04.07.2013, 10:05 Uhr | 0 |

Unterwasserturbinen Leinen los für die Energieernte auf See!

Ozeane bergen ein riesiges, aber nur schwer zu hebendes Windenergiepotenzial. Geht es nach Forschern der Hochschule Regensburg, dann kreuzen künftig Energieschiffe im stürmischen Nordatlantik. Angetrieben vom Wind sollen sie mit Unterwasserturbinen Strom erzeugen und diesen an Bord in Wasserstoff, Methan oder Methanol wandeln. Diese Vision würde der Energiewende, den Werften sowie dem Maschinen- und Anlagenbau Auftrieb geben.

Meeresströmungsturbine
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Meeresströmungsturbinen, im Bild eine 110 kW-Anlage von Voith Hydro, sind heute Stand der Technik. Die Adaption an Schiffsrümpfe ist dagegen noch Zukunftsmusik. 

Foto: Voith Hydro

Krachend schlagen die Wellen an den Bug der "Ceres XXII". Seit Wochen umtost die steife Nordatlantik-Brise das 200 m lange Energieschiff, in dessen Bauch ein 5-MW-Elektrolyseur Tag und Nacht Wasser in Sauerstoff und Wasserstoff spaltet. In riesigen Drucktanks lagert der kostbare Energieträger bis zum nächsten Zwischenhalt.

Die Energie für die alkalische Elektrolyse bezieht die "Ceres" wie ihre 21 Schwesterschiffe aus der rauen See. An ihren Rümpfen drehen sich je vier 1,25 MW-Turbinen, die vom Meerwasser mit bis zu 7 m/s umströmt werden. Für den nötigen Vortrieb des Schiffes sorgen 26 gewaltige, 35 m hohe Flettner-Rotoren. Zeitweise fährt die "Ceres" einen Flugdrachen aus, der zusätzlich Höhenwinde nutzt. Im Schnitt pflügt der Koloss mit fast 14 Knoten durch die See.

Im Binnenland erreichen Windgeschwindigkeiten nur ein Viertel des Werts

Damit die Energieschiffe weder in Stürmen noch in Flauten segeln, werten ihre Navigationsalgorithmen ständig historische und aktuelle Winddaten aus. Die Schiffe folgen dem Wind, der auf den monatelangen Nordatlantik-Törns schon 10 m über der Wasseroberfläche mit durchschnittlichen 12 m/s weht. In Küstennähe sind die Windgeschwindigkeiten auf dieser Höhe kaum halb so hoch, im Binnenland erreichen sie oft nicht einmal ein Viertel dieses Werts. Auf offener See herrschen also ideale Windbedingungen. Bis zu 7000 Volllaststunden im Jahr sorgen dafür, dass sich die teure Technik an Bord rentiert. Anders als bei ihren segelnden Ahnen geht es bei den Schiffen der "Ceres"-Flotte nicht darum, schnell von A nach B zu kommen. Ihr Ziel ist maximale Energieausbeute.

So in etwa stellen sich Michael Sterner und seine Kollegen von der Forschungsstelle für Energienetze und Energiespeicher (FENES) an der TH Regensburg die Zukunft der Energieerzeugung auf offener See vor. Sterner, der am Fraunhofer-Institut IWES für Windenergie und Energiesystemtechnik forschte, bevor er als Professor nach Regensburg wechselte, gilt als einer der Väter der Power-to-Gas-Technologie. Sie erlaubt es, überschüssigen grünen Strom in Wasserstoff oder Methan zu wandeln und im Erdgasnetz zu speichern.

Drei Monate lang Energie für Deutschland

Vorteil gegenüber Batterien und Pumpspeichern: Das Erdgasnetz birgt genügend Speicherkapazität, um Deutschland drei Monate lang mit Energie zu versorgen. "Es ist genau der Baustein, der zur Vollversorgung mit erneuerbaren Energien fehlte", so Sterner. Es gebe jährlich einige Wochen, in denen Wind, Sonne und Biomasse nicht reichen, um den Bedarf zu decken. "Für diese Zeiten müssen wir chemisch gewandelten Strom einlagern", ist er überzeugt. E.on, Audi und auch Greenpeace Energy sehen es ähnlich. Sie bauen Power-to-Gas-Anlagen oder haben sie schon in Betrieb. Allerdings an Land.

