TEIL C

Wellenenergie (XXII) - Ausgewählte Länder

USA (Fortsetzung)

Im November 2012 wird gemeldet, daß die Electro Standards Laboratories in Cranston, Rhode Island, gemeinsam mit der University of Rhode Island (URI) an der Entwicklung autonomer Sensor-Bojen und Plattformen arbeiten, deren Energiegewinnung aus dem Wellen erfolgen soll. Bislang sind im Rahmen der von Raymond Sepe Jr. geleiteten Kooperation zwei verschiedene Designs entstanden, ein System mit Direktantrieb und eines mit einem Resonanzantrieb. Das Office of Naval Research (ONR) fördert die Arbeiten mit 250.000 $.

Die entwickelte Technologie nutzt kleine elektrische Generatoren, die entweder direkt angetrieben werden – aus der welleninduzierten Bewegungsdifferenz zwischen der Oberflächenboje und einer beständig untergetauchten Platte –, oder indirekt über ein Resonanzantriebssystem, das die Bewegung des Generatorankers bei jeder Seegangsspitze verstärkt.

Die komplett versiegelten Bojen haben keine externen beweglichen Teile, bieten einen zuverlässigen Betrieb ohne zusätzliche Getriebe und haben die Fähigkeit, elektrische Energie im Bereich von 1 - 10 W nutzbar zu machen. Die Bojen-Designs können individuell angepaßt werden, sind bis auf 250 W skalierbar und zudem für verankerte oder driftende Anwendungen geeignet.

Modelltests werden im Wellentank der Abteilung Meerestechnik an der URI sowie in der Narragansett Bay durchgeführt, wobei die Untersuchungen eine gute Übereinstimmung mit den zuvor angestellten Modellsimulationen zeigen. Nun sollen qualifizierte Ingenieure eingestellt werden, um die Entwicklung weiter voranzubringen, sowie nach Unternehmen und Organisationen gesucht werden, die an einer Kommerzialisierung dieser Technologie interessiert sind. Weitere Neuigkeiten gibt es bislang nicht.

Im September 2012 erhält das Northwest National Marine Renewable Energy Center (NNMREC) der Oregon State University (OSU) 4 Mio. $ vom DOE, um in Newport, nördlich von Yaquina, das erste netzgekoppelte Wellenenergie-Testgelände für Anlagen in kommerzieller Größe in den Vereinigten Staaten zu installieren. Etwa fünf Meilen vor der Küste sollen das Energieerzeugungspotential und die Umweltauswirkungen von Wellenenergie-Geräten untersucht werden. Seekabel werden die erzeugte Energie an das örtliche Stromnetz übertragen – und Daten an die Wissenschaftler und Ingenieure, die in den Institutionen an Land arbeiten.

Das NNMREC ist aus einer Partnerschaft zwischen der OSU und der University of Washington entstanden und beschäftigt sich in erster Linie mit Wellen- und Gezeitenenergie. Das Center betreibt bereits eine nicht-netzgekoppelte mobile Testbojen-Plattform namens Ocean Sentinel in Newport und unterstützt Tests an Geräten mittlerer Größe in Puget Sound und Lake Washington. Später steigt als dritter Partner die University of Alaska Fairbanks ein.

Meldungen im Januar 2013 zufolge soll die Strukturierung des später Pacific Marine Energy Center (PMEC) genannten Zentrum und die Bestimmung des exakten Standortes innerhalb der folgenden Monate erfolgen, zusammen mit dem erforderlichen Genehmigungs- und Zulassungsverfahren. Außerdem wird mit einer Vielzahl von Partnern daran gearbeitet, zusätzliche Finanzierungsquellen aufzutun. Das PMEC wird über vier Wasser-Freiflächen verfügen, in denen einzelne Geräte oder kleine Arrays an das elektrische Netz angeschlossen werden können. Ab 2014 erfolgt die Finanzierung zusätzlich durch das Department of Defense (DOD).

Forscher des Georgia Institute of Technology (Georgia Tech) um Prof. Zhong Lin Wang, die im Jahr 2012 u.a. über die Entwicklung eines transparenten, flexiblen triboelektrischen Nanogenerators (TENG) auf der Basis mikrostrukturierter Kunststoff-Folien berichtet hatten (s.d.), beschreiben im Oktober 2013 eine Umsetzung, die dazu verwendet werden könnte, Energie aus Meereswellen zu erzeugen, indem sie die Kontaktelektrifizierung (o. Triboelektrifizierung) zwischen einem Kunststoff-Nanoarray und Wasser nutzt.

Der Prototyp des preiswerten und einfachen triboelektrischen Nanogenerators besteht aus einer gemusterten Pyramidenanordnung aus Polydimethylsiloxan, einem Polymer auf Siliziumbasis.

Üblicherweise arbeiten TENGs unter relativ trockenen Bedingungen, da die Oberflächen-Triboelektrifizierung durch das Vorhandensein von Wasser stark verringert, wenn nicht gar vollständig beseitigt werden würde. Andererseits liegt Tribolelektrizität auch vor, wenn Flüssigkeiten durch isolierte Rohre strömen.

So wird beispielsweise eine bis zu 300 mV ansteigende Spannungsschwankung beobachtet, wenn deionisiertes Wasser durch ein 1 m langes Gummirohr fließt. Oder es wird eine Oberflächenladungsdichte von 4,5 µC/m^-2 an jedem Wassertropfen gemessen, der aus einer Spitze aus Polytetrafluorethylen (PTFE) pipettiert wird.

Die Wissenschaftler des Georgia Tech untersuchen daher die Möglichkeit, den Wasserkontakt als eine Art ‚Material‘ für TENGs zu nutzen, was zu einer neuen Anwendung in flüssigen Umgebungen führen kann. Als Prototyp wird ein isolierter Kunststofftank hergestellt, dessen Deckel und Boden Kupferfolienelektroden enthalten. Die Innenseite des Deckels ist mit Polydimethylsiloxan (PDMS) beschichtet, das mit winzigen nanoskaligen Pyramiden strukturiert ist. Der Tank ist mit deionisiertem Wasser gefüllt.

Wenn der Deckel abgesenkt wird, so daß die PDMS-Nanopyramiden mit dem Wasser in Kontakt kommen, werden Atomgruppen im PDMS ionisiert und negativ geladen, während sich auf der Wasseroberfläche eine entsprechende positiv geladene Schicht bildet. Wird die PDMS-Schicht aus dem Wasser gehoben, bleiben die elektrischen Ladungen erhalten, wodurch eine Potentialdifferenz zwischen dem PDMS und dem Wasser entsteht.

Um die Menge des an der Oberfläche haftenden Wassers zu minimieren, wurde das hydrophobe PDMS gewählt; die Pyramidenformen lassen das Wasser leicht abfallen. Das periodische Anheben und Absenken des Deckels, während die Elektroden an einen Gleichrichter und Kondensator angeschlossen sind, erzeugt einen nutzbaren Gleichstrom. Bei Tests mit Meerwasser erzeugte der Generator zwar eine geringere Leistung, konnte aber grundsätzlich auch damit betrieben werden.

Der Prototyp des Wasser-TENG liefert eine Leerlaufspannung von 52 V und eine Kurzschlußstromdichte von 2,45 mA/m^-2 mit einer Spitzenleistungsdichte von fast 0,13 W/m^-2, mit dem eine Anordnung von 60 LEDs versorgt werden kann. Damit kann das Potential aufgezeigt werden, mit dieser Technologie aus den Wellen und Gezeiten des Meeres Energie zu gewinnen. Für den Bau einer TENG-Einheit in der Größe eines Baseballs, die durch Wellenenergie angetrieben eine Ausgangsleistung von 1 – 10 mW liefert, würden viele dieser Einheiten miteinander verbunden und in eine ‚Fischernetzstruktur‘ integriert werden.

Ebenfalls eher in den Bereich des Micro Energy Harvesting gehört die Idee der Studentin Yinger ‚Eagle‘ Jin von der Wake Forest University, über die im Januar 2014 in den Fachblogs berichtet wird. Die innovative junge Frau baut ihre OWC-Wellenenergie-Technologie in den Reynolds Gym Pool der Universität ein um zu testen, wie viel Energie die Schwimmer tagsüber erzeugen können.

Dabei findet sie heraus, daß während der zehn Stunden pro Tag, die der Pool geöffnet ist, durchschnittlich zehn Personen pro Stunde schwimmen. Ihren Berechnungen zufolge erzeugen die Schwimmer, sofern sie alle im Schmetterlingsstil schwimmen, genügend Wellen, um pro Tag 10 kWh Strom zu produzieren – mit denen sich immerhin zehn 100 W Glühbirnen für die 10 Stunden betreiben lassen, die das Schwimmbad geöffnet.

Jins Projekt hat aber einen größeren Zweck als nur die Stromerzeugung aus den Wellen der Schwimmer. Das mathematische Modell zur Messung der Energieabgabe der Wellen, das sie zusammen mit ihrer Mathematikprofessorin Sarah Mason entwickelt hat, kann uns soll auch in größeren Wassermassen als nur kleinen Becken eingesetzt werden.

