Die Kraft der Wellen

„Wir stehen nicht nur vor schwierigen technischen Herausforderungen, die Anlagen müssen auch wirtschaftliche Anforderungen erfüllen“, beschreibt Patrik Möller, einer der Gründer von CorPower Ocean, das Risiko, das die Firmen bewältigen müssen. Weil die Rahmenbedingungen so kompliziert sind, bleibt offen, welche Idee letztlich das Rennen macht und ob es überhaupt einen Sieger geben wird.

Derzeit liefern Tidenströmungskraftwerke die besten Ergebnisse. Sie nutzen unterschiedliche Konzepte, um die Kraft der Gezeiten in Strom umzuwandeln. Einige Entwickler verwenden Rotoren, die an Windräder erinnern. Sie ragen aber nicht aus dem Meer, sondern stehen – vom Land aus kaum sichtbar – auf dem Meeresboden. Der schottische Anlagenbauer Nova Innovation hat 2016 den ersten zweiflügeligen Propeller mit 8,50 Meter Durchmesser vor den Shetland-Inseln installiert. Bei Ebbe oder Flut ändert sich lediglich die Drehrichtung des Propellers, elektrischen Strom liefert die getriebelose 100-Kilowatt-Maschine immer. Bisher übersteht sie die Strapazen im Meer gut. Im Oktober 2020 hat Nova die vierte von sechs geplanten Turbinen am Meeresgrund verankert. Die Anlage versorgt die Inselbewohner mit Strom und speist auch deren Elektroautos.

Wellen für Whisky

Der Gedanke der kleinen Kraftwerke für die Küstenregion stößt auf reges Interesse. So wollen zehn schottische Whiskydestillerien auf den Hebriden ihre Produktion künftig mit Strom aus dem Meer betreiben. Zudem hat Nova einen Auftrag für den Bau von 15 Turbinen für die kanadische Fundy Bay am Atlantischen Ozean bis 2023. Und das Unternehmen soll außerdem kleinere Inseln in Indonesien mit Strom versorgen.

Nicht weit entfernt von den Nova-Turbinen drehen sich ebenfalls in der schottischen Nordsee andere Energieriesen unter der Meeresoberfläche. Das Unternehmen Simec Atlantis Energy (SAE) betreibt vor den Orkneyinseln das mit sechs Megawatt derzeit leistungsfähigste Gezeitenkraftwerk der Welt. Jede einzelne Turbine erreicht mehr als die zehnfache Leistung der Nova-Rotoren: bis zu 1,5 Megawatt. Sie sollen 25 Jahre durchhalten. Das Fundament, das die dreiflügeligen Maschinen gegen die Macht der Strömung an den Meeresboden fesselt, wiegt ungefähr so viel wie drei 100 Meter lange Autobahnbrücken.

Auch diese Technik ist international gefragt. Im Februar 2020 installierte SAE seine erste 500-Kilowatt-Anlage als Pilotprojekt vor der japanischen Insel Goto. Läuft der Test dort erfolgreich, sollen größere Kraftwerke folgen. Im dicht besiedelten Japan fehlt Platz für die Nutzung regenerativer Energiequellen wie der Windkraft. Da könnte der Gang ins Meer die Lösung für das Erreichen der gesteckten Klimaziele sein.

Ein Kraftwerk wie ein Jumbojet

Das Wettrennen um mehr Leistung ist im vollen Gang. Orbital Marine Power testet vor den Orkneyinseln seit Kurzem die leistungsstärkste Gezeitenturbine der Welt. Orbital O2 soll zwei Megawatt Leistung liefern. Das Kraftwerk ähnelt einem schwimmenden Propellerflugzeug mit abgewinkelten Tragflächen. Der zigarrenförmige Rumpf hat mit 74 Meter Länge die Dimension eines Jumbojets und ist am Meeresboden vertäut. Die beiden Tragflächen mit den Propellern lassen sich ins Wasser absenken. In rund 15 Meter Tiefe treibt die Strömung die beiden zweiflügeligen Rotoren mit einem Durchmesser von je 20 Metern an.

