Wellenkraft – Wikipedia

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Dieser Artikel befasst sich mit dem Transport und der Aufnahme von Energie in Meereswellen. Für andere Aspekte von Wellen im Ozean siehe Windwelle. Für andere Verwendungen von Welle oder Wellen siehe Welle (Begriffsklärung).

Transport von Energie durch Windwellen und Einfangen dieser Energie, um nützliche Arbeit zu leisten

Azura auf dem Wave Energy Test Site (WETS) der US Navy auf Oahu

Der AMOG Wave Energy Converter (WEC), in Betrieb vor SW England (2019)

Der mWave-Konverter von Bombora Wave Power

Wellenkraftwerk mit pneumatischer Kammer

Wellenkraft ist das Einfangen der Energie von Windwellen, um nützliche Arbeiten zu verrichten – zum Beispiel Stromerzeugung, Wasserentsalzung oder Wasserpumpen. Eine Maschine, die Wellenkraft ausnutzt, ist ein Wellenenergiekonverter (WEZ).

Die Wellenkraft unterscheidet sich von der Gezeitenkraft, die die Energie der Strömung einfängt, die durch die Anziehungskraft von Sonne und Mond verursacht wird. Wellen und Gezeiten unterscheiden sich auch von Meeresströmungen, die durch andere Kräfte verursacht werden, einschließlich brechender Wellen, Wind, Coriolis-Effekt, Cabbeling und Temperatur- und Salzgehaltsunterschieden.

Die Erzeugung von Wellenenergie ist im Vergleich zu anderen etablierten erneuerbaren Energiequellen wie Windkraft, Wasserkraft und Solarenergie keine weit verbreitete kommerzielle Technologie. Allerdings gibt es seit mindestens 1890 Versuche, diese Energiequelle zu nutzen[1] vor allem wegen seiner hohen Leistungsdichte. Zum Vergleich: Die Leistungsdichte von Photovoltaikmodulen beträgt 1 kW/m²2 bei maximaler Sonneneinstrahlung und die Leistungsdichte des Windes beträgt 1 kW/m2 bei 12m/s; die durchschnittliche jährliche Leistungsdichte der Wellen an der Küste von San Francisco beträgt 25 kW/m2.[2]

Im Jahr 2000 wurde das weltweit erste kommerzielle Wave Power Device, das Islay LIMPET, an der Küste von Islay in Schottland installiert und an das National Grid angeschlossen.[3] 2008 wurde im Aguçadoura Wave Park die erste experimentelle Multi-Generator-Wellenfarm in Portugal eröffnet.[4]

Physikalische Konzepte[edit]

Vereinfachtes Design der Wave Power Station

Vereinfachtes Design der Wave Power Station

Wenn ein Objekt auf einer Welle in einem Teich auf und ab hüpft, folgt es ungefähr einer elliptischen Bahn.

Bewegung eines Teilchens in einer Ozeanwelle.
EIN = Bei tiefem Wasser. Die elliptische Bewegung von Flüssigkeitspartikeln nimmt mit zunehmender Tiefe unter der Oberfläche schnell ab.
B = Bei flachem Wasser (der Meeresboden ist jetzt bei B). Die elliptische Bewegung eines Flüssigkeitsteilchens wird mit abnehmender Tiefe abgeflacht.
1 = Ausbreitungsrichtung.
2 = Wellenkamm.
3 = Wellental.

Aufnahme der elliptischen Bahnen von Wasserpartikeln unter einer – progressiven und periodischen – Oberflächengravitationswelle in einer Wellenrinne. Die Wellenbedingungen sind: mittlere Wassertiefe D = 2,50 ft (0,76 m), Wellenhöhe h = 0,339 Fuß (0,103 m), Wellenlänge λ = 6,42 Fuß (1,96 m), Periode T = 1,12 s.[5]

Wellen werden durch Wind erzeugt, der über die Meeresoberfläche streicht. Solange sich die Wellen langsamer ausbreiten als die Windgeschwindigkeit knapp über den Wellen, findet eine Energieübertragung vom Wind auf die Wellen statt. Sowohl Luftdruckunterschiede zwischen der Aufwind- und der Leeseite eines Wellenberges, als auch die Reibung an der Wasseroberfläche durch den Wind, wodurch das Wasser in die Schubspannung übergeht, bewirkt das Wachstum der Wellen.[6]

Die Wellenhöhe wird durch die Windgeschwindigkeit, die Dauer des Windes, den Fetch (die Entfernung, über die der Wind die Wellen anregt) und durch die Tiefe und Topographie des Meeresbodens (der die Energie der Wellen bündeln oder verteilen kann) bestimmt ). Eine gegebene Windgeschwindigkeit hat eine passende praktische Grenze, über die Zeit oder Entfernung keine größeren Wellen erzeugen. Wenn diese Grenze erreicht ist, gilt das Meer als „voll entwickelt“.

Im Allgemeinen sind größere Wellen stärker, aber die Wellenleistung wird auch durch die Wellengeschwindigkeit, die Wellenlänge und die Wasserdichte bestimmt.