 

Als das DOE im Rahmen der Grundsatzrede auf der Konferenz der National Hydropower Association, der International Marine Renewable Energy Conference und dem Marine Energy Technology Symposium im März 2014 bekanntgibt, 10 Mio. $ zur Stärkung der US-amerikanischen marinen und hydrokinetischen (MHK) Energiewirtschaft bereitzustellen, fließen davon 6,5 Mio. $ einen neuen Wettbewerb, dessen Teilnehmer bessere Wellenenergieumwandlungsgeräte entwickeln sollen. Hauptziel ist es, ein Gerät mit dem Potential zu produzieren, die Kosten für die Stromerzeugung aus Meereswellen um die Hälfte zu senken.

Der zweijährige Wave Energy Prize beginnt im April 2015 mit 92 Teams, von denen 66 technische Daten zur Überprüfung durch die Jury einreichen. Im August werden 20 Teams qualifiziert und damit beauftragt, jeweils ihren Wellenkraft-Prototypen im Maßstab 1:50 für Tests zu bauen. Bis Januar 2016 reichen die Teams dann Überarbeitungen, numerische Modellierungsergebnisse, Modelldesign- und Konstruktionspläne sowie die Ergebnisse der Tanktests ein, um in die nächste Bewertungsrunde zu gelangen.

Anfang März gibt das DOE neun Finalisten und zwei Stellvertreter bekannt. Jeder Finalist erhält bis zu 125.000 $ vom DOE, während die alternativen Teilnehmer bis zu 25.000 $ erhalten, um Modelle im Maßstab 1:20 ihrer Wellenenergie-Technologien zu entwickeln. Diese Modelle werden ab dem Sommer im MASK-Becken des Naval Surface Warfare Center in Carderock, Maryland, getestet.

Über die wichtigsten Teilnehmer und insbesondere über das Team AquaHarmonics, den Gesamtsieger des Wettbewerbs, der 1,5 Mio. $ erhält, berichte ich weiter unten. Die zweitplazierte Firma California Wave Power Technologies Inc. wurde schon oben erwähnt (s.d.).

Im September 2014 folgt eine bis Ende des Jahres laufende Crowdsourcing-Kampagne, die von der NASA und dem DOE ins Leben gerufen wird, um die besten Ideen für die Nutzung von Wellenenergie zur Stromerzeugung zu finden. Hierfür erstellen das National Renewable Energy Laboratory (NREL) und die Sandia National Laboratories (SANDIA) seit vorletztem Jahr ein Modellierungswerkzeug namens WEC-Sim (Wave Energy Converter Simulator), mit dem Forscher sehen können, wie gut ihr Design die Energie aus der Bewegung von Wellen unter verschiedenen Meeresbedingungen tatsächlich erfaßt.

Ein Teil dieses Softwaretools wird von der NASA entwickelt, und genau hier kommt die Crowd ins Spiel. Die Agentur sponsert den Wettbewerb OpenWARP (Open-Source Wave Analysis and Response Program). Die Software ist Open Source und modular aufgebaut, so daß die Anwender – seien es Universitäten oder Garagenerfinder – helfen können, Teile davon oder das Ganze zu verbessern und sie für die Entwicklung zukunftsträchtiger Wellenenergietechnologien zu nutzen.

Das o.e. Team AquaHarmonics aus Portland, Oregon, das aus Alex Hagmuller und Max Ginsburg besteht, wird im Mai 2015 zum neuen Wave Energy Prize des DOE zugelassen. Die beiden, die seit ihrem ersten Jahr an der Oregon State University Freunde sind, hatten einige Jahre zuvor mit dem Bau von verschiedenen kleinen Prototypen und dem Design der elektrischen Komponenten und der Software für ihren Wellenenergiewandler begonnen.

Das AquaHarmonics-Konzept ist ein Punktabsorber mit Verriegelungs- und Auslösekontrolle in einem zylinderförmigen Rumpf, der von einer einzigen Ankerleine gehalten wird, die ein Stromkabel im Kern aufweist. Das Zapfwellensystem besteht aus einer Scheibe, welche an einer Welle befestigt ist, die direkt mit einem Paar Generatoren gekoppelt ist.

Die Vorrichtung erzeugt allerdings nur beim Aufsteigen der Welle Strom, denn während des Wellenfalls werden die Generatoren als Motoren betrieben, um die Ankerleine für den nächsten Wellenzyklus aufzuwickeln. Die erzeugte Leistung ist größer atürlich als die, die während des Wellenzyklus verbraucht wird, wobei für Perioden mit geringer Wellenaktivität etwas Energie an Bord gespeichert wird.

Das Wellenenergiegerät wird in verschiedenen Bauweisen getestet – so z.B. im Maßstab 1:50 an der University of Michigan sowie im Maßstab 1:20 an der Oregon State University –, um es weiter optimieren zu können.

Im September 2016 meldet das Team – als einer der neun Finalisten, die jeweils bis zu 125.000 $ an Startkapital erhalten hatten, um skalierte Prototypen ihrer Geräte zu bauen – den erfolgreichen Abschluß der für den Wave Energy Prize relevanten Tests im Manöver- und Seetransportbecken (MASK) der US Navy in Carderock, wo das Gerät im Maßstab 1:20 zum Einsatz kommt. Und als im November die endgültigen Gewinner bekannt gegeben werden, belegt AquaHarmonics den mit 1,5 Mio. $ honorierten ersten Platz.

Als das DOE im Juni 2017 ankündigt, daß es vier neue Projekte mit insgesamt bis zu 12 Mio. $ unterstützen wird, um die Entwicklung von Wellen- und Gezeitenenergie-Geräten zu fördern, gehört auch das Team AquaHarmonics zu den (unbezifferten) Empfängern, um eine größere Version seines Prototypen im Freiwasser zu testen und zu validieren. Bislang ist aber nichts über weitere Umsetzungsschritte zu erfahren.

Im Februar 2015 veröffentlichen der Maschinenbauingenieur David Hartmann und der Handwerker Jason Ballash den Video-Clip über eine von ihnen entwickelte Wellenkrafttechnologie namens KymoGen, deren Hauptvorteil in ihrer Einfachheit liegen soll. Der Name kommt von dem Wort Generator in Kombination mit Kymopoleia, dem Namen der Tochter des Meeresgottes Poseidon und der Nereide Amphitrite, die auch als die griechischen Göttin der Wellen bezeichnet wird.

Eine portable, schwimmende Plattform in den Maßen von ca. 250 x 250 cm ist an einem Ankerplatz auf dem Meeresboden angebunden. Innerhalb der Plattform ist die Ankerleine mit einem Antriebssystem verbunden, das beim Auf- und Absteigen der Wellen ein Schwungrad dreht und so eine konstante Leistung liefert. Mit einem geschätzten Gewicht von etwa 360 kg soll der KymoGen bei nur 30 cm hohen Wellen rund 2 PS abgeben können, und 8 PS bei 120 cm Wellen.

Das Gerät soll aus hochfesten Marine-Verbundwerkstoffen hergestellt werden, wobei die Plattform zusätzliche Wind- oder Solartechnologien aufnehmen kann, um die Energieausbeute zu erhöhen.

Eine im März gestartete KickStarter-Kampagne der Firma (?) Kymogen of Las Vegas, um bereits im September mit der Großserienfertigung beginnen zu können, geht allerdings fürchterlich schief, als bis Ende April von den erforderlichen 13.251 € nur ein Betrag von 407 € eingenommen werden kann. Seitdem ist nicht mehr darüber zu hören.

Im November 2015 stellt das Start-Up EcoH2O Innovations von Chris Matthews und Justin Sonnett, das aus ihrem vorjährigen Abschluß-Designprojekt an der University of North Carolina in Charlotte hervorging, den Prototyp eines Meerwasser-Entsalzungssystems vor, das durch die Bewegung der Wellen angetrieben wird und speziell für Inselgegenden entworfen wurde, wo Trinkwasser oft eine rare Ressource ist.

Das System trägt den Namen Swell Actuated Reverse Osmosis System (SAROS) und ist kompakt, transportabel und unabhängig von externen Energiequellen. Es basiert auf einem Bojenprinzip und zieht Energie aus den Wellen, um Meerwasser über Hochdruckpumpen durch ein Umkehrosmose-System zu pumpen, das Meerwasser in Trinkwasser verwandelt, welches anschließend durch einen Schlauch an Land gelangt.

Der erste Prototyp des Teams hatte ein Pendel, aber das neuere Modell sitzt auf einer Boje, ist zudem kleiner, besteht aus weniger Komponenten und ist auch leichter zu transportieren. Das Unternehmen hat sich bereits mit Partnern aus der Wirtschaft zusammengetan, wie etwa Autodesk. Außerdem sind mehrere Organisationen mit an Bord, die sich den Kampf gegen den Trinkwassermangel auf die Fahnen geschrieben haben.

Die beiden Erfinder, die bereits mehrfach ausgezeichnet wurden, darunter 2014 mit dem begehrten Thomas Edison Award, erwarten, daß eine SAROS-Einheit für rund 23.000 $ verkauft werden kann, mit einer Lebensdauer von zehn Jahren und der Fähigkeit, etwa 7.500 Liter (andere Quellen: über 11.000 Liter) Trinkwasser pro Tag zu produzieren.

