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Weltweit einzigartig: Wellenkraftwerk an der baskischen Küste

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Voith Hydro ist Technologie-Partner beim Wellenkraftwerk Mutriku Spanien. 16 Wellsturbinen, Gesamtleistung von 300 Kilowatt und ausreichend Strom für 250 Haushalte – und die weltweit einzigartige Art, regenerativen Strom zu erzeugen. In Spanien, an der baskischen Küste, ist jetzt das nach Angaben der beteiligten Unternehmen erste kommerzielle Wellenkraftwerk in Betrieb gegangen. Beteiligt war neben dem spanischen Energieversroger Ente Vasco de la Energia (EVE) auch ein deutscher Technologiepartner: Voith Hydro.

Das Wellenkraftwerk Mutriku besteht aus 16 Wellsturbinen-Einheiten, die Voith Hydro nach Spanien lieferte. Dr. Roland Münch, Vorsitzender der Geschäftsführung der Voith Hydro Holding freut sich über den Meilenstein in der sauberen Energieversorgung:

„Der steigende Bedarf an sauberem Strom treibt die Einführung innovativer Formen erneuerbarer Energie weltweit voran – dafür werden jetzt die Weichen gestellt. Das Projekt Mutriku zeigt: Unsere Technologie zur Nutzung der Wellenkraft ist kommerziell einsatzfähig und steht bereit für den weiteren Einsatz im globalen Markt. Um diese Entwicklung auch künftig zu fördern, können angemessene Einspeisevergütungen für Wellenkraft – wie sie bereits in einigen Ländern existieren – nun die richtigen politischen Rahmenbedingungen setzen.“

Die Wellenkraft-Technologie von Voith Hydro kann sowohl in bestehende Wellenbrecher und Hafenmauern als auch in Neubauten integriert werden. Langfristig belegte Zuverlässigkeit und kontinuierliche Weiterentwicklung des Designs bildeten die Grundlage der herausragenden Performance dieser Technologie. Das weltweite Potenzial der Meeresenergien liegt bei 1,8 Terawatt und steht erst am Beginn seiner weltweiten Erschließung.

Die Voith Hydro OWC-Technologie (oscillating water column = oszillierende Wassersäule) ist die heute einzige unter kommerziellen Bedingungen erprobte. Auf der schottischen Insel Islay betreibt Voith Hydro bereits seit über zehn Jahren das Wellenkraftwerk Limpet, das über 65.000 Stunden am Netz ist und Strom in industriellem Maßstab einspeist.

% S Kommentare
  1. Johann Tauscher sagt

    Es ist mir gelungen, ein universelles Wasserkraftwerk zu entwickeln, das mit Druckluft, Wellenkraft oder Dampf mit einem Wirkungsgrad mit über 90 % betrieben werden kann. Nach 10 Jahren und unzähligen Versuchen konnte eine Großenergie Ein- und Ausspeicherung und dadurch eine hocheffiziente Energieerzeugung mittels verlustfreien Konvertierung von einem massearmen Medium Luft in das massereichen Medium Wasser entwickelt werden.

    Mit dieser Konfiguration kann ein Wasserkraftwerk ohne nennenswerte Verluste mit Druckluft betrieben werden, was bisher nicht möglich war.

    Dieses Druckluftkraftwerk weist gegenüber bekannten Systemen folgende Vorteile auf:

     Ausgelegt für Energieerzeugung 24/7
     Die Druckluftproduktion sollte ausschließlich über regenerative Energie wie Laufkraftwerke, Windkraft und PV-Anlagen erfolgen
     Ausgelegt für Grundlast- und Spitzenstrom mittels parareller Anordnung von Turbinen
     Verlustfreie Umwandlung von Druckluft in elektrische Energie
     Lange verlustfreie Lagerung der Druckluft dient als Speicher nach einem Blackout
     Schwarz-Startfähig. In Minuten einsetzbar
     Das Kraftwerk ist an jeden erdenklichen Standort einsetzbar
     Keine langen Leitungsnetze erforderlich, wenn das Kraftwerk in der Nähe von Verbraucher errichtet wird
     Es kommt kein bedenkliches oder gefährliches Medium zum Einsatz (z.B. kein brennbares, explosives, toxisches oder strahlendes Medium sowie sonstige Emissionen wie z.B. Co² etc., die die Umwelt schädigen)
     Es bedarf keiner topographischen Höhenlage und das Hochpumpen, wie es bei Pumpspeicherkraftwerken erforderlich ist, entfällt zur Gänze, und erspart dadurch Unmengen an Energie aus dem Netz
     Durch die Rückführung der verbleibenden Druckluft aus dem Wasserbehälter über den Verdichter zum Druckluftlager werden zusätzlich über 50% Energie eingespart
     Dampfkraftwerke werden durch das neue System Schwarzstartfähig

    Alle Axialexpansions-Turbinen, die mit Druckluft betrieben werden, haben physikalisch bedingt, einen sehr geringen Wirkungsgrad, weil die Druckluft so gut wie keine Masse besitzt, um die Energie verlustfrei zu übertragen.

