Forscher finden Lösung für mehr Effizienz

Meereswellen enthalten eine enorme Menge Energie. Sie lässt sich beispielsweise mit speziellen Bojen anzapfen, die das Auf und Ab des Wassers zur Stromerzeugung nutzen. Das lohnt sich vor allem, wenn man dazu große Farmen aus vielen Dutzend Bojen nutzt. Forschende der Universitäten Augsburg, Adelaide und Melbourne haben nun berechnet, wie sich mit solchen Farmen eine möglichst hohe Ausbeute erzielen lässt. Durch ein geschicktes Feintuning bestimmter Bojeneigenschaften gelang es ihnen in Simulations-Berechnungen, fast die komplette Wellenenergie zu ernten. Die Studie ist im Journal of Fluid Mechanics erschienen.

Im vergangenen Januar zerstörten riesige Wellen Teile der Küste Siziliens. Die Katastrophe dokumentierte eindrucksvoll, wie viel Power in den haushohen Wassermassen steckte. Denn Wasser ist schwer; wenn es sich bewegt, speichert es eine Menge Energie. Das gilt nicht nur während der Winterstürme: Die See ist nie wirklich ruhig.

Es ist möglich, diese Energie zu nutzen. „Dazu kann man beispielsweise spezielle Bojen verwenden, die im Meeresboden verankert werden“, erklärt Prof. Dr. Malte Peter vom Institut für Mathematik der Universität Augsburg. „Sie werden durch den Seegang nach oben getragen, um dann im Wellental wieder herabzusinken. Durch dieses beständige Auf und Ab wird eine Art Dynamo angetrieben, der daraus Strom erzeugt.“

Hausgroße Bojen

Manche dieser Bojen erreichen die Größe eines kleinen Hauses und produzieren genug Energie, um mehrere hundert Haushalte zu versorgen. Sie sind dann besonders effizient, wenn sie zu Farmen zusammengeschlossen werden – das minimiert etwa den Aufwand für den Transport des Stroms zum Festland. Doch beim Durchqueren einer solchen Farm verändern sich die Wellen: etwa durch Abschattungen oder auch durch Streuung an den Bojen. Es herrschen also lokal sehr unterschiedliche Bedingungen.

„Das ist ein Problem“, sagt Peter. „So haben die Bojen einen bevorzugten Rhythmus, mit der sie sich auf- und abbewegen. Wir sprechen auch von ihrer Resonanz-Frequenz.“ Es ist ähnlich wie bei einem Kind auf einer Schaukel, dem die Eltern regelmäßig einen Schubs geben: Nur wenn die Unterstützung im richtigen Moment erfolgt, schwingt das Kind mit der Zeit immer höher. Analog dazu müssen die Wellen in einem passenden zeitlichen Abstand bei der Boje eintreffen, damit deren Pendelbewegung möglichst stark wird und sie entsprechend viel Strom erzeugen kann.

Sehr gute Ausbeute unter sehr verschiedenen Bedingungen

Wenn nun aber eine Farm aus 50 oder 100 Bojen besteht, die in einer Art Schachbrettmuster angebracht sind, variieren Frequenz und Höhe der Wellen je nach Position der Boje. Bei modernen Bojen lässt sich die Resonanz-Frequenz allerdings in einem gewissen Rahmen einstellen. Dasselbe gilt auch für die „Schwergängigkeit“ des Dynamos, der zur Stromerzeugung eingesetzt wird. „In einem Wellenkraftwerk kann man so für jede einzelne Boje diese beiden Parameter so optimieren, dass ihr Stromertrag optimal wird“, sagt Peter.

Genau das hat er zusammen mit Kolleginnen und Kollegen der Universitäten Adelaide und Melbourne gemacht. Zusätzlich hat das internationale Team Abschattungs- und Streuungseffekte genutzt und so auch die Platzierung jeder Boje geschickt einbezogen. „Dabei haben wir eine Strategie gefunden, die für eine erstaunlich große Bandbreite von Wellenfrequenzen sehr hohe Erträge ermöglicht“, sagt er.

Soll heißen: Ob die Meereswellen um das Kraftwerk herum relativ schnell aufeinanderfolgen oder aber vergleichsweise langsam, ist weitgehend egal. Und auch die Richtung, aus der die Wellen auf den Bojenpark treffen, verändert die Ergebnisse kaum: Rund 90 Prozent der Energie, die in dem Seegang steckt, kann auf diese Weise zur Umwandlung in Strom verfügbar gemacht werden. Während die Wellen den Park durchqueren, werden sie zudem immer flacher, bis am Ende nur noch ein sanftes Schaukeln der Wasseroberfläche bleibt.

Wellenkraftwerke: kaum Gefahr einer „Dunkelflaute“

Die Ergebnisse können dazu beitragen, die Ausbeute von Wellenkraftwerken deutlich zu erhöhen – und das mit relativ geringem Aufwand. Ob die Optimierungsstrategie irgendwann unter tatsächlichen Bedingungen zum Einsatz kommt, hängt auch von der weiteren Entwicklung der Technologie ab. Denn obwohl das Meer Wellenenergie gratis zur Verfügung stellt, kostet die „Ernte-Maschinerie“ doch eine Stange Geld. In den kommenden Jahren wird sich zeigen, ob Großanlagen gegen Windkraft und Solarstrom konkurrieren können.

Einen Vorteil hat der Ansatz auf jeden Fall: Zwar sind Wellen nicht immer gleich hoch, dennoch gibt es sie praktisch rund um die Uhr. Wirkliche „Dunkelflauten“ drohen der Wellenenergie also nicht.

Quelle: Universität Augsburg