Im Oktober 2016 wird berichtet, daß die Firma eine zweite Niederlassung in Wilmington, North Carolina, eröffnet habe, um ihre Forschung und Entwicklung fortzusetzen. Außerdem wird eine Croudwunding-Kampagne auf Indigogo gestartet, um 25.000 $ für Pilotprojekte zu sammeln, die in Haiti und Puerto Rico durchgeführt werden sollen. Tatsächlich können jedoch nur 15.440 $ eingesammelt werden – und das ist dann auch die letzte Meldung der EcoH2O, die inzwischen auch nicht mehr im Netz präsent ist.

Im Dezember 2015 schüttet das DOE weitere 10,5 Mio. $ für fortschrittliche marine Energiesysteme der nächsten Generation zur Nutzung von Wellen, Gezeiten, Fluß- und Meeresströmungen aus, wobei die Förderung in zwei Dreiergruppen aufgeteilt ist. Die erste Gruppe konzentriert sich darauf, die Haltbarkeit und Wartungsfreundlichkeit von Wellenenergiewandlern zu verbessern.

Ein Teil der Mittel geht an die im kalifornischen Santa Barbara ansässige Firma Dehlsen Associates LLC (DA), um das Design ihres Wellenkraft-Systems zu verbessern. Das von James ‚Brent‘ Brenton Dehlsen im Jahr 1997 gegründete Unternehmen hatte u.a. die Windkraft-Firmen Clipper Windpower Inc. sowie Zond Corp. (später: GE Wind) gegründet und war zwischen 2000 und 2012 vom Handels- und vom Verteidigungsministerium mit insgesamt mehr als 2 Mio. $ gefördert worden.

Während sich die DA primär mit der Entwicklung einer 4 MW Plattform zur Nutzung von  Meeresströmungen befaßt (Aquantis C-Plane), fließt im Jahr 2010 ein Zuschuß von 1,15 Mio. $ in die seit etwa 2008 laufende Konstruktion eines Wellenenergiewandlers, der aus mehreren Pods besteht, die gemeinsame Komponenten verwenden, um Größenvorteile zu erzielen.

Das 4,5 MW Centipod-System ist eine stabile, horizontal schwimmende Plattform, die sich aktiv optimal zur Wellenfront ausrichtet und über 56 Schwimmer-Kapseln verfügt, die hydraulische Zylinder antreiben. Der Plan sieht ein komplettes Detail-Engineering des kommerziellen Prototyps innerhalb von zwei Jahren vor, wobei das Projekt drei Serien von skalierten Wellentanktests und die Bewertung der verschiedenen Subsysteme und Ansätze umfaßt.

Zu den wichtigsten Partnern der DA gehören PCCI, Re Vision, SFS, das NNMREC der Oregon State University und General Atomics. Ein erstes Patent wird  2011 angemeldet (US-Nr. 8.912.677, erteilt 2014).

Im August 2013 gibt es weitere 500.000 $ vom DOE, um fortschrittliche Software für das Multipod-Gerät zu entwickeln, die bei der Vorhersage zukünftiger Wellenbedingungen hilft und Steuersignale liefert, um die aktuellen Systemeinstellungen anzupassen und die Leistungsabgabe des Centipod reaktionsschneller zu gestalten. Dies würde die erfaßte Energiemenge maximieren und die Lebensdauer der Anlage verlängern. Der Gesamtprojektwert beträgt 625.000 $.

Auch dieser Zuschuß ist Teil einer aktuellen Investition der Regierung von insgesamt 16 Mio. $ für 17 Projekte, von denen sich acht mit der Entwicklung langlebiger und effizienter Wellen- und Gezeitenenergie-Systemen befassen. Zusätzliche Patente werden 2013 (US-Nr. 9.074.577, erteilt 2015) und 2014 angemeldet (US-Nr. 20150013325, veröffentlicht 2015).

Ohne daß Details oder gar Fotos von erfolgten Umsetzungsschritten zu finden sind, ist bislang nur bekannt, daß im Laufe des Jahres 2013 vor der Küste von Oxnard Seeversuche mit einem Prototyp-Design mit fünf der gut 9 m langen Bojen stattfanden, wie es für den Betrieb 3 – 8 km vor der Küste bestimmt ist.

Auch im Jahr 2015 wird die DA mit staatlichen Fördermitteln bedacht. Aus dem Water Power Program fließen im August 7,4 Mio. $ an vier Unternehmen – wobei die DA (für einen ungenannten Betrag) und in Zusammenarbeit mit Helios Engineering, Wedge Global, der Oregon State University, Time-Variable Systems LLC und dem NREL einen Lineargenerator entwickeln soll, der in der Lage ist, ein Wellenenergie-Gerät mit Strom zu versorgen, um erweiterte Steuerungen zu implementieren. Dazu kommt die o.e. Förderung im Dezember.

Die bislang letzte Meldung stammt vom Januar 2016. Diesmal erhält die DA einen DOE-Zuschuß in Höhe von 600.000 $ für die nächste Generation ihrer Centipod Wellenkraftanlage. Damit soll im Wellentank des Naval Surface Warfare Center in Maryland anhand eines Modells im Maßstab 1:20 getatst werden, wie es um die Haltbarkeit und Überlebensfähigkeit des Systems im simulierten rauhen Meer bestellt ist.

Eine weitere der im Dezember 2015 vom DOE begünstigten Firmen ist die M3 Wave Energy Systems LLC aus Salem, Oregon, welche eine Unterwasser-Anlage entwickelt, die Energie aus Meereswellen gewinnt.

Die Hintergrundgeschichte ist eine Legende an der Ohio State University (OSU): In den 1990er Jahren bauten die Studenten Mike Morrow und Mike Delos-Reyes als Abschluß-Projekt eine funktionierende Wellenenergie-Maschine aus Plastiklöffeln und alten Walkmans. Um sie zu testen, brauchten sie einen Wellentank. Als sie jedoch erfuhren, daß die Mietkosten des Hinsdale Wave Research Lab der Universität 3.000 $ pro Tag betragen, enterten sie einen alten Wellentank in einem verlassenen Technikgebäude, reparierten ihn und führten ihre Tests darin mitten in der Nacht durch.

Nachdem sie sich davon überzeugt hatten, daß ihr Projekt so funktioniert, wie sie es sich erhofft hatten, beschädigten sie den Kanal genau so, wie sie ihn vorgefunden hatten, und verteilten sogar den ganzen Müll und Schutt wieder darin. Gestehen tun sie das Ganze allerdings erst viele Jahre später, während das Gerät selbst fast zwei Jahrzehnte vergessen in einem Lagerhaus herumliegt.

Interessant ist aber auch die Geschichte der Idee selbst, denn Morrow hatte diese bereits als Teenager in einem Wasserpark mit einem großen Wellenbad in Denverw.  Er bemerkte Handgriffe in der Nähe des Wellengenerators und beschloß, dort durchzuhalten und die Welle über seinen Kopf laufen zu lassen. Als sie es tut, knallen ihm die Ohren – und der bizarre Druckanstieg führt dazu, daß die beiden Mikes das Wellenenergiegerät erfinden.

Gemeinsam mit Mike Miller - als dritten (Mike) im Bunde - gründen Morrow und Delos-Reyes im Jahr 2009 die Firma M3 Wave, um das DMP zur Produktreife zu bringen und zu kommerzialisieren. Hierfür wird als Alternative zum teuren Miettank der OSU ein eigener Wellentank von 9 m Länge gebaut. In Erwartung einer öffentlichen und privaten Finanzierung hofft Morrow, der bislang noch Vollzeit bei Hewlett-Packard arbeitet, daß das DMP in wenigen Jahren im offenen Meer getestet wird.

In den Jahren 2014 und 2015 verschafft das derweil weiterentwickelte Gerät seinen Schöpfern Zuschüsse des DOE und des Oregon Wave Energy Trust in Höhe von mehr als 0,5 Mio. $, so daß jetzt auch der OSU-Wellentank für eine ganze Woche gemietet werden kann. Dabei zeigt sich, daß die nun Delos-Reyes Morrow Pressure Device (DMP) genannte Maschine tatsächlich noch mehr Energie erzeugt als erwartet.

Obwohl auf dem Meeresboden weniger Energie verfügbar ist als auf der Oberfläche, hat das DMP mehrere Vorteile gegenüber anderen Wellenenergiegeräten. Zunächst hat es keine freiliegenden mechanischen Komponenten und enthält nur wenige bewegliche Teile, weshalb die Kosten entsprechend moderat ausfallen. Des weiteren ist es eine Stahlkonstruktion, die stationär auf dem Meeresboden ruht. Dadurch entfallen Kabel, Bojen und die daraus möglicherweise resultierenden Probleme mit Stürmen, Meeressäugern und Schiffahrtsrouten.

In der Tiefe wandelt das 2-Kammer-Gerät die Druckänderungen unter Meereswellen in wechselnde Expansions- und Kontraktionszyklen eines luftgefüllten, geschlossenen Systems um, das wiederum eine mit einem elektrischen Generator verbundene Luftturbine antreibt. Wenn die Welle über eine Kammer des Geräts strömt, steigt der Druck und zwingt die Luft, sich durch die Luftturbine in die zweite Kammer zu bewegen und dabei Strom zu erzeugen. Durch der Weiterbewegung der Welle steigt der Druck dann in der zweiten Kammer an und drückt die Luft durch die bidirektionale Turbine wieder zurück.