    Physikalisch betrachtet besitzt

    • ein Liter Luft eine Masse von ca. einem Gramm
    • ein Liter Wasser eine Masse von ca. 1000 Gramm

    Das ergibt ein Masseverhältnis von ca. 1:1000

    Dieses physikalische Problem kann nur durch die verlustfreie Umwandlung von dem massearmen Medium Luft in das massereiche Medium Wasser gelöst werden.

    Laut Impuls und Impulserhaltungssatz ist der Impuls das Produkt von Masse und Geschwindigkeit eines Körpers. Durch die Umwandlung von Luftmasse in Wassermasse wird die Impulsübertragung im Verhältnis 1:1000 verstärkt.

    Sehen wir uns zum Beispiel Huntorf in Deutschland an. Verwendet man z.B. an Stelle der derzeitig üblichen Axialexpansionsturbinen, eine Pelton-Turbine, erhöht sich der Wirkungsgrad exponentiell. Nur durch die Zusammenführung von Druckluft und Wasser in einem druckfesten Behälter kann mittels einer Wasserkraftturbine das volle Potential ausschöpfen. Wasser ist auf Grund seiner hohen Masse und seiner Trägheit ideal für die Stromerzeugung mit einer Wasserkraftturbine. Die Druckluft sorgt für die notwendige kinetisch Energie, um das Wasser zu beschleunigen. Das Wasser hat, dank seiner hohen Masse die Kraft, um die Energie an die Turbine und in weiterer Folge an den Generator mit einem Wirkungsgrad von über 90 % weiterzugeben. Nur mit dieser Anordnung können Verluste unter 10 % bei der Turbine erzielt werden.

    Der Wirkungsgrad bei Wasserturbinen liegt derzeitigen Stand der Technik zwischen 92 und 96 % je nachdem, welcher Turbinentyp zum Einsatz kommt.

    Eine weitere Effizienzsteigerung wäre durch Zugabe von Natriumchlorid zu erreichen, da mit der Erhöhung das spezifischen Gewicht durch Salzbeimischung die Impulskraft wesentlich erhöht wird.

    Ein Beispiel, wie ein Wasserkraftwerk mit Druckluft funktioniert:

    Man nimmt einen druckfesten Behälter, befüllt ihm komplett mit Wasser und leite Druckluft mit z.B. 40 Bar in den Behälter von einem zentralen Druckluftlager oder z.B. aus einer unterirdischen Kaverne ein. Es baut sich dadurch im Wasserbehälter ein Druck von 40 Bar auf. Die Druckluft wird verlustfrei in Druckwasser umgewandelt. Durch das Öffnen eines Ventils in der Verbindungsleitung vom Wasserbehälter zur Turbine, wird der im Wasserbehälter vorhandene Druck genutzt, um das Wasser zur schnell fließenden, kinetischen Energie umzuwandeln. Es wird dadurch eine Höhenlage simuliert. Das unter 40 Bar stehende Druckwasser wird z.B. durch die Düse zu den Bechern einer Peltonturbine geleitet. Dabei wird Arbeit verrichtet und die kinetische Energie wird in Rotationsenergie umgewandelt. Ein an die Turbine gekoppelte Generator wandelt die Rotationsenergie in elektrische Energie um. Mit z.B. einer Pelton-Turbine mit einem Schluckvermögen von 10 m³ per Sek. und einem Druck von 40 Bar, der einer Fallhöhe von 400 Meter entspricht, werden ca. 31.764,71 kW elektrische Energie erzeugt. Das sind gerundet ca. 32 Megawatt. Der Wirkungsgrad einer Peltonturbine beträgt laut letzten Stand der Technik über 92 %. Und das Geniale dabei, es können nur so viele Kubikmeter Druckluft vom Druckluftlager mit konstantem Druck von 40 Bar, – der durch einen Druckluftregler sichergestellt wird – in den druckfesten Wasserbehälter nachfließen, als Wasser nach der Energieabgabe aus der Turbine abfließt. Dadurch entsteht in der Zuleitung kein Druckabfall, damit wird ein Einfrieren der Luft verhindert, im Gegensatz zu Axialexpansionsturbinen mit all den bekannten Problemen. Und außerdem ist Wasser auf Grund seiner Dichte und Masse nicht komprimierbar, und somit gegen alle Probleme immun.

