Energie der Ozeane - Erneuerbare Energiequellen

Die Welt braucht immer mehr Energie, weil der Energieverbrauch auf der globalen Skale immer mehr steigt. Aber die Welt braucht nicht nur irgendwelche Energie, sondern Energie aus den erneuerbaren, ökologisch akzeptablen Energiequellen, die keine ökologischen Probleme wie die globale Erwärmung und die Luftverschmutzung verursachen. Eine von diesen Energiequellen könnte auch die Energie der Ozeane sein und ihre Bedeutung wird sicher in der Zukunft viel größer sein.

Ozeane decken mehr als 70% der Oberfläche der Erde und repräsentieren eine interessante Energiequelle, die in der Zukunft die Energie für die aushalte und auch industrielle Anlagen versichern würde. Im Moment ist die Energie der Ozeane eine der selten benutzten Energiequellen, die Kraftwerke sind noch immer sehr klein und damit ist der Teil der Energie, der sich auf die Energie der Ozeane bezieht auf der globalen Skale nicht der Rede wert. Aber da der erneuerbare Sektor immer mehr an seiner Bedeutung gewinnt, sollte auch der Gebrauch dieser interessanten Energiequelle steigen. Es existieren drei Typen in der Ausnutzung der Energie der Ozeane. Man kann Wellen, d. h. die Energie der Wellen, die Energie der Ebbe und Flut und außerdem die Thermalunterschied des Wassers benutzen (Ocean Thermal Energy Conversion, OTEC).

Energie der Wellen ist die Form der kinetischen Energie, die in der Bewegung der Wellen in den Ozeanen existiert und diese Bewegung ist durch das Wehen der Winde auf der Oberfläche des Ozeans entstanden. Diese Energie kann für den Betrieb der Turbinen benutzt werden. Es gibt viele Orte, wo die Winde genug stark sind, um konstante Bewegung der Wellen zu schaffen. Riesige Quantitäten der Energie verstecken sich in der Energie der Wellen und deswegen hat sie großes energetisches Potential. Die Energie der Wellen wird direkt unter der Oberfläche der Wellen oder aus verschiedenen Fluktuationen des Drucks unter der Oberfläche gefangen. Diese Energie kann dann die Turbine bewegen und das einfachste und am meisten verwendete Verfahren ist folgende: die welle erhöht sich in der Kammer, und die steigenden Kräfte des Wassers schieben die Luft aus der Kammer. Diese Luft bewegt die Turbine, die dann den Generator bewegt.

Das wichtigste Problem mit der Energie der Wellen ist die Tatsache, dass sie nicht in allen Teil der Welt benutzt werden kann. Aus diesem Grund sind viele Forschungen auf dieses Problem fokussiert. Es gibt doch viele Gebiete mit dem hohen Niveau der Ausnutzbarkeit, wie z. B. westliche schottische Küste, nördliche Kanada, Südafrika, Australien und nordwestliche Küste Nordamerikas. Es gibt verschieden Technologien für die Ausnutzung der Energie der Wellen, aber nur einige sind kommerziell verwendbar. Diese Technologien sind nicht nur auf den Küsten, sondern auch auf dem offenen Meer installiert. Große Projekte wie "The OCS Alternative Energy Programmatic EIS" bevorzugen das offene Meer mit den Systemen in dem tiefen Wasser, auf der Tiefe über 40 Meter.

Aber die meisten Technologien für die Ausnutzung der Energie der Wellen befinden sich noch immer neben der Küste oder an der Küste selbst. Die Unterschiede zwischen ihnen sind in ihrer Orientierung nach den Wellen, mit denen sie in der Interaktion sind und die Arbeitsprinzipien, die die Energie der Wellen in die gewünschte Energie transformieren. Einigen von den populärsten Technologien sind so genannte terminator devices, point absorbers, attenuators und overtopping devices. Terminator devices wie oscilating water columns befinden sich gewöhnlich auf oder neben der Küste. Ihr Arbeitsprinzip ist die perpendikulare Ausdehnung der Richtung der Welle entsprechend. Nachdem die Kraft der Welle gefangen und reflektiert wird, oscilating water column bewegt sich wie ein Kolben nach oben und unten und schiebt die Luft durch die Öffnung verbunden mit der Turbine. Point absorbers ist eine andere Technologie mit schwimmenden Strukturen, deren Komponenten sich zueinander wegen der Energie der Wellen bewegen. Energie wird produziert, weil solche Bewegung die elektromechanischen oder hydraulischen Energiekonventoren in Betrieb setzt. Attenuatori sind auch eine Art der schwimmenden Strukturen, die parallel der Richtung der Wellen entsprechend orientiert sind. Der Unterschied in die Höhen der Wellen pro Länge des Gerätes verursacht das Beugen auf den Verbindungsstellen der Teile. Dieses Beugen ist mit der hydraulischen Pumpe oder mit den anderen Konvertoren für weitere Transformation in nützliche Energieformen verbunden.