Die Ingenieure des britischen Unternehmens sehen für Orbital O2 einen entscheidenden Vorteil gegenüber der Konkurrenz. Sie können ihr 680 Tonnen schweres Gerät für Wartungsarbeiten in einen Hafen schleppen und müssen es nicht auf See reparieren.

Die immer mutiger werdenden Pläne erinnern an die Anfänge der Windenergienutzung, als die Masten der Windräder und die Leistung der Turbinen von Jahr zu Jahr größer wurden. Die Ablösung von Orbital O2 als größter Gezeitenturbine steht bereits bevor. Vor der Nordwestspitze der französischen Normandie werden zwei Projekte mit noch größeren Dimensionen geplant. Die Straße von Alderney ist bei Seglern gefürchtet, denn dort wühlt eine der stärksten Gezeitenströmungen Europas das Meer auf. Die Region vier Kilometer vor der Küste hält für die Nutzung der Wellenenergie eines der größten Potenziale der Welt bereit. Experten schätzen die maximale Leistung auf drei Gigawatt. „Das entspricht etwa einem Drittel der derzeit in ganz Frankreich installierten Leistung für Windenergie“, sagt Guillaume Gréau, Vorstand beim Energieunternehmen Hydroquest. Er ist überzeugt: Was sich in der Straße von Alderney bewährt, hat den technologischen Durchbruch geschafft.

Weil der Platz auf dem Meeresboden knapp ist, sollen die Anlagen hohe Leistung liefern. Die Firma Simec Atlantis Energy will dort vier 3-Megawatt-Turbinen mit 26 Meter Rotordurchmesser aufstellen. Bis Ende 2022 sollen die geotechnischen Untersuchungen geeignete Stellen für die massiven Fundamente finden. Hydroquest will 2023 mit dem Bau seines Kraftwerkparks starten. Das Unternehmen aus Grenoble hat zwei Jahre lang vor der Küste der Bretagne Erfahrung mit einem 1-Megawatt-Prototyp gesammelt.

Das Kraftwerk besteht aus zweimal zwei Rotoren, die in zwei Ebenen übereinander angeordnet sind. Es erreicht eine Zuverlässigkeit von 86 Prozent. „Wir haben das Design verbessert und die Leistung auf 2,5 Megawatt erhöht“, sagt Gréau. Die neue Maschine mit einem dreieckigen Fuß ist nur 16 Meter hoch und 24 Meter breit. Wegen ihrer Form lässt sie sich leichter auf dem Meeresboden verankern als die Rotoren von SAE. In der Straße von Alderney sollen sieben Anlagen insgesamt 17,5 Megawatt liefern und könnten somit rund 20.000 Menschen mit elektrischem Strom versorgen – oder eine Anlage zur Produktion von Wasserstoff betreiben.

Doch viele neue Strömungskraftwerke sind kleiner ausgelegt als die Giganten im Tidenhub von Nordsee und Atlantik. Im East River in New York drehen sich seit Oktober 2020 mehrere 5-Meter-Rotoren. Einen nennenswerten Beitrag zur Energieversorgung liefern sie nicht. Trey Tayler, Entwicklungschef beim Betreiber Verdant Power, bezeichnet sie als Demonstrationsprojekt für ein Umdenken bei der Energieversorgung: Sie sind in der Nähe des Gebäudes der Vereinten Nationen vertäut. Auch die Stadtregierung von London hat ein Pilotprojekt in der Themse genehmigt. In Alaska versorgt ein kleines Kraftwerk der Ocean Renewable Power Company die 50 Bewohner von Igiugig am Kvichak-Fluss mit Strom. Wenn die Technik kontinuierlich Energie liefert, sollen die Menschen in Zukunft auf Dieselmotoren verzichten.

Im Meer ist genug Platz für die Ideen mutiger Ingenieure. Weil viele Wellenmaschinen durch heftige Stürme zerstört wurden, konzentrieren sich einige Entwickler auf ruhigere Gewässer. Wie Jan Peckolt: Das Leben des Duisburger Ingenieurs ist eng mit Wasser verbunden. Bevor er 2012 die Firma Nemos gegründet hat und mit der Entwicklung von Wellenkraftwerken begann, segelte er acht Jahre für Deutschland und gewann bei den Olympischen Spielen 2008 in Peking die Bronzemedaille.