Die Schwingungsbewegung ist an der Oberfläche am höchsten und nimmt mit der Tiefe exponentiell ab. Bei stehenden Wellen (Clapotis) in der Nähe einer spiegelnden Küste ist die Wellenenergie jedoch auch in großer Tiefe als Druckschwingungen vorhanden, die Mikroseismen erzeugen.[6] Diese Druckschwankungen in größerer Tiefe sind zu klein, um aus Sicht der Wellenkraft interessant zu sein.

Die Wellen breiten sich auf der Meeresoberfläche aus und auch die Wellenenergie wird mit der Gruppengeschwindigkeit horizontal transportiert. Die mittlere Transportgeschwindigkeit der Wellenenergie durch eine vertikale Ebene von Einheitsbreite, parallel zu einem Wellenberg, wird als Wellenenergiefluss (oder Wellenleistung, die nicht mit der von einem Wellenkraftgerät erzeugten tatsächlichen Leistung verwechselt werden darf) bezeichnet.

Wellenkraftformel[edit]

In tiefen Gewässern, in denen die Wassertiefe größer als die halbe Wellenlänge ist, beträgt der Wellenenergiefluss[a]

mit P der Wellenenergiefluss pro Einheit der Wellenscheitellänge, hm0 die signifikante Wellenhöhe, Te die Wellenenergieperiode, ρ die Wasserdichte und g die Beschleunigung durch die Schwerkraft. Die obige Formel besagt, dass die Wellenleistung proportional zur Wellenenergieperiode und zum Quadrat der Wellenhöhe ist. Bei Angabe der signifikanten Wellenhöhe in Metern und der Wellenperiode in Sekunden ergibt sich die Wellenleistung in Kilowatt (kW) pro Meter Wellenfrontlänge.[7][8][9][10]

Beispiel: Betrachten Sie mäßige Meereswellen in tiefem Wasser, einige Kilometer vor einer Küste, mit einer Wellenhöhe von 3 m und einer Wellenenergieperiode von 8 s. Mit der Formel zum Auflösen nach Potenz erhalten wir

Das heißt, es gibt 36 Kilowatt Leistungspotential pro Meter Wellenberg.

Bei großen Stürmen sind die größten Wellen vor der Küste etwa 15 Meter hoch und haben eine Dauer von etwa 15 Sekunden. Nach obiger Formel tragen solche Wellen etwa 1,7 MW Leistung über jeden Meter Wellenfront.

Ein effektives Wellenenergiegerät fängt so viel wie möglich vom Wellenenergiefluss ein. Dadurch haben die Wellen im Bereich hinter der Wellenkraftanlage eine geringere Höhe.

Wellenenergie und Wellenenergiefluss[edit]

In einem Seegang ist die durchschnittliche (mittlere) Energiedichte pro Flächeneinheit von Schwerewellen auf der Wasseroberfläche nach der linearen Wellentheorie proportional zum Quadrat der Wellenhöhe:[6][11]

wo E ist die mittlere Wellenenergiedichte pro horizontaler Flächeneinheit (J/m2), die Summe aus kinetischer und potentieller Energiedichte pro horizontaler Flächeneinheit. Die potentielle Energiedichte ist gleich der kinetischen Energie,[6] beide tragen zur Hälfte zur Wellenenergiedichte bei E, wie aus dem Gleichverteilungssatz zu erwarten ist. Bei Meereswellen sind Oberflächenspannungseffekte für Wellenlängen über einigen Dezimetern vernachlässigbar.

Während sich die Wellen ausbreiten, wird ihre Energie transportiert. Die Energietransportgeschwindigkeit ist die Gruppengeschwindigkeit. Als Ergebnis ist der Wellenenergiefluss durch eine vertikale Ebene der Breiteneinheit senkrecht zur Wellenausbreitungsrichtung gleich:[13][6]

mit Cg die Gruppengeschwindigkeit (m/s). Aufgrund der Dispersionsrelation für Wasserwellen unter Einwirkung der Schwerkraft hängt die Gruppengeschwindigkeit von der Wellenlänge . ab λ, oder äquivalent, auf der Wellenperiode T. Weiterhin ist die Dispersionsrelation eine Funktion der Wassertiefe h. Dadurch verhält sich die Gruppengeschwindigkeit in den Grenzen von Tief- und Flachwasser sowie in Zwischentiefen unterschiedlich:[6][11]

Tiefseeeigenschaften und Möglichkeiten[edit]

Deepwater entspricht einer Wassertiefe von mehr als der halben Wellenlänge, was im Meer und Ozean üblich ist. Im tiefen Wasser breiten sich längerperiodische Wellen schneller aus und transportieren ihre Energie schneller. Die Tiefwassergruppengeschwindigkeit ist die halbe Phasengeschwindigkeit. In flachem Wasser ist die Gruppengeschwindigkeit für Wellenlängen größer als etwa das Zwanzigfache der Wassertiefe, wie sie häufig in Küstennähe zu finden sind, gleich der Phasengeschwindigkeit.[14]

Geschichte[edit]

