder mittels schwimmender Wellenkraftwerke aus vielen Modulen auf offener See.

Das Prinzip des Wellenkraftwerks ist einfach: Die auf und ab Bewegungen der Wellen heben die Schwimmkörper der einzelnen Module. Diese setzen eine Hubstange in Bewegung, die durch einen Generator läuft, der wiederum den Strom erzeugt.

Diese Einfachheit gilt auch für den Aufbau und die Wartung des Wellenkraftwerks: Die Module bestehen aus massenproduzierbaren Standardkomponenten, die die Herstellungskosten niedrig halten, einen leichteren Transport ermöglichen und unkompliziert mit handelsüblichem Werkzeug vor Ort aufgebaut werden können. Dadurch eignet sich das Wellenkraftwerk auch für abgelegene Küsten und Länder mit weniger entwickelter Infrastruktur.

In enger Zusammenarbeit mit diversen Partnern aus Wissenschaft und Industrie gelingt es, die Idee des Wellenkraftwerks in weniger als zwei Jahren vom Patent zum Prototypen zu bringen, und mit Unterstützung der Bundesregierung und privater Investoren wird im Dezember 2015 ein einzelnes Modul am Hafen von Heraklion auf der griechischen Insel Kreta installiert, um über ein Jahr lang Funktionalität, Zuverlässigkeit und Korrosionsresistenz zu testen.

Im August 2017 erhält die Firma aus dem 6. Energieforschungsprogramms der Deutschen Bundesregierung einen Zuschuß von über 1 Mio. € zur Förderung ihres Wellenenergie-Projekts in Griechenland. Im Frühling 2018 sollen dort fünf weitere Module neben dem bereits bestehenden Prototypen aufgebaut werden. Dabei soll die elektrische Verbindung mehrerer Generatoren und die Übersetzung der unregelmäßigen Wellenbewegung in netzkonformen Strom in der Praxis getestet werden.

Nach dem erfolgreichen Abschluß der Tests ist geplant, eine schwimmende Version des Wellenkraftwerks zu erproben, die aus 18 Modulen bestehen wird. Außerdem werden erste kommerzielle Projekte ins Auge gefaßt. Diese gehen einen großen Schritt weiter, als im September 2017 mit dem Maritime and Port Office (AMP) der Kap Verden ein Vertrag zur Genehmigung des Aufbaus eines Wellenkraftwerks auf São Vicente unterzeichnet wird. Die Insel vor der Nordwestküste Afrikas soll sich dafür ideal eignen.

In Kooperation mit dem lokalen Betrieb für Aquakulturen Fazenda de Camarão und der Universität Cabo Verde plant die SINN Power ein Joint Venture mit dem Ziel, 100 % nachhaltige Bio-Shrimp zu produzieren, weshalb die Farm auch mit 100 % erneuerbarer Energie versorgt werden soll. Geplant ist, den Energiebedarf innerhalb der nächsten drei Jahre durch ein schwimmendes Wellenkraftwerk zu decken, das durch ein Solarkraftwerk abgesichert ist. Das kommerzielle Demonstrationsprojekt startet im März 2018 mit einer detaillierten Machbarkeitsstudie.

Im April steigt die Schweizer Kapital Global Impact Fund AG als Gesellschafter bei der SINN Power ein. Durch die damit verbundene Kapitaleinlage von 4,7 Mio. € stehen nun die nötigen Ressourcen zur Verfügung, um die Wellenkraftwerks-Technologie bis 2022 zur Marktreife zu entwickeln.

Nach vier Wochen Bauzeit wird im Juni der Aufbau der Tragestrukturen für die Installation der ersten neuen Module an der Hafenmauer Heraklion abgeschlossen. An den zwei Wellenkraftwerks-Modulen soll die zweite Generation der patentierten Technologie auf ihre Funktionalität geprüft werden. Sie werden Anfang Juli in Betrieb genommen. Bis 2019 sollen dann die weiteren drei Testmodule aufgebaut werden.

Zudem laufen die Planungen für das schwimmende Kraftwerk, welches in den Jahren 2019/2020 entstehen soll, bereits auf Hochtouren. Außerdem befaßt sich die Firma in der Umsetzung von Smart-Off-Grid-Systemen, um komplexe Hybridprojekte zu verwirklichen, zu denen neben der Wellenenergie auch Kleinwind- und Photovoltaik-Anlagen sowie Speicherlösungen gehören.

Eine Nachricht vom Oktober 2018 besagt, daß die SINN Power im westafrikanischen Guinea im Auftrag eines lokalen Industrieunternehmens eine Machbarkeitsstudie über das Potential von Wellenenergie und weiteren erneuerbaren Energieformen durchführt.

