Bremsen im größten Gezeitenkraftwerk der Welt

Der Pentland Firth, die Meerenge zwischen der schottischen Nordküste und den Orkney-Inseln, wird von Kennern das „Saudi-Arabien der Gezeitenkraft“ genannt. In diesen Gewässern fließt das Wasser regelmäßig und mit hoher Geschwindigkeit. Hier sollen Meeresströmungen mit Geschwindigkeiten von geschätzten fünf Metern pro Sekunde vorkommen. An dieser energiereichen Stelle, die den Atlan-tischen Ozean mit der Nordsee verbindet, soll das größte Gezeitenkraftwerk der Welt entstehen.


Gezeiten, Strömungen oder Wellen – das bewegte Meer hat eine gigantische Energie. Doch oft entfaltet sie sich unberechenbar. Nicht so während der Gezeiten, die zuverlässig wie ein Uhrwerk pendeln und deren Energiepotential sich exakt berechnen lässt. Das World Energy Council in London schätzt die nutzbare elektrische Energiemenge durch Gezeitenströme auf 2000 Terawattstunden pro Jahr – gut dreimal so viel wie der deutsche Jahresstromverbrauch. Anders als bei der Windenergie, lässt sich der zu erwartende Energieertrag durch die grüne Welle von Ebbe und Flut sehr genau vorhersagen bzw. berechnen (Bild 1).

Bild 1 Unterwasserturbinen stehen auf dem Meeresboden und wandeln die kinetische Energie aus dem Tidenhub in elektrischen Strom um.  (Bild: FTI Consulting)

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Unterwasserturbinen stehen auf dem Meeresboden und wandeln die kinetische Energie aus dem Tidenhub in elektrischen Strom um.
(Bild: FTI Consulting)


Bei dem geplanten Meeresströmungskraftwerk an der Nordküste Schottlands handelt es sich um ein Projekt zur Nutzbarmachung von Meeresenergie und der Erschließung der Gezeitenressourcen.
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Die Unterwasserturbine wird auf die Tragstruktur montiert, die auf dem Meeresgrund steht. Die bis zu 1000 t schwere Tragstruktur wird zusätzlich mit schweren Gewichten versehen. Aufgrund des hohen Eigengewichts der gesamten Anlage sind Bodenbohrungen nicht notwendig.

Das Vorhaben am Pentland Firth erstreckt sich in ca. 30 Metern Tiefe auf einer Grundfläche von über 10 Quadratkilometer und wird von der schottischen Projektierungsfirma MeyGen Limited realisiert. Der Bau des Turbinenfeldes erfolgt in mehreren Phasen. In der ersten Ausbaustufe wurden jetzt vier Unterwasserturbinen der Hersteller Atlantis Resources Limited und Andritz Hydro Hammerfest auf dem Meeresgrund installiert (Bild 2). Ihr Betriebsbeginn ist für das Frühjahr 2017 geplant. Weitere 80 Turbinen sollen bis 2022 folgen und eine Gesamtleistung von 86 MW erzielen. Damit könnten bereits rund 40 Prozent der Haushalte des schottischen Hochlands mit regenerativer Energie aus dem Meer versorgt werden. Das Fernziel des Gezeitenprojektes liegt bei insgesamt 398 MW. MeyGen würde dann das derzeit weltweit größte Gezeitenkraftwerk von Sihwa-ho in Südkorea mit 254 MW überflügeln.

Die stärkste Unterseeturbine der Welt

Die „AR 1500“ (Bild 3a-3c) der Firma Atlantis Resources Limited ist eine von zwei Hochleistungsturbinen, die auf dem Boden der Meerenge am Pentland Firth verankert wurde. Sie ist die neueste Gezeitenturbine des britischen Maschinenbauunternehmens und Spezialisten für Meeresprojekte. Mit einer Nennleistung von 1,5 MW bei einer Strömungsgeschwindigkeit von 3 m/s zählt sie zu einer der ertragreichsten Unterwasserturbinen der Welt. Bei einem durchschnittlichen Nutzungsgrad von 40 Prozent und einer 95-prozentigen Verfügbarkeit, kann die Turbine jährlich rund 5 Mio. Kilowattstunden elektrischer Energie produzieren. Ein durchschnittlicher Haushalt im Vereinigten Königreich verbraucht pro Jahr etwa 4170 kWh Strom. Eine Turbine vom Typ AR 1500 kann damit den Strom für rund 1200 Haushalte erzeugen.

Bild 3 Die Atlantis-Turbine auf dem Weg zum Hafen der schottischen Stadt Nigg, wo sie zum 85 Seemeilen entfernten Pentland Firth verschifft wird.  

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Die Atlantis-Turbine auf dem Weg zum Hafen der schottischen Stadt Nigg, wo sie zum 85 Seemeilen entfernten Pentland Firth verschifft wird.
 


Die Atlantis-Turbine misst eine Gesamthöhe von 22,5 Metern. Ihre Gondel ist knapp 11 m lang und wiegt 150 t. An ihrer Spitze befinden sich drei verstellbare Rotorblätter mit einem Gesamtdurchmesser von 18 m. Die Turbinengondel ist auf dem Turm um 360 Grad drehbar gelagert.
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Beim Wechsel der Gezeiten fixieren elektromechanische Bremsen den Antriebsstrang der Atlantis-Turbine AR 1500.
(Bilder 2–4: Atlantis Resources Limited)

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Die „EMB-STOP M-A-xxx-F Lever“ von KTR erzeugt ihre Bremskraft auf rein elektromechanischem Weg – das macht sie nahezu wartungsfrei. Die aktive Schwimmsattelbremse erzeugt Klemmkräfte bis 125 kN und eignet sich für den Einsatz in rauer Umgebung.