Das erste bekannte Patent zur Nutzung von Energie aus Meereswellen stammt aus dem Jahr 1799 und wurde von Girard und seinem Sohn in Paris eingereicht.[15] Eine frühe Anwendung der Wellenkraft war ein Gerät, das um 1910 von Bochaux-Praceique konstruiert wurde, um sein Haus in Royan in der Nähe von Bordeaux in Frankreich zu beleuchten und mit Energie zu versorgen.[16] Es scheint, dass dies das erste oszillierende Wassersäulen-Wellenenergiegerät war.[17] Von 1855 bis 1973 wurden allein in Großbritannien bereits 340 Patente angemeldet.[15]

Das moderne wissenschaftliche Streben nach Wellenenergie wurde in den 1940er Jahren durch die Experimente von Yoshio Masuda vorangetrieben.[18] Er testete verschiedene Konzepte von Wellenenergiegeräten auf See, wobei mehrere hundert Einheiten zur Stromversorgung von Navigationslichtern verwendet wurden. Dazu gehörte das Konzept der Extraktion von Kraft aus der Winkelbewegung an den Gelenken eines gegliederten Floßes, das in den 1950er Jahren von Masuda vorgeschlagen wurde.[19]

Ein erneutes Interesse an Wellenenergie wurde durch die Ölkrise 1973 motiviert. Eine Reihe von Universitätsforschern untersuchten das Potenzial zur Energiegewinnung aus Meereswellen erneut, darunter insbesondere Stephen Salter von der University of Edinburgh und Johannes Falnes vom Norwegian Institute of Technology (später fusioniert in die Norwegische Universität für Wissenschaft und Technologie), Michael E. McCormick von der US Naval Academy, David Evans von der Bristol University, Michael French von der University of Lancaster, Nick Newman und CC Mei vom MIT.

Stephen Salters Erfindung von 1974 wurde als Salters Ente oder bekannt nickende Ente, obwohl es offiziell als Edinburgh Duck bezeichnet wurde. In kontrollierten Tests im kleinen Maßstab kann der gekrümmte, nockenähnliche Körper der Ente 90 % der Wellenbewegung stoppen und 90 % davon in Elektrizität umwandeln, was einen Wirkungsgrad von 81 % ergibt.[20]

In den 1980er Jahren, als der Ölpreis sank, wurde die Finanzierung von Wellenenergie drastisch reduziert. Dennoch wurden einige Prototypen der ersten Generation auf See getestet. In jüngerer Zeit, nach dem Klimawandel, wächst weltweit wieder das Interesse an erneuerbaren Energien, einschließlich der Wellenenergie.[21]

Die weltweit erste Testanlage für Meeresenergie wurde 2003 gegründet, um die Entwicklung einer Wellen- und Gezeitenenergieindustrie in Großbritannien anzukurbeln. Das European Marine Energy Centre (EMEC) mit Sitz in Orkney, Schottland, hat den Einsatz von mehr Wellen- und Gezeitenenergiegeräten als an jedem anderen Standort der Welt unterstützt. EMEC bietet eine Vielzahl von Teststandorten unter realen Seebedingungen. Sein netzgekoppelter Wellenteststandort befindet sich in Billia Croo, am westlichen Rand des Orkney-Festlandes, und ist der vollen Kraft des Atlantischen Ozeans ausgesetzt, wobei dort eine Meereshöhe von bis zu 19 Metern gemessen wurde. Zu den Entwicklern von Wellenenergie, die derzeit im Zentrum testen, gehören Aquamarine Power, Pelamis Wave Power und ScottishPower Renewables.

Moderne Technologie[edit]

Wellenenergiegeräte werden im Allgemeinen kategorisiert nach: Methode verwendet, um die Energie der Wellen einzufangen oder zu nutzen, durch Lage und durch die Zapfwellensystem. Standorte sind Küstenlinie, Nearshore und Offshore. Zu den Arten von Nebenantrieben gehören: Hydraulikzylinder, Elastomerschlauchpumpe, Pump-to-Shore, Wasserturbine, Luftturbine,[22] und linearer elektrischer Generator. Bei der Bewertung der Wellenenergie als Technologietyp ist es wichtig, zwischen den vier gängigsten Ansätzen zu unterscheiden: Punktabsorberbojen, Oberflächendämpfer, oszillierende Wassersäulen und Überlaufvorrichtungen.

Generische Wellenenergiekonzepte: 1. Punktabsorber, 2. Dämpfungsglied, 3. Schwingwellen-Überspannungswandler, 4. Schwingende Wassersäule, 5. Überlaufvorrichtung, 6. Untergetauchte Druckdifferenz, 7. Schwimmende In-Luft-Wandler.

