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Alternative Energie aus der Kraft des Wassers

Meer Kraft Alternative Energie aus der Kraft des Wassers

Wir erklären, welche alternativen Möglichkeiten Wasser als Stromerzeuger bietet.70 % der Erdoberfläche ist mit Wasser bedeckt: Meere, Flüssen und Seen bieten dabei weit mehr, als die Kraft zum Sehnsuchtsort zu werden. Über die Nutzung der natürlichen Wasserbewegung lässt sich Strom erzeugen.

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Die Weltmeere bieten mit ihrer natürlichen Bewegung ein enormes Potenzial der Energiegewinnung. Weltweit wird daran getüftelt, wie es nutzbar gemacht werden kann.

Quelle: @tina7si (#113910042)

Wasser spendet nicht nur Leben, es liefert auch Energie und ist damit ein wichtiges Medium für die Energiewende. Fast jeder kennt Staudämme und Wassermühlen, doch gibt es inzwischen weit mehr Möglichkeiten, um Strom mit Wasser zu erzeugen. Allein in Deutschland waren Ende 2013 bereits 7.300 Anlagen mit einer Gesamtleistung von rund 5,6 GW in Betrieb. Mit einer Bruttostromerzeugung von 20,8 TWh trägt die Wasserkraft damit zu 3,5 % zur gesamten Stromerzeugung in Deutschland bei. Spitzenreiter sind dabei Bayern mit einem Anteil von 14,5 % und Baden-Württemberg, das 9,1 % des Landesverbrauchs aus der Wasserkraft bezieht (PDF). 

Wasserkraftwerke

Wasserkraftwerke unterscheiden sich in kleine Anlagen, die weniger als 1 MW Leistung aufweisen, und große Kraftwerke mit einer größeren Leistung. Hier kommen in Deutschland Speicherkraftwerke und Laufwasserkraftwerke zum Einsatz.

Kleinwasserkraftwerke

Technisch sind auch Kleinwasserkraftwerke Speicher- oder Laufwasserkraftwerke, jedoch fällt die Leistung aufgrund kleiner Fallhöhen und Wassermengen gering aus. Deutschlandweit besteht hier ein Ausbaupotenzial vor allem durch die Modernisierung bestehender Anlagen, wohingegen Neubauten nur vereinzelt infrage kommen. Der Betrieb erfolgt entweder in Form von Inselanlagen oder netzgekoppelt, die Baukosten sind sowohl von der installierten Leistung, als auch von der Fallhöhe, Standortbedingungen und den geforderten ökologischen Maßnahmen abhängig.

Strom aus regenerativen Energien in Deutschland 2016

Wasserkraft hat in Deutschland einen Anteil von 3,3%

Quelle: Quelle der Daten: AGEB

Speicherkraftwerke

Talsperren und Bergseen verfügen vielfach über ein hohes Gefälle, das sich Speicherkraftwerke zur Energiegewinnung zunutze machen. Zu unterscheiden sind hier Talsperren-Kraftwerke, bei denen mehrere Turbinen am Fuß der Staumauer für die Energiegewinnung sorgen, und Bergspeicherkraftwerke, bei denen ein See in der Höhe über Druckrohrleitungen mit dem Kraftwerk im Tal verbunden wird.

Der Einsatz von Speicherkraftwerken erfolgt sowohl zur Deckung der Grundlast, als auch in Spitzenlastzeiten. Dazu dienen Pumpspeicherkraftwerke, die nicht durch natürliche Wasservorkommen wie Flüsse, sondern durch Wasser, das aus dem Tal zurückgepumpt wird, aufgefüllt werden. So kann die nicht genutzte Energie in Schwachlastzeiten für die Pumpen genutzt werden, um in Spitzenlastzeiten Energie über das Wasser zu gewinnen.

Deutschlands Speicherkraftwerke

Bis zu 1060 Megawatt liefern deutsche Speicherkraftwerke.

