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Wellenenergie (XVIII) - Ausgewählte Länder

USA


Über die ersten Wellenenergie-Systeme in den USA habe ich schon in der geschichtlichen Übersicht ausführlich berichtet. Hier werden die weiteren Entwicklungen ab der vorletzten Jahrhundertwende präsentiert.

Pacific Wave Motor Grafik

Pacific Wave Motor
(Grafik)

Aus dem ersten Jahrzenht des neuen Jahrhunderts sind mehrere Versuche bekannt, wie beispielsweise der Reynolds-Wave-Motor an der Huntington Beach (1906) und der Edwards-Wave-Motor an der Imperial Beach (1909), über die ich bislang aber keine näheren Informationen gefunden habe.


Einer der berühmteren Wellen-Motoren aus dieser Zeit, der bis heute kolportiert wird, soll von einem Erfinder namens Ralph Starr stammen. Die Legende besagt, daß Starr ein ganz besonderer Durchbruch bei der Wave-Motor-Technologie gelungen sei. Er nutzt die Badewanne seiner Familie um ein Demonstrations-Modell zu konstruieren – und verkauft die Idee einer Gruppe von Investoren.

Starr beginnt 1907 mit dem Bau seiner Maschine bei Lands End, hält die Arbeiten aber geheim und läßt nicht zu, daß irgend jemand auch nur in ihre Nähe kommt. Am Tag der geplanten Inbetriebnahme wird eine große Feier ausgerichtet und die Menschen laufen zusammen, um zu sehen wie die neue Maschine aus den Wellen Strom macht. Immerhin soll sie Energie an sechs Gemeinden liefern. Wer allerdings fehlt, ist Starr selbst, der nirgends zu finden ist.

Die besorgten Investoren gehen zum Haus des vorgeblichen Erfinders, das sie leer vorfinden. Niemand weiß, ob Starr sie absichtlich betrogen hat, oder ob er der demütigenden Wahrheit, daß seine Maschine nicht funktioniert, nicht ins Gesicht sehen konnte.

Da niemand weiß, wie der Starr-Wave-Motor zu bedienen ist, wird er aufgegeben, und die enorme Maschine bricht im Jahr 1909 aufgrund der schwächlichen Konstruktion des Piers, an dem sie befestigt ist, zusammen.


Eine Firma namens National Power Company ruiniert im Jahr 1908 ihren nahe Lands End errichteten Wellen-Motor während der Experimente - und 1911 mietet eine Pacific Wave-Power Company Land an der Baker Beach, um ein Miniatur-Wellenkraftwerk zu bauen, von dem es allerdings nur eine (ungesicherte) eine Zeichnung gibt. Was mit dem Projekt weiter geschieht, ist unbekannt, es scheint jedoch der letzte Ansatz seiner Art in San Francisco gewesen zu sein.

Das hier abgebildete Foto eines Wellenmotors stammt zwar nachweislich ebenfalls aus dieser Zeit, da es in der Januarausgabe des Magazins Power aus dem Jahr 1911 abgedruckt wurde, um welchen Wave Motor es sich aber tatsächlich handelt, ließ sich bislang nicht herausfinden.

Titelbild der Modern Mechanix vom August 1932

Titelbild von 1932


In 1930ern bekommt ein Wellenenergie-System reichlich Presse, das von einem nicht namentlich genannten Erfinder aus Los Angeles stammt.

Die von diesem Herrn vorgeschlagenen gewaltigen runden Bojen besitzen einen sogenannten ‚inertia motor’, der im Grunde aus einem sehr schweren Gewicht besteht, das der hebenden Energie der Welle Widerstand entgegengesetzt.

Dadurch werden Kolben in Zylindern bewegt, die einen Ölkreislauf unter hohem Druck erzeugen, der wiederum eine Turbine antreibt, deren Generator den gewünschten Strom erzeugt.

Der Vorschlag schafft es sogar auf das Titelblatt des US-Magazins Modern Mechanix vom August 1932.


Nur zwei Jahre später, im Mai 1934, wird über die Erfindung von Chester E. Shuler berichtet, der ebenfalls aus Los Angeles stammt. Sein System besteht aus großen Schwimmern mit festen Betonfundamenten, die mittels Gegengewichten und einem Getriebe die Bewegungen der Wellen in nutzbare Energie umsetzen.

Shuler Entwurf

Shuler-Entwurf (Grafik)

Dabei wird die zyklische Zugkraft auf ein großes Schwungrad in der Transformerstation an Land übertragen. Aus der Darstellung wird deutlich, daß für diese Idee wohl die damals überall in Amerika verbreiteten Öl-Förderpumpen Pate gestanden haben. Über eine Umsetzung ist allerdings nichts bekannt.


Danach vergehen wieder etliche Jahre, bis am Cliff House in San Francisco im Jahr 1948 erneut Versuche mit einem Wave-Motor angestellt werden, der diesmal von Lewis Reece erfunden worden ist. Obwohl der Innovator während der Versuche anfänglich einige Presse erhält, erweist sich nach mehreren Tests, daß sein Wellenkraftwerk nicht zufriedenstellend funktioniert.


Der nächste Ansatz geht auf einen nicht namentlich bekannten Marine-Ingenieur aus Oakland zurück, der im Jahr 1965 in der Bay Area mit einem neuen Wellen-Motor für Aufregung sorgt, da sein in einer Bucht an der Muir Beach in Marin errichtetes Modell über einen Monat lang tatsächlich erfolgreich arbeitet.