Im September wird 2014 ein Modell im Maßstab 1:5 rund 1,6 km vor der Küste des Camp Rilea bei Astoria in Oregon ins Wasser gebracht, wo es einem zweiwöchigen Test unterzogen wird. Es ist ca. 9 m lang, 2,5 m breit in einer Wassertiefe von ca. 15 m installiert. Technische Details über das APEX genannte Modell werden nicht bekannt, doch den Ergebnissen zufolge wird erwartet, daß ein DMP in voller Größe von ca. 12 x 30 m eine Nennleistung von etwa 100 – 150 kW aufweist.

Im Rahmen des eingangs erwähnten Zuschusses im Dezember 2015 wird die M3 Wave Modellierungswerkzeuge entwickeln, um Möglichkeiten zur Minimierung der Auswirkungen des Sedimenttransports, wie z.B. Wassererosion, Verdrängung und Neigung des Geräts, zu erforschen, und gleichzeitig an der Verbesserung des Designs arbeiten, um durch Reduzierung des Wartungsbedarfs die Lebensdauer großtechnischer Anlagen zu erhöhen.

Die Firma beteiligt sich auch an dem neuen zweijährigen Wettbewerb Wave Energy Prize des DOE und gehört zu den zehn Teams, die ausgewählt werden, um im Januar 2016 Tests mit Kleinmodellen im Maßstab 1:50 durchzuführen und ihre jeweiligen Entwurf- und Konstruktionspläne für ein Modell im Maßstab 1:20 einzureichen. Im August ist die M3 Wave zwar das erste Team der Finalisten, das sein Wellenenergiegerät im MASK-Becken in Carderock testet, doch für einen der drei Preise des Wettbewerbs reicht es nicht.

Dafür wird die Firma im April 2017 in der dritten Runde der Pilotinitiative Small Business Vouchers (SBV) des DOE ausgewählt, um die Vermarktung ihrer Technologie zu beschleunigen. Für diese SBV-Runde hatten acht nationale Labore der USA Mittel für die Zusammenarbeit mit 38 kleinen Unternehmen im ganzen Land erhalten, darunter zwei Wellenenergieentwickler. Neben der M3 Wave ist dies die bereits oben präsentierte California Wave Power Technologies (CalWave).

Für die Kooperation mit der M3 Wave erhalten das National Renewable Energy Laboratory (NREL) und das Sandia National Laboratory 175.000 $, um das Tiefwasser-Modellierungssystem NEXUS des Unternehmens so anzupassen, daß es durch Nachahmung der auf dem Meeresboden vorherrschenden Bedingungen die Differentialwellenenergie ermitteln kann. Das Ziel ist es, ein komplexeres System zu entwickeln, um Effizienzbereiche bis zu 25 % vorherzusagen und zu erhöhen. Weiter scheint die Sache noch nicht gediehen zu sein.

Das dritte Unternehmen, das im Dezember 2015 vom DOE gefördert wird, ist die 2009 von Rahul Shendure, Balky Nair und Tim Mundon gegründete Oscilla Power Inc. (OPI) aus Seattle, Washington, die sich durch die Mittel mit der sturmbezogenen Überlebensfähigkeit ihrer Wellenenergieanlage befassen will, die an der Meeresoberfläche schwimmt.

Für ihre Anlage entwickelte die Firma mechanische und elektromagnetische Systeme, die es ermöglichen, magnetostriktive Legierungen zur Erzeugung großer Energiemengen einzusetzen. Magnetostriktion ist die Deformation magnetischer (insbesondere ferromagnetischer) Stoffe infolge eines angelegten magnetischen Feldes. Dabei erfährt der Körper bei konstantem Volumen eine elastische Längenänderung (Joule-Magnetostriktion).

Traditionell kennt man die vor rund 175 Jahren von James Prescott Joule entdeckte Magnetostriktion aus spröden magnetischen Legierungen, die in einem Transformator brummen. Es wurde schon früh festgestellt, daß das Gegenteil – ihre Biegung oder Kompression – im Prinzip Strom erzeugen könnte. Dies geschieht in Gegenwart von Permanentmagneten und einer Drahtspule, wie sie in herkömmlichen Generatoren zu finden sind. Da es aber als eine unzuverlässige und schwache Alternative zur Elektrodynamik erschien, war der Forschungsaufwand in diesem Feld sehr gering.

Dies ändert sich, als die OPI mit Unterstützung der National Science Foundation (NSF) beginnt, den robusten Triton-Wellenenergiewandler zu entwickeln und hierfür einen Small Business Innovation Research (SBIR) Phase II-Zuschuß in Höhe von knapp 1,4 Mio. $ erhält, dessen Laufzeit vom August 2011 bis zum Juli 2015 beträgt. Dabei soll ein Prototyp des Wandlers mit seinen fortschrittlichen Materialien demonstriert werden, die in der Phase I entwickelt wurden (über die sich keine zusätzlichen Informationen finden ließen).

Nicht ganz klar ist, wie es kommt, daß erst im Jahr 2015 darüber berichtet wird, daß Materialwissenschaftler der University of Maryland und der Temple University auf ein völlig neues Phänomen gestoßen und daraufhin potentiell kostengünstige ‚nicht-jouliansche‘ Magnete entwickelt haben, die sich beim Magnetisieren ausdehnen und der Schlüssel zur Einführung der magnetostriktiven Energiegewinnung sein könnten.

Die patentierte iMEC-Technologieplattform der OPI wandelt mittels dieser Technologie mechanische Energie in elektrische Energie um, und zwar kostengünstig, skalierbar, flexibel, vorhersehbar, robust und effizient, wie es die Firma beschreibt. Auf ihrer Website erwähnt die OPI, daß vor der amerikanischen Atlantikküste im Jahr 2014 ein Prototyp mit einem Durchmesser von 4 m einem kurzen, aber erfolgreichen Test im offenen Gewässer unterzogen wurde. Bisher habe ich nur ein Foto dieses Einsatzes gefunden, jedoch keine weiteren Details darüber.

Im Juli 2015 erhält das Unternehmen von der Wave Energy Scotland (WES), einer Abteilung der schottischen Regierung zur Wirtschaftsförderung, einen Auftrag im Wert von rund 775.000 $, um ein fortschrittliches PTO zu entwickeln, das in einer Reihe von Systemen eingesetzt werden kann, darunter auch im firmeneigenen Triton-Wellenenergiewandler. Die Arbeiten sollen in Labortests mit einem PTO im Maßstab 1:4 münden. Es läßt sich jedoch nichts darüber finden, daß dieser Ansatz weiter verfolgt wurde.

Der Kern des Designs, das – wie der Firmenname schon impliziert – auf Oszillation basiert, besteht aus einem Stab aus einer stark ferromagnetischen Eisen/Aluminium-Legierung. Solche Stäbe müssen nur um ein 10.000stel komprimiert werden, um die gewünschte Wirkung zu erzielen. Zwar erfordert das Zusammendrücken einer massiven Metallstange selbst nur um diesen winzigen Betrag die Anwendung einer großen Kraft, welche von Meereswellen jedoch aufgebracht werden kann.

Die oszillierenden Generatoren bestehen aus zwei großen Objekten, die durch Kabel miteinander verbunden sind. An unteren Ende dieser Kabel hängt eine Hubplatte, die durch eine Kombination aus Trägheit und dem Widerstand des umgebenden Wassers stationär gehalten wird. Die oberen Enden der Kabel sind mit einer auf der Oberfläche schwimmen Boje verbunden, in der sich die Stromerzeugungsvorrichtung befindet, bestehend aus den Legierungsstangen, Magneten und Spulen sowie Sätzen von Hydraulikzylindern, welche die Stangen zusammendrücken können.

Wenn die Boje mit den Wellen an der Oberfläche auf- und absteigt, während die – häufig als Ring dargestellte – Hubplatte mehr oder weniger stabil bleibt, steigt und sinkt die Spannung auf den Seilen. Diese wechselnde Spannung treibt die Hydraulikzylinder an. Das gesamte System wird durch einen zweiten Satz Kabel, die es am Meeresboden verankern, an Ort und Stelle gehalten.

Der Triton hat ein besonderes Vorteile gegenüber anderen Ansätzen, da er ohne Komponenten mit signifikanten Relativbewegungen oder Maßänderungen auskommt. Dies reduziert oder eliminiert die Kosten für Subsysteme (z.B. Schmierung, Lager, Dichtungen für bewegliche Komponenten usw.) und reduziert die anfallenden Betriebs- und Wartungskosten erheblich.

Bis 2018 will die OPI ein 600 kW Großgerät bauen, eine schaumgefüllte Stahlboje mit einem Durchmesser von 27 m (andere Quellen: 30 m), einer Höhe von 6 m und einem Gewicht von 1.000 Tonnen, die an eine Ringbeton-Hubplatte 70 m unter der Oberfläche gebunden ist. Die Boje wird 12 magnetostriktive Generatoren beinhalten. Der Triton wird zwar teuer in der Herstellung und Installation sein, das einfache Design sollte es ihm jedoch ermöglichen, jahrzehntelang mit nicht mehr Wartung als einem gelegentlichen ‚Peeling‘ zu funktionieren, um Seepocken zu entfernen.

