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Wasserkraft - Meeresströmung

Energie aus Wasserkraft- Spagat zwischen umweltfreundlicher Stromerzeugung und Fließgewässerschutz

Seit Jahrtausenden greift der Mensch auf erneuerbare Energien zurück: Eine von ihnen ist Wasserkraft. Deren Nutzung mit Wasserrädern lässt sich in China und im Vorderen Orient bis ins 3.Jahrtausend zurückverfolgen. Auch in unseren Breitengraden wird sie seit rund 1500 Jahren genutzt. Die im Wasser steckende Kraft nennt der Physiker "Lageenergie" - erst wenn Wasser in die Tiefe fällt, kann seine Kraft genutzt werden. Der Nutzen ist um so höher, je mehr Wasser um so tiefer fällt. Das fallende Wasser wird durch Turbinen geleitet, die wiederum einen elektrischen Generator antreiben. Stromerzeugung mittels Wasserkraft ist sehr effektiv, bei der Umwandlung werden Wirkungsgrade von 75-90% erreicht. In Deutschland beträgt der Anteil der Wasserkraft an der elektrischen Stromerzeugung 4%, wodurch 1998 der Ausstoß von 17 Mill. Tonnen klimaschädlichem CO2 vermieden wurde. Das Nutzungspotential für Wasserkraftanlagen in Deutschland ist jedoch größtenteils ausgereizt, die Industrie konzentriert sich daher auf die Modernisierung bestehender Anlagen sowie die Wiederinbetriebnahme stillgelegter Kleinanlagen.

Wasserkraft ist zwar eine regenerative Energiequelle ohne Schadstoffausstoß bei der Stromerzeugung, nichtsdestotrotz bestehen große ökologische Probleme bei der Nutzung, da Fließgewässer mit ihren Lebewesen durch Wasserkraftwerke ökologisch stark belastet werden. Der BUND fordert daher sogar den Rückbau bestehender Anlagen, um die ökologischen Schäden in Grenzen zu halten.

Seaflow – Strom aus der Meeresströmung

Erstes Meeresströmungskraftwerk entsteht:
Es sieht fast wie eine Windkraftanlage aus, die auf dem Meeresgrund steht und deren Rotorblätter sich rund 10 Meter unter der Wasseroberfläche befinden werden: Das Meeresströmungskraftwerk. Diese weltweit erste Pilotanlage mit einer Leistung von 350 kW zur energetischen Nutzung von Meeresströmung in kommerzieller Größenordnung wird voraussichtlich im Herbst 2000 / ab Frühjahr 2001 vor der Küste Cornwalls im Bristol Channel installiert (Beginn der Erprobungsphase).

Das Projekt mit dem Titel ‚World’s first pilot project for the exploitation of marine currents at a commercial scale‘, (Akronym SEAFLOW) wird vom britischen Ingenieurbüro IT-Power geleitet und hat Entwicklung, Bau und Test einer 300 kW Pilotanlage zum Inhalt. Weitere Projektpartner sind die Firmen ITT-Flygt (schwedischer Unterwasserturbinen- und –pumpenhersteller), die Seacore Ltd. (britischer Spezialist für Bohrplattformen) sowie die Gesamthochschule Kassel (GhK).

Das innovative an der Technologie zur energetischen Nutzung von Meeresströmungen besteht darin, dass die durch die Gezeiten verursachten Meeresströmungen und nicht wie bei den bisher bekannten Anlagen (z. B. St. Malo in Frankreich) den Tidenhub zur energetischen Umwandlung ausnutzt. Meeresströmungskraftwerke werden an Standorten mit einer starken Strömung installiert, um hohe Volumenströme für die Energiegewinnung zu erhalten. Das entsprechende Know-how hierfür ist großenteils aus der Windenergie vorhanden, muss allerdings an die Kraft- und Dichteverhältnisse im Wasser angepasst werden muss.