Die Firma Lockheed experimentiert Anfang der 1970er Jahre mit einem Damm-Atoll (Dam-Atoll) aus schwimmenden Inseln von 80 m Durchmesser, die sich wie Frisbee-Scheiben im Wasser wölben und jeweils 1 – 2 MW abgeben sollen. Tatsächlich wird ein Modell im Maßstab 1:100 gebaut und getestet.

Das 1979 erteilte Patent (US-Nr. 4.125.895) ist inzwischen zwar ausgelaufen, dennoch verfolgt der ehemalige Patentinhaber Leslie S. Wirt zusammen mit Duane L. Morrow aus Kalifornien die Weiterentwicklung dieser Technologie auch noch im Jahr 2008 - ohne daß es jedoch wirkliche Anzeichen für eine Umsetzung gibt.

Dies ist insofern schade, als daß das Design des Damm-Atolls mit seiner 100 m durchmessenden Kuppel eine zentrale zylindrisch-vertikale Kammer vorsieht, in der das Wasser zu einer flüssigen Schwungscheibe geformt wird. Es ist dieser Strudel aus konzentrierter Wellenenergie, der die Turbine antreiben soll.

Wave-powerd motor Patent

Wave-powerd motor-Patent
(Grafik)

Interessant ist vielleicht auch, daß ein Paul F. R. Weyers aus Sunnyvale gemeinsam mit Lockheed 1981 ein weiteres Patent beantragt, das ihm 1982 erteilt wird (US-Nr. 4.327.296).

Sein Wave-powered motor hat nämlich eine frappierende Ähnlichkeit mit dem Damm-Atoll, wie man anhand der beiden Patentauszüge gut erkennen kann.

Bei dem neuern Patent ist der nach unten gerichtete Wirbel sogar mit eingezeichnet. Ich betone dies insofern, als daß eine ähnliche Technologie in wesentlich kleinerem Format (und als Flußkraftwerk) in Form des bereits mehrfach erfolgreich umgesetzten Gravitationwasserwirbelkraftwerks vorliegt (s.d.) – und daß mein bevorzugtes und in Teil D beschriebenes Synergetisches Modell eine ganz ähnliche Wirbeltechnik aufweist, die allerdings aufwärts gerichtet ist.


Das möglicherweise erste Buch, welches auch die historische Perspektive der Wellenenergie betrachtet, wird von dem Autor Prof. Michael E. McCormick mit Ocean Engineering Wave Mechanics betitelt und erscheint 1973. McCormick gilt als einer der Pioniere der modernen Wellenkraftforschung, der schon damals OWC-Systeme studiert hat. Später beteiligt es sich an der Konzeption der bidirektionalen Turbine für das Kaimei Projekt in Japan (s.d.), und beginnt im Jahr 1981 mit seiner Arbeit an der britischen McCabe Wellen-Pumpe (s.d.), da ihn das Thema der Meerwasserentsalzung mittels Wellenenergie besonders interessiert.


Auch am Institut of Oceanography in Kalifornien wird in diesen Jahren an einem Wellenenergiewandler gearbeitet, der im Wasser steht. Beim Eintauchen des Schwimmkörpers schiebt sich Wasser durch eine lange Röhre in ein Reservoir. Das Wiederausströmen des Wassers läßt sich durch das automatische Schließen eines Klappenventils verhindern. Ist das Reservoir gefüllt, strömt Wasser über eine Reihe von Turbinen zurück ins Meer. Andere Vorschläge betreffen 1 x 2 m große Aluminiumplatten, die der Wellenfront entgegengestellt je 1 kW/h erzeugen sollen. In den Folgejahren wird aber keines dieser Modelle ernsthaft weiterentwickelt.

OWEC-Test im Wassertank

OWEC-Test


Die 1978 gegründete Ocean Wave Energy Co. (OWECO) in Bristol, Rhode Island, arbeitet an der Kommerzialisierung ihres OWEC Ocean Wave Energy Converter, für den sie vom Gouverneur von Rhode Island auch schon einen Energy Innovation Award bekommen hat. Es handelt sich um ein selbsttragendes, skalierbares und schnell montierbares System, das 1980 patentiert wird (US-Nr. 4.232.230).

1982 werden drei verschiedene Modelle in Wassertanks getestet, die alle auf einer Anzahl von Schwimmkugeln beruhen, welche mittels Gestängen an zentral und fest installierten Wandlerkugeln befestigt sind.

1987 gibt es ein weiteres Patent (US-Nr. 4.672.222), und 1989 werden Komponenten in voller Größe entwickelt. Ab 2000 werden weitere Strukturanalysen und Simulationen durchgeführt, die im Jahr 2008 zu einem weiteren Patent führen (US-Nr. 7.352.073).

Die Patentverbesserungen von 2014 umfassen die Konstruktion von Elektrogeneratoren und neue Ballast-Konzepte, die weitere Integration kommerzieller Komponenten sowie Herstellungs- und Bereitstellungsprozesse. Aktuellere Informationen gibt es bislang nicht.


Die Technologie des Delbuoy genannten Wellenergie-Wandlers wird Ende der 1970er und im Laufe der 1980er Jahre von Charles M. Pleass und Douglas C. Hicks entwickelt. Es geht dabei um eine einfach herzustellende Boje, die Meerwasser entsalzen soll.