Punktabsorberboje[edit]

Dieses Gerät schwimmt auf der Wasseroberfläche, gehalten von Kabeln, die mit dem Meeresboden verbunden sind. Der Punktabsorber ist so definiert, dass er eine Vorrichtungsbreite hat, die viel kleiner ist als die einfallende Wellenlänge . Ein guter Punktabsorber hat die gleichen Eigenschaften wie ein guter Wavemaker. Die Wellenenergie wird absorbiert, indem eine Welle mit destruktiver Interferenz auf die ankommenden Wellen abgestrahlt wird. Bojen nutzen das Steigen und Sinken von Dünungen zur Stromerzeugung auf verschiedene Weise, unter anderem direkt über Lineargeneratoren,[23] oder über Generatoren, die von mechanischen Linear-Rotations-Wandlern angetrieben werden[24] oder Hydraulikpumpen.[25]Elektromagnetische Felder, die durch elektrische Übertragungskabel und die Akustik dieser Geräte erzeugt werden, können für Meeresorganismen ein Problem darstellen. Das Vorhandensein der Bojen kann Fische, Meeressäuger und Vögel als potenzielles kleineres Kollisionsrisiko und Schlafplätze beeinträchtigen. Auch ein Verheddern in Festmacherleinen ist möglich. Die den Wellen entzogene Energie kann sich auch auf die Küstenlinie auswirken, was zu der Empfehlung führt, dass die Standorte einen beträchtlichen Abstand zum Ufer haben.[26]

Oberflächendämpfer[edit]

Diese Vorrichtungen wirken ähnlich wie die oben erwähnten Punktabsorberbojen, wobei mehrere schwimmende Segmente miteinander verbunden und senkrecht zu einfallenden Wellen ausgerichtet sind. Durch Wellen wird eine Biegebewegung erzeugt, und diese Bewegung treibt Hydraulikpumpen an, um Strom zu erzeugen. Die Umweltauswirkungen sind denen von Punktabsorberbojen ähnlich, mit der zusätzlichen Sorge, dass Organismen in die Gelenke eingeklemmt werden könnten.[26]

Überspannungswandler für oszillierende Wellen[edit]

Ein Ende dieser Vorrichtungen ist typischerweise an einer Struktur oder dem Meeresboden befestigt, während das andere Ende frei beweglich ist. Energie wird aus der Relativbewegung des Körpers im Vergleich zum Fixpunkt gewonnen. Überspannungswandler für oszillierende Wellen werden oft in Form von Schwimmern, Klappen oder Membranen angeboten. Zu den Umweltbedenken zählen ein geringes Kollisionsrisiko, künstliches Reffen in der Nähe des Fixpunktes, elektromotorische Kraftwirkungen von Unterseekabeln und Energieentzug, der den Sedimenttransport bewirkt.[26] Einige dieser Designs enthalten parabolische Reflektoren, um die Wellenenergie am Erfassungspunkt zu erhöhen. Diese Einfangsysteme nutzen die Auf- und Abbewegung von Wellen, um Energie einzufangen.[27] Sobald die Wellenenergie an einer Wellenquelle eingefangen wurde, muss der Strom über Übertragungskabel zum Verwendungsort oder zu einem Anschluss an das Stromnetz transportiert werden.[28]

Oszillierende Wassersäule[edit]

Oszillierende Wassersäulengeräte können an Land oder in tieferen Gewässern vor der Küste aufgestellt werden. Mit einer in das Gerät integrierten Luftkammer komprimiert die Luft in den Kammern die Luft durch eine Luftturbine, um Strom zu erzeugen.[29] Wenn Luft durch die Turbinen gepresst wird, wird ein erheblicher Lärm erzeugt, der möglicherweise Vögel und andere Meeresorganismen in der Nähe des Geräts beeinträchtigt. Es gibt auch Bedenken, dass Meeresorganismen in den Luftkammern eingeschlossen oder verfangen werden.[26]

Überlaufvorrichtung[edit]

Overtoping-Geräte sind lange Strukturen, die die Wellengeschwindigkeit nutzen, um ein Reservoir auf einen höheren Wasserstand als den umgebenden Ozean zu füllen. Die potentielle Energie in der Speicherhöhe wird dann mit Niedrigfallturbinen erfasst. Geräte können entweder an Land oder schwimmend auf See sein. Schwimmende Geräte haben Umweltbedenken hinsichtlich des Verankerungssystems, das benthische Organismen, Organismen, die sich verheddern, oder elektromotorische Kraftwirkungen, die von Unterwasserkabeln erzeugt werden, beeinflussen. Es gibt auch einige Bedenken hinsichtlich des geringen Turbinenlärms und der Entfernung von Wellenenergie, die sich auf das Nahfeldlebensraum auswirken.[26]

Differenzdruck unter Wasser[edit]

Wandler auf der Basis von eingetauchten Druckdifferenzen sind eine vergleichsweise neuere Technologie [30] Verwendung von flexiblen (normalerweise verstärktem Gummi) Membranen, um Wellenenergie zu extrahieren. Diese Wandler verwenden die Druckdifferenz an verschiedenen Stellen unterhalb einer Welle, um eine Druckdifferenz innerhalb eines geschlossenen Nebenantriebs-Fluidsystems zu erzeugen. Diese Druckdifferenz wird normalerweise verwendet, um eine Strömung zu erzeugen, die eine Turbine und einen elektrischen Generator antreibt. Untergetauchte Differenzdruckwandler verwenden häufig flexible Membranen als Arbeitsfläche zwischen dem Ozean und dem Zapfwellensystem. Membranen bieten gegenüber starren Strukturen den Vorteil, dass sie nachgiebig und massearm sind, was eine direktere Kopplung mit der Wellenenergie bewirken kann. Ihre nachgiebige Natur ermöglicht auch große Änderungen in der Geometrie der Arbeitsfläche, die verwendet werden kann, um das Verhalten des Wandlers auf bestimmte Wellenbedingungen abzustimmen und ihn unter extremen Bedingungen vor übermäßigen Belastungen zu schützen.