Im April 2016 wird berichtet, daß die OPI zu den Finalisten des Wave Energy Prize gehört, die eine Finanzierung vom DOE erhalten, um Modelle im Maßstab 1:20 ihrer Wellenenergiewandler zu entwickeln und ab dem Sommer im MASK-Becken in Carderock zu testen, was auch erfolgreich geschieht. Weiter kommt man in dem Wettbewerb allerdings nicht.

Dafür gibt das DOE im August bekannt, daß die OPI ausgewählt wurde, um für ein 4-jähriges Projekt im Gesamtumfang von 10,2 Mio. $ einen Zuschuß in Höhe von 5,35 Mio. $ zu erhalten. Das Projekt soll zur Erprobung eines großen Triton-Systems in Kaneohe Bay, Hawaii, führen. Im Juni 2017 folgt dann eine weitere Million aus dem Clean Energy Fund des US-Handelsministeriums, und im Juni 2018 gehört die Firma zu sechs innovativen marinen Energietechnologieunternehmen, die vom DOE insgesamt 6,7 Mio. $ an Bundesmitteln des Water Power Technologies Office erhalten.

Die nächste Meldung vom Januar 2019 unterscheidet sich kaum. Diesmal gehört die OPI zu zwölf Firmen, die vom DOE zusammen 25 Mio. $ bekommen. Im Juni ist zu erfahren, daß der Anteil der OPI 200.000 $ beträgt, die genutzt werden sollen, um die Integration von Unterwasser-Druckluftspeichern (CAES) in den Triton-Wellenenergiekonverter zu untersuchen.

Im Juni 2020 meldet das Unternehmen, daß es mit dem Bau des 100 kW Wellenenergiekonverters Triton-C begonnen habe, dessen Rumpfbau bei der in Seattle ansässigen Werft Snow & Co. erfolgt, nachdem der detaillierte Entwurf von der ebenfalls in Seattle beheimateten Schiffsbaufirma Glosten fertiggestellt worden war. Der Prototyp in Originalgröße soll ab Jahresende auf dem Stützpunkt der US Navy auf Hawaii ein Jahr lang getestet werden, bevor er nach Washington zurückgebracht wird, wo er dann kommerziell Strom erzeugen soll.

Für die Fertigstellung und die Inbetriebnahme des Triton-C auf Hawaii wird im Juli eine Crowdfunding-Kampagne auf MicroVentures gestartet, die bis zum Mai 2021 einen Betrag von 885.000 $ einbringt.

Außerdem gibt die OPI im Juli 2020 bekannt, daß sie sich in der Planungsphase für die Demonstration ihres 1 MW Wellenenergiesystems vor dem künftigen internationalen Tiefseehafen Vizhinjam im südindischen Bundesstaat Kerala befindet, eine der Regionen mit der höchsten Wellenenergieintensität in Indien. Dort war bereits 1991 ein OWC-System mit 150 kW Leistung in Betrieb gegangen, welches als das erste OWC der Welt gilt.

Die Umsetzung des neuen Projekts, das voraussichtlich 15 – 20 Mio. $ kosten wird, leitet die Agentur für neue und erneuerbare Energien (ANERT) von Kerala, weitere Partner sind das Ministerium für neue und erneuerbare Energien (MNRE), das Kerala State Electricity Board, die Adani Vizhinjam Port Private Ltd. (AVPPL), das National Institute of Ocean Technology (NIOT) und das Indian Institute of Technology (IIT) in Madras. Es wird erwartet, daß die schwimmende Anlage in 40 – 50 m Wassertiefe in zwei Jahren in Betrieb genommen werden kann.

Die OPI hat für die Entwicklung ihrer Technologie bisher über 20 Mio. $ an staatlichen und mehr als 5 Mio. $ an privaten Mitteln erhalten. Das Büro für Wasserkrafttechnologien des US-Energieministeriums (DOE WPTO) hat alleine über 5 Mio. $ für Design, Entwicklung und Bau bereitgestellt. Nun, im Juli 2020, gibt es weitere 1,1 Mio. $ vom DOE, um gemeinsam mit der Firma Brayton Energy die neuartige Unterwasser-Energiespeichertechnologie weiterzuentwickeln – und um gemeinsam mit Experten der Oregon State University und des Pacific Northwest National Laboratory den Aufbau und die Zusammenschaltung einer 50 MW Wellenenergiefarm zu untersuchen.

Bereits im August kommen vom DOE nochmals 200.000 $, um gemeinsam mit Lockheed Martin eine Technologie zu entwickeln, die es autonomen Unterwasserfahrzeugen (AUVs) ermöglicht, sich mit Hilfe von Meereswellen aufzuladen – ein zunehmend interessanter werdendes Marktsegment. Die OPI geht davon aus, daß Anfang nächsten Jahres ein funktionsfähiger Laborprototyp vorgeführt werden kann, um anschließend eine vollständige Ozean-Demonstration durchzuführen.

Eine im Juli 2021 gestartete Fundraising-Runde mit dem Ziel von 3 Mio. $ bringt bis zum August nur knapp 630.000 $. Dafür gibt es vom DOE weiteren Zuschuß in Höhe von 200.000 $, um zusammen mit der Firme CODAR Ocean Sensors, einem Experten für Hochfrequenz-Radarüberwachung, eine wellenbetriebene Instrumentenplattform für Meereserkundungs- und -überwachungssysteme zu entwickeln. Dabei werden die Partner mit Forschern des Coastal Studies Institute der ECU und der Oregon State University zusammenarbeiten.

Im September wird der Triton-C auf einen Lastkahn nach Kaneohe auf Hawaii verfrachtet – was die bislang letzte Meldung des Unternehmens ist.

Die anderen drei Projekte, die im Dezember 2015 vom DOE gefördert werden, zielen auf die Verbesserung der Installation, des Betriebs und der Wartung von Meeresenergiegeräten ab. Die Empfänger sind die weiter oben bereits präsentierte Columbia Power Technologies Inc., die einen optimierten, kostengünstigen Installations- und Bergungsprozeß entwickeln und einsetzen will; das Igiugig Village Council im Südwesten Alaskas, das ein Flußturbinensystem mit langlebigen und wartungsarmen Systemkomponenten entwickeln wird; sowie die Verdant Power Inc., welche die TriFrame-Fundamente ihrer Gezeiten- bzw. Meeresströmungs-Turbine fertigstellen und die Stützstrukturen optimieren will (s.d.).

Eine kleine Entspannung nach den vielen und langen Berichten über die verschiedenen Wellenkraftanlagen bilden die im August 2016 in den Fachblogs erscheinenden Meldungen über den Entwurf eines trinkwasserproduzierenden Designobjekts für den internationalen Wettbewerb Land Art Generator Initiative (LAGI) für hautnah erlebbare, energieproduzierende Kunstwerke, über den ich schon mehrfach berichtet habe.

Im vorliegenden Fall geht es um das Objekt Clear Orb, das von Mitarbeitern der Firma Heerim Architects & Planners aus Südkorea für Kalifornien entworfen wurde, und das mit grüner Energie Meerwasser entsalzt. Die Kugel mit einem Durchmesser von 40 m besteht aus transparenten, lumineszierenden Solarkonzentratoren – wobei nicht ganz klar ist, was die Designer damit eigentlich meinen – und soll dem Sonnenstaat der USA pro Jahr etwa 2 Mio. Liter sauberes Trinkwasser liefern.

Angetrieben wird die Entsalzungsanlage jedoch nicht nur durch reinen Solarstrom, sondern auch durch Wellenkraft. Das Objekt soll daher ganz am Ende einer langen Pier im mondänen Küstenort Santa Monica aufgestellt werden, so daß es stets mit dem Meer in Kontakt bleibt, aus dem das zu entsalzende Wasser stammt.

Das im Inneren der Kugel zirkulierende Meerwasser wird zunächst verdunstet und anschließend durch Kondensation wieder aufgefangen. Anschließend strömt das saubere Trinkwasser über einen Stufenbrunnen hinaus, womit der Clear Orb zu einem Symbol für die lebensspendende Kraft von Licht und Wasser avancieren würde - falls er denn je gebaut wird.

Dabei ist die Silberkugel nur einer der 21 Finalisten des LAGI 2016 Wettbewerbs, bei dem die Jury drei Designs auszeichnet, sie sie für die Santa Monica Bay als am besten geeignet betrachtet. Die Gewinner Christopher Sjoberg und Ryo Saito, die ihren Sitz in Tokio haben, hatten Segelboot-ähnliche Installationen namens Regatta H2O entworfen, die Energie durch eine „aerostatische Flatter-Windnutzung“ und Wasser durch Nebelernte einfangen soll. Mit der gesammelten Energie könnten jährlich 112 Mio. Liter Trinkwasser produziert werden.