Quelle: Redaktion

Laufwasserkraftwerke

Die Kraftwerke liegen nicht an Seen, sondern an Fließgewässern wie Flüssen oder Kanälen. Damit sind die Fallhöhen gering und es kommt im Verlauf des Jahres immer wieder zu mehr oder weniger großen Schwankungen hinsichtlich der Wassermenge. Entsprechend werden die Anlagen häufig in Kombination mit Schleusen errichtet.

Wellenkraftwerke

Wellenkraftwerke sind erst in der Entwicklung. Bisher sind nur wenige Prototypen im Einsatz – obwohl die Kraft des Meeres prädestiniert für die Energiegewinnung zu sein scheint: Wellen, die auf eine Steilküste treffen, setzen durchschnittlich 19-30 KW frei – je Meter Welle. Auf hoher See sind die Leistungen weitaus höher: An günstigen Stellen mit einem hohen Wellengang sind Energieleistungen von bis zu 100 KW möglich, Binnenmeere wie die Ostsee erzeugen hingegen lediglich etwa 10 % der Leistungen. Gegenüber Windkraftanlagen haben viele Systeme den Vorteil, dass sie keine aufwendigen Fundamente benötigen, sondern eine Verankerung mit einer Kette ausreicht. Das spart zugleich den Einsatz aufwendiger und kostenintensiver Krananlagen.

In der Produktion kostet die Herstellung von Energie aus Wellen mit 10 Cent aktuell noch etwa doppelt so viel wie durch Wind erzeugter Strom. Dabei kommen unterschiedliche Systeme zum Einsatz.

Pneumatische Kammern

Im Englischen heißt das Prinzip Oscillating Water Column . Das erste System dieser Art baute die Firma Wavegen und es ist seit 2001 auf einer schottischen Insel in Betrieb und speiste erstmals Strom aus dem Meer in ein kommerzielles Netz ein, wenngleich die Leistungsdaten mit 212 KW im ersten Jahr enttäuschend waren. Die Verfügbarkeit der Turbinen steigerte sich mit der Übernahme durch die Firma Voith Hydro erst im Jahr 2005 auf 98 %, 2011 ging in Spanien das erste auf diesem Prinzip basierende Kraftwerk in Betrieb.

Jede Welle drückt hier Wasser in kaminartige Röhren, im Wellental drückt es wieder hinaus. Die Röhren münden in Turbinen, die sich auf und ab bewegende Wassersäule trägt dazu bei, dass die Luft abwechselnd komprimiert und angesaugt wird. Der Luftstrom treibt eine Wells-Turbine an.

Zwischen 2010 und 2013 liefert das Kraftwerk Limpet an der Westküste Schottlands Strom. Auch sollte hier das weltweit größte Wellenkraftwerk entstehen. Der Energiekonzern, der den Bau durchführen wollte, machte jedoch einen Rückzieher.

Power Buoy

Der Rüstungshersteller Lockheed Martin errichtet in Australien das größte Wellenkraftwerk der Welt . Mit einer Leistung von 62 MW soll das Kraftwerk, das Lockheed zusammen mit Victorian Wave Partners errichtet, 10.000 Haushalte mit Strom versorgen. Nachdem die Planungen 2012 begonnen hatten, startete der Bau, der von der australischen Regierung gefördert wird, im Jahr 2014. Power Buoy heißt die Erfindung, die hier künftig Strom erzeugen soll.

Boje auf dem Wasser

Ähnlich dieser Boje steht der Power Buoy auf den Wellen. Mit der Bewegung des Schwimmkörpers wird Energie gewonnen, zu einem Kraftwerk gehört eine Vielzahl an Schwimmkörpern.

Quelle: @phirakon jaisangat (#66774461)

Wie eine Boje tanzt der Power Buoy auf den Wellen – ein stählerner Turm, der in 30 bis 60 Meter Tiefe auf dem Meeresboden verankert ist. An der Spitze des Turms bewegt sich ein Schwimmkörper durch die Wellen, der mit einer Pumpe im Hohlraum des Turms verbunden ist, welcher wiederum eine Hydraulikflüssigkeit in einen Motor presst. Und dieser ist mit einem Generator verbunden.