    Kraftwerksbetrieb 24/7:

    Das System kann als Energieerzeugungskraftwerk für Grundlast- und/oder Spitzenstrom ohne Unterbrechung das ganze Jahr betrieben werden. Unabhängig vom Standort und/oder Höhenlage. Dazu sind mindestens drei druckfeste Wasserbehälter erforderlich, damit das Wasser bei der Stromproduktion jeweils von einem Wasserbehälter in den nächsten befördert werden kann, um damit eine kontinuierliche Stromproduktion zu garantieren. Ein Hochpumpen und die dazu notwendige Energie, wie bei Pumpspeicherkraftwerken nötig, entfällt zur Gänze.

    Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass die Anlage als geschlossenes System betrieben werden kann, dadurch besteht keine Gefahr für die Turbinen durch Geschiebe, Geschwemmsel oder sonst verunreinigtes Wasser.

    Wenn man bei einem Druckluft-Wasserkraftwerk mindestens drei druckfeste Wasserbehälter verwendet, gibt es einen zusätzlichen Energie-Bonus, den es bisher noch nie gegeben hat.

    Denn nach Ablauf eines Stromerzeugungszyklus befindet sich in dem jeweils letzten, vom Wasser entleerten Behälter, Luft mit einem Druck von 40 Bar, die nicht ungenützt in die Umgebung abgelassen wird, sondern im Gegenteil, eine sehr wertvolle, nutzbare Energie darstellt. Diese Druckluft kann mit wesentlich geringeren Energieaufwand dem Verdichter zugeführt werden, der die Druckluft auf ein höheres Drucklevel (z.B. 50-70 Bar) bringt, und anschließend dem Druckluftspeicher wieder zugeführt wird, was zusätzlich mindestens 50 % Energie für die Verdichtung der Druckluft einspart.

    Ein Beispiel, wie ein Wasserkraftwerk mit Wellenkraft funktioniert:

    Es gab Versuche, die Kraft von Meereswellen zu nutzen. Sehen wir z.B. ein Wellenkraftwerk auf Basis des OWC-Prinzips (Oscillating Water Collum, zu Deutsch: schwingende Wassersäule) an. Jeder Wellenberg drückt das Wasser im pneumatischen Schacht in die Höhe. Dadurch entsteht ein Überdruck bis zu 50 Bar. Beim anschließenden Wellental fällt der Wasserspiegel im pneumatischen Schacht und es entsteht ein Unterdruck, weil das Wasser aus dem pneumatischen Schacht wieder in das Meer hinausströmt. Am oberen Ende des pneumatische Schacht befindet sich eine Wells-Turbine. Durch den sich auf und ab bewegenden Wasserspiegel wird die Luft in dem pneumatischen Schacht abwechselnd bei Überdruck durch die Wells-Turbine hinausgedrückt und bei Unterdruck durch die Wells-Turbine hereingesaugt, und dadurch Energie erzeugt.

    Und hier beginnt das Problem. Die sofortige Energieumwandlung mit der anstehenden Druckluft bis zu 50 Bar, mittels Wells-Turbine, kann nicht funktionieren, da die Druckluft wie schon Anfangs erwähnt, keine Masse besitzt. Wenn anstatt der sofortigen Energiegewinnung mittels Wells-Axialturbine, die anfallende Druckluft in einem Druckluftspeicher eingelagert wird, und anstelle einer Axialturbine mit z.B. einer Wasserturbine in elektrische Energie umgewandelt wird, verbessert sich der Wirkungsgrad exponentiell. Der Vorteil bei einem Wellenkraftwerk ist die kostenlose Nutzung der Wellenkraft für die Druckluftgewinnung. Das OWC-Wellenkraftwerk Mutriku hat einen pneumatischen Schacht mit einer Größe von ca. 8 mal 2 Meter und einem mittleren Wellenhub von 4 Meter ergibt das ca. 64 m³ pro Hub mit einer mittleren Amplitude von ca. 7,5 Sekunden. Hochgerechnet ergibt das in einer Stunde 30.720 m³ mal 16 pneumatischer Kammern ergibt das insgesamt 491.520 m³ Druckluft in einer Stunde. Eine Turbine mit einem Schluckvermögen von 10 m³ per Sekunde (36.000 m³ per Stunde) und einem Druck von 40 Bar erzeugt bei einem Wirkungsgrad von 90 % ca. 31.764,71 kW, also rund 32 Megawatt. Bei einem Druckluftverbrauch von 36.000 m³ in der Stunde für eine Pelton-Turbine mit 32 Megawatt könnten mit der erzeugten Druckluft rechnerisch ca. 13.6 Turbinen mit insgesamt 435,2 Megawatt per Stunde generiert werden.