Ein untergetauchter Konverter kann entweder auf dem Meeresboden oder in der Mitte des Wassers positioniert werden. In beiden Fällen ist der Konverter vor Wasserschlagbelastungen geschützt, die an der freien Oberfläche auftreten können. Wellenlasten nehmen auch nichtlinear proportional zum Abstand unter der freien Oberfläche ab. Das bedeutet, dass durch die Optimierung der Eintauchtiefe eines solchen Konverters ein Kompromiss zwischen Schutz vor extremen Belastungen und Zugang zur Wellenenergie gefunden werden kann. Versunkene WEA haben auch das Potenzial, die Auswirkungen auf die Meereslandschaft und die Navigation zu verringern, da sie sich nicht an der Oberfläche befinden.

Schwimmende In-Air-Konverter[edit]

Der erkannte Bedarf an erhöhter Zuverlässigkeit in der Wellenenergiewandlertechnologie hat diese Gruppe von Konzepten hervorgebracht. Schwimmende In-Air-Konverter bieten eine potenziell erhöhte Zuverlässigkeit von Maschinenkomponenten, da sie sich über dem Meerwasser befinden, wo eine einfache Inspektion und Wartung möglich ist. Beispiele für verschiedene Konzepte von schwimmenden In-Luft-Konvertern sind in #7 der Abbildung gezeigt. 7a) Energieextraktionssysteme vom Rolldämpfungstyp mit Turbinen in Abteilen, die schwappendes Frischwasser enthalten; 7b) Pendelsysteme mit horizontaler Achse; 7c) Pendelsysteme mit vertikaler Achse.

Auswirkungen auf die Umwelt[edit]

Häufige Umweltbedenken im Zusammenhang mit der Entwicklung der Meeresenergie sind:

Die Tethys-Datenbank bietet Zugang zu wissenschaftlicher Literatur und allgemeinen Informationen zu den möglichen Umweltauswirkungen von Wellenenergie.[31]

Potenzial[edit]

Die weltweite Ressource für Küstenwellenenergie wird auf mehr als 2 TW geschätzt.[32]

Zu den Standorten mit dem größten Potenzial für Wellenkraft gehören die Westküste Europas, die Nordküste Großbritanniens und die Pazifikküsten Nord- und Südamerikas, des südlichen Afrikas, Australiens und Neuseelands. Die nördlichen und südlichen gemäßigten Zonen haben die besten Standorte, um Wellenkraft einzufangen. Die vorherrschenden Westwinde in diesen Zonen wehen im Winter am stärksten.

Das National Renewable Energy Laboratory (NREL) hat für verschiedene Nationen auf der ganzen Welt Schätzungen bezüglich der Energiemenge erstellt, die von Wellenenergiewandlern (WECs) an ihren Küsten erzeugt werden könnte. Insbesondere für die Vereinigten Staaten wird geschätzt, dass die Gesamtenergiemenge, die entlang ihrer Küstenlinien erzeugt werden könnte, 1170 TWh pro Jahr entspricht, was ungefähr 10 kWh pro US-Bürger pro Tag entspricht. Das sind fast 5 % des gesamten Energieverbrauchs pro Durchschnittsbürger, einschließlich Verkehr und Industrie.[33] Das klingt zwar vielversprechend, aber die Küstenlinie entlang Alaskas machte ca. 50 % der gesamten Energie, die innerhalb dieser Schätzung erzeugt wird. In Anbetracht dessen müsste die richtige Infrastruktur vorhanden sein, um diese Energie von den Küsten Alaskas auf das Festland der Vereinigten Staaten zu übertragen, um den Energiebedarf der Vereinigten Staaten angemessen zu decken. Diese Zahlen zeigen jedoch das große Potenzial dieser Technologien, wenn sie weltweit eingesetzt werden, um die Suche nach erneuerbaren Energiequellen zu befriedigen.