Die Erfinder erhalten Patente für das System, führen an der Südwestküste von Puerto Rico erfolgreiche See-Tests durch und machen große Fortschritte in Richtung einer Kommerzialisierung der Technologie. Es gelingt ihnen, einen Prototyp mehrere Monate lang erfolgreich zu betreiben und Trinkwasser herzustellen. Bei durchschnittlichem Wellenaufkommen kann die Anlage pro Tag 300 – 500 Gallonen Trinkwasser aufbereiten.

In den späten 1980ern wird die Installation auf dem Testgelände in St. Croix sogar von Horizon International in einer Co-Produktion mit dem deutschen Fernsehen gefilmt und ausgestrahlt. Für den anschließenden Mißerfolg wird das fehlerhafte Mnagement der Firma verantwortlich gemacht, welche die Lizenz von der University of Delaware erworben hat. Zudem stirbt Pleass - und das gesamte Equipment geht durch den Hurrikan Hugo verloren. Seitdem ruht das Projekt.

Papentzeichnung des GyroWaveGen-Prinzips

GyroWaveGen-Patent
(Grafik)


Bereits 1979 erfunden und im Jahr 1982 patentiert, versuchen die Erfinder Herbert K. Sachs und George A. Sachs aus Michigan mit ihrem GyroWaveGen (bzw. generic GyroGen) – inzwischen mit einem neuen Design – auch noch im Jahr 2007 auf den Markt zu kommen.

Zur Stabilisierung der Position gegenüber den Kräften der Welle wird hier ein Schwungrad eingesetzt.

Die Firma Paradyme Systems USA (früher Paradigm Systems) in Michigan kündigt an, bis Ende 2007 eine Homepage mit ausführlichen Informationen freizuschalten... was allerdings noch immer nicht erfolgt ist.


Aus den 1980er und 1990er Jahren gibt es eine Vielzahl von Wellenkraft-Patenten in den USA, von denen ich hier nur einige wenige als Beispiele erwähnen möchte: Die Counter-rotating wave energy conversion turbine von Michael E. Mccormick aus Annapolis (US-Nr. 4.271.668 von 1981), das Spaced apart wave generator float array von Glenn E. Hagen aus New Orleans (US-Nr. 4.392.349 von 1983), ein Wave driven power generation system von Carroll K. Gordon, ebenfalls aus New Orleans (US-Nr. 4.781.023 von 1988) oder die Oscillating force turbine von Mansel F. Fox aus Edwards AFB (US-Nr. 5.005.357 von 1991).


Eine weitere einfache Wellenenergie-Pumpe entwickelt die Scripps Institution of Oceanography, wo 1983 der patentierte Marine Hydroelectric Generator (MHEG) von John Trepl II untersucht wird. Dessen erstes Modell nutzt einen Fahrrad-Dynamo und leistet bescheidene 3 W. Der MHEG besteht aus einem Schwimmer, der über ein Kabel mit einer Antriebstrommel, einem Beschleuniger und einem Schwungrad verbunden ist, das den Generator mit einer konstanten Geschwindigkeit antreibt.

1984 wird ein erstes 50 kW MHEG-System entwickelt und hergestellt. Die Texaco Corp. mietet die Plattform Helen vor der kalifornischen Küste, um zwischen Juli und November Versuche mit der neuen Anlage durchzuführen. Als Ergebnis wird ein Wirkungsgrad von knapp 30 % festgestellt, wodurch eine 26 m große Anlage nach dem MHEG-Prinzip 1 MW leisten könnte.

Die Technologie wird auch von der University of Texas in Austin untersucht und bestätigt. Als erwartete Lebensdauer werden 50 Jahre angegeben. Für den Bau der ersten kommerziellen Anlagen werden 22 Mio. $ veranschlagt, wobei anfänglich ein 150 kW Sytem ins Auge gefaßt wird, das später auf 1 MW erweitert werden soll.

Der Erfinder gründet 1987 in Monarch Beach, Kalifornien, die Firma Marine Hydroelectric Co., um seine Innovation voranzutreiben. Was dann aber doch nicht so schnell geht, wie erhofft. Jedenfalls werden in den ersten Jahren des neuen Unternehmens keinerlei Fortschritte gemeldet. Um die MHEG-Technologie wenigstens außerhalb der USA zu kommerzialisieren, wird 1994 in Tahiti die Tochter Energie Environnement De Polynesie (EEP) gegründet, die mit der Gemeinde Uturoa in Französisch-Polynesien einen langfristigen Vertrag unterzeichnet. Doch auch diesmal lassen konkrete Umsetzungen auf sich warten.

2006 führt Price Waterhouse eine unabhängige Untersuchung des MHEG-Systems durch. Inzwischen wird Trepls Firma allerdings World Energy Corp. (WECORP) genannt. Zu einer tatsächlichen Anwendungen der Technologie kommt es auch diesmal nicht. Später ist weder über die genannten Firmen noch über die Innovation selbst mehr zu finden.


Im Jahr 1983 entscheidet sich der Stadtrat von Berkeley dafür, vor der Berkeley Marina einen Offshore-Wellen-Motor zu installieren – doch das Projekt geht nicht durch. Nach Angaben der California Energy Commission wurden ähnliche Projekte während der vergangenen Dekade auch in Half Moon Bay, Fort Bragg, San Francisco und Avila Beach diskutiert. Doch in allen Fällen erfolgt keine Umsetzung.