Energiegewinnungspotential

Die größten Potentiale für Meeresströmungskraftwerke befinden sich außerhalb Europas. Doch auch in Europa sind bislang über 100 Standorte bekannt, die sich für Energiegewinnung aus Meeresströmungen eignen. Für diese wird eine Leistung von etwa 12.000 Megawatt prognostiziert. Und weitere Standorte könnten gefunden werden. Auf Grundlage existierender Daten über Meeresströmungen wurde zudem ein europaweites technisches Potential von mindestens 12,5 GW ermittelt. Diese zugrunde gelegten Ergebnisse sind in einem gesonderten, von der Europäischen Kommission veröffentlichten Bericht (Report EUR 16683 EN) zusammengefasst. Aus diesem Grunde sind die Erwartungen an die Pilotanlage, mit der die Funktionsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit getestet werden soll, groß: "Wenn sich die Technik bewährt und die Anlage zeigt, dass eine wirtschaftlich erfolgreiche Nutzung möglich ist, könnte ein riesiger neuer Markt entstehen", so Diplomphysiker Jochen Bard, Projektleiter an der GhK.

Potentialstudie

Die Karte zeigt die Stellen in Europa, welche bereits als ertragreiche Standorte für die Errichtung von Meeressströmungskraftwerken in Frage kommen. Wie man erkennen kann sind die Westküsten des Vereinigten Königreichs und Südirlands sowie die Küste im Nordwesten Frankreichs von besonderem Interesse. Geringere Potentiale finden sich auch im Mittelmeer. Geeignete starke Strömungen können an Orten gefunden werden, an denen das Seewasser durch die Topographie der Küsten oder Inseln in bestimmte Bahnen gezwungen wird.

Vorteile

Gegenüber den bisherigen Wellenkraftanlagen haben Meeresströmungskraftwerke eine ganze Reihe von Vorteilen: So sind Meeresströmungen und Gezeiten vorhersagbar und extreme Energiespitzen wie bei Stürmen berühren die Unterwasseranlage in ihrer Auslegung und Standfestigkeit kaum, da die Strömung auch bei schwerem Sturm in etwa gleich bleibt. Anders als bei großen Wellenkraftwerken oder Windenergieanlagen wird das Landschaftsbild nicht gestört. Die Anlagen laufen geräuschlos und verursachen aufgrund ihrer geringen Auswirkungen auf die marine Umgebung weniger Konflikte bei der Standortwahl. Mit genehmigungsrechtlichen Problemen wird insoweit kaum gerechnet.

Zudem werden Meeresströmungsanlagen weniger als die Hälfte der Fläche vergleichbarer Windenergieanlagen einnehmen, lassen sich also bei gleicher Leistung erheblich kompakter konzipieren. Da Wasser dichter als Luft ist, sind die übertragenen Kräfte größer und die Anlage kann kleiner in ihren Ausmaßen sein: Das wirkt kostensparend und dürfte die Wirtschaftlichkeit erhöhen. Und schließlich können Anlagengruppen relativ zu Windenergieanlagen in einem geringerem Abstand zueinander stehen.

Technische Aspekte

Das technische Konzept von SEAFLOW wurde im Rahmen von mehreren Studien und einer kleineren auf 350 Kilowatt ausgelegten Versuchsanlage entwickelt. An dieser Pilotanlage beteiligt waren auch Wissenschaftler der Universität Gesamthochschule Kassel, denen die Aufgabe zukam, die technischen Komponenten zu optimieren. Denn die Struktur der gesamten Anlage muss den Belastungsverhältnissen infolge der starken Strömung angepasst werden. Insbesondere wurde mit Hilfe spezieller Profile ein völlig neuer Strömungsrotor entwickelt, der für den Betrieb im Wasser optimiert ist. Der Rotor, Netzanschluss, Steuerung und Regelung der Anlage werden in Kassel wissenschaftlich bearbeitet und gemeinsam mit deutschen Komponentenherstellern entwickelt. Die spezielle Regelung und Betriebsführung soll für den größtmöglichen Anlagenertrag sorgen und die Anlage bei Netzausfall, Springtiden oder schweren Stürmen vor Zerstörung schützen. Der Betrieb der Anlage wird vollautomatisch erfolgen, die Betriebsdaten werden fernüberwacht.