Der Strom von zahlreichen Power Buoys, die zu einem Kraftwerk gehören, wird an einer Sammelstation zusammengeführt und über ein Kabel an das Festland weitergeleitet. Der schottische Mutterkonzern Ocean Power Technologies arbeitet bereits an einer Version 2.0 mit einer Leistung von 2,4 MW – durchaus vergleichbar mit Windanlagen an Land. Mit dem Vorteil, dass die Wellenbewegungen regelmäßiger stattfinden und damit zuverlässiger in der Stromerzeugung sind als Windanlagen. Ein weiterer Vorteil: Im Gegensatz zu Offshore-Windrädern, die über große Entfernungen das Landschaftsbild prägen, sind die Bojen nicht sichtbar, da sie nur gerade so weit aus dem Wasser ragen, dass Schiffe die Positionslichter erkennen können.

Seeschlangen (Pelamis)

Eine Seeschlange nutzt die Bewegungsenergie der Welle durch eine Aneinanderreihung von beweglichen, durch Gelenke verbundenen, an der Oberfläche schwimmenden Elementen. In den Gelenken, die die einzelnen Elemente miteinander verbinden, befinden sich Hydraulikzylinder. Die Wellenbewegung drückt die Flüssigkeit durch Röhren und Turbinen in einen Ausgleichszylinder.

Mit Pelamis Wave Power ist auch hier eine schottische Firma federführend bei der Pionierarbeit. Das Pelamis-Kraftwerk ähnelt mit seinen vier Stahlröhren und Energieumwandlungsmodulen einer Seeschlange – 150 Meter lang, 3,5 Meter im Durchmesser und 700 Tonnen schwer.

2008 nahm Portugal die ersten drei Anlagen dieser Art in Betrieb, bereits ein Jahr später erfolgte die Stilllegung der Anlagen aufgrund technischer Probleme. Ob es erneut zu einer Wiederinbetriebnahme kommt, ist nicht bekannt. Dass die Technik jedoch zunächst weiterhin vielversprechend für die Zukunft war, bewies der Bau der Orcadian Wave Farm, die gerade vor den Orkneyinseln im Bau ist, die 3 MW Leistung bringen soll. An der Nordküste Cornwalls entstand mit Westwave eine weitere Anlage, die 5 MW Gesamtleistung erzielt. Doch: 2014 endeten die Testreihen des Projektes, das Unternehmen meldete sich insolvent.

Wave Dragon

Beim Projekt Wave Dragon gibt es einen Wellenkonzentrator, der die Wellen durch zwei V-förmige Barrieren zur Mitte hin konzentriert, wodurch sich die Wellen verstärken und eine Rampe hinauflaufen. Hier läuft das Wasser über Turbinen, die einen Generator bedienen, zurück ins Meer. Aufgrund der Konstruktion als schwimmendes Offshore-Kraftwerk ist der Wave Dragon nicht an die Nähe zu Küsten gebunden.

Seit 2003 existiert ein Prototyp im nördlichen Dänemark, eine kommerzielle Nutzung findet bislang nicht statt.

Waveroller

Die finnische Firma AW-Energy hat den Waveroller entwickelt, um die Wasserkraft aus dem ansteigenden Meeresboden in der Nähe der Küste zu gewinnen. Auf absenkbaren Metallplattformen sind vertikale, bewegliche Metallplatten befestigt, die sich durch die Strömung hin- und her bewegen. Außer den Markierungszeichen ist über Wasser nichts von den Platten zu sehen. Über einen Hydraulikmotor und einem dahinter geschalteten Generator wird Strom erzeugt, der über ein Kabel an Land geführt wird.