Im Juni 2020 folgen Berichte, daß das im Hafen von Heraklion installierte Wellenkraftwerk die ersten Tests bestanden habe. Dort sind aktuell vier Wellenkraftmodule im Einsatz, zudem ist bereits ein kleines Windrad integriert. Jedes Modul verfügt über 24 kW Leistung, im Mittel sind es 2,5 kW, allerdings mit einem kleinen Schwimmteller. Montiert man den größeren Schwimmteller mit 3 m Durchmesser, wie er für die nächste Generation der Module vorgesehen ist, ist es doppelt so viel. Im Herbst soll dann noch eine schwimmende Plattform mit PV-Modulen in das Grid integriert werden.

Daneben ist die SINN Power auch an einem großen EU-Projekt mit mehreren Unternehmen und Hochschulen beteiligt. Bei dem Musica (Multiple Use of Space for Island Clean Autonomy) genannten Projekt sollen auf einer schwimmenden Plattform, die von der University of the Aegean gestellt werden, verschiedene erneuerbare Energiequellen kombiniert werden. Die SINN Power wird dort ihre strukturgebundenen Wellenkraftwerke integrieren.

Die Koordination dieses Projekts, an dem 15 Partner beteiligt sind, wird im Oktober 2021 von der Oceanic Platform of the Canary Islands (PLOCAN) übernommen.

Im Dezember stellt die SINN Power ein schwimmendes PV-System für Binnengewässer vor, das aber im Kapitelteil der schwimmenden Solaranlagen behandelt wird (s.d.).

Berichten vom Oktober 2022 zufolge entwickelt die Firma zusammen mit Prof. Christoph M. Hackl und seinem Team an der Hochschule München (HM) intelligente Algorithmen, die dafür sorgen, daß sich der Strom aus Wellenkraftwerken effizient und zuverlässig ins Stromnetz einspeisen läßt.

Für den praktischen Test waren Umrichter, Netzfilter und Steuerungscomputer in eine wasserdichte, schuhschachtelgroße Box gepackt und nach Heraklion geflogen worden, wo die Technik mehr als ein Jahr lang den Strom des wellengetriebenen Generators zuverlässig in Netzstrom verwandelt – mit einer Energieausbeute von 93 %.

Die Ergebnisse werden unter dem Titel ‚Experimental Identification of the Optimal Current Vectors for a Permanent-Magnet Synchronous Machine in Wave Energy Converters‘ veröffentlicht. Von den effizienten und fehlertoleranten Algorithmen sollen in Zukunft nicht nur die Hersteller von Wellenkraftanlagen profitieren, sondern auch die Betreiber von Wind-, Solar- oder Geothermieanlagen.

Aufgrund persönlicher Korrespondenz erfahre ich Anfang 2017 über ein zum Patent angemeldetes Hybridkraftwerk zur Energieauskopplung aus Meereswellen und Wind von Rüdiger Ufermann (A-Nr. 10 2017 001 078.1), dem man nur wünschen kann, daß es recht bald zu einer Umsetzung dieses Konzepts kommt.

Bei dem Hybridkraftwerk ist der Turm koaxial von dem Hubzylinder umgeben, der vom ringförmigen Auftriebskörper dem Wellengang folgend gehoben bzw. gesenkt wird, wodurch sich über das Lager die Welle entsprechend hebt oder senkt. Der Permanentmagnet läuft dabei axial in der Spule und erzeugt elektrische Energie.

Um auch die Windenergie abzuschöpfen, dreht ein nicht näher spezifizierter Senkrechtachser gleichzeitig die Welle, wodurch ein zweiter Permanentmagnet über weitere Spulen ebenfalls elektrische Energie erzeugt. Der Hubzylinder schützt neben seiner eigentlichen Funktion gleichzeitig die Elektromechanik der Anlage vor den Einflüssen von Meerwasser und Wind.

Umgesetzt wurde bislang noch nichts. Herr Ufermann würde sich über Kooperationspartner sicherlich freuen.

Im November 2021 berichten die Fachblogs über eine Forschungsgruppe der Fachhochschule Kiel unter der Leitung von Christian Keindorf, die Laboruntersuchungen an Modellen eines ‚neuen‘ Wellenkraftwerks in Form einer hüpfenden Boje durchführt. Der Prototyp besteht aus einem Schwimmkörper, in dem senkrecht eine Stabboje mit einem linearen Generator angebracht ist. Die Anlage hängt dabei an drei Bojen. Aktuell untersucht das Team im Labor, wie sich das Wellenkraftwerk bei Seegang verhält, und optimiert den Schwimmkörper.

Die Anlage, die in der Realität 3 – 5 m hoch sein und einen Durchmesser von 1 m haben wird, soll aus recycelbarem Material gefertigt werden, und sogar die Magneten sollen für einer mögliche Wiederverwendung aufbereitbar sein. Ein solcher Prototyp soll im kommenden Jahr in der Nordsee in der Nähe der Forschungsplattform FINO 3 nördlich von Sylt getestet werden. In fünf bis zehn Jahren könnte das Wellenkraftwerk dann serienreif sein.

Gefördert wird das Forschungs- und Entwicklungsprojekt vom Ministerium für Wirtschaft, Verkehr, Arbeit, Technologie und Tourismus des Landes Schleswig-Holstein mit Mitteln der EU.

 

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