CES WavePump Grafik

CES WavePump (Grafik)


Das Startup-Unternehmen Ocean Motion International (OMI) mit Sitzen in Colorado und Oregon wird 1990 gegründet. Im Jahr 1995 läßt sich die Firma mit ihrer neuartigen WavePump ein relativ einfaches System zur Nutzung der Wellenenergie patentieren, bei dem der Wasserdruck mehrerer kombinierter Einzelanlagen eine einzige Turbine antreibt. Das später OMI Combined Energy System (CES) genannte Gerät wird Küstenstädten und -gemeinden angeboten, schafft es aber nicht überzeugend genug zu sein, um tatsächliche Aufträge zu bekommen.

Die geplanten Offshore-Plattformen sollen 5 - 50 MW produzieren, wobei neben der Stromproduktion und einer RO-Einheit zur Wasserentsalzung auch die technischen Möglichkeiten zur Energiespeicherung mittels einer ‚on board’-Wasserstoffherstellung vorgesehen sind.

Um das Konzept zu optimieren, werden im spanischen Golf von Cadiz verschiedene Versuche unternommen, und im Jahr 2002 wird in Dana Point, Kalifornien, ein Funktionsmodell im Maßstab 1:20 öffentlich vorgestellt.

Danach ist es viele Jahre lang ruhig um das Projekt. Erst im September 2013 werden wieder Versuch durchgeführt, bei denen diesmal eine einzelne WavePump im Wellentank des Scripps Institute of Oceanography (OWET) getestet wird.

Im Februar 2016 zeigt die OMI eine Messe-Display-Einheit, die das Konzept des Geäts auf anschauliche Weise demonstriert. Die Einheit besteht aus drei Pumpen in Kammern, die sich füllen und entleeren, wobei der Fluß der Pumpen eine seitlich angebrachte Turbine dreht. Kunden zu überzeugen, gelingt aber auch damit nicht. Neuere Informationen gibt es keine.


Im Jahr 1994 gibt die Firma Ocean Power Technologies (OPT) in Pennington, New Jersey, bekannt, daß sie ein völlig neues Verfahren zur Nutzung der Wellenenergie entwickelt hat, das ohne jede Art störanfälliger Turbinen auskommt. Statt dessen werden Plastikfolien zwischen dem Meeresgrund und Flößen gespannt, die auf der Wasseroberfläche schwimmen. Diese Folien enthalten piezoelektrische Elemente, welche die Verformungsenergie in Elektrizität umwandeln.

Das zugrundeliegende Patent stammt wohl von Joseph R. Burns (‚Ocean wave energy conversion using piezoelectric material members‘, US-Nr. 4.685.296, beantragt 1986, erteilt 1987). Ewin weiteres Patent wird 1995 angemeldet (‚Frequency multiplying piezoelectric generators‘, US-Nr. 5.814.921, erteilt 1998). Hier wird als Erfinder ein Charles B. Carroll genannt.

Bis 1996 soll eine erste Versuchsanlage mit 100 kW Leistung in Betrieb gehen, doch weitere Informationen dazu gibt es keine. Im Jahr 1999 meldet die OPT unter dem Namen ‚Energy harvesting eel‘ zwar noch ein weiteres Patent an, bei dem es um einen piezoelektrischen Leistungsgenerator zur Verwendung in einem strömenden Fluidstrom handelt (US-Nr. 6.424.079, erteilt 2002), doch zu irgendwelchen Umsetzungen kommt es nicht. Statt dessen wendet sich die Firma der Bojen-Technologie zu, mit der sie auch wesentlich erfolgreicher ist (s.u.).

Die Piezo-Technologie wird allerdings nicht aus den Augen verloren und von verschiedenen anderen Firmen für die unterschiedlichsten Anwendungsformen weiterentwickelt. Mehr darüber gibt es im Kapitel Micro Energy Harvesting zu erfahren.


Im Jahr 2000 erfindet und patentiert Steve Khachaturian das VersaBuoy Floating System, für dessen Entwicklung und Vermarktung er zusammen mit seinem Bruder Jon in Urbana, Illinois, die Versabuoy International LLC gründet.

VersaBuoy Laborversuch

VersaBuoy Versuch

Die Technologie, die nur halb soviel kosten soll, wie die bislang für die Tiefsee hergestellten Ölplattformen, ist modular aufgebaut und erlaubt neben der Nutzung der Wellenenergie auch gleichzeitig die der Windenergie. Kleinere Modellversuche im Maßstab 1:50 verlaufen vielversprechend, ebenso ein sechswöchiges Testprogramm im Offshore Model Basin im kalifornischen Escondido.

Später werden vier verschiedene Konfigurationen im Golf von Mexiko getestet, wobei sie auch einen 100-Jahre-Hurrikan schadlos überstehen. Das System besitzt eine Reihe von Stützen, die im inneren in mehrere Tanks aufgeteilt sind. Wie die Energieumwandlung konkret verlaufen soll, konnte ich nicht herausfinden (bzw. habe es nicht verstanden).

Mitte 2007 kommt das Unternehmen mit einer neuen Tiefenwasser-Plattform in die Presse, die von dem Versabuoy-System abgeleitet ist, und 2009 wird dieses Plattform als eine Art Zaun zum Schutz schwimmender Flüssiggastanks empfohlen. Von weiteren Arbeiten oder gar einer praktischen Umsetzung des Wellenkraftwerks ist dagegen nichts zu vernehmen. Einzig eine Bachelorarbeit aus dem Jahr 2012 ist noch zu finden, die von Drude Hundevadt an der Technical University of Denmark angefertigt wurde (,Hydrodynamic evaluation of a new concept for a semisubmersible VersaBouy’).