Overtopping devices haben ein anderes Arbeitsprinzip und sind eigentlich Reservoars, die mit den entgegenkommenden Wellen gefüllt werden bis den Niveaus über den Durchschnitt des umgebenden Ozeans. Nachdem das Wasser ausgelassen wird, werden die Wellen mit Hilfe von der Schwerkraft zurück nach der Oberfläche des Ozeans geschoben und die entstandene Energie bewegt die Wasserturbinen. Obwohl das Potential der Energie der Wellen unbestreitbar ist, existieren bestimmte Aspekte, die man in Betracht ziehen sollte. Das gilt besonders für die Umweltprobleme, weil diese Technologien negativen Einfluss auf viele Meeresbiotope haben können. Eine große Gefahr ist der Erguss der toxischen Substanzen wie verschiedene hydraulische Flüssigkeiten, die Produktion der Luft oben und unter dem Wasser, Veränderungen am Meeresboden, u. a.

Eine andere Art der Energie der Ozeane ist die Energie der Gezeiten (Ebbe und Flut), weil man sie, wenn sie zu Küste kommen, in die Reservoare hinter dem Damm fangen kann. Diese Energie ist eigentlich eine Form der Wasserenergie, die die Bewegungen des Wassers benutzt, und diese Bewegungen passieren wegen der Ebbe und Flut, d. h. wegen der Erhöhung oder Erniedrigung des Meeresniveaus. In der Produktion dieser Energie haben die Generatoren eine wichtige Rolle. Das sind eigentlich große Unterwasserturbinen in den Gebieten mit beträchtlichen Gezeiten. Ihr Entwurf dient zum Erfassen der kinetischen Bewegung der Ebbe und Flut für die Produktion der elektrischen Energie. Energie der Gezeiten hat ein riesiges Potential für zukünftige energetische Projekte, am meisten wegen der riesigen Oberflächen der Ozeane.

Kraftwerk am Fluss Rance. Klicken sie auf das Foto für die volle Größe.

Das Potential der Energie der Gezeiten ist keine Neuigkeit (kleine Damme um den Ozean wurden schon in den 11. Jahrhunderten gebaut). Im Vergleich mit den Dämmen auf den Flüssen, sind diese Projekte sehr teuer. Es handelt sich nämlich um massive Projekte, die in speziellen Gebieten mit dem viel Salz gebaut werden sollen. Trotz ihrem Potential hat die Energie der Gezeiten ihre Stelle zwischen den am meist kommerziellen erneuerbaren Energiequellen nicht gefunden, weil sie keinen bedeutsamen Profit erbringt. Damit diese Energie auf dem befriedigenden Niveau funktionieren könnte, werden große Veränderungen in den Gezeiten nötig, von zumindest 5 Metern zwischen der Ebbe und Flut und es gibt sehr wenige passende Gebiete. Ein davon ist das Kraftwerk La Rance in Frankreich und das ist das größte Kraftwerk, das auf dem Prinzip der Energie der Gezeiten arbeitet. Es ist auch das einzige Kraftwerk dieser Art in Europa und es befindet sich in Der Mündung des Flusses Rance in Nordfrankreich. Im Moment produziert sie genügend Energie für die Befriedigung der Bedürfnisse von 240.000 französischen Haushalten. Kapazität dieses Kraftwerks ist ungefähr ein Fünftel des durchschnittliches Kraftwerks oder Kraftwerks, das mit der Kohle arbeitet. Das größte Problem aller dieser Kraftwerke ist die begrenzte Arbeitszeit (10 Stunden), d. h. die Zeit der Ebbe und Flut. Ein großer Vorteil liegt in der Tatsache, dass die Ebbe und Flut vorhersehbar sind und man kann die Arbeitszeit der Kraftwerke sehr leicht in der Zeit der aktiven Gezeiten. Das ist nicht der Fall mit allen Arten der Energie (z. B. die Windenergie).

