Die Kraft des Mondes – Innovationen bei Gezeitenkraftwerken

Eine Innovationsanalyse mittels Patentrecherche

Sir Isaac Newton verdanken wir die grundlegende physikalische Erkenntnis, dass Körper sich anziehen. So führten seine Beobachtungen eines zu Boden fallenden Apfels zur Entdeckung der Gravitationskraft der Erde.

Heute wissen wir, dass diese Gravitationskraft unsere Umwelt und unser Leben auf der Erde entscheidend gestaltet. Das immer wiederkehrende Auf und Ab des Meeresspiegels gehört auch zu den Phänomenen, die durch diese elementare Kraft entstehen. Die Gravitationskräfte des Mondes, der Sonne und der Erde spielen bei dem Entstehen von Ebbe und Flut eine wichtige Rolle. Und es müssen enorme Kräfte sein, denn hier wird das Wasser ganzer Ozeane bewegt, warum sich nicht dieser Kräfte bedienen – zum Beispiel zur Energiegewinnung!

Illustration der Plattform Triton von Schottel Hydro, © Schottel Hydro

Nach der Ebbe kommt die Flut

Das ist so und war schon immer so. Küstenbewohner in Europa haben schon vor Jahrhunderten erkannt, dass sie die immer wiederkehrende Kraft der Gezeiten auch für sich nutzen können. Sie bauten sogenannte Gezeitenmühlen, die Vorläufer eines Gezeitenkraftwerks.

Heutige Gezeitenkraftwerke der konventionellen Bauart gehen in ihrer Funktionsart auf diese Gezeitenmühlen zurück. Sie bestehen aus einer Staumauer, die das Flutwasser zurückhält. In die Staumauer sind Turbinen eingebaut, die durch das ablaufende bzw. einströmende Wasser angetrieben werden und so Strom erzeugen können. Die Leistung eines konventionellen Gezeitenkraftwerks hängt entscheidend von der Höhe der Gezeitenwelle (im Englischen „tide“), der Anzahl der Turbinen und der Menge des aufgestauten Wassers ab. Nur an wenigen Standorten auf der Welt sind die geographischen Bedingungen so, dass ein Gezeitenkraftwerk wirtschaftlich betrieben werden kann.

Das bekannteste Beispiel ist das Gezeitenkraftwerk in St. Malo an der französischen Atlantikküste. Hier liegt der normale Tidenhub bei 12 Metern. Das Kraftwerk erzeugt jährlich ca. 600 GWh, das entspricht 0,2 % des französischen Strombedarfs. Die benötigte Staumauer greift immer auch in die Umwelt der betroffenen Küstenregion ein, oft mit starken Auswirkungen auf die Flora und Fauna, daher sind Gezeitenkraftwerke ökologisch umstritten.

Neueste Generation von Gezeitenkraftwerken

Der BINE Informationsdienst http://www.bine.info von FIZ Karlsruhe unterrichtet knapp und verständlich über aktuelle Entwicklungen aus der Energieforschung für die Praxis. In einer News berichtete BINE Informationsdienst vor kurzem über einen Prototyp der neuesten Generation von Gezeitenkraftwerken. Diese ähneln in ihrem Aufbau mehr einem Windpark unter Wasser. Es gibt keine Staumauer mehr, sondern die Turbinen hängen direkt im Tide-Meeresstrom. Diese Unterwasser-Strömungsräder sind wartungsarm und leicht zu installieren.

Die Investitions- und Betriebskosten sind sehr viel geringer als bei herkömmlichen Gezeitenkraftwerken. Eine Pilotanlage wird vor der kanadischen Küste in der Bay of Fundy gebaut und 2017 vollständig in Betrieb genommen.

Abb. 1: Patentzeichnung (Schottel, 2012)

Technisches Herzstück des Kraftwerks sind die neu entwickelten Turbinen. Sie sind an Plattformen auf dem Meeresboden befestigt und richten sich automatisch in die Meeresströmung aus. Das Meerwasser kühlt gleichzeitig die Generatoren der Turbinen. Die Firma Schottel Hydro hat diese besonders leichten und robusten Turbinen entwickelt. Sie hängen an wassergefüllten Rümpfen und schweben bei Betrieb quasi im Wasser. Zur Wartung werden die Rümpfe geleert – der dabei entstehende Auftrieb sorgt dafür, dass sie mitsamt den Turbinen an die Meeresoberfläche aufsteigen.