Der Rotor soll einen Durchmesser zwischen 15 und 20 m haben und einen Generator antreiben. Für die Unterwasserturbinen sind i.a. Leistungen zwischen 600 und 1.000 kW vorgesehen. Das System ruht auf einem Stahlmast, der lediglich einen Durchmesser von rund 2 m aufweist. Kostenaufwendige Unterwasser-Arbeiten werden nicht erforderlich sein, da die Bohrung für den Mast von einem Spezialschiff aus erfolgt. Die Anlage wird durch ein Seekabel mit dem Ufer verbunden. Mehrere Anlagen werden in Unterwasser-Parks in Reihen - vergleichbar einem Windpark - angeordnet. Zu erwarten ist, dass an den jeweiligen Standorten die Turbinen für gewöhnlich in Gruppen von etwa 10 Maschinen errichtet werden.

Maximale Strömungsstärken zwischen 2 – 2,5 m/sec bei Wassertiefen zwischen 20 und 35 m sind für eine ökonomisch tragfähige Nutzung erforderlich.

Ökonomische Aspekte

Das SEAFLOW-Projekt mit einer Laufzeit von 36 Monaten hat im September 1998 begonnen. Die Projektkosten von ca. 3,6 Mio. DM werden zu 60 % aus dem JOULE-Programm der EU für erneuerbare Energie gedeckt. Hinzu kommen Mittel des Britischen Department for Trade and Industry (DTI). Um weitere finanzielle Beteiligungen an dieser Entwicklung zu erleichtern, wurde Marine Current Turbines Ltd. (MCT) gegründet. An MCT werden alle Ergebnisse sowie Patente und Verwertungsrechte aus diesem Projekt übergehen.

Die Forschungs- und Entwicklungsphase für die Meeresströmungsanlagen soll nach MCT 2004 abgeschlossen werden, so dass dann mit der kommerziellen Nutzung begonnen werden kann. Ein entsprechender Businessplan, der im Anschluss an das JOULE-Vorhaben Bau und Installation von 5 - 10 MW vorsieht (entspricht 7,5 bis 15 Mio. EUR), wurde erstellt. MCT bietet damit den Rahmen für finanzielle Beteiligungen aus der Industrie. Für 2010 wird mit einer installierten Leistung von 300 MW gerechnet. Danach besteht Aussicht auf ein weit stärkeres Marktwachstum. Es werden Stromgestehungskosten zwischen 5 und 10 Cent/kWh erwartet. Damit ließen sich dann auch die höheren Amortisationskosten einer Meeresströmungsanlage finanzieren.

Die Turbinen sollen in etwa einen Preis von 1,5 Mio. EUR pro Megawatt haben. Da viele potentielle Standorte die Errichtung Tausender Kraftwerke erlauben würde, könnte sich bspw. allein im Vereinigten Königreich ein Markt von mehreren Mrd. Pfund entwickeln. Wie bei allen völlig neuartigen Technologien werden die Anlagenpreise anfangs nicht wettbewerbsfähig sein. Jedoch bestehen aufgrund weiterer technischer Entwicklungen sowie durch die Serienfertigung gute Aussichten auf eine erhebliche Kostenreduktion. Die erste Anlagengeneration wird in etwa die Kosten von Windenergieanlagen vor zehn Jahren haben. In der Zwischenzeit können auch zahlreiche Nischenmärkte erschlossen werden: kleinere Inseln, die zur Zeit auf die Stromerzeugung mittels teurer Kraftstoffe angewiesen sind. Während des Gezeitenwechsels können die Dieselgeneratoren abgestellt werden.

Maßgeblich an Entwicklung beteiligt sind u.a. das Institut für Elektrische Energietechnik / Rationelle Energiewandlung und für solare Energieversorgungstechnik (ISER) unter Leitung von Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schmid und das ISET (Institut für Solare Energieversorgungstechnik, Verein an der Gesamthochschule Kassel (GhK), ebenfalls unter Leitung Schmids an der GhK.

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