Ernte auf der Wellenfarm

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Erneuerbare Energien – Jenseits klassischer Stromerzeugung aus Wasserkraft lässt sich aus Meereswellen genug Energie gewinnen, um den Weltenergiebedarf komplett abdecken zu können. Weit fortgeschritten ist das Pelamis-System – vor Schottlands Küste beginnt die Stromernte.

17. Februar 2011

Im Wasser liegt die Kraft. Der Anteil der Wasserkraft an der weltweiten Stromerzeugung beträgt gut 15 Prozent. Wasserkraft ist die wichtigste erneuerbare Energiequelle, die heute Strom für die Erdbevölkerung liefert. Die anderen erneuerbaren Energieformen wie Sonne, Wind, Erdwärme und Biomasse zusammen tragen gerade einmal rund 2,1 Prozent dazu bei.

Doch kann die Kraft des Wassers die fossilen Rohstoffe wie Öl, Gas und Kohle künftig ersetzen und so die weltweite Energiekrise abwenden? Prognosen der Energie-Agentur IEA zufolge wird sich der derzeitige Anteil herkömmlicher Wasserkraft an der Stromproduktion – obwohl die Erzeugung absolut um vermutlich über 50 Prozent zunimmt –, aufgrund des Mehrbedarfs an Energie bis 2030 kaum verändern. Auch ist die Verteilung der klassischen Wasserkraft-Ressourcen sehr unterschiedlich, mehr als 50 Prozent entfallen auf Asien, weniger als 10 Prozent auf Europa.

15 Prozent Strom aus Meeresenergie

In die Bresche springen kann eine Energie, von der in der Vergangenheit nur wenig zu vernehmen war – die neue Wasserkraft. Die Rede ist von der Stromgewinnung aus Meeresenergie, die aus Strömungs-, Gezeiten- und Wellenkraft, aus Meereswärme und durch Osmose erfolgen kann. Experten schätzen, dass allein die Meereswellen genug Potenzial besitzen, um ein Vielfaches des Weltenergiebedarfs an Strom bereitstellen zu können. Nach Berechnungen des internationalen Energierats sollten sich etwa 15 Prozent der Wellenkraft durch entsprechende Kraftwerke tatsächlich in nutzbaren Strom umwandeln lassen.

Einen ebenso interessanten wie aktuellen Einblick in neue Konzepte für Strömungs- und Wellenkraft erbrachte die Tagung »Lager für Sonne, Wasser und Wind«, die kurz vor Jahreswechsel 2010 im Hotel Alpenhof in Murnau am Staffelsee stattfand. Durchgeführt von der Schaeffler Gruppe Industrie hatte sich die Veranstaltung zum Ziel gesetzt, vor dem Hintergrund neuer Technologien zur Energieerzeugung Schaeffler Lösungen für Erneuerbare Energien zu präsentieren und vorzutragen.

Zum Beispiel werden zur Nutzung von Strömungs- und Gezeitenenergie Axialturbinen unter Wasser installiert. Wie der Luftstrom bei einer Windkraftanlage bewegt die Wasserströmung den Rotor, der dadurch Strom erzeugt. Eine Abwandlung dieses Prinzips stellt eine Axialturbine dar, die den Venturi-Effekt nutzt.

Dabei wird das Wasser durch ein sich zur Mitte hin verjüngendes Rohr geleitet. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers wird dadurch erhöht, ebenso wie die Energieausbeute. Vergleichbar mit dem Einsatz von Axialturbinen sind auch Konzepte, bei denen Radialturbinen eingesetzt werden. Ein weiteres Prinzip zur Nutzung der Wasserströmung stellen oszillierende Tragflächen dar. Deren Bewegung kann dazu dienen, Strom zu erzeugen.

Projekte in Norwegen und Kanada

Eine Reihe unterschiedlicher Konzepte befindet sich derzeit auch zur Nutzung der Wellenenergie in der Entwicklung. So werden zum Beispiel mehrere auf der Wasseroberfläche liegende Schwimmkörper mit Gelenken miteinander verbunden. Aus der relativen Bewegung der Schwimmkörper zueinander lässt sich Strom erzeugen.

Ein ähnliches Prinzip kommt bei Bojen zum Einsatz, deren vertikale Bewegung ausgelöst durch den Wellengang zur Stromproduktion geeignet ist. Die Bojen können alleinstehend arbeiten und einen Generator unter Wasser antreiben. Bei einem anderen Konzept werden zahlreiche Bojen in Reihe eng aneinander gesetzt, so dass sie dem Wellengang an der Wasseroberfläche wie ein Tausendfüßler folgen. Vergleichbar mit den horizontal oszillierenden Tragflächen bei der Nutzung der Strömungsenergie werden in der Wellenkraft auch vertikal oszillierende Klappen eingesetzt. Diese bewegen sich über eine Gelenkverbindung analog zum Wellengang.