Das erste Kraftwerk dieser Art ging im Jahr 2012 vor der Küste Portugals mit drei beweglichen Platten und einer Nennleistung von 300 KW in Betrieb.

Offshore-Windanalgen

Manche der Wasserkraftwerke sollen mit den Offshore-Windanalgen zusammen arbeiten und so ein Vielfaches an Strom erzeugen, als eine Quelle alleine das könnte.

Quelle: @Visions-AD (#35865597)

Pendulor

Pendulor ist eine japanische Erfindung. Hier stoßen die Wellen ein Tor auf und fließen in einen Behälter, der sich dahinter befindet. Beim Zurückfließen stoßen die Wellen das Tor in die andere Richtung auf und erzeugen über die Hydraulik Energie.

Ein ähnliches Prinzip nutzt die Firma Aquamarin Power, die eine schwimmende Klappe in einer Wassertiefe von 10-15 Meter verankerte. Hier fanden erste Tests mit dem Prototypen im Jahr 2009 auf den Orkneyinseln statt.

Die Reederei Wallenius-Wilhelmsen nutzt das Prinzip für seinen Schiffsentwurf Orcelle. Hier sollen Platten am unteren Rumpf durch die Wellenbewegung bewegt werden und neben der Sonnen- und Windenergie für Strom an Bord sorgen. Der japanische Katamaran Suntory Mermaid II hingegen hat bewiesen, dass sich ein Schiff allein mit der Kraft der Wellen fortbewegen kann – wenngleich das Tempo, das unter der Schrittgeschwindigkeit liegt, noch ausbaufähig ist.

Nemos

Nachdem deutsche Gewässer aufgrund der geringen Gezeiten nicht für entsprechende Kraftwerke geeignet sind, entwarf der Olympionike Jan Peckolt ein Wellenkraftwerk, das an Windkraftanlagen gekoppelt ist. Zwei parallel zum Wellenkamm liegende Schwimmkörper holen Energie auch aus kleineren Wellen, die sie über zwei Seile an einen Generator übertragen. Das Prinzip der kombinierten Energieerzeugung funktioniert vor allem deshalb, da beide Energieformen einen zeitlichen Versatz haben.

Gezeitenkraftwerke

Gezeitenkraftwerke funktionieren nach dem Prinzip eines Staudamms. Meeresbuchten, die mit einem Deich abgedichtet sind, in dessen Inneren sich Turbinen befinden, füllen sich beim eintreffenden Wasser der Flut. Zieht sich das Meer bei Ebbe zurück, läuft das Wasser in umgekehrter Richtung durch die Turbinen hindurch. Ermöglicht wird dies durch umstellbare Rotorblätter, die in beiden Durchströmrichtungen funktionieren.

Damit wandeln die Kraftwerke kinetische Energie in elektrischen Strom um. Aufgrund der nach dem Mond gerichteten Gezeitenfolge ist die Höhe der Energiegewinnung hier gut kalkulierbar. Je höher der Tidenhub ist, desto größer ist die gewonnene Energiemenge. Bei einem angenommenen Tidenhub von 5 Metern, gibt es etwa 100 geeignete Buchten weltweit, nur die Hälfte ist für einen wirtschaftlichen Einsatz geeignet. Der Vorteil von Strömungen ist jedoch, dass bereits niedrige Fließgeschwindigkeiten ausreichen, da Wasser etwa 800-mal dichter als Luft ist.

Funktion eines Gezeitenkraftwerkes

So funktioniert ein Gezeitenkraftwerk.

Quelle: Redaktion

Das lange Zeit größte Kraftwerk steht an der französischen Atlantikküste mit einer Leistung von 240 MW. 2011 nahm Südkorea jedoch ein Kraftwerk in Betrieb, das die Leistung des französischen Kraftwerks mit 254 MW knapp übersteigt. Das mit Abstand größte Kraftwerk ist in Neufundland mit einer Leistung von 5.000 MW geplant, wurde jedoch aufgrund der hohen Baukosten bislang nicht realisiert.