Wer aber ist die Firma Schottel Hydro, die an der Entwicklung des Gezeitenkraftwerks der neuesten Generation maßgeblich beteiligt ist? Schottel Hydro gehört zu der Unternehmensgruppe Schottel und entwickelt in ihrem Hauptgeschäftsfeld Antriebs- und Manövriersysteme für Schiffe. Gedanklich ist der Schritt vom Propeller eines Schiffsmotors zum Propeller einer Strömungsturbine nicht weit. Einiges Know-how und Expertise ist übertragbar und somit ein eindeutiger Wettbewerbsvorteil.

STN Patentrecherche beleuchtet das Marktumfeld genauer

Eine Recherche in der Patendatenbank Derwent World Patents Index (DWPI) bringt noch weitere interessante Details ans Licht. Dabei wird jede Patentanmeldung als ein deutliches Indiz für technische Weiterentwicklung und Innovation gewertet. So geben Patente einen Hinweis auf das Interesse einer Firma sich in dem Markt zu behaupten oder zu etablieren. Diese Recherche wurde auf der neuen STN-Plattform durchgeführt. Hier stehen starke Analyse-Optionen zur Verfügung, die einen qualifizierten Blick auf die Entwicklungen in der Branche geben. Durch nur wenige Analyseschritte können marktrelevante Informationen generiert werden. Immer wichtig zu wissen: Wer sind die Mitbewerber und wie ist ihre Stärke im Markt einzuschätzen?

Danach ist die Unternehmensgruppe Schottel erst relativ kurz auf dem Markt für erneuerbare Energie aktiv, ein Quereinsteiger sozusagen. Ein erstes Patent zu der neu konzipierten Turbine für Gezeitenkraftwerke wurde im Jahr 2010 angemeldet, es folgten Patente in den Jahren 2011 und 2012. Vorher hatte Schottel ausschließlich Patente zu Schiffsantrieb und -steuerung angemeldet, das zeigt auch die Auswertung der Schottel-Patente. Die statistische Auswertung aller Patente von 2004 bis heute zeigt aber auch, dass es noch keinen wirklich Platzhirsch gibt. Kein Unternehmen hat bisher deutlich mehr Patente angemeldet als andere.

Die stärksten Mitbewerber sind zurzeit der deutsche Technologiekonzern Voith, Tidal Generation Ltd (von Alstom 2013 übernommen), Openhydro IP Ltd sowie die Universität Dalian in China. Generell sind die Patentanmeldungen in den letzten zehn Jahren kontinuierlich angestiegen – offensichtlich werden mit dieser Technologie Chancen im Markt für erneuerbare Energien gesehen.

Abb. 3: Zahl der Erstveröffentlichungen internationaler Patentanmeldungen im Bereich Gezeitenkraftwerke für den Zeitraum 2004 bis 2013, die eingezeichnete Trendlinie zeigt stark ansteigende Anmeldezahlen (die Zahlen von 2014 sind noch nicht aussagekräftig

Gleichwohl fristen moderne Gezeitenkraftwerke bisher ein Nischendasein gegenüber den anderen regenerativen Energiequellen. Diverse Pilotanlagen sind in Betrieb und werden zeigen, ob diese Technologie in Zukunft für unsere Stromerzeugung vermehrt eingesetzt werden kann. Noch befindet sich der Markt im Experimentier-Modus, an der optimalen Technik wird noch geforscht.

Es bleibt abzuwarten, ob die Firma Schottel Hydro sich auf dem relativ jungen Markt für Strömungskraftwerke etablieren kann. Viel wird davon abhängen, ob die Demonstrationsanlage vor der kanadischen Küste sich in der Praxis bewährt und rentabel läuft.

Das Wellenkraftwerk - Seeschlange

Parallel zu den Strömungs-Gezeitenkraftwerken gibt es auch andere Forschungsbereiche, die sich mit der maritimen Energiegewinnung beschäftigen. Die sogenannten Wellenkraftwerke erzeugen den Strom aus der Wellenbewegung. Auch hier sind schon Versuchsanlagen in Betrieb genommen worden.

Die sogenannte Seeschlange, auch Pelamis (griechisch für Seeschlange) ist ein flexibles, schlangenartiges Wellenkraftwerk, das auf dem Meer schwimmt. Die Seeschlange ist 180 Meter lang und besteht aus einzelnen Metallzylindern, die über flexible Verbindungsstücke miteinander verbunden sind. Die Seeschlange ist am Meeresboden mit Trossen befestigt und richtet sich im rechten Winkel zu den Wellenkämen aus.