Seine Regattaerfahrungen helfen Peckolt jetzt bei Nemos. Er lässt einen länglichen Schwimmkörper ins Wasser, der sich in den Wellen bewegt und dabei an Riemen zieht. Die treiben einen Generator an, der die Bewegung in elektrische Energie umwandelt. Peckolt hat seine Idee in mehreren Entwicklungsschritten und vielen Prototypen getestet. Die Ergebnisse vor der dänischen Küste und in der belgischen Nordsee stimmen ihn optimistisch. „Wir können bis zu 70 Prozent der am Standort verfügbaren Wellenenergie im Strom umwandeln und haben das vermutlich wirtschaftlichste Wellenkraftwerk weltweit“, sagt er.

Teuer im Vergleich zu Wind und Sonne

Aber für den Markt ist die Technik trotzdem noch ein ganzes Stück zu teuer. Deshalb liegen die Schwimmkörper derzeit ungenutzt in einer Lagerhalle herum. Die Firma Nemos könnte nach Peckolts Angaben ein Kraftwerk mit einigen Megawatt Leistung bauen, aber die Entwicklung pausiert. Der Grund ist der große Erfolg von Wind- und Solarstrom-Kraftwerken, die nach Jahrzehnten der Entwicklung nun preisgünstigen Strom aus erneuerbaren Quellen anbieten. „Anlagenbetreiber entscheiden aufgrund ökonomischer Kriterien über die Wahl ihrer Energieerzeugung. Da ist die Wellenenergie noch zu teuer“, sagt Peckolt.

Inzwischen ist das Unternehmen auf einem anderen Markt unterwegs: Die neuen Materialien aus der Nemos-Entwicklung sparen bei Fahrzeugen oder Schiffen Gewicht und Energie ein. Peckolts Firma ist zum Spezialisten für Hochleistungsfedern und Antriebswellen geworden. „Aber wir können jederzeit wieder in die Wellenenergie einsteigen“, sagt er, „sobald Standorte für Windkraft- und Solaranlagen knapp werden und sich die wirtschaftlichen Rahmenbedingungen verändern.“

Doch einige Entwickler halten an ihren Projekten in den Wellen fest. Das schwedische Unternehmen CorPower installiert in den nächsten Monaten mehrere 300-Megawatt-Bojen vor der Küste Portugals. Die 9-Meter-Tonne ist am Boden befestigt. Wenn sie sich mit der Welle auf und ab bewegt, erzeugt ein komplizierter Mechanismus im Inneren elektrische Energie. Patrik Möller will die Bojen dort ein Jahr beobachten und optimieren. Bis 2023 will der Gründer von CorPower Ocean das endgültige Design seiner Energieboje festlegen. Dann sollen viele Bojen nebeneinander im Wasser ein Kraftwerk bilden, dessen Leistung sich gut variieren lässt. Vor der chilenischen Küste experimentiert ein Ingenieurteam aus Chile und den USA mit einer ähnlichen Idee.

Windräder lernen das Schwimmen

Auch Betreiber von Windkraftanlagen wollen hinaus aufs Meer. Offshore-Windparks in Küstennähe sind zwar technologisch ausgereift, aber sie können nur bis zu einer Meerestiefe von etwa 50 Metern gebaut werden. Deshalb sollen Windräder das Schwimmen lernen. In Deutschland könnte die kleine Gemeinde Hymendorf bei Bremerhaven in die Geschichte der Windenergie eingehen. Dort testeten der Energieversorger EnBW und die Firma aerodyn engineering von Sönke Siegfriedsen im Sommer 2020 in einem kleinen Baggersee ein schwimmendes Windkraftwerk. Nezzy² heißt das Projekt des 64-jährigen Ingenieurs aus Rendsburg. Vier Monate lang hat Siegfriedsen das verkleinerte Modell einer 15-Megawatt-Anlage im Maßstab 1 zu 10 im See schwimmen lassen und die Ausrichtung der beiden Rotoren im wechselnden Wind nahe der Nordseeküste so optimiert, dass der Wind sie möglichst frontal traf.