Die Idee, Power-to-Gas-Anlagen auf Schiffen zu betreiben, hatte Sterners Student Thomas Raith. Er will so zwei Fliegen mit einer Klappe schlagen. Einerseits würden Energieschiffe den Weg zu kaum nutzbaren Windenergiepotenzialen der Hochsee frei machen. Andererseits würden die teuren Elektrolyseure dort viel besser ausgelastet, weil sie fast rund um die Uhr laufen könnten. An Land sollen sie vor allem dann arbeiten, wenn die Netze überlastet sind – Windrädern also zeitweise Abschaltung droht.

Sterner war von der Idee seines Studenten derart angetan, dass er an der Hochschule je zwei Professorenkollegen aus Maschinenbau und Elektrotechnik sowie einen Mathematiker für ein gemeinsames Forschungsprojekt "Segelenergie" begeisterte. Seit Mitte 2012 haben zehn Studierende in ihren Abschlussarbeiten Potenzial, technische Durchführbarkeit und Wirtschaftlichkeit beleuchtet. "Wir haben keine grundsätzlichen Hindernisse gefunden", so Sterner. Im nächsten Schritt möchte er die Idee einer umfassenden Machbarkeitsstudie unterziehen. Gespräche mit Politik und Firmen verschiedener Branchen seien vielversprechend verlaufen. "Wir stoßen auf offene Ohren", sagt er.

36 Milliarden Hektar Meeresfläche

Die Gründe für den Schritt aufs Meer liegen für Sterner und seine Kollegen auf der Hand. "Es gibt 36 Mrd. ha Meeresfläche. Auf etwa einem Drittel davon herrschen durchschnittliche Windgeschwindigkeiten über 7 m/s", erklärt er. Niemanden würden dort segelnde Energieschiffe stören. Von ihnen gehe praktisch keine Umweltbelastung aus. Dagegen stoßen Biomasse-Anbau und Windenergie an Land zunehmend auf Akzeptanzprobleme. In Deutschland, mit seinen 35 Mio. ha, rotieren über 23 000 Windräder. Neue Windparks und Stromtrassen stoßen vielerorts auf Ablehnung. Und das, obwohl Windstrom kaum ein Zehntel des Energiebedarfs deckt.

"Allein schon aus Akzeptanzgründen ist der Weg auf die Ozeane vorprogrammiert", so Sterner. Doch auch in Küstennähe gibt es Akzeptanzprobleme. Weiter draußen ist die Netzanbindung schwer, sind Bau- und Wartungskosten riesig – und begrenzte Windgeschwindigkeiten und Volllaststunden schränken die Erträge ein. Obendrein kritisieren Umweltschützer die Beeinträchtigung von Zugvögeln und Meeressäugern.

Solche Probleme sollen die schwimmenden Energiesammler umschiffen. Raith und Sterner sind aufgrund der ersten Erkenntnisse von der Machbarkeit überzeugt. "Es handelt sich im Grunde um eine Neukombination bewährter Technik", argumentieren sie. Elektrolyseure sind erprobt. Unterwasserturbinen gibt es in unzähligen Varianten in Wellen- und Gezeitenkraftwerken. Know-how zu strömungsoptimierten Schiffsrümpfen ist vorhanden. Und der Antrieb mit Flugdrachen oder Flettner-Rotoren ist auch nicht neu. Schon in den 1920 Jahren gab es einige Serieneinsätze. Dann aber geriet die Technologie zusehends ins Abseits – bis der ostfriesische Windanlagenbauer Enercon sie 2006 mit dem "E-Ship 1" reaktivierte. Auf dem Schiff tun vier 27 m hohe Rotoren mit je 4 m Durchmesser Dienst. Sie werden dieselelektrisch in Rotation versetzt. Trifft Wind auf die Säulen, kommt es zum Magnus-Effekt. Im Zusammenspiel aus Sog und Druck entsteht eine quer zur Anströmrichtung des Windes wirkende Kraft, die das Schiff antreibt.

Diverse Windantriebe untersucht

Die Regensburger Forscher haben diverse Windantriebe untersucht. Vom einfachen Spinnaker bis zu Tragflügeln und Flugdrachen. "Aussichtsreich sind aus heutiger Sicht besonders Flettner-Rotoren", fasst Raith die Resultate zusammen. Bei den im Nordatlantik verherrschenden Windgeschwindigkeiten um 10 m/s und einem Anströmwinkel von 80 ° leiste er bis zu 4400 W/m². Dem stünden Werte von einigen 100 W/m² bei Segeln und einfachen Drachen gegenüber. Da Energieschiffe den Kurs am Wind ausrichten können, würden ihre Flettner-Antriebe dauerhaft mit hohem Wirkungsgrad arbeiten.