WEA wurden in der Forschung intensiv untersucht, insbesondere in Bezug auf ihre Effizienz und den Transport der von ihnen erzeugten Energie. NREL hat gezeigt, dass diese WEA einen Wirkungsgrad von fast 50 % haben können.[33] Dies ist eine phänomenale Effizienzbewertung unter der erneuerbaren Energieerzeugung. Zum Vergleich: Wirkungsgrade von über 10 % bei Solarmodulen gelten als praktikabel für eine nachhaltige Energieerzeugung.[34] Somit ist ein Wert von 50 % Wirkungsgrad für eine erneuerbare Energiequelle äußerst praktikabel für die zukünftige Entwicklung erneuerbarer Energiequellen, die weltweit umgesetzt werden sollen. Darüber hinaus wurden Forschungsarbeiten durchgeführt, die kleinere WEA und ihre Rentabilität untersuchten, insbesondere in Bezug auf die Leistungsabgabe. Ein Forschungsprojekt zeigte großes Potenzial mit kleinen, an Bojen erinnernden Geräten, die in der Lage sind, bei verschiedenen Wellenbedingungen und Schwingungen und Gerätegrößen (bis zu einer etwa zylindrischen 21 kg-Boje) eine Leistung von mehr als 6 MW zu erzeugen.[35] Noch weitere Forschungen haben zur Entwicklung kleinerer, kompakter Versionen aktueller WEA geführt, die die gleiche Energiemenge erzeugen und dabei etwa die Hälfte der benötigten Fläche für aktuelle Geräte verbrauchen.[36]

Weltkarte der Wellenenergieressourcen

Herausforderungen[edit]

Es gibt potenzielle Auswirkungen auf die Meeresumwelt. Lärmbelästigung zum Beispiel könnte negative Auswirkungen haben, wenn sie nicht überwacht wird, obwohl der Lärm und die sichtbaren Auswirkungen der einzelnen Konstruktionen stark variieren.[9] Andere biophysikalische Auswirkungen (Flora und Fauna, Sedimentregime sowie Struktur und Strömungen der Wassersäule) der Erweiterung der Technologie werden untersucht.[37] Im Hinblick auf sozioökonomische Herausforderungen können Wellenfarmen zur Vertreibung von Berufs- und Freizeitfischern aus produktiven Fischgründen führen, das Muster der Strandsandernährung verändern und eine Gefahr für die sichere Navigation darstellen.[38] Darüber hinaus sind unterstützende Infrastrukturen wie Offshore-Netzanbindungen nicht überall verfügbar.[39] Offshore-Einsätze von WEA und Unterwasser-Umspannwerken unterliegen komplizierten Verfahren, die Unternehmen, die in diesen Anwendungen arbeiten, übermäßig belasten können. 2019 wurde beispielsweise die schwedische Produktionstochter Seabased Industries AB aufgrund „umfangreicher Herausforderungen in den letzten Jahren, sowohl praktisch als auch finanziell“ liquidiert.[40]

Wellenfarmen[edit]

Eine Gruppe von Wellenenergieanlagen, die am selben Ort eingesetzt werden, wird als Wellenpark, Wellenkraftwerk oder Wellenenergiepark bezeichnet. Wellenfarmen stellen eine Lösung dar, um eine größere Stromproduktion zu erreichen. Die Geräte eines Parks werden hydrodynamisch und elektrisch miteinander interagieren, abhängig von der Anzahl der Maschinen, der Entfernung zwischen ihnen, der geometrischen Anordnung, dem Wellenklima, der lokalen Geometrie, den Steuerungsstrategien. Der Entwurfsprozess eines Wellenenergieparks ist ein Multi-Optimierungsproblem mit dem Ziel, eine hohe Stromproduktion und geringe Kosten und Leistungsschwankungen zu erzielen.[41]

Wellenfarmprojekte[edit]

Australien[edit]

  • Bombora-Wellenkraft[42] hat seinen Sitz in Perth, Western Australia und entwickelt derzeit den mWave[43] flexibler Membrankonverter. Bombora bereitet derzeit ein kommerzielles Pilotprojekt in Peniche, Portugal, vor und hat ein Büro in den Pembrokeshire Docks. [44]
  • Eine CETO-Wellenfarm vor der Küste Westaustraliens wurde zum Nachweis der kommerziellen Rentabilität betrieben und nach einer vorläufigen Umweltgenehmigung weiterentwickelt.[45][46] Anfang 2015 wurde ein Multi-Megawatt-System im Wert von 100 Millionen US-Dollar an das Netz angeschlossen, wobei der gesamte Strom für den Betrieb des Marinestützpunkts HMAS Stirling gekauft wurde. Zwei vollständig versenkte Bojen, die am Meeresboden verankert sind, übertragen die Energie aus dem Seegang durch hydraulischen Druck an Land; einen Generator für Strom anzutreiben und auch Frischwasser zu produzieren. Ab 2015 eine dritte Boje ist für die Installation geplant.[47][48]
  • Ocean Power Technologies (OPT Australasia Pty Ltd) entwickelt einen Wellenpark, der in der Nähe von Portland, Victoria, über ein 19-MW-Wellenkraftwerk ans Netz angeschlossen ist. Das Projekt hat einen Zuschuss von 66,46 Millionen AU $ von der australischen Bundesregierung erhalten.[49]
  • Oceanlinx plante einen kommerziellen Demonstrator vor der Küste Südaustraliens in Port MacDonnell. Das Unternehmen ging 2014 in Konkursverwaltung. Ihr Gerät, die greenWAVE, hatte eine geplante elektrische Nennleistung von 1 MW. Das Projekt wurde von ARENA durch das Emerging Renewables Program unterstützt. Die greenWAVE Das Gerät war eine am Boden stehende Schwerkraftstruktur, die keine Verankerung oder Vorbereitung des Meeresbodens erforderte und keine beweglichen Teile unter der Wasseroberfläche hatte.[50]
  • Wellen-Swell-Energie[51] installiert einen Versuchswellengenerator im Hafen von Grassy, ​​King Island.[52][53] Es handelt sich um eine 200-kW-Einheit, die an das bestehende Mikronetz der Insel angeschlossen wird, das auch Wind, Sonne, Batterie und Diesel nutzt.[54]