Strom von Europas Küsten

Bei maritimer Strömungsenergie ist die Schaeffler Gruppe Industrie Entwicklungspartner für die Unterwasserturbinen von Hammerfest Strøm in Norwegen. Das Konzept dieser Axialturbinen ist vergleichbar mit einer Windkraftanlage. Der Rotor wird über die Wasserströmung in Bewegung gesetzt, je nach Stärke der Strömung sind die Rotorblätter über einen Pitchantrieb verstellbar. Die turbulente und antizyklische Strömung stellt ähnlich zur Windkraft besondere Anforderungen an die Lagerungen, die für die kombinierte Aufnahme von radialen und axialen Kräften ausgelegt sein müssen. Da die Anlagen in einer Tiefe von 40 Metern installiert werden, müssen Lagerungen zuverlässig arbeiten, denn für eine Wartung sind sie praktisch unzugänglich.

Schaeffler hat bisher Kegelrollenlager als Festlager für die Hauptwellenlagerung ausgelegt und geliefert. Erste Prototypen von Hammerfest Strøm sind seit 2003 in Betrieb. 2011 wird die erste vorkommerzielle Ein-Megawatt-Anlage vor der schottischen Küste in Betrieb genommen.

Ähnliche Projekte werden derzeit auch in Flüssen umgesetzt, so etwa im St. Lawrence River in Ottawa, Kanada. Dort hat RSW Inc. 2010 ein Strömungskraftwerk in Betrieb genommen, das rund 750 Haushalte mit Energie versorgen kann. Die Turbine ist in einem Direktantriebskonzept ausgelegt. Als Generatorlagerung kommt ein FAG Axial-Pendelrollenlager E1 in X-life Qualität zum Einsatz, das speziell für kombinierte Aufnahme von Radial- und Axialkräften geeignet ist. »Das Unternehmen mit seinen Marken INA, FAG und Elges bietet seit vielen Jahren ein breites Produktportfolio an Lagerlösungen für die Wasserkraft und begegnet den stetig wachsenden Bedürfnissen mit immer neuen Innovationen«, umriss Dr. Arndt Schweigert, Leiter Branchenmanagement Energieerzeugung bei Schaeffler, im Dezember in Murnau die Marktlage bei Lagern für die Wasserkraft.

Welterster Wellenenergiekonverter

Ein erfolgversprechendes Projekt in der Wellenkraft ist das des schottischen Unternehmens Pelamis. Das Unternehmen wurde 1998 in Edinburg als Ocean Power Delivery Ltd. gegründet und im September 2007 in Pelamis Wave Power Ltd. (PWP) umbenannt. Zunächst bestand das halb untergetauchte Pelamis-System pro Einheit aus drei röhrenförmigen Segmenten mit 3.500 Millimetern Durchmesser, die zusammen 120 Meter lang sind und 750 Kilowatt erzeugen.

Von Beginn an ist bei dem Pelamisprojekt (Pelamis: griechisch für Seeschlange) die Schaeffler Gruppe Industrie einer der strategischen Partner. In der Kooperation mit dem erfahrenen deutschen Lagerspezialisten gelang den Schotten ein entscheidender Durchbruch bei der Entwicklung von Wellenkraft-Konvertern. Möglich wurde dieser Fortschritt durch erweiterte Leistungsgrenzen in der Lagerungs- und Dichtungstechnologie. Im Jahr 2004 baute Pelamis den ersten Offshore-Wellenenergiekonverter der Welt. Auf dieser Erfahrung aufbauend wurde 2010 das Modell »P2« in Betrieb genommen, das seinen Vorgänger in puncto Leistung und Wirtschaftlichkeit noch einmal übertrifft.

Der Pelamis-Wellenenergiekonverter liegt wie eine Seeschlange auf der Wasseroberfläche und ist auf dem Meeresboden fest verankert. Riesige Schwimmkörper aus Stahl, die pro System jetzt aus vier Segmenten bestehen, sind über Gelenke miteinander verbunden und quer zum Wellenkamm ausgerichtet. Das Auf und Ab der Wellen treibt über hydraulische Zylinder und entsprechende Druckspeicher Hydraulikmotoren an, die mit Generatoren gekoppelt sind.

Die einzelnen Segmente sind durch Lagereinheiten, bestehend aus einer Kombination von Radial- und Axialgelenklagern, miteinander verbunden. An jeder dieser Gelenkverbindungen greifen Kräfte von bis zu mehreren hundert Tonnen an, die die Lager aufnehmen müssen. In den Hydraulikzylindern werden Kolbenstange und Zylinderrohr über Axial-Pendelrollenlager und vollrollige Zylinderrollenlager beziehungsweise Axial-Gelenklager gelagert.

Lager von INA und FAG

Die im P2-Modell verbauten Lager und Dichtungen leisten einen entscheidenden Beitrag zum Erfolg des Wellenkraft-Konverters. Lagereinheiten, bestehend aus einer Kombination verschiedener Lager von INA und FAG, verbinden die einzelnen Stahlrohrsegmente miteinander. Jedes der Hauptgelenke weist vier beweglich gelagerte hydraulische Kolben auf.