Abb. 4: Die Pelamis 2 von E.on vor der Küste Schottlands. Die Seeschlange (Pelamis) ist eine bestimmte Bauart eines Wellenkraftwerks, © E.on

Wie schwer es ist in einem neuen Technologie-Markt zu überleben, zeigt die jüngste Firmengeschichte von Pelamis Wave Power Ltd, der Firma, die die Seeschlange erfunden hat. Ende 2014 wurde sie unter Insolvenzverwaltung gestellt. Trotz der vielversprechenden Pilotanlagen vor der schottischen Küste fehlten die Investoren, um weitere Forschung und Entwicklung zu bezahlen.

Das nachfolgende Bild ist aus dem Patent (WO2011061546) der Firma Pelamis Wave Power Ltd. Darauf ist das Herzstück des Wellenkraftwerks zu sehen, das Bindeglied zwischen den zylindrischen Schwimmkörpern. An dieser Stelle wird die Energie aus der Wellenbewegung generiert.

Abb. 5: Patentzeichnung aus dem Patent WO2011061546

Abb. 6: Erklärung der Patentzeichnung aus dem Patent WO2011061546

Die Napfschnecke

Offensichtlich wirkt die raue See Schottlands inspirierend für Erfinder von Wellenkraftwerken. Ein anderes Pilot-Wellenkraftwerk liefert schon Strom für die kleine schottische Insel Islay. Das Kraftwerk trägt den Namen Limpet, übersetzt die „Napfschnecke“.

Es ist direkt an die Küste gebaut und klebt bildlich gesprochen wie eine Napfschnecke an ihr. Limpet besteht aus einer Betonkonstruktion, die zum Meer hin unterhalb des Meeresspiegels geöffnet ist. Die Wellen drücken in der Betonkammer eine Luftsäule hoch. Bei Rückzug des Wassers wird die Luft zurückgesogen. Dieses Hin und Her der Luft ist vergleichbar dem Ein- und Ausatmen bei einer Lunge. Der kraftvolle Luftstrom treibt eine Turbine an, die den Strom erzeugt. Aber tatsächlich erzeugt das Kraftwerk auch eine lautes „Atemgeräusch“. Die Technologie wird auch mit dem Begriff „oscillating water column“ (owc) beschrieben.

Abb. 6: Patentzeichnung aus dem Patent GB2250321 aus dem Jahr 1992 des Erfinders Alan Wells. Dargestellt ist die schematische Wirkungsweise des Wellenkraftwerks „Napfschnecke“

Forscher brauchen wirklich einen langen Atem bis ihre Erfindungen so optimiert sind, dass sie für den wirtschaftlichen Dauerbetrieb eingesetzt werden können. Das grundlegende Patent zur Napfschnecke wurde 1992 veröffentlicht, 2001 ging die Demonstrationsanlage in Betrieb. Mittlerweile ist diese Technologie so interessant, dass auch die Firma Voith bei dieser Technologie eingestiegen ist und seit 2008 hierzu Patente anmeldet.

Kluge Kombination von Technologien

Sozusagen das i-Tüpfelchen der Innovationen ist eine intelligente Kombination von zwei Technologien. Die Idee: Regenerative Energie wird direkt dort erzeugt, wo sie benötigt wird. Damit entfällt das Problem des Energietransports und des damit verbundenen Energieverlusts. Abnehmer der Meeresenergie sind in diesem Fall Meerwasserentsalzungsanlagen, die mit Umkehrosmose arbeiten. Für diese Anlagen werden hohe Drücke von 60-80 bar benötigt, sodass ein direkter Anschluss an ein Wellenkraftwerk wirtschaftlich sinnvoll ist. Im Patent WO2014100674 wird so eine Kombination beschrieben. Die Wellenenergie wird hierbei direkt in mechanische Energie umgesetzt, um den benötigten Druck zu erzeugen.

Die enormen Kräfte der Meere als regenerative Energiequelle zu nutzen, das ist das erklärte Forschungsziel bei allen vorgestellten Kraftwerken. Die unterschiedlichen Technologien stehen im Wettbewerb zueinander. Bisher ist nicht erkennbar, welche Technologie es in die breite Anwendung schaffen wird. Und es gibt immer wieder Rückschläge: Winterstürme und das aggressive Salzwasser setzen der Technik zu oder die Energieausbeute ist zu gering. Aber der weitere Forschungsaufwand wird sich in jedem Fall lohnen. Experten schätzen, dass ca. 15 % des globalen Strombedarfs mit der Kraft der Ozeane gedeckt werden könnte.

Redaktion: HAU/BAB

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