Portugal[edit]

  • Die Aguçadoura Wave Farm war die erste Wellenfarm der Welt. Es befand sich 5 km (3 Meilen) vor der Küste in der Nähe von Póvoa de Varzim, nördlich von Porto, Portugal. Die Farm wurde so konzipiert, dass sie mit drei Pelamis-Wellenenergiewandlern die Bewegung der Meeresoberflächenwellen in Elektrizität umwandelt 2,25 MW in der installierten Gesamtleistung. Der Hof erzeugte im Juli 2008 erstmals Strom[55] und wurde am 23. September 2008 vom portugiesischen Wirtschaftsminister offiziell eröffnet.[56][57] Die Wellenfarm wurde zwei Monate nach der offiziellen Eröffnung im November 2008 aufgrund des finanziellen Zusammenbruchs von Babcock & Brown aufgrund der Weltwirtschaftskrise geschlossen. Die Maschinen befanden sich zu diesem Zeitpunkt aufgrund technischer Probleme außerhalb des Standorts. Obwohl sie behoben wurden, kehrten sie nicht an den Standort zurück und wurden 2011 verschrottet, da die Technologie auf die P2-Variante übergegangen war, die an E.ON und Scottish Renewables geliefert wurde.[58] In einer zweiten Projektphase soll die installierte Leistung auf 21 MW mit weiteren 25 Pelamis-Maschinen[59] ist nach dem finanziellen Zusammenbruch von Babcock zweifelhaft.

Schweden[edit]

  • Die Wellenenergie-Forschungsgruppe der Universität Uppsala hat eine Lineargenerator-Wellenenergie-Wandlertechnologie entwickelt. Das erste Gerät in Originalgröße wurde 2006 auf einem Forschungstestgelände außerhalb der Stadt Lysekil an der Westküste Schwedens installiert und getestet. Neben den Studien zur Stromerzeugung werden auch Studien zum Einfluss von Wellenenergiemaschinen auf die Meeresumwelt untersucht.[60][61] Parallel zu diesen Studien leitete die Forschungsgruppe der Universität Uppsala das von der Europäischen Union geförderte WESA-Projekt (Wave Energy for a Sustainable Archipelago) von 2011 bis 2013. Im Mittelpunkt dieses Projekts stand die Untersuchung der Möglichkeiten für den Betrieb einer Wellenkraftanlage in eisiger Umgebung wie der Ostsee.[62]

Vereinigtes Königreich[edit]

  • Die Islay LIMPET wurde im Jahr 2000 installiert und an das National Grid angeschlossen und ist die weltweit erste kommerzielle Wellenkraftanlage. Es wurde 2012 außer Betrieb genommen und Wavegen, das Unternehmen, das es hergestellt hat, wurde 2013 geschlossen.[63]
  • Förderung für a 3 MW Wellenfarm in Schottland wurde am 20. Februar 2007 von der schottischen Exekutive mit einem Preis von über 4 Millionen Pfund als Teil eines 13 Millionen Pfund Sterling umfassenden Finanzierungspakets für Schiffsenergie in Schottland angekündigt. Die erste Maschine wurde im Mai 2010 auf den Markt gebracht.[64] Die hinter dem Projekt stehende Firma Pelamis ging 2014 in die Verwaltung.[65]
  • Vor der Nordküste von Cornwall, England, wurde eine Anlage namens Wave Hub gebaut, um die Entwicklung der Wellenenergie zu erleichtern. Der Wave-Hub wird als riesiges Verlängerungskabel fungieren, mit dem mehrere Geräte zur Erzeugung von Wellenenergie an das Stromnetz angeschlossen werden können. Der Wave-Hub erlaubt zunächst 20 MW der anzuschließenden Kapazität, mit möglicher Erweiterung auf 40 MW. Vier Gerätehersteller haben seit 2008[needs update] bekundete Interesse an einer Verbindung mit dem Wave-Hub.[66][67] Die Wissenschaftler haben berechnet, dass die am Wave Hub gesammelte Wellenenergie ausreichen wird, um bis zu 7.500 Haushalte zu versorgen. Der Standort hat das Potenzial, in den nächsten 25 Jahren Treibhausgasemissionen von rund 300.000 Tonnen Kohlendioxid einzusparen.[68] Wave Hub wurde kritisiert[by whom?] im Jahr 2018, nachdem es keinen netzgekoppelten Strom produziert hatte.[69]
  • Eine Studie der Strathclyde University und des Imperial College aus dem Jahr 2017 konzentrierte sich auf das Versäumnis, „marktreife“ Wellenenergiegeräte zu entwickeln – trotz eines Vorstoßes der britischen Regierung von über 200 Millionen Pfund in den letzten 15 Jahren – und darauf, wie die Wirksamkeit zukünftiger staatlicher Unterstützung verbessert werden kann.[70]
  • Ein von AMOG Consulting entworfenes Gerät im Maßstab 1:3 wurde im europäischen Sommer 2019 bei FaBTest erfolgreich eingesetzt. Finanzielle Unterstützung für den Einsatz kam aus dem Marine-i-Programm im Rahmen des Regionalentwicklungszuschusses der Europäischen Union und der Cornwall Development Company. Das Gerät wurde von Mainstay Marine in Wales gebaut, von KML aus SW England installiert und bei AMC/University of Tasmania und University of Plymouth Tank getestet.[71][72] Es hat einen schiffsförmigen Rumpf mit einem In-Air-Pendel, das so abgestimmt ist, dass es die Wellenbewegung absorbiert, und nicht der Rumpf. Auf dem Pendel befindet sich eine Zapfwelle, deren Strom lokal durch in das Meerwasser getauchte Tauchsieder erzeugt und abgeführt wird. Die maximale Leistung des Geräts beträgt 75 kW.