Viele Vorteile sind mit der Energie der Gezeiten verbunden. Es ist eine erneuerbare Energiequelle, die auch ökologisch akzeptabel ist, weil sie keine schädlichen Treibhausgase emittiert und keinen Abfall schafft. Kein Treibstoff ist nötig, die Gezeiten sind voraussehbar und man kann zuverlässig Energie produzieren und außerdem ist die Instandhaltung der Kraftwerke nicht teuer. Es gibt aber auch negative Seiten, wie riesige Kosten am Anfang, weil es sich um massive Projekte handelt, die große Gebiete verlangen. Das kann ökologische Probleme verursachen und viele Ökosysteme zerstören, besonders was die Vögel betrifft, weil sie die Gezeiten für die Suche der Nahrung nutzen. Man muss auch die Arbeitszeit der Kraftwerke (10 Stunden während der passenden Bedingungen der Gezeiten) in Betracht ziehen.

Das geschlossene OTEC System. Klicken sie auf das Foto für die volle Größe.

Umwandlung der thermalen Energie der Ozeane ist eine Methode für die Produktion der Elektrizität, bei der den Temperaturunterschied zwischen dem tiefen und seichten Wasser benutzt wird, weil das Wasser in der Tiefe kühler ist. Bei dem größeren Temperaturunterschied ist auch die Effektivität der Methode größer. Der minimale Temperaturunterschied muss 38 Grad Fahrenheit sein. Diese Methode hat schon eine lange Geschichte und ihr Beginn wird in das 19. Jh. gestellt. Die meisten Experten sind der Meinung, dass diese Methode eine gute Proportion der Investition und des Nutzens gegeben hat. Mit vorhandenen Technologien könnte ein Gigawatt der elektrischen Energie produziert werden. Das ist aber heutzutage nicht der Fall, weil OTEC riesige, teuere Rohren größerer Durchmesser verlangt, die wenigstens ein Kilometer tief in das Meer gestellt werden soll, um das kühlere Wasser aus den tieferen Teilen zu bringen, was auf jeden Fall sehr teuer ist. Typen des OTEC Systems sind folgende:

Systeme des geschlossenen Kreises (Closed-Cycle)

Systeme des geschlossenen Kreises benutzen die Flüssigkeit mit niedrigem Siedegrad. Am meisten handelt es sich um das Ammoniak und auf dieser Weise wird die Turbine bewegt und elektrische Energie produziert. Das warme Meereswasser auf der Oberfläche wird durch den Wärmeumschalter gepumpt und dort verdunstet es mit Hilfe von dem niedrigen Siedegrad. Der entstandene Dampf dient zum Betrieb des Turbogenerators. Das kühlere Wasser wird durch den anderen Wärmeumschalter gepumpt, dank der Kondenzation wird es aus dem Dampf in die Flüssigkeit transformiert und danach durch das System wiederverwertet. Im Jahr 1979 hat das Natural Energy Laboratory in der Zusammenarbeit mit einigen Partnern ein mini OTEC Experiment gemacht. Das war das erste erfolgreiche OTEC System des geschlossenen Kreises, das am Meer konstruiert wurde. Mini OTEC Wasserfahrzeug wurde 2,4 Km von der hawaiischen Küste geschleppt und schaffte genug Energie für die Lichter auf dem Wasserfahrzeug und für die Arbeit des Schiffscomputer und des Fernsehers. 20 Jahre danach, im Jahr 1999 hat das Natural Energy Laboratory auch das Pilot-Kraftwerk des geschlossenen Systems mit der Kraft von 250 KW geprüft und es war das größte Kraftwerk dieses Typen, das je in der Funktion. gelassen wurde.
Systeme des offenen Kreises (Open-Cycle)

Systeme des offenen Kreises benutzen die warmen Oberflächen der tropischen Ozeane für die Produktion der Elektrizität dank der Tatsache, dass warme Wasser im Behälter mit niedrigem Druck sieden. Danach bewegt der ausdehnende Dampf die Turbine mit dem niedrigen Druck, die mit dem elektrischen Generator verbunden ist und am Ende kondenziert der Dampf wegen der Enthüllung den kalten Temperaturen aus den Tiefen des Ozeans zurück in die Flüssigkeit.