Im November 2003 beginnt das Unternehmen Independent Natural Resources Inc. (INRI) aus Eden Prairie, Minnesota, am Offshore Technology Research Center der Texas A&M University mit Tests an einem neuen Wellenenergie-System namens Seadog. Die erste Patent für das System wird 2002 beantragt (US-Nr. 6.953.328, erteilt 2005), das zweite 2003 (US-Nr. 7.059.123, erteilt 2006).

Nach der Erstellung eines Businessplans, der 2004 veröffentlicht wird, erfolgen praktische Erprobungstests an der Küste von Surfside, Texas, und ein paar Jahre später, ab dem März 2007, auch im Golf von Mexiko vor Freeport. Hier wird eine 10,5 m hohe und 8,6 t schwere Boje zu Wasser gelassen und für 30 Tage in Betrieb genommen. Über einen Schlauch pumpt der Seadog das Wasser rund 33,5 m hoch auf eine Plattform .

Eine einzelne Seadog-Pumpe, die im Grunde aus einem großen und einem kleinen Zylinder besteht, kann je nach Wellengang bis zu 150.000 l Meerwasser pro Tag pumpen. Ein Teil davon soll dabei gleichzeitig über ein RO-System entsalzt werden.

Seadog Versuch

Seadog Versuch

Später stellt das Unternehmen eine vergrößerte Version für einen einjährigen Test an der Nordküste Kaliforniens her, der Ende 2008 oder Anfang 2009 beginnen soll. Außerdem werden mit verschiedenen Interessenten Projekte im Umfang von 14 bis zu 200 Systemen besprochen.

Die letzten Meldungen auf der Homepage stammen von 2008, als das Unternehmen eine Tochterfirma namens Renew Blue Inc. (RBI) gründet, die sich mit der Lizensierung der Seadog-Technologie beschäftigen soll.

Renew scheint dabei erfolgreich zu sein, denn schon im Oktober 2009 gibt die Firma bekannt, daß das Texas General Land Office die Errichtung der ersten Wellenfarm des Bundesstaates genehmigt hat.

Ozeanwasser und Wellenenergie sollen entsalztes Wasser produzieren – das anschließend als weltweit erstes ohne fossile Brennstoffe hergestelltes Flaschenwasser abgefüllt werden soll. In der Nähe von Freeport sollen schon bald 3.000 Gallonen pro Tag auf Flaschen gezogen und vertrieben werden. Falls es eine Hype wird, kann man von einer sehr lukrativen Geschäftsidee der Marke Renew Blue (‚Environmentally Friendly Bottled Water’) sprechen.

Die modulare 46 x 23 m große Offshore-Plattform mit 18 Seadog-Pumpen, die außerhalb von Houston hergestellt wird, soll nun Ende 2009 oder Anfang 2010 etwa 1,5 km vor der Küste in einer Wassertiefe von etwa 25 m installiert werden und 60 kW produzieren, von denen nur 4 kW als Zusatzenergie für die tägliche Wasserproduktion benötigt werden.

Doch auch bei diesem Projekt gibt es Verzögerungen, und das Unternehmen erhält die Genehmigung des U.S. Army Corps of Engineers, die aufgrund des amerikanischen Flüsse- und Hafengesetzes von 1899 erforderlich ist, erst im Mai 2010. Als Betreiber der Anlage wird die Texas Natural Resources LLC (TNR) aus Houston genannt, die von der RBI eine Lizenz besitzt, um die Seadog-Pumpe auf den Markt zu bringen.

Später ist von dem Seadog-System und den beteiligten Unternehmen allerdings nichts mehr zu hören.


Laut einer Studie des Electric Power Research Institute (EPRI) vom Januar 2005 liegt die gesamte Wellenkraft an den Küsten der USA bei ungefähr 2.100 Terawattstunden pro Jahr. Das Förderprogramm des US-Energieministerium zur Nutzung dieser Energiequelle ist zwischenzeitlich zwar aufgegeben worden, trotzdem entwickeln verschiedene Firmen und Universitäten die unterschiedlichsten Prototypen weiter.

Konzept der Universität Oregon

OSU-Konzept


Vom September 2005 datiert der Vorschlag der Oregon State University (OSU), einen Lineargenerator und Permanentmagnete zu nutzen, um die Wellenschwingungen in elektrische Energie umzuwandeln. Während der Magnetanker fest mit dem Meeresboden verbunden ist, wird die Spule des Generators an der auf und ab schwingenden Boje befestigt.

Das an der Universität entwickelte Konzept, das eigentlich keine grundlegenede Neuigkeit darstellt, kann 250 kW erzeugen, womit 200 Bojen ausreichen würden, um den gesamten Geschäftsbereich von Portland mit Strom zu versorgen. An dem Gerät wird bereits seit 2004 gearbeitet, wobei die Wellenkanalversuche im O. H. Hinsdale Wave Research Laboratory (HWRL) der Universität erfolgen.

Motor der Entwicklung ist Prof. Annette von Jouanne, die sich seit 1998 mit der Wellenenergie beschäftigt und darin schon früh von der National Science Foundation (NSF) unterstützt wird. Im Herbst 2007 wird ein erster kleiner 1 kW Prototyp (v 1.0) vor der Küste von Newport, Oregon, getestet.