Statt den Wind direkt in Strom zu wandeln, planen die Forscher Unterwasserturbinen am Rumpf. "Einerseits nutzen wir damit die höhere Dichte des Wassers – mit ihr steigt der Energiegehalt bei zunehmender Fahrgeschwindigkeit exponentiell. Andererseits dämpft das Wasser die Turbulenzen des Windes und minimiert so die Bauteilbelastungen", so Sterner. Allerdings suche sein Team wie bei anderen Auslegungsdetails den Austausch mit Schiffs- und Turbinenbauern.

Letztlich muss eine Machbarkeitsstudie auch klären, was genau mit der gewonnenen Energie an Bord geschehen soll. Neben Wasserstofferzeugung ist auch anschließende Methanisierung des Wasserstoffs denkbar. Allerdings ist zu klären, inwieweit sich die logistischen Vorteile bezahlt machen: Methan ist leichter handhabbar als der flüchtige Wasserstoff. Allerdings müssten die Schiffe für die Methanisierung CO2 mitführen. "Machbar wäre das, wenn sie beim Abliefern des Methans in Form von SNG oder LNG am Hafen oder an Gasförderplattformen Kohlendioxid bunkern", sagt Sterner. Dieses Gas falle an Schwachgasfeldern ohnehin an und werde aufwendig abgetrennt.

In das Schwachgas solcher Felder könnten die Schiffe ihre Fracht womöglich zur Qualitätsverbesserung einspeisen. Denkbar wäre auch, die Methanisierung erst auf den Plattformen durchzuführen. Eine weitere Verwertungsoption des Windstroms wäre es, im Bauch der Schiffe in Power-to-Liquid-Anlagen Methanol oder andere Flüssigkraftstoffe zu erzeugen. Vorteil: Die Tanks würden nur einen Bruchteil der Drucktanks für die Gase kosten und wegen des weit höheren Energiegehalts flüssiger Kraftstoffe könnten die Schiffe länger auf See bleiben. Denkbar ist auch, Meerwasser zu entsalzen, um Süßwasser und die im Salz enthaltenen Rohstoffe zu gewinnen. Hier gibt es allerdings noch mehr Fragen zur Wirtschaftlichkeit, also ohnehin.

Profitabilität noch unklar

Denn noch ist nicht klar, ob sich Energieschiffe rechnen werden. Die Forscher erwarten einen Investitionsbedarf von etwa 8 Mio. € für ein 70 m langes und 12 m breites Pilotschiff mit zwei Rotoren von knapp 2,5 m Durchmesser am Rumpf und 600 m² Flettner-Rotor. In seinem Bauch arbeitet ein erprobter 600-kW-Elektrolyseur. Die Kosten der Wasserstoff-Produktion wären vermutlich doppelt so hoch, wie heute gezahlte Marktpreise für regenerativ erzeugten Wasserstoff (rund 30 Cent/kWh). Für Schiffe mit 5-MW-Elektrolyseur sieht die Rechnung aufgrund von Skaleneffekten ganz anders aus: Selbst wenn 4 % Return on Investment einberechnet sind, kommen die Forscher auf Wasserstoffpreise um 16 Cent/kWh – deutlich günstiger als regenerativer Wasserstoff an Land.

"Dass Segelenergie unrentabel bleibt, ist nicht gesagt", stellt Raith klar. Ein Prototyp sage wenig über die Schiffs-, Anlagen- und Energieerzeugungskosten aus, die sich einstellen, wenn Energiesammler serienweise vom Stapel laufen. Auch Sterner glaubt daran, dass künftig einige Tausend Schiffe der Multi-MW-Klasse auf offener See kreuzen werden. "Das klingt viel. Aber wir nutzen heute 2,4 Mio. ha Ackerfläche und 90 000 Traktoren zum Anbau von Biokraftstoffen, die kaum ein Zwanzigstel des Energiebedarfs im Verkehr decken", sagt er. Um sie zu ersetzen, würden etwa 2200 Energieschiffe à 5 MW benötigt. "Sie könnten chemisch gebundenen Windstrom als Reserve für windstille Nächte und Nebeltage ins Erdgasnetz einspeisen – und uns der Erneuerbaren Vollversorgung einen großen Schritt näher bringen", ist er überzeugt.  

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Von Peter Trechow | Präsentiert von VDI Logo
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