Gezeitenkraftwerk unter Wasser, Bild: Atlantis Resources Limited

Auf dem Meeresboden am Pentland Firth werden Turbinen aufgestellt, die die kinetische Energie aus dem Tidenhub in elektrischen Strom umwandeln. Bild: Atlantis Resources Limited

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 Energiepotenzial sich exakt berechnen lässt.

Das World Energy Council in London schätzt die nutzbare elektrische Energiemenge durch Gezeitenströme auf 2.000 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 beziehungsweise berechnen.

Meeresströmungskraftwerk bei Schottland

Bei dem geplanten Meeresströmungskraftwerk an der Nordküste Schottlands handelt es sich um ein Projekt zur Nutzbarmachung von Meeresenergie und der Erschließung der Gezeitenressourcen. Das Vorhaben am Pentland Firth erstreckt sich in etwa 30 Metern Tiefe auf einer Grundfläche von über zehn Quadratkilometer und wird von der schottischen Projektierungsfirma MeyGen Limited realisiert.

Der Bau des Turbinenfeldes erfolgt in mehreren Phasen. In der ersten Ausbaustufe werden zunächst vier Unterwasserturbinen der Hersteller Atlantis Resources Limited und Andritz Hydro Hammerfest auf dem Meeresgrund installiert. Ihr Betriebsbeginn ist für den Herbst 2016 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 AR1500 der Firma Atlantis Resources Limited ist eine von zwei Hochleistungsturbinen, die derzeit auf dem Boden der Meerenge am Pentland Firth verankert werden. Sie ist die neueste Gezeitenturbine des britischen Maschinenbauunternehmens und Spezialisten für Meeresprojekte.

Mit einer Nennleistung von 1,5 Megawatt bei einer Strömungsgeschwindigkeit von drei Meter pro Sekunde 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 fünf Millionen kWh elektrischer Energie produzieren. Ein durchschnittlicher Haushalt im Vereinigten Königreich verbraucht pro Jahr etwa 4.170 kWh Strom. Eine Turbine vom Typ AR1500 kann damit den Strom für rund 1.200 Haushalte erzeugen.

Turbine AR150, Bild: Atlantis Resources Limited
Die AR1500 von Atlantis ist so konstruiert, dass sie auch extremen Umgebungsbedingungen standhalten kann. Bild: Atlantis Resources Limited

Die Atlantis-Turbine misst eine Gesamthöhe von 22,5 Metern. Ihre Gondel ist knapp elf Meter lang und wiegt 150 Tonnen. An ihrer Spitze befinden sich drei verstellbare Rotorblätter mit einem Gesamtdurchmesser von 18 Metern. Die Turbinengondel ist auf dem Turm um 360 Grad drehbar gelagert. 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 elektrisches Steuerungssystem inklusive unterbrechungsfreier Stromversorgung soll eine lange Betriebsdauer auf dem Meeresgrund gewährleisten. Die Lebensdauererwartung der Turbine liegt bei 25 Jahren

Strom im Wechsel der Gezeiten gewinnen

Bremse EMB-STOP M-A-xxx-F Lever, Bild: KTR
Die Bremse EMB-STOP M-A-xxx-F Lever erzeugt ihre Bremskraft auf rein elektromechanischem Weg – das macht sie nahezu wartungsfrei. Bild: KTR

Beim Wechsel der Gezeiten, also in der Phase, in der die Gondel optimal in die Strömung gestellt wird, wird der Antriebsstrang der Turbine fixiert. In der AR1500 kommen hierfür insgesamt drei elektromechanische Bremsen der Bauart EMB-STOP M-A-xxx-F Lever von KTR zum Einsatz.

Die aktiven Schwimmsattelbremsen, sogenannte Floater, erzeugen Klemmkräfte bis jeweils 125 Kilonewton. 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 AR1500 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 ostwestfälischen Schloß Holte-Stukenbrock. An diesem Standort bündelt KTR seine gesamten Bremsenaktivitäten unter dem Dach der KTR Brake Systems. 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.

Technische Herausforderungen

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.

Das Energiepotenzial der Gezeitenströme am Pentland Firth ist enorm: Einer Studie der University of Oxford zufolge wäre hier sogar eine Gesamtleistung von 1,9 Gigawatt 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. hei

Technik im Detail

Bremse EMB-STOP M-A-xxx-F Lever

  • Aktive Schwimmsattelbremse mit elektromechanischem Bremssystem
  • Gesamtgewicht: 115 kg
  • Bremsscheibendicke: 25 – 35 mm
  • Belagabnutzung je Seite (max.): 4 mm
  • Belagreibungskoeffizient, Nennwert: μ = 0,4
  • Klemmkraft, min.: 80 kN
  • Klemmkraft, max.: 125 kN
  • Einsatztemperaturbereich: -30 bis +50 °C
  • Motorleistung: 300 W
  • Motorspannung: 24 VDC
  • Spannung der elektrischen Signale: 230 VAC/24 VDC
  • Optional: Verschiedene Farben, Belagverschleiß- und Zustandssensor, Temperatursensor, alternative Bremsbelagmaterialien.