Vereinigte Staaten[edit]

  • Reedsport, Oregon – ein kommerzieller Wellenpark an der Westküste der Vereinigten Staaten, der sich 2,5 Meilen vor der Küste in der Nähe von Reedsport, Oregon, befindet. Die erste Phase dieses Projekts umfasst zehn PB150 PowerBuoys oder 1,5 Megawatt.[73][74] Die Reedsport-Wellenfarm sollte im Frühjahr 2013 installiert werden.[75] 2013 war das Projekt wegen rechtlicher und technischer Probleme zum Erliegen gekommen.[76]
  • Kaneohe Bay Oahu, Hawaii – Das Wave Energy Test Site (WETS) der Navy testet derzeit das Azura-Wellenkraftwerk[77] Die Azura-Wellenenergieanlage ist ein 45-Tonnen-Wellenenergiewandler, der sich in einer Tiefe von 30 Metern (98 Fuß) in der Kaneohe Bay befindet.[78]

Patente[edit]

  • WIPO-Patentanmeldung WO2016032360 — 2016 Pumpspeichersystem – Patentanmeldung „Druckpuffernde Wasserkraft“
  • US-Patent 8.806.865 — 2011 Gerät zur Nutzung von Meereswellenenergie – Pelamis/Salter’s Duck Hybrid Patent
  • US-Patent 3,928,967 — 1974 Vorrichtung und Verfahren zur Gewinnung von Wellenenergie – Das Originalpatent “Salter’s Duck”
  • US-Patent 4,134,023 — 1977 Gerät zur Verwendung bei der Gewinnung von Energie aus Wellen auf Wasser – Salters Methode zur Verbesserung der „Enten“-Effizienz
  • US-Patent 6.194.815 — 1999 Piezoelektrischer rotierender elektrischer Energiegenerator
  • US-Patent 1.930.958 — 1932 Wellenmotor – Parsons Ocean Power Plant – Herring Cove Nova Scotia – März 1925. Die weltweit erste kommerzielle Anlage zur Umwandlung von Meereswellenenergie in elektrische Energie. Designer – Osborne Havelock Parsons – geboren 1873 Petitcodiac, New Brunswick.
  • Wellenenergiewandler, die Druckunterschiede nutzen US 20040217597 A1 — 2004 Wellenenergiewandler, die Druckunterschiede nutzen[79]

Siehe auch[edit]

  1. ^ Der Energiefluss ist
  2. ^ Hier ist der Faktor für Zufallswellen 1/16, im Gegensatz zu 1/8 für periodische Wellen – wie nachfolgend erläutert. Für eine Sinuswelle mit kleiner Amplitude
  3. ^ Zur Bestimmung der Gruppengeschwindigkeit wird die Kreisfrequenz ω wird als Funktion der Wellenzahl betrachtet k, oder äquivalent die Periode T als Funktion der Wellenlänge λ.

Verweise[edit]

  1. ^ Christine Miller (August 2004). “Wellen- und Gezeitenenergie-Experimente in San Francisco und Santa Cruz”. Archiviert aus dem Original vom 2. Oktober 2008. Abgerufen 16. August 2008.
  2. ^ Tschechisch, B.; Bauer, P. (Juni 2012). „Wave Energy Converter Concepts: Designherausforderungen und Klassifizierung“. IEEE Industrieelektronik-Magazin. 6 (2): 4-16. mach:10.1109/MIE.2012.2193290. ISSN 1932-4529. S2CID 31096895.
  3. ^ “Weltweit erstes kommerzielles Wellenkraftwerk in Schottland in Betrieb genommen”. Archiviert aus dem Original vom 5. August 2018. Abgerufen 5. Juni, 2018.
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Weiterlesen[edit]

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Externe Links[edit]


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