In den Jahren 2007/2008 führt die Universität zusammen mit dem 2005 von Sandy Reisky de Dubnic und der Investment-Firma Greenlight Energy Ressources Inc. gegründeten Unternehmen Columbia Power Technologies LLC (CPT) aus Charlottesville, Virginia, sowie der U.S. Navy eine Evaluierung von 18 verschiedenen Wellenkraftwerken mit Direktantrieb durch und benennt 5 davon als vielversprechend. Diese Versionen werden als 200 W Modelle nachgebaut und im Wellentank getestet. Außerdem werden Simulationen für Baugrößen von 100 kW durchgeführt, sowie Kalkulationen der Herstellung, Installation, Wartung usw.

Im September 2008 führen die OSU und die CPT eine Reihe erfolgreicher Feldversuche durch, welche die Grundlage einer späteren Kommerzialisierung bilden sollen. Bei dem 11. Prototyp handelt es sich wieder um den Lineargenerator der OSU, der diesmal als 10 kW Version ausgeführt ist (v 2.0) und fünf Tage lang im offenen Wasser, rund 4 km vor Newport, getestet wird. Dabei betreibt das Gerät in der Nacht ein 1,5 kW starkes Navigationslicht.

CPT Versuch (2008)

CPT-Versuch
(2008)

Die CPT, die inzwischen von Corvallis aus firmiert, soll nun auf Grundlage der vorangegangenen Arbeiten ein Kraftwerk mit möglichst wenigen Teilen, einem Direktantrieb sowie einem Permanentmagnet-Generator entwickeln, das außerdem weitgehend aus leichtem Fiberglas statt aus schwerem Metall besteht.

Das neue System (v 3.0) verwendet eine Rotationstechnologie, welche die Bewegungsenergie aus vier Richtungen (oben, unten, links und rechts) anstatt der üblichen zwei erfassen kann. Die Wellen lassen eine Art Flügel um eine Achse an der Oberseite der Vorrichtung rotieren, während eine Platte an der Unterseite einen Widerstand gegenüber den Bewegungen bildet. Die ebenfalls genutzte Bezeichnung SeaRay (Manta) kommt daher, weil die beiden Flügel an der Spitze dazu neigen, die Flügel eines Mantarochen zu imitieren.

Das Gerät verwendet eine neuartige Direktantrieb-Permanentmagnet-Generator-Technologie, und das Design betont Nachhaltigkeit, Überlebensfähigkeit und Einfachheit – verbunden mit der Fähigkeit, Energie zu wettbewerbsfähigen Kosten zu liefern. Um die optimale Form für das Gerät zu finden sowie die Komplexität und damit die Wartungskosten zu minimieren, läßt die CPT die neue Version des SeaRay durch mehr als 350 Iterationen laufen. Versuche werden mit Modellen im Maßstab 1:50 (2008) und 1:33 (2009) durchgeführt.

Als das DOE Mitte September 2009 die Förderung von 22 Hydro-Energie-Projekten mit der relativ bescheidenen Summe von insgesamt 14,6 Mio. $ bekanntgibt, ist auch CPT mit dabei, die 600.000 $ für die Fortsetzung ihrer Forschungsarbeit bekommt, während mit weiteren 750.000 $ eine Demonstrationsanlage in voller Größe gebaut werden soll.

Aus dem im Oktober verabschiedeten Verteidigungsetat des Folgejahres gibt es zusätzlich 2,4 Mio. $ für Bojen, die später an Navy-Standorten installiert werden sollen, und aus einer Art KMU-Programm erhält das Unternehmen weitere 150.000 $.

Columbia Power hat bis zu diesem Zeitpunkt insgesamt 8 Mio. $ von der US-Navy und dem Department of Energy (DOE) erhalten, neben rund 2 Mio. $ von strategischen Investoren im Rahmen einer Finanzierungsrunde A, darunter 750.000 $ vom Oregon Angel Fund. Im nächsten Jahr sollen die privaten Investitionen durch eine weitere Finanzierungsrunde auf 4 Mio. $ verdoppelt werden – was anscheinend auch funktioniert.

Im Juni 2010 unterzeichnet die CPT eine Forschungsvereinbarung mit der GL Garrad Hassan, dem weltweit größten Beratungsunternehmen für Erneuerbare Energie, um ihr inzwischen Manta Wave Energy Converter genanntes Wellenkraftwerk weiterzuentwickeln und zu optimieren. Im Laufe des Jahres werden im Wellenkanal des HWRL Versuche mit Prototypen im Maßstab 1:15 durchgeführt. Die jüngste Finanzierung aus dem DOE und von der Navy in Höhe von 3,5 Mio. $ soll nun dazu verwendet werden, einen Prototyp im Maßstab 1:7 für Testzwecke zu entwickeln (etwa 3,4 m lang), der bereits Anfang 2011 den mächtigen Wellen des Puget Sound, Washington, trotzen soll.

Wellenkraft

SeaRay

Tatsächlich kann das Unternehmen im März 2011 den erfolgreichen Einsatz des Prototyps im Maßstab 1:4,5 melden (v 3.1), der nun SeaRay bzw. StingRAY genannt wird und in der Lage sein soll, den Meereswellen bis zur doppelten Menge Energie zu entziehen als alle anderen Wellenenergie-Technologien, die sich derzeit in Entwicklung befinden.

Bei den Tests, die 13 Monate lang laufen, werden die Erwartungen des Teams jedenfalls übertroffen (auch wenn es keine veröffentlichten Zahlen gibt). Zu sehen sind von dem Gerät nur rund 10 %, die sich oberhalb der Meeresoberfläche befinden.