Das zweitplazierte Design heißt Cetacea und wurde von einem Team der University of Oregon entworfen, das aus Keegan Oneal, Sean Link, Caitlin Vanhauer und Colin Poranski besteht. Die Installation, die von der Fähigkeit der Blauwale inspiriert ist, sich mit winzigem Krill zu versorgen, nutzt drei Arten von Energie – Wellen, Sonne und Wind – und soll über eine hocheffiziente Umkehrosmose jährlich 650 Mio. Liter Trinkwasser erzielen. Die angedachte Energietechnik würde einen Wellenenergiewandler mit Lineargenerator, den genialen Windbelt sowie Photovoltaikmodule umfassen.

Der dritte Platz geht an Christopher und Stephen Makrinos sowie Alexander Bishop aus Pittsburgh, die bootförmige Anlagen konzpierten, deren Segel als Konzentrator-PV-Kollektoren fungieren. Die Paper Boats würden die holographische Planarkonzentrator-Technologie von Prism Solar Technologies einsetzen, um jährlich 2.400 MWh Strom zu erzeugen.

Einem Bericht vom September 2016 zufolge befinden sich zu diesem Zeitpunkt an der Wave Energy Test Site (WETS) der US-Navy in Kaneohe Bay, Hawaii, deren Betrieb vom Hawaii Natural Energy Institute an der University of Hawaii in Manoa unterstützt wird, zwei Wellenkraftanlagen, die etwa 800 m bzw. 1.600 m vor der Küste verankert sind. Der hier erzeugte Wellenenergie-Strom ist der erste, der in den USA ‚online‘ geht. Er fließt über ein 1,6 km langes Unterwasserkabel zu einer Militärbasis, von wo er in das Stromnetz von Oahu eingespeist wird.

Bei den Bojen handelt es sich einmal um die Azura der in Portland beheimateten Firma Northwest Energy Innovations LLC (NWEI), die auf die Anlagen der Wave Energy Technology – New Zealand (WET-NZ) zurückgeht und deshalb in der Länderübersicht Neuseeland behandelt wird (s.d.). Ein Vorläufer-Prototyp namens TRL 5/6 war schon 2013 in dem Testgelände implementiert und ein Jahr lang getestet worden.

Die erneute Installation des 45 Tonnen schweren 18 kW (andere Quellen: 20 kW) Azura-Wellengenerators erfolgt im Juni 2015 und soll Erkenntnisse liefern, um seine Leistung weiter zu optimieren und die bestehenden Wellenenergie-Computersimulationen zu verfeinern.

Die zweite Boje namens BOLT Lifesaver wird seit 2004 von dem norwegischen Unternehmen Fred. Olsen BOLT Sea Power entwickelt. Sie wird allerdings hier in dieser Länderübersicht behandelt, da die spätere Umsetzung ausschließlich in den USA erfolgt. Die Struktur ist mit Kabeln am Meeresboden verankert; wenn die Boje vom Meer bewegt wird, bewegen sich die Kabel und drehen die Räder des stromerzeugenden Generators.

Der ab 2009 konstruierte BOLT Lifesaver (der Name ist von der Rettungsring-Form des Rumpfes übernommen) ist die neueste und größte Ausführung der Punktabsorber-Wellenenergiewandler der BOLT-Klasse. Während der Vorgänger, der 5 Tonnen schwere 5 kW BOLT 1 bis zum Oktober 2011 im norwegischen Risør im Wasser getestet wird, erfolgt die Fertigstellung des 56 schweren und 1,6 Mio. $ teuren BOLT Lifesaver im März 2012 durch das britische Ingenieurbüro Supacat Ltd. bei der A&P Falmouth.

Für die Entwicklung, den Bau und den Einsatz des Wellenenergiewandlers hatte die Fred. Olsen zusammen mit ihren Partnern Supacat, Scotrenewables, A&P, Falmouth Harbour Commissioners und der University of Exeter im Jahr 2010 Mittel vom britischen Governmental Body Technology Strategy Board erhalten.

Der Außendurchmesser des ringförmigen Wellenkraftwerks beträgt 16 m, bei einem Innendurchmesser von 10 m und einer Höhe von 1 m. Die durchschnittliche elektrische Leistung beträgt 30 kW (mit 3 PTOs) bzw. 50 kW (mit 5 PTOs).

Die PTO (o. Zapfwelleneinheit) ist das Herzstück der firmeneigenen Wellenenergie-Umwandlungstechnologie. Bestehend aus einer Hochtaktwinde, einem Riemen-Antriebsgetriebe und einem aktiv gesteuerten Generator, ist die PTO standardisiert, skalierbar und kann an jede schwimmende Struktur montiert werden, um durch Dämpfung der welleninduzierten Bewegung elektrische Energie zu erzeugen. Dabei arbeitet jede PTO völlig unabhängig von den anderen, was eine hohe Redundanz für den Dauerbetrieb bietet.

Die einzelne PTO wiegt 3 Tonnen, kostet 160.000 $ und hat eine durchschnittliche Leistung von 10 kW, während der schwimmende Ring 35 Tonnen wiegt und 714.000 $ kostet.

Nach einem gut zweijährigen Einsatz vom März 2012 bis zum Mai 2014 im britischen FaBTest-Standort in Falmouth, Cornwall, bei dem zusammengerechnet 9.401 kWh produziert werden, wird die Anlage überholt, modifiziert und in ihren einzelnen Modulen nach Hawaii verschifft, wo sie im März 2016 wieder zusammengebaut und auf dem WETS-Testgelände der US-Navy installiert wird.

Im Januar 2017 meldet die Fred. Olsen – nach mehreren Reparaturen im Sommer 2016 – den sechsmonatigen kontinuierlichen Stromexport, und im April wird die einjährige Demonstration des BOLT Lifesaver vor der Küste vor Hawaii abgeschlossen, in deren Verlauf das Gerät mit einer durchschnittlichen Leistung von 3,2 kW insgesamt 22.364 kWh Strom aus Wellenenergie erzeugt hat. Nun wird das Gerät von seinem Einsatzort nach Pearl Harbor geschleppt, um vorübergehend festgemacht und einer Überholung und Modifikation unterzogen zu werden.

Die Firma meldet allerdings schon im Juli, daß das US Naval Facal Facilities Engineering Command (NAVFAC) einen weiteren Einsatz des BOLT Lifesaver in dem 30 m tiefen Wasser des Wellenenergie-Testgeländes vor Hawaii unterstützen wird. Diesmal leistet die University of Washington (UW) als Subunternehmer den Support der Hardware und des Engineering.

Tatsächlich dauert es jedoch noch bis zum September 2018, bis die Firma die Bereitschaft für den geplanten sechsmonatigen Einsatz vermelden kann, nachdem der Wellenenergiewandler vollständig aufgerüstet und mit einem vom Pacific Marine Energy Center entwickelten ozeanographischen Sensorpaket ausgestattet wurde, um die Fähigkeit der Anlage zur direkten Stromversorgung externer Systeme zu demonstrieren. Im Oktober werden die drei Windenleinen mit dem Meeresboden verbunden, und im November beginnt das Gerät mit der Stromerzeugung.

Ende Januar 2019 erreicht der BOLT Lifesaver bei seinem zweiten Einsatz eine Betriebsdauer von hundert Tagen, in denen er ununterbrochen Strom produzierte.

Im Dezember 2016 kündigt das DOE an, daß es ein neues, 35 Mio. $ (andere Quellen: bis zu 40 Mio. $) teures Testgelände in den Gewässern vor der Küste von Oregon finanzieren wird. Bislang konnten die Forscher nur an mehreren relativ bescheidenen Standorten in Hawaii und im pazifischen Nordwesten an der Entwicklung von Wellenenergie-Anlagen arbeiten.

Das erste Wellenenergie-Testfeld im Versorgungsmaßstab wird unter der Schirmherrschaft des 2008 gegründeten Northwest National Marine Renewable Energy Center der Oregon State University geplant, gebaut und betrieben. Die neue Anlage zwischen Newport und Waldport wird den Namen Pacific Marine Energy Center South Energy Test Site (PMEC-SETS) – oder kurz PacWave – tragen und soll Anfang 2020 in Betrieb gehen. Sie umfaßt vier netzgekoppelte Liegeplätze, um Prototypen zu testen und nach internationalen Normen zu zertifizieren.

Die schon mehrfach erwähnten Sandia National Laboratories befassen sich laut Presseberichten vom Oktober 2017 auch selbst und direkt mit der Wellenenergie, wobei sich die Ingenieure von anderen Branchen inspirieren lassen.

Während des mehrjährigen Projekts, das vom Water Power Technologies Office des DOE finanziert wird, entwirft, modelliert und testet das Sandia-Team ein Steuerungssystem, das die Leistung, die ein Wellenenergiewandler von den Meereswellen aufnehmen kann, verdoppelt. Um den Wirkungsgrad des Umrichters zu verbessern, wendet das Team die klassische Steuerungstheorie, die Robotik sowie die Konstruktionsprinzipien der Luft- und Raumfahrttechnik an.