Seagen

Das weltweit erste Kraftwerk, das über die Gezeitenströmung angetrieben wird, steht dabei in der Bucht von Portaferry in Nordirland. Jede Flut drückt hier ca. 18.000 Kubikmeter Wasser in die Meerenge, die gleiche Menge verlässt die Bucht bei Ebbe wieder. Wassergeschwindigkeiten von 2,5 Meter / Sekunde treiben riesige Unterwasser-Rotoren an, deren Blätter sich entsprechend der Wasserrichtung drehen lassen. Nähern sich Meeresvögel den Turbinen des Seagen, schalten diese automatisch ab.

Meereswärmekraftwerk

Ein Meereswärmekraftwerk (im Englischen Ocean Thermal Energy Conversion) macht sich die Temperaturunterschiede zwischen warmen und kalten Wassermassen zunutze, die in unterschiedlichen Meerestiefen vorherrschen. Der Unterschied zwischen dem warmen Oberflächenwasser und dem kalten tiefer liegenden Wasser bezeichnet man als thermalen Gradienten. Liegt der Temperaturunterschied zwischen diesen Schichten bei mehr als 20 Grad Celsius, kann ein Kreislauf gestartet werden.

Dabei erfolgt eine Umwandlung in elektrische Energie. Die theoretischen Grundlagen hierfür sind bereits seit 1881 bekannt, erste Versuche führte George Claudes im Jahr 1930 durch. Möglich sind dabei zwei unterschiedliche Kreislauf-Formen, wobei beide Systeme kombiniert werden können:

Innerhalb eines geschlossenen Kreislaufes wird warmes Oberflächenwasser in einen Organic Rankine Cycle gepumpt, welches ein Arbeitsmedium über einen Wärmetauscher zum Verdampfen bringt. Der Dampf wird durch eine Turbine geleitet, die Bewegungsenergie erzeugt, um das Arbeitsmedium über Wasser aus der Tiefe erneut zu verflüssigen. Damit entspricht das Wirkprinzip einem Dampfkraftwerk, wenngleich hier kein Dampf zum Einsatz kommt, sondern aufgrund der niedrigen Siedepunkte Ammoniak oder Propan.

In einem offenen Kreislauf bildet das warme Oberflächenwasser das Arbeitsmedium, das in einem Vakuum verdampft wird, wobei auch hier der Dampf zum Betrieb der Turbine genutzt wird. Das kalte Tiefenwasser hilft bei der Verflüssigung des Dampfes. Bei der Nutzung eines Wärmeübertragers anstelle des direkten Kontaktes entsteht so entsalztes Süßwasser.

Die dritte Form ist ein hybrider Kreislauf, der beide Systeme kombiniert, indem das Oberflächenwasser dazu genutzt wird, um das Arbeitsmedium zu verdampfen, das Tiefenwasser das Medium abkühlt und verflüssigt und das Oberflächenwasser anschließend in einem Vakuum verdampft wird, um Süßwasser zu gewinnen. Außerdem ist hier eine umgekehrte Anordnung möglich, die zuerst die Verdampfung des Oberflächenwassers nutzt, bevor der Wasserdampf das Arbeitsmedium verdampft und das kalte Tiefenwasser lediglich zur Verflüssigung des Arbeitsmediums zum Einsatz kommt.

Allerdings konnte sich diese Art der Energiegewinnung bisher nicht durchsetzen – außer einigen kleinen Versuchsreihen haben Meereskraftwerke keine Bedeutung erlangen können, wenngleich solch ein Kraftwerk beispielsweise nicht von der Tageszeit abhängig wäre. Dies liegt vermutlich an Wirkungsgraden von etwa 3 %, was bedeutet, dass sehr große Wassermassen zur Energiegewinnung bewegt werden müssten. Auch stellt die Rohrleitung, die das Wasser aus der Tiefe an die Oberfläche befördern muss, einen erheblichen Kostenfaktor dar.