Im Februar 2012 gibt die CPT bekannt, einen Gerät in voller Größe zu bauen (2 MW / 24,5 m / ~ 500 t), das im Folgejahr seinen Stapellauf im Puget Sound erleben soll. Ende des Jahres wird im Wellenkanal des HWRL das Kleinmodell einer weiteren Version getestet (v 3.2), mit der die doppelte Jahresproduktion an Energie erzielt werden soll, als die der Vorgängerversion.

Anfang 2013 bekommt das Unternehmen weitere 1,5 Mio. $ vom DOE für die Weiterentwicklung seines Systems, gefolgt von 150.000 $ im Mai aus dem DOE-Programm für innovative KMU-Unternehmen, die sich mit neuen Energietechnologien beschäftigen. Diese Mittel sollen genutzt werden, um durch neuartige Steuerungsstrategien die Leistung des Wellenergiewandlers weiter zu steigern. Eine Anlage in voller Größe soll nach aktuellen Planungen in den Jahren 2014/2015 auf offener See in den Testbetrieb gehen.

Die Firma schätzt, daß noch 30 Mio. $ benötigt werden, um in die Produktion verschiedener Versionen des StingRAY einsteigen zu können. Gedacht wird an eine ganze Serie: DataRAY für marine Sensoren und Sensor-Arrays (< 1 kW), EagleRAY für unbemannte Unterwasserfahrzeuge (1 – 5 kW) und StingRAY für Netzanbindungen (> 500 kW).

Im August 2013 wählt die CPT für den Einsatz im StingRAY segmentierte Drehstromgeneratoren von Siemens Industry. Der erste Generator, der 1,5 MW Spitzenleistung liefern kann, soll Anfang 2014 im National Wind Technology Center des NREL in Colorado getestet werden. Im September erhält das Unternehmen einen Zuschuß in Höhe von 3 Mio. $ vom US-Energieministerium (DOE), um den Bau und Test der ersten Direktantriebszapfwelle mit großem Durchmesser zu finanzieren (LandRAY).

Die nächste Meldung stammt vom November 2014, als die CPT ihr neuestes Projekt vorstellt, eine Demonstration des StingRAY im Großformat im offenen Wasser der Wave Energy Test Site (WETS) der US Navy vor Oahu, Hawaii. Der netzgekoppelte Einsatz soll 2016 beginnen und mindestens 12 Monate lang dauern. Daneben wird die Firma im Jahr 2014 von Frost & Sullivan mit dem ersten Platz für Technologie-Innovationen auf dem nordamerikanischen Wellenkraftmarkt ausgezeichnet.

LandRAY-Test

LandRAY-Test

Nachdem es aus dem Jahr 2014 keine weiteren relevanten Informationen gibt, wird im Februar 2015 berichtet, daß der StingRAY die erste Stufe des Prototypen-Zertifizierungsprozesses der DNV GL erreicht habe, nachdem eine vollständige Technologie-Risikobewertung durchgeführt und Maßnahmen zur Minderung potentieller Risiken vereinbart wurden. Dies gewährleistet einen völlig transparenten Umgang mit Risiken und gibt Interessengruppen wie der US Navy, dem DOE und anderen potentiellen Kunden einen klaren Überblick über den Fortschritt des Geräts.

Im November 2016 beginnen die Versuche mit dem Prototyp des 6,6 m durchmessenden 500 kW Permanentmagnet-Direktantriebsgenerator LandRAY – während im Dezember der erfolgreiche Abschluß des Tests eines autonomen, leistungsschwachen Wellenenergiesystems bekanntgegeben wird, der im Rahmen des Tactical Undersea Network Architecture (TUNA) Programms der DARPA unter der Leitung der University of Washington durchgeführt wurde. Das TUNA-Programm zielt darauf ab, neuartige, auf Glasfaserkabeln basierende Technologieoptionen und -designs zu entwickeln und zu demonstrieren, um taktische Datennetzwerkverbindungen in einer umkämpften Umgebung vorübergehend wiederherzustellen.

Die mechanische Erprobung des Generators, der so groß wie ein zweistöckiges Gebäude ist, an der (eigentlich für die Windindustrie entwickelte) Dynamometeranlage des NWTC beginnt im Januar 2017. Es ist der größte Generator, der bislang auf einem NWTC-Prüfstand getestet wurde. Im Februar erhält die CPT ihr erstes europäisches Patent für das neue Direktantriebssystem (EP-Nr. 299023), es ist das 14. Patent der Firma weltweit.

Das 20. erteilte Patent innerhalb der drei Patentfamilien, welche die innovativen Wellenenergie- und Direktantriebstechnologien der CPT (inzwischen auch C•Power geschrieben) abdecken, wird im Mai 2018 in Japan erteilt (JA-Nr. 6297576). Ende Dezember wird in Colorado nach über zwei Jahren der Test des Direktantriebs LandRAY abgeschlossen.

Im Januar 2019 erhält die CPT vom DOE einen Betrag von 3 Mio. $, um den Prototypen eines neuartigen, leistungsschwachen und entfernt einsetzbaren DataRAY Wellenenergiewandlers für netzunabhängige Anwendungen zu entwerfen, zu liefern und zu testen.


