1 Bachelorarbeit Mirko Mihatov, SS 2012 Thema: Techniken der

Bachelorarbeit Mirko Mihatov, SS 2012
Thema: Techniken der Wellenenergienutzung
Abstract:
Die beim Auftreffen von Wellen auf eine Steilküste freigesetzte Leistung beträgt durchschnittlich 15
bis 30 kW je Meter Küstenlinie. Schätzungen ergaben, dass küstennahe Gezeiten- und Wellenkraftwerke ca. 15 % des weltweiten Strombedarfs decken könnten. In der Bachelorarbeit werden ausschließlich Techniken zur Wellenenergienutzung behandelt. Zunächst werden die Wellenentstehung,
das Vorkommen und die Intensität von Wellen und die Berechnung der Wellenenergie kurz beschrieben. Die Schwerewelle ist die Welle mit der größten Energiedichte mit Wellenperioden von 1 – 30
Sekunden. In der Bachelorarbeit werden drei verschiedene Methoden der Wellenenergienutzung
untersucht: Die Technik der „Oscillating Water Column“ (OWC) („schwingende Wassersäule“), das
System „Pelamis“ (griech. Seeschlange) und das System „Wave Dragon“. Hierbei werden die Funktionsweisen und verwendeten Techniken beschrieben und realisierte Pilotanlagen kurz vorgestellt.
Die OWC-Technik wurde von der schottischen Firma Wavegen, die seit 2005 eine Tochterfirma der
Voith Hydro in Heidenheim ist, entwickelt. Bei dieser Technik wird die Wellenbewegung in oszillierenden Wassersäulen genutzt. Ein OWC besteht gemäß Abb. 1 aus einer an der Küste angeordneten
Kammer mit 2 Öffnungen. Eine Öffnung zeigt in Richtung der einlaufenden Wellen und liegt unterhalb
des Wasserspiegels. Durch sie kann Wasser, das durch die Wellenenergie angetrieben wird, einströmen. Die zweite Öffnung sorgt für einen Druckausgleich mit der Umgebungsluft. Die Wassersäule
bewegt sich mit der Frequenz der Wellen auf und ab und „atmet“ so Luft durch die zweite Öffnung ein
und aus. Diese „Atemluft“ treibt eine Wells-Turbine an. Die Wells-Turbine ist so konstruiert, dass sie
die oszillierende Luftsäule in eine gleichmäßige Drehung umwandelt. Wavegen hat auf der schottischen Insel Islay eine Pilotanlage errichtet, die seit Nov. 2000 betrieben wird, allerdings nie die gewünschte Leistung erbrachte. Der Aufbau der Wells-Turbine mit ihren Vor-und Nachteilen sowie den
von Voith und Wavegen erzielten Verbesserungen werden dargestellt. Auch das seit 2011 in kommerziellem Betrieb befindliche OWC-Projekt an der nordspanischen Küste bei Mutriko wird kurz vorgestellt. Hier wurden16 Wells-Turbinen mit einer Gesamtleistung von 300 kW in eine Hafenmole eingebaut.
Das „Pelamis-System“ besteht gemäß Abb. 2 aus mehreren schwimmenden, zylinderförmigen Stahlrohrsegmenten mit einem Durchmesser von 3,5 m, die über Gelenkmodule gekoppelt sind. Infolge
der Wellenbewegungen werden die Stahlzylinder auf und ab sowie seitwärts bewegt. Das Gesamtsystem aus 4 Segmenten hat eine Länge von 150 m und bewegt sich wie eine Seeschlange (griech.
Pelamis) und erzeugt dabei eine Leistung von max. 750 kW. In den Gelenkmodulen sind hydraulische
Pumpen angeordnet, die einen Generator antreiben und hierdurch Strom erzeugen. Dieses System
hat den Vorzug, dass es in Offshore-Parks aufgebaut werden kann. In Portugal und Schottland wurden Versuchsanlagen errichtet, die bereits an das umliegende Stromnetz der Länder angeschlossen
sind und Strom liefern.
Das letzte behandelte Verfahren ist der „Wave-Dragon“ (Abb. 3). Er besteht aus einem schwimmenden Wellenkonzentrator, der die Wellen durch zwei v-förmig angeordnete Barrieren zur Mitte hin konzentriert. Die so verstärkten Wellen laufen eine Rampe hinauf in ein höher liegendes Speicherbecken.
Von dort aus fließt das Wasser durch neu entwickelte Kaplanturbinen, die Generatoren antreiben,
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zurück ins Meer. Die gesamte Anlage ist als schwimmendes Offshore-Kraftwerk ausgelegt und daher
nicht an die Küste gebunden. Ein Prototyp mit 6 Turbinen und einer Leistung von 15 kW existiert seit
2003 in Nissum Bredning, einem Fjord im Norden Dänemarks. In der Arbeit werden auch die Ergebnisse der Optimierungen der in Wave-Dragon-Projekten eingesetzten Kaplanturbinen vorgestellt.
Für die 3 untersuchten Methoden der Wellenenergienutzung werden grobe Kostenbilanzen mit Angaben zu den daraus resultierenden Strompreisen erstellt. So werden die Kosten für kommerzielle
Pelamis-Anlagen mit 20 MW installierter Leistung und einer Nutzungsdauer von 15 Jahren auf ca. 15
ct/kWh geschätzt. Alle untersuchten Methoden bedürfen der technologischen Weiterentwicklung, um
die Wirtschaftlichkeit zu verbessern und den rauen Bedingungen auf dem Meer oder an der Küste
dauerhaft zu trotzen.
Erstbetreuer:
Prof. Dr.- Ing. Hans J. Caspary, Hochschule für Technik Stuttgart
Zweitbetreuer:
Prof. Dipl.-Ing. Helmut G. Hohnecker, Hochschule für Technik Stuttgart
Abb. 1: Schemaskizze eines Oscillating-Water-Column (OWC) Wellenkraftwerkes, nach Voith
Hydro Wavegen.
Abb. 2: Bewegungen der Module des Wellenkraftwerkes „Pelamis“, aus energiebleue.e-monsite.com.
Abb. 3: Funktionsschema des Wellenkraftwerktypes „Wave-Dragon“ mit zentraler Kaplanturbine, nach
global-greenhouse-warming.com.
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