    Vergleicht man mein Konzept mit dem bestehenden OWC-Wellenkraftwerk Mutriku, eine Anlage mit 16 Wells-Turbinen und einer Gesamtnennleistung von 300 kW, erübrigt sich jede weitere Diskussion. Ein wesentlicher Vorteile bei diesem Konzept ist, das die Stürme im Winter keine Beschädigung der Wasserkraftturbinen – im Gegenteil zu Wells Turbinen – verursachen können, da sie durch den vorgelagerten Druckluftspeicher geschützt sind. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass durch den zwischengeschalteten Druckluftspeicher eine gleichmäßige, konstante Stromerzeugung garantiert wird, im Gegensatz zu einer Wells-Turbine, die wegen der andauernden Richtungsumkehr der Luftströmung die dadurch unregelmäßige anfallende Druckluft nicht kompensieren kann, und dadurch der Strom vor der Einspeisung in das Netz aufwendig geregelt werden muss. Außerdem ist bei Einsatz einer Wells-Turbine die Speicherung der anfallenden Wellenenergie in Form von Druckluft nicht möglich.

    Ein Beispiel, wie ein Wasserkraftwerk mit Dampfkraft funktioniert:

    Ebenso verhält es sich mit allen, derzeit bestehenden Dampfkraftwerken, die mit Dampf eine Axialexpansionsturbine betreiben, weisen, wie bei der Druckluft erwähnt, einen ebenso schlechten Wirkungsgrad auf, weil der Dampf ebenfalls so wie die Druckluft so gut wie keine Masse besitzt.
    Nimmt man, so wie bei der Druckluft, einen druckfesten Wasserbehälter, befülle diesen komplett mit Wasser und beaufschlage ihm mit Dampfdruck, mit einer lächerlich geringen Temperatur von 310 Grad, die einen Druck von 100 Bar gewährleisten. Der Dampfdruck wird ebenso wie bei der Druckluft in das Wasser übertragen. Ein Dampfkessel kann mit ca. 6 kg Wasser per Sekunde ca. 10 m³ Dampf, mit 310 Grad Wärme und einem Druck von 100 Bar bereitstellen. Die Druckverluste, die durch das Abkühlen entstehen, sind sehr gering wegen der kurzen Zuleitung. Eine Pelton-Turbine mit einem Schluckvermögen von 10 m³/s und einem Druck von 100 Bar (entspricht einer Fallhöhe von 1000 Meter) erzeugt ca. 80 MW elektrische Energie. Hier kann genauso wie bei der Druckluft, nur so viel Dampf mit 100 Bar zufließen, als Wasser bei der Peltonturbine nach Verrichtung der Arbeit abfließt. Wenn zu viel Dampf erzeugt wird, kann dieser Überschuss abgeleitet und als Fernwärme genutzt werden.
    Mit dieser Konfiguration wird gegenüber konventionellen Dampfkraftwerken, Unmengen an Primär-Energie bei der Dampferzeugung eingespart. Weiters wäre das Problem der Beschädigung der Axialexpansionsturbinen, die mit Temperatur unter 373 Grad betrieben werden, beseitigt. Natürlich ist die Stromproduktion mit Gas wegen der Co² Emission nur als Übergangslösung gedacht, bis reine Druckluftkraftwerke flächendeckend ausgebaut sind. Außerdem wird das Kraftwerk durch die Verwendung von Wasserkraftturbinen schwarzstartfähig.

    Da es sich bei dieser innovativen Energieerzeugung und Speicherform um bereits auf dem Markt vorkommend Maschinen und Techniken handelt, kann das neue System ohne lange Entwicklungszeit und deren Kosten sofort umgesetzt werden.

    Patente wurden eingereicht.

    Als Beweis, dass die verlustfreie Umwandlung der Luftdruck in Wasserdruck funktioniert, wurde von mir ein kleines Druckluft-Wasserkraftwerk aufgebaut, mit dem 5 kW in das Netz eingespeist werden kann.

  2. Paul sagt

    Sehr interessante Technologie, welche in Zukunft noch wichtiger werden wird, denn an Meer mangelt es ja nicht wirklich. Im Unterschied zum Gezeitenkraftwerk werden die Wellenbewegungen ausgenutzt und nicht Ebbe und Flut.

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