DE19633590A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Wellenenergie - Google Patents

Description

Meereswellenenergie ist wegen eines zweidimensional aufkon­ zentrierten erheblichen Potentials bezüglich ihrer Gewin­ nung sehr geeignet für eine künftige Energieversorgung weltwirtschaftlicher Bedürfnisse. So ist die je Quadratme­ ter Meeresoberfläche gewinnbare Wellenleistung bei mittle­ rem Seegang (nach Beaufort-Skala 4, entsprechend "mäßige Brise") etwa gleich der stetig eingestrahlten Solarenergie (etwa 1000 Watt/m² im Meeresniveau bei senkrechtem Son­ nenstand), d. h. alle zugeführte Sonnenenergie bleibt zu­ nächst im Mittel weitgehend im Bewegungszustand der Meeres­ oberfläche gespeichert. Mit anwachsendem Seegang und zuneh­ mend unterschiedlicher lokaler Konzentrierung wird schließ­ lich bei Sturm sogar das Hundertfache dieses Wertes über­ schritten. In ihrem Aufkommen ist Wellenenergie daher ver­ gleichbar zur bisherigen Energiegewinnung durch Fossilien­ verbrennung bzw. aus der Atomkernspaltung.

Inzwischen weltweit unternommene Versuche zur Wellenenergie­ gewinnung zeigten Anfälligkeit der vorwiegend überseeischen mechanischen Anordnungen gegen schwere Seegangsverhältnisse- insbesondere bei Lokalisierung in der heftig bewegten Kü­ stenbrandung. Dies verhinderte bisher die Entwicklung grö­ ßerer kommerzieller Anlagen.

Es wurde nun gefunden, daß eine Beeinträch­ tigung durch Seegangsverhältnisse weitestgehend vermieden werden kann, wenn die Abnahme der umzuwandelnden Wellenener­ gie über einen der vertikalen Wellenbewegung folgenden Schwimmkörper bewirkt wird und mittels einer Kraftübertra­ gungseinrichtung dem in einer solchen Seetiefe gelagerten und mit dem Meeresgrund fest verbundenen Elektrogenerator zugeführt wird, wo das oberflächliche Bewegungsverhalten bereits weitgehend abgeklungen ist. So dringen nach ozeano­ graphischer Erkenntnis (S. Günther: Physikalische Geogra­ phie. Sammlung Göschen Nr. 26 G.J. Göschen'sche Verlags­ handlung GmbH, Berlin und Leipzig 1913, S. 91) selbst Orkane mit ihrem Bewegungsantrieb nur wenige Meter tief in das In­ nere des Meeres ein, während schon in etwas größerer Tiefe vollständige Ruhe herrscht.

Zur Kraftübertragung von der bewegten Meeresoberfläche zum je nach Seeverhältnissen in der Meerestiefe von etwa 20 bis 50 Metern gelagerten Elektrogenerator kann sowohl ein mecha­ nischer Exzenterantrieb als auch ein hydraulischer Kraft­ schluß dienen. Für die Übertragung einer Wellenleistung von etwa 10 