Im Dezember 2004 gewinnt der 17-jährige Aaron Goldin an der San Dieguito High School Academy im kalifornischen Encinitas mit seinem Autonomuos Gyroscopic Ocean-Wave-Powerd Generator (Gyro-Gen) den mit 100.000 $ dotierten und von Siemens Westinghouse gestifteten großen Schülerpreis. Die mit einem Schwungrad ausgestattete Schwimmboje nutzt die Trägheit, die der Hubenergie der Welle Widerstand leistet, um mit ihrem Generator diese Wellenenergie in Strom umzuwandeln. Sein Funktionsmodell leistet immerhin 3 W.

Die Juroren behaupten, daß sie bislang weder im Internet noch bei einer Patenterecherche ein ähnliches System gefunden haben – was m.E. jedoch nicht stimmt. Trotzdem beantragt der junge Mann 2005 ein Patent für seine Erfindung, das er 2008 auch erteilt bekommt. Danach hört man allerdings nichts mehr von ihm.

Tom Woodbridge und sein Wellenkonverter

Woodbridge Anlage


Im Jahr 2005 wird in einigen Fachblogs über eine Innovation aus dem Jahre 1972 von David D. Woodbridge berichtet, der damals in Satellite Beach, Florida, die Aqua-Magnetics Inc. (AMI) gründet hat, die inzwischen von seinem Sohn Thomas, einem ehemaligen NASA-Ingenieur, geleitet wird.

Der etwa körpergroße Prototyp des Ocean Swell Wave Energy Converter (OSWEC) steht in der heimischen Garage der Woodbridges, ist den Anforderungen der Küstenwache entsprechend knallgelb angestrichen und hat bei ersten Versuchen schon 10 W erzeugt. In Originalgröße soll die Anlage 160 kW leisten.

Woodbridge besitzt sechs amerikanische und internationale Patente, und seine low-cost Entwicklung wird von der Technological Research and Development Authority des Bundesstaates Florida mit 30.000 $ unterstützt. Aus eigener Tasche hat er bis dato etwa 10.000 $ für die Entwicklung ausgegeben. Die Patentierung in den USA erfolgt 1981 (US-Nr. 4.260.901, beantragt 1979).

Ohne genauere Datierung wird auf der Homepage des Unternehmens von der Entwicklung eines kleineren und leichteren Generators mit 40 cm Durchmesser und etwa 10 W Leistung berichtet, der Positionslichter sowie Überwachungseinrichtungen von Meerestieren betreiben soll. Als Kooperationspartner werden die Firmen Noah Industries Inc. aus Melbourne, sowie Ocean Specialists Inc. aus Stuart, beide in Florida, genannt.

1992 wird vor Melboure, Florida, ein erfolgreicher Versuch mit einer Plattform mit drei Generatoren durchgeführt. Andere Informationen über die Entwicklung gibt es jedoch nicht.


Ebenfalls seit 1992 arbeitet die Firma Float Inc. aus San Diego an einer Schwimmplattform mit Wellenpumpe namens Pneumatically Stabilized Platform (PSP), die zwischen 1997 und 2001 mit guten Ergebnissen im Rahmen des dänischen Wellenenergie-Programms getestet wird.

PSP Laborversuch

PSP-Laborversuch

Die Plattform besteht aus zylindrischen Komponenten die zu einer rechteckigen Form verbunden werden. Jeder Zylinder ist oben verschlossen, an der Basis, zum Meer hin, jedoch offen und enthält Luft bei einem Druck, der leicht über dem normalen atmosphärischen Druck liegt. Zur Stabilisierung des Ganzen sind die einzelnen Zylinder über Ventile miteinander verbunden, womit ein Ausgleich gegenüber unterschiedlichen Druckverteilungen bewirkt werden kann.

Anfang 1993 interessiert sich das Naval Surface Warfare Center für die PSP-Technologie als schwimmende Militärbasis und fördert die Entwicklung eines Prototyps ab August 1995 mit 2,5 Mio. $. Bis Dezember 1996 wird ein Modell mit den Maßen 30 x 90 gebaut und im Offshore Model Basin Wellentank in Escondido, California, getestet. Dieses Modell besteht aus 75 Zylindern, von denen jedoch nur 5 aktiv sind.

Ab 1997 wird das Projekt vom Office of Naval Research (ONR) weitergeführt und eine Plattform in der Größe von 150 x 1.500 m geplant, während die Modelltests in Escondido im Sommer 1998 fortgeführt werden.

In den Folgejahren ist nichts mehr über die Projekte zu hören, und das letzte Update auf der Homepage des Unternehmens vom August 2006 legt nahe, daß man im Bereich der Wellenenergie-Nutzung längere Zeit keine weiteren Schritte unternommen hat.

Erst im Dezember 2009 wird darüber berichtet, daß man zwischenzeitlich ein Rho-Cee genanntes Resonanzsäulen-Wellenkraftwerk entworfen habe, dessen schwimmende Offshore-Basis das PSP bildet. Das Modell in Maßstab von etwa 1:6 des Prototyps wird zum Test im Werk Ohmsett des U.S. Minerals Management Service (MMS) des US-Innenministeriums installiert. Über die Ergebnisse der Tests ist allerdings nichts zu finden.

Im Juni 2011 werden auf einer neuen Homepage der Float Inc. zwar noch einige weitere Projekte vorgestellt, wie das Design von Offshore-Häfen (Portunus) oder ein sogenanntes Offshore Ocean Energy System, bei dem in derselben PSP-Struktur Wind, Wellen und Meeresströmungen genutzt werden sollen, doch dies ist dann auch das letzte, was man über das System oder die Firma hört.

 

Weiter mit der Wellenenergie in den USA...