Meereswärme

Das Prinzip der Meereswärmekraftwerke ist vielversprechend, da Wasser sehr konstant kalte Temperaturen halten kann, während die Sonne oben ergiebig Wärme abgibt – leider gab es bisher keine erfolgreiche Versuchsreihe dazu.

Quelle: @Dudarev Mikhail (#80591152)

Osmosekraftwerk

Ein Osmosekraftwerk macht sich den unterschiedlichen Salzgehalt des Wassers zunutze, erste Vorschläge zur Ausnutzung der Osmose als Energielieferant stammen dabei aus den Siebzigerjahren, konkrete Forschungsprojekte seit den Neunzigern. Erstmals in Betrieb genommen wurde ein solches Kraftwerk im Jahr 2009 in Norwegen.

Stehen sich Salz- und Süßwasser über eine semipermeable Membran gegenüber, fließt Süßwasser zum Salzwasser, da beide Flüssigkeiten einen Druckausgleich anstreben, sodass auf der Membran ein Druck entsteht, mithilfe dessen eine Turbine in Gang gesetzt wird. Ein Salzgehalt von 3,5 % bei 10 Grad erzeugt einen Druck von 28 Bar. Im Gegensatz zu anderen Wasserkraftwerken ist die treibende Kraft bei der Energiegewinnung hier also das thermodynamische Potenzial des Süßwassers.

Mögliche Standorte ergeben sich aufgrund des Erfordernisses von Süß- und Salzwasser an Flussmündungen am Meer sowie an Flüssen, die unterschiedliche Salzgehalte aufweisen. Der Energiegewinn steigt dabei mit der Durchflussmenge und dem Unterschied des Salzgehaltes. In Deutschland wäre beispielsweise die Elbe nutzbar, wobei das Potenzial hier bei ca. 42 MW liegt. Weltweit wurde das Potenzial 2012 auf 65 GW (520 TWh) geschätzt, eine Schätzung im Jahr 2016 kommt auf 625 TWh – 3 % des weltweiten Stromverbrauchs.

Norwegen nahm im Jahr 2009 das erste Kraftwerk in Betrieb und investiert weiter in den Ausbau derartiger Anlagen. Der Hersteller Statkraft schätzt, dass sich mittelfristig ca. 10 % des norwegischen Strombedarfes aus Osmosekraftwerken decken lassen.

Probleme bei Wasserkraftwerken

Das Salzwasser führt zu hohen Verschleißerscheinungen an den Bauteilen, und auch Wellen und Wind machen den Anlagen auf Dauer zu schaffen. In der Vergangenheit wurden viele Pilotprojekte durch sogenannte Monsterwellen zerstört und auch die Investitionskosten sind hoch – nicht zuletzt, weil Anlagen erst in ausgiebigen Testphasen auf ihre Tauglichkeit hin erprobt werden müssen. Infolgedessen konnte sich bislang kein Projekt kommerziell durchsetzen, zumal die Energiekosten für die Betreiber bislang unattraktiv sind. Inzwischen kommen verstärkt Materialien zum Einsatz, die bereits bei der Ölförderung genutzt werden. Diese sind an die zerstörerische Kraft des Meeres und der Korrosion durch das Salzwasser bereits angepasst. Vielleicht lässt sich dadurch final Wirtschaftlichkeit erreichen.

Nicht hinreichend erforscht sind bei den Anlagen bislang die Auswirkungen auf Fauna oder Flora, da durch die Kraftwerke Wasser teilweise nicht mehr natürlich in Bewegung ist, auch können die riesigen Turbinen Tieren zum Verhängnis werden. Wie genau es die Wasserkraftgewinnung die Umgebung beeinflusst müssen also weitere Pilotprojekte und Studien zeigen. Trotz der großen Schwierigkeiten lässt sich jedoch sagen: Wasserkraftwerke bieten ein riesiges Potenzial für die Zukunft.

Redaktion

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