Im Jahr 1984 hat das damalige Solar Energy Research Institute (heute unter dem Namen National Renewable Energy Laboratory) so genanntes «vertical-spout evaporator» entwickelt, dessen Funktion die Transformation des warmen Meereswassers in den Dampf mit niedrigem Druck war. Der Grund dafür war der Aufbau des Projekts des offenen Kreises. Nachdem 1993 die Effektivität sogar 97 % gewesen war, Systemen des offenen Kreises wurde ihr Potential bestätigt. Es handelte sich um das Kraftwerk auf Keahole Point, Hawaii, das während des Überprüfens ungefähr 50.000 W elektrischer Energie produziert hat.
Hybride Systeme (Hybrid)

Im Entwurf der hybriden Systeme wurden positive Merkmale der offenen und geschlossenen Systeme kombiniert. Die Arbeitsweise der hybriden Systeme enthält das warme Meereswasser, das in die Vakuumkammer dringt und in den Dampf transformiert wird (ähnlich wie bei den offenen Systemen). Danach verdunstet der Dampf in die Flüssigkeit des niedrigen Siedegrads (wie bei den geschlossenen Systemen), bewegt die Turbine und produziert elektrische Energie.

OTEC hat großes Potential für die Produktion der elektrischen Energie, es ist aber nicht die einzige positive Sache, die man mit diesem System erzeugen kann. Als Nebenprodukt kann die Luftkühlung erscheinen und das benutzte kalte Meereswasser aus den OTEC Kraftwerken kann das frische Wasser in den Wärmeumschaltern kühlen oder direkt in einem System für die Kühlung passieren. Man muss auch die Aquakultur einbeziehen, weil einige Fischarten (z. B. Lachse) viel besser im tiefen mit Nutrienten reichen Wasser befruchten, das mit Hilfe von dem OTEC Arbeitsprinzip erreicht wurde. Es gibt aber auch negative Seiten, besonders was die Rentabilität dieser Projekte betrifft, weil OTEC Kraftwerke große Investitionen am Anfang verlangen. Man muss auch die Umweltfrage in Betracht ziehen, weil OTEC Kraftwerke große Oberflächen für den Aufbau benötigen. Ein weiterer Faktor, der die Kommerzialisierung der OTEC Projekte beeinflusst ist die Tatsache, dass es auf der Welt nur einige Hunderte für den Aufbau passende Gebiete gibt. Das sind nur tropische Gebiete, wo der Ozean in der Nähe von der Küste liegt. Damit sind zusätzliche Kosten, die sich während des Aufbaus der OTEC Projekten weiter von der Küste entwickeln würden, nicht vorhanden.

Energie der Ozeane repräsentiert die erneuerbare Energiequelle, die am jeden Fall viel mehr geforscht werden sollte, um die Effektivität der Investitionen zu erhöhen und die Kosten am Anfang zu reduzieren, was auch der größte Mangel dieser Energiequelle ist. Ozeane decken 2/3 der Erdeoberfläche und als solche besitzen sie ein riesiges Potential, das geforscht werden sollte. Im Moment sind die modernen Technologien nicht genug entwickelt, um dieses Potential auszunutzen. Aber dank dem Anspruch nach immer mehr Energie werden Forschungen auch im Bereich der Energie der Ozeane durchgeführt. Probleme der Massivität dieser Kraftwerke und der Rückgabe der Investitionen sind am wichtigsten, aber nicht die einzigen, weil man auch einige ökologische Standarde vor dem Beginn solcher Projekte befriedigen muss, um die Umwelt zu bewahren. Der Bereich der Energie der Ozeane hat sich trotzdem nicht so viel wie andere Sektore der erneuerbaren Energiequelle entwickelt. Projekte wie der Aufbau des OTEC Kraftwerks in Keahole Point, Hawaii sind die Gründe für den Optimismus und die Glaube, dass in der Zukunft das Potential dieser Energie ausgenutzt wird. Nur die passende Technologie wird nötig.

Energie der Ozeane (Ocean energy)