Das bewegliche schwimmende Fundament besteht aus witterungsfestem Beton. Drei Auftriebskörper an den Enden sorgen dafür, dass die 5,2 Tonnen schwere Konstruktion nicht im See versinkt. Zudem lässt Sönke Siegfriedsen Hohlkörper aus Beton im Fundament mit Wasser fluten, wenn Nezzy² ihren Standort erreicht hat, um für mehr Stabilität zu sorgen. „90 Prozent des Gesamtgewichts befinden sich dann unter Wasser“, erklärt er. Sonst bestünde die Gefahr, dass der Wind das Kraftwerk in Schieflage bringt, wenn er die 15 Meter großen Rotoren der Modellanlage attackiert.

Testlauf im Greifswalder Bodden

Im Herbst 2020 absolvierte das Modell einen weiteren Praxistest im Greifswalder Bodden in der Ostsee. 180 Sensoren maßen jede Bewegung und die auftretenden Kräfte. „Das komplizierte System bewegt sich durch die Wellen, die Strömung und die Kräfte der Ketten, die es am Boden verankern“, berichtet Siegfriedsen. „Und dann kommt noch die Aerodynamik der beiden Rotoren dazu.“ Die Bedingungen im Meer lassen sich weder am Computer noch im Wellenkanal simulieren.

Er sei noch nie seekrank gewesen, betont der Entwickler. „Aber der Aufenthalt auf den Floatern, wenn sich alles bewegt, das ist schon heftig.“ Die Ingenieure hatten beim Einsatz in der Ostsee Glück. Im Herbst fegte eine Sturmflut über Nezzy² hinweg – ideal für einen Test unter widrigen Bedingungen. „Umgerechnet auf die geplante Größe des Prototyps hatten wir Wellen in der Größenordnung von 25 bis 27 Metern und Windgeschwindigkeiten in Taifunstärke von rund 250 Kilometer pro Stunde“, berichtet Siegfriedsen. Das Modell hat standgehalten.

„Am ersten Einsatzort des schwimmenden Kraftwerks im südchinesischen Meer erwarten wir maximal 21 Meter Wellenhöhe“, sagt Siegfriedsen. Das Kraftwerk soll schon 2022 vor Chinas Küste montiert werden. „Wir müssen nicht viel neu entwickeln, sondern haben bewährte Technik kombiniert“, erklärt er. Deshalb ging die Entwicklung im Windbereich schneller als bei der Wellenkraft. Das „Turretsystem“, das mit sechs Ketten die Plattform verankert, ist durch den Einsatz im Öl- und Gasgeschäft erprobt. Mit Turbinen, Masten und den elektrischen Komponenten beschäftigt sich Siegfriedsen seit 40 Jahren. Bei der Premiere von Nezzy² hat jede der beiden Turbinen bereits eine Leistung von 7,5 Megawatt, deutlich mehr als Gezeitenkraftwerke. Die Rotoren des schwimmenden Kraftwerks haben jeweils einen Durchmesser von 180 Metern und ragen 200 Meter aus dem Wasser.

Das Projekt in China ist nicht das erste schwimmende Windkraftwerk. Es gibt einige Vorgänger. Die bis heute größte bewegliche Plattform für Windenergie, Hywind Scotland, hat im Oktober 2017 den Betrieb aufgenommen. Fünf 6-Megawatt-Turbinen schwimmen 25 Kilometer vor Peterhead in der Nordsee. Sie versorgen etwa 20.000 Haushalte mit elektrischem Strom. Der Betreiber Equinor will mit einer größeren Anlage an diesen Erfolg anknüpfen. Bis Ende 2022 sollen elf Turbinen eine Leistung von 88 Megawatt ermöglichen. Die Nordsee ist am Einsatzort des neuen Projekts bis zu 300 Meter tief.

Der Zweck der schwimmenden Windräder wird allerdings nicht jeden erfreuen. Equinor versorgt mit dem Windstrom fünf Bohrinseln in den norwegischen Öl- und Gasfeldern Gullfaks und Snorre. Dort soll noch bis 2036 Öl und Gas gefördert werden. Später wird die Energie aus dem Meer auch umweltfreundliche Aufgaben übernehmen können.