Mike Woods, leitender Ingenieur und Leiter Lagerungen bei Pelamis, erklärt: »Die größte Schwierigkeit für uns war es schon immer, die Belastungen und Bewegungen in dieser unruhigen und sich ständig verändernden Umgebung in den Griff zu bekommen und gleichzeitig so viel Leistung wie möglich aus der Anlage herauszuholen. An jeder dieser Gelenkverbindungen greifen Kräfte von bis zu mehreren hundert Tonnen an. Für die Lager kann das ein großes Problem sein, da sie die Rückstellkräfte aus den Gelenken aufnehmen müssen.«

Bei dem ersten Wellenenergie-Konverter P1 handelte es sich noch um eine vergleichsweise einfache Konstruktion mit separaten Scharniergelenken. Jedoch wäre diese Lösung den bei der P2-Konstruktion auftretenden kombinierten Bewegungen nicht gewachsen gewesen. Auch hätte die relativ hohe Reibung in den zunächst verwendeten Lagern die Energieeffizienz des Systems ungünstig beeinflusst.

»Bei der Suche nach der Lösung kamen unsere Entwicklungsingenieure auf die Idee, die Segmente beziehungsweise Gelenke zusammen zu bringen«, erzählt Mike Woods. Das bedeutete jedoch, dass eine völlig neue Konstruktion für die Lagerung gefunden werden musste, die zur Aufnahme kombinierter Lastangriffswinkel geeignet ist.

PTFE eliminiert Stick-Slip

Zum Schlüssel für den Erfolg eines neuen Gelenk-Konzeptes wurde ein von Schaeffler entwickeltes, reibungsminderndes Material. Mit dem modifizierten PTFE-Gewebe aus der Familie der Elgoglide-Beschichtungen ließ sich das Stick-Slip-Problem effektiv beseitigen. Damit eignet sich die Anlage für einen größeren Betriebsbereich als das mit Standardlagern möglich gewesen wäre.

»Die Konzentration aller Lager an einer Position hat uns einen guten Schritt weitergebracht«, betont Mike Woods. »Einerseits arbeiten die Lager jetzt erheblich effektiver, und zum anderen bilden sie eine in sich abgeschlossene Baueinheit.« Die daraus resultierenden Vorteile seien vergleichbar mit einem Kfz-Motor, der komplett in einem Teil ausgebaut werden kann. Woods: »Wir können die Wartungsabläufe verbessern und die technischen Risiken reduzieren.«

Während der gesamten Entwicklung habe man, so der leitende Ingenieur, die Konstruktion immer wieder überarbeitet und weiterentwickelt. Dabei sei es nicht nur einmal vorgekommen, dass das Team den aktuellen Entwurf verwerfen und wieder ganz von vorn anfangen musste. Woods betont: »Die Kooperation mit Schaeffler war für beide Seiten ausgesprochen produktiv.«

Die Entwicklung des neuen P2 Wellenenergie-Konverters ist für Pelamis ein großer Schritt nach vorn. »Wir sind sehr stolz auf unsere P2«, sagt Max Carcas, Leiter Geschäftsentwicklung bei PWP. »Die erste Anlage geht an Eon. Sie wird gerade gebaut, steht kurz vor der Fertigstellung und wird ab Frühjahr umfassenden Tests unterzogen.« Schon jetzt hat PWP Anfragen von anderen großen Versorgungsunternehmen erhalten, die weitere Aufträge nach sich ziehen könnten. »Das hat es bisher«, unterstreicht Max Carcas, »noch bei keinem anderen Wellenkraftwerk weltweit gegeben.«

100 GWh ins Netz einspeisen

»Wir arbeiten weiter daran, die Kosten der Anlage zu senken und gleichzeitig die Energieausbeute zu erhöhen«, versichert PWP-Geschäftsentwickler Carcas. »Die Zusammenarbeit mit Zulieferern wie Schaeffler macht uns zuversichtlich, dass wir dieses Ziel erreichen können.«

Zumindest bestehen gute Chancen, dass auf absehbare Zeit ein wichtiger Etappensieg gelingt: Seit August 2010 ist PWP das erste Entwicklungsunternehmen, das mit seinem Wellenfarm-Projekt bei Farr Point, Sutherland, als Teilnehmer für den mit zehn Millionen britischen Pfund dotierten Saltire Prize der schottischen Regierung zugelassen worden ist.

Um den Preis zu gewinnen, muss die Farm zwischen Januar 2015 und Januar 2017 ohne Unterbrechungen mindestens 100 Gigawattstunden (GWh) Strom ins Netz einspeisen. Spätestens dann ist es so weit: Auf der Wellenfarm beginnt die Ernte.

Erschienen in Ausgabe: 01/2011