Bei jedem Gezeitenwechsel richtet ein Azimutlager mit einem Antriebs- und Arretierungssystem die Gondeln neu aus, sodass die Energie von Ebbe und Flut gleichermaßen genutzt werden kann. Die Anströmkante wird über eine automatische Steuerungssoftware reguliert, um stets den optimalen Energieertrag aus dem Gezeitenstrom zu gewinnen. Im Inneren der Gondel befinden sich ein integriertes mehrstufiges Getriebe und ein direkt angeflanschter, lagerfreier Permanentmagnet-Generator. Ein mehrfach voll redundantes elek-trisches Steuerungssystem inkl. unterbrechungsfreier Stromversorgung soll eine lange Betriebsdauer auf dem Meeresgrund gewährleisten. Die Lebensdauererwartung der Turbine liegt bei 25 Jahren.

Elektromechanische Bremsen als Rotorbremsen

Beim Wechsel der Gezeiten, also in der Phase, in der die Gondel optimal in die Strömung gestellt wird, wird der Antriebsstrang der Turbine fixiert (Bild 4). In der AR 1500 kommen hierfür insgesamt drei elektromechanische Bremsen der Bauart „EMB-STOP M-A-xx-F Lever“ (Bild 5) von KTR zum Einsatz. Die aktiven Schwimmsattelbremsen, sogenannte Floater, erzeugen Klemmkräfte bis jeweils 125 kN. Sie sind direkt hinter dem Generator angeordnet und in der Regel geöffnet. Die Rotorbremsen schließen, sobald die Turbine beim Gezeitenwechsel in die neue Strömungsrichtung gedreht wird. Anschließend werden die Systeme wieder geöffnet und die Meeresströmung kann die Rotorblätter erneut antreiben. Um das erforderliche Bremsmoment zu erzeugen, reichen zwei Bremsen aus.

Das dritte System dient lediglich als zusätzliche Sicherheit. Die Bremsen sind als Haltebremsen ausgelegt, können in Ausnahmesituationen aber auch zur Notbremsung eingesetzt werden. Die elektromechanischen Systeme sind selbsthemmend, was bedeutet, dass die Stromzufuhr abgeschaltet werden kann, sobald die Bremsen zugefahren sind. Sollte die Stromzufuhr einmal unerwartet abfallen oder gar unterbrochen werden, bleibt die Anpresskraft aufgrund der Selbsthemmung erhalten. Im Umkehrschluss heißt das, dass die Bremsen keine elektrische Energie verbrauchen, wenn sie im geöffneten, betriebsbereiten „Stand-by“-Modus sind. Die unterbrechungsfreie Stromversorgung der AR 1500 ermöglicht eine Aktivierung der Bremssysteme zu jeder Zeit.
Mit dem Verzicht auf den Einsatz einer Hydraulik erübrigen sich die üblicherweise erforderlichen Wartungsarbeiten wie Öl- und Filterwechsel, Ölentsorgungen etc. Das macht die elektromechanischen Bremsen nahezu wartungsfrei. Für Wartungs- oder Installationszwecke lassen sie die Bremsen auch stets manuell, mittels einfachen Werkzeugen, öffnen oder schließen. Die Zustände der Bremsen wie „gebremst“, „gelüftet“ oder „Belagverschleiß“ werden über Endschalter angezeigt. Ausgelegt und angepasst wurden die Bremsen im ostwest- fälischen Schloß Holte-Stukenbrock. An diesem Standort bündelt KTR seine gesamten Bremsenaktivitäten unter dem Dach der KTR Brake Systems GmbH. Neben der Entwicklung und Produktion von elektromechanischen und hydraulischen Bremssystemen finden hier auch umfangreiche Tests und Funktionsprüfungen von Prototypen und Serienprodukten statt. So zum Beispiel auf einem Universalprüfstand für Rotor- und Azimutbremsen, einem Zugprüfstand, der Tests bei Umgebungstemperaturen bis zu -40 °C ermöglicht.

Herausforderungen meistern

Der starke Gezeitenstrom an der Nordküste Schottlands stellt das MeyGen-Projekt vor die größten technischen Herausforderungen. Durch die permanenten starken Strömungen und hohe Korrosivität des Meerwassers sind sämtliche Materialien immensen Belastungen ausgesetzt. Hier müssen alle Komponenten höchsten seewasser- und stahlbautechnischen Anforderungen genügen. Da Serviceeinsätze auf hoher See schwierig, risikoreich und kostenintensiv sind, müssen alle Komponenten so lange wie möglich zuverlässig und sicher funktionieren. Nach Vorgabe von Atlantis Resources Limited soll die neue Turbinenanlage nur alle sechs Jahre generalüberholt werden.

Potential noch nicht ausgeschöpft

Das Energiepotenzial der Gezeitenströme am Pentland Firth ist enorm: Einer Studie der University of Oxford zufolge wäre hier sogar eine Gesamtleistung von 1,9 GW möglich, würde die gesamte Breite des Meerenge ausgenutzt. Dafür berechneten die Wissenschaftler eine optimale Verteilung der Gezeitenturbinen. Das könnte aber schwierig werden, denn die Erschließung der Gewässer an der Nordküste Schottlands liegt nicht in einer Hand. Neben MeyGen haben drei weitere Unternehmen eine Lizenz von der englischen Regierung erworben. Um die Strömungsenergie optimal zu nutzen bedarf es einer sorgfältigen Abstimmung aller Beteiligten.

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Kontakt:
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