Sandias Wellenenergiewandler ist eine große 1-Tonnen-Seeboje mit Motoren, Sensoren und einem Bordcomputer, die in einer verkleinerten Größe für eine Testumgebung gebaut wird. Die ersten Tests konzentrieren sich auf das Studium und die Modellierung, wie sich die Geräte in einer ozeanischen Umgebung bewegen, um ein numerisches Modell der Geräte zu erstellen. Mit dem Modell, das bereits im vergangenen Herbst entwickelt und validiert wurde, schreibt und wendet das Team mehrere Regelalgorithmen an, um zu sehen, welches Steuerungssystem die besten Ergebnisse erzielen würde.

Ein solcher Regelalgorithmus löst eine oder mehrere Aktionen basierend auf eingehenden Messungen aus, die 1.000 mal pro Sekunde erfolgen. Die Sensoren messen dabei Position, Geschwindigkeit und Druck auf dem Rumpf der Boje und erzeugen dann eine Kraft oder ein Drehmoment im Motor. Diese Aktion modifiziert die dynamische Reaktion der Boje so, daß diese mit der Frequenz der eintreffenden Wellen schwingt, was wiederum die Menge an Leistung maximiert, die absorbiert werden kann.

Da die Ergebnisse der numerischen Modellierung mit den Regelalgorithmen ein großes Potential zeigen, wird der Konverter im August im MASK-Becken in Carderock, Maryland, installiert, um die neuen Kontrollmethoden in einer ozeanähnlichen Umgebung zu testen.

Im Dezember 2018 gründet das in New Jersey ansässige Schiffsbauunternehmen Martin & Ottaway zusammen mit Industriepartnern ein neues Unternehmen namens SurfWEC LLC mit Sitz in Tinton Falls, das Wellenenergiewandler mit patentierten Funktionen entwickeln soll, welche die Energiegewinnungsraten um eine Größenordnung über die von alten Systemen hinaus steigern sollen.

Die patentierte Funktion, die von Michael Raftery, dem Cheftechnologen der Firma,während Forschungsarbeiten am Stevens Institute of Technology erfunden wurde, ermöglicht es, Offshore-Wellen in wogende Brandungswellen umzuwandeln und dadurch eine viel effektivere Energiegewinnung zu erzielen.

Bei der Prototypentwicklung arbeitet die SurfWEC zudem mit den Firmen Bosch Rexroth Inc., ISCO Pipe, HYDAC, Airline Hydraulics, Wire Co./Lankhorst Ropes, InterOcean Systems LLC und anderen Branchenführern zusammen. Weitere Details gibt es bislang nicht.

Im Januar 2019 wird vom Water Power Technologies Office (WPTO) des US-Energieministeriums und vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) der Waves to Water Prize ins Leben gerufen, um Lösungen für die Kombination von Wellenenergie und Meerwasserentsalzung zu entwickeln, mit besonderem Schwerpunkt auf abgelegenen Gemeinden und dem Einsatz in Katastrophenfällen. Im Zuge von fünf Phasen sollen 3,3 Mio. $ vergeben werden, um die Entwicklung kleiner, modularer, wellenbetriebener Entsalzungsanlagen zu beschleunigen. Die Gesamtkosten Wettbewerbs werden auf 7,25 Mio. $ beziffert.

Nach der bis September laufenden Konzept-Phase folgt bis zum März 2020 eine Design-Phase, deren Gewinner im Juni bekanntgegeben werden. Dem schließen sich eine Adapt-Phase an, die bis zum November läuft, eine Create-Phase bis zum August 2021, sowie eine Drink-Phase, die im April 2022 mit der Bekanntgabe des Gewinners des Großen Preises endet. Die Einzelheiten sind auf den Homepages der entsprechenden Behörden zu finden, wie z.B. dem Coastal Studies Institute (CSI) der East Carolina University, dem Partner der letzten Phase.

Im Zuge des Wettbewerbs werden 65 Konzeptentwürfe eingereicht, von denen sich 60 als förderfähig erweisen. Von diesen stammen neun aus dem akademischen Bereich, 21 aus der Industrie und 30 von Einzelbewerbern. Während der Create-Phase werden dann zehn Laborprototypen ausgewählt, deren Teams jeweils 100.000 $ erhalten, um ihre Ideen vom Konzept zum Funktionsprototyp zu bringen.

In der letzten Phase werden fünf Finalisten benannt, von denen vier Prototypen ihre in den Gewässern von Nags Head in North Carolina verankern und testen, die auch alle erfolgreich trinkbares Wasser produzieren. Die Finalisten sind das System Ballast, Buoys and Borrowing von Archimedes von Projekt 816 (Edwards Air Force Base, CA); das DUO Wave-Powered Desalination System (Orono, ME); das MZSP Freshwater Production System von MarkZero Prototypes (Woodbury, CT); das Wave-Actuated, Tethered, Emergency Response, Buoyant Reverse Osmosis System von Water Bros. (Wake Forest, NC); sowie die Oneka Snowflake (Fort Pierce, FL).

Das NREL-Team selbst baut auch ein robustes Entsalzungsgerät, um die Kriterien festzulegen, nach denen die Entwürfe der Wettbewerber bewertet werden, um einen fairen Wettkampf sicherzustellen. Die hydraulische und elektrische Umkehrosmoseanlage (hydraulic and electric reverse osmosis, HERO) mit Wellenenergiekonverter des NREL soll im Gegensatz zu den Systemen der Mitbewerber jedoch nicht das meiste oder sauberste Wasser produzieren, sondern dem CSI-Team Installationsübungen und die Validierung von Meßverfahren ermöglichen.

Zum Gewinner des mit 500.000 $ dotierten Hauptpreises wird der Snowflake genannte wellenbetriebene Wassermacher der kanadischen Firma Oneka Technologies, ein floßähnliches Gerät, das ohne Werkzeug zusammengebaut wird und bis zu 7.000 Liter sauberes Wasser pro Woche produzieren kann. Weshalb das Unternehmen auch weitere 125.000 $ für die Produktion des meisten Wassers gewinnt. Für den einfachsten Zusammenbau gibt es nochmals anteilig 80.000 $, und für die einfachste Bereitstellung und Bergung anteilig 24.000 $.

Um die Wellenenergietechnologie kostengünstiger, widerstandsfähiger und produktiver zu machen, hat ein Team des NREL (unabhängig von dem Wettbewerb) zudem ein System namens oszillierender Wellenenergiewandler mit variabler Geometrie entwickelt, dessen erste theoretischen Untersuchungen 2017 erfolgten (‚Balancing the Power-to-Load Ratio for a Novel Variable Geometry Wave Energy Converter with Nonideal Power Take-Off in Regular Waves‘).

Die Konstruktion besteht aus rechteckigen Paddeln, die an unteren Scharnieren hin und her schwingen. Wenn die Wellen allerdings von produktiv auf destruktiv umschlagen, lassen sich eine oder mehrere horizontale Lamellen öffnen und so Lücken schaffen, durch die die Wellen hindurchlaufen, ohne daß die Geräte die volle Kraft ihrer gewaltigen Energie aufnehmen müssen.

Das Konzept hatte vor zwei Jahren eine Förderung vom Technology Commercialization Fund (TCF) des US-Energieministeriums erhalten, der vielversprechende und hochwirksame Energietechnologien auf dem Weg zur Kommerzialisierung unterstützt. Dadurch konnte ein Projektteam um den NREL-Maschinenbauingenieur Nathan Tom das Wellenenergie-Konvertersystem von der Theorie in die Praxis überführen.

Im Wellentank der Universität wird erfolgreich ein erster Prototyp in kleinem Maßstab getestet, um die theoretischen Modelle mit experimentellen Daten zu überprüfen. Auch ein anderer neuartiger Aspekt des Entwurfs wird untersucht: ein erhöhtes Fundament. Auf dem Meeresboden befestigte Geräte haben manchmal das Problem, daß aufgewirbelter Schutt und Sand den Betrieb stören, was umgangen werden kann, wenn das Gerät auf einer Säule vom Meeresboden angehoben wird.

Im August 2021 veröffentlicht das NREL eine Präsentation unter dem Titel ‚Prototype and Codesign of Nascent Flexible Wave Energy Converter Concepts‘, bei der es um die Entwicklung eines flexiblen Wellenkraftwerks geht, das Strom aus fast allen physikalischen Bewegungen oder dynamischen Formänderungen gewinnen kann, indem es  dielektrische Elastomere verwendet, die im Wesentlichen aus einer Schicht aus verformbarem, elastischem, dielektrischem Material bestehen, das mit Elektroden beschichtet ist und so einen variablen Kondensator bildet.

Die Idee flexibler Wellenkraft-Konverter (Flexible wave energy converters, flexWECs) an sich ist nicht neu – ich erinnere nur an das Projekt EPoSil in Deutschland 2013 oder an den Prototypen von Prof. David Ingram in Großbritannien im Jahr 2019. Mehr über die Technologie selbst findet sich im Kapitelteil Micro Energy Harvesting unter Elektrostatik.

Die neue und Distributed Embedded Energy Converter (DEEC o. DEEC-Tec) genannte Technologie basiert auf vielen kleinen, flexiblen Generatoren, von denen jeder wie eine Muskelfaser funktioniert und seine eigene Leistung erzeugt, während er von den Wellen in alle Richtungen verformt wird.

Dabei sind die dielektrischen Elastomer-Generatoren nicht die einzige Option, da das NREL-Team unter der Leitung des Ingenieurs Blake Craig Boren ebenso ionische dielektrische Elastomer-Generatoren, magnetostriktive Generatoren und andere Technologien im Auge hat, vielleicht auch in Kombination.

Für das Einfangen der Wellenenergie werden wand- und schlangenförmige Entwürfe entwickelt, sowie ein schwerer Ball in einem Ballon, der mit gitterartigen elastischen Generatoren gefüllt ist, welche aus den Bewegungen und Verformungen der Ballonform Energie gewinnen könnten. Nach Angaben des Teams lassen sich diese Dinge leicht aus kostengünstigen und nachhaltigen Materialien herstellen.

Die Konzepte bieten zudem ein gewisses Maß an Redundanz, denn selbst wenn mehrere Generatoren in einer bestimmten Struktur ausfallen, gibt es immer noch Hunderte von anderen, die ‚online‘ sind. Es gibt noch viele Unbekannte, z.B. welche Materialien, Wandler und Konstruktionen den besten Wirkungsgrad bei der Energieumwandlung, die beste Haltbarkeit und die beste Widerstandsfähigkeit gegen die korrosiven Eigenschaften des Meerwassers bieten werden.

Alles in allem hofft das Team zu beweisen, daß diese Art von Wellenenergiegenerator billig, sicher, wartungsarm und skalierbar ist. Über praktische Versuche ist noch nichts bekannt.

Das entsprechende Patent wird im August 2022 erteilt (US-Nr. 11.401.910, angemeldet ). Neben Boren wird als Miterfinder Jochem Weber genannt, der Chefingenieur des Wasserkraftprogramms des NREL, und als Anmelder die Firma Alliance for Sustainable Energy LLC aus Golden, Colorado, die unter dem Dach des Battelle-Instituts als Verwaltungs- und Betriebsauftragnehmer des NREL agiert.

Im September 2021 berichten die Blogs über zwei Waverider genannte Bojen, die jedoch nichts mit der ebenfalls Wave Rider bezeichneten Boje der kurzzeitig existierenden Firma SeaVolt Technologies Inc. zu tun haben (s.o.). Die Modelle, um die es hier geht, sind international weit verbreitete Meßbojen, die von der niederländischen Firma Datawell hergestellt – aber nicht mit Wellenenergie betrieben werden.

Die beiden, jeweils 200 kg schweren und halb bananengelb, halb rübenviolett angemalten Bojen werden von Mike Muglia von der Southeast Atlantic Coastal Ocean Observing Regional Association und von Miguel Canals vom Caribbean Coastal Ocean Observing System im Juni bzw. August vor Puerto Rico sowie vor der Küste der Outer Banks in North Carolina ausgesetzt, um detaillierte Daten über die Oberflächenwellen in diesen Gebieten des Atlantischen Ozeans sammeln und damit öffentlich verfügbare Datensätze über Wellen, Strömungen und Wassertemperaturen ergänzen. Eigentümer der beiden Waverider-Bojen ist das NREL.

Berichten vom Februar 2022 zufolge fördert die Bundesbehörde ARPA-E in ihrer jüngsten Finanzierungsrunde 68 neue Meeresenergie-Projekte mit insgesamt 175 Mio. $. Eines davon adaptiert ein neues Wellenenergie-Verankerungssystem für schwimmende Windturbinen, das von der Firma Makai Ocean Engineering Ltd. aus Waimanalo, Hawaii, entwickelt wird, die sich auch mit der Nutzung der Meeres-Wärmedifferenz befaßt. Die dafür bereitgestellten Mittel betragen knapp 850.000 $.

Nur einen Monat später werden die Sechs Teams bekanntgegeben, die an dem mehrstufigen Powering the Blue Economy: Ocean Observing Prize teilgenommen und als Sieger aus dem DESIGN Contest hervorgegangen sind – und sich damit für den bis Juni verlängerten BUILD Contest qualifiziert haben.

Der Wettbewerb, eine gemeinsame Aktion des Büros für Wasserkrafttechnologien des US-Energieministeriums und des Integrierten Ozeanbeobachtungssystems der National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), fordert von den Teilnehmern, erneuerbare Meeresenergie in Meeresbeobachtungsplattformen zu integrieren mit dem Endziel, Küstengemeinden vor gefährlichen Stürmen zu schützen. Verwaltet wird der Wettbewerb vom National Renewable Energy Laboratory (NREL) und dem Pacific Northwest National Laboratory.

Die Teilnehmer werden ihre Prototypen im Laufe des Sommers im größten Wellentank der USA testen, dem Manövrier- und Seebeobachtungsbecken der US-Marine in Carderock, Maryland. Im einzelnen handelt es sich um die folgenden Systeme:

Die Drohne EEL (Electrically Engage UnduLating System) von Kevin Lu aus dem Team Pyro-E, die Energie aus Wellen und Strömungen gewinnt, indem sie die Bewegung von Aalen nachahmt.

Das unbemannte Unterwasserfahrzeug Platypus Prowler eines Teams um Mark Supal, das einen Wellenenergiekonverter in seinem Bauch trägt und sich horizontal durch das Wasser bewegt, während es Daten sammelt. Wenn es an der Zeit ist, sich aufzuladen, kippt das Gerät nach oben und taucht auf, um seine Arme auszubreiten und Energie aus den Wellen zu absorbieren.

Ein weiteres Wasserfahrzeug namens Thaumas von einem Team um Alan Eustace, das für lange Fahrten konzipiert ist und eine besondere Technologie nutzt, um Energie aus den Wellen zu gewinnen und die Sensoren an Bord zu betreiben, die Meeresdaten sammeln.

Der selbstfahrende und unbemannte Maiden Wave Energy Rover der Firma Maiden Wave Energy LLC, der auf dem Wasser sitzt und sich in den Wellen bewegt, um Energie zu sammeln. Das Gerät, das den härtesten Bedingungen im Meer standhalten kann, trägt ein ausfahrbares Instrument, das die Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe des Meeres mißt.

Auch der Wave Powered Oceanographic Glider des gleichnamigen Teams aus Tallahassee, Florida, ist ein autonomes Unterwassergleitgerät, das die Wellenbewegung nutzt, um Strom zu erzeugen und Meeresdaten zu sammeln und zu übertragen.

Und schließlich die Meeresbeobachtungsplattform Persistence, die zu einem Teil Boje und zu einem Teil Anker ist. Das vom Team ReVision entwickelte zweiteilige System nutzt die Energie, die durch die Relativbewegung zwischen den beiden Körpern entsteht, wenn sie von den Wellen geschaukelt werden.

Die bis zu fünf Gewinnerteams des BUILD-Wettbewerbs werden sich ein Preisgeld von 500.000 $ teilen, um ihre Geräte in der letzten Phase des Wettbewerbs, dem SPLASH-Wettbewerb im Frühjahr 2023, vom Testtank auf das offene Meer der Olympic Peninsula vor der Küste des Staates Washington zu bringen. Die bis zu drei Hauptgewinner des SPLASH-Wettbewerbs werden sich anschließend über ein Preisgeld von insgesamt bis zu 1,5 Mio. $ freuen können.

Weitere Länder

Auch in anderen Ländern gibt es erste Ansätze für eine Beschäftigung mit der Wellenenergie:

Im Juni 2009 wird während der panarabischen TV-Sendung Stars of Science, die mit Schwerpunkt auf innovative Projektideen seitens der Qatar Foundation und Education City ins Leben gerufen worden war, über den an der Wahran Universität für Wissenschaft und Technologie in Algerien studierenden, 22-jährigen syrischen Schiffstechnik-Studenten Hassan Deeb berichtet, der an einem Wellenkraftwerk arbeitet, das von den Wellen bewegte Propeller verwendet, um Elektrizität zu erzeugen und zu speichern.

Was nicht unpikant ist, denn ein (vom Foto her) etwas älterer Mazen Deeb (hier allerdings Dib geschrieben) meldete in Frankreich schon 2005 ein Patent (Nr. 2.860.270) für eine von Wellen betriebene Hebevorrichtung für Meerwasser an. Beim Betrachten der Abbildung auf dem Patent wird allerdings klar, daß es sich um eine andere Form von Technologie handelt, bei der ein 1 x 6 m großer bootsförmiger Schwimmer einen wasserpumpenden Kolben bewegen soll.

Im mit vielen Küsten gesegneten Malaysia führen Ismail bin Musiran, Muhammad Murtadha bin Othman und Baharin Abu Bakar von der Universiti Teknologi MARA (UiTM) ab Januar 2010 eine dreijährige, vom Research Managemant Institute finanzierte Studie zur mathematischen Modellierung von Meereswellen bei der Stromerzeugung durch. Sie konzentrieren sich dabei auf OWC-Anlagen, die von ihnen als der effizienteste Weg betrachtet wird, um mit Meereswellen Strom zu erzeugen.

In Jamaica, von Wasser und Wellen umgeben, hat der Erfinder Jackie Stuart, ein ehemaliger Nachrichtentechniker, einen Lineargenerator entwickelt, der zwar an Land installiert, aber mit von Wellen erzeugter Druckluft betrieben werden soll. Er kommt damit Anfang 2011 in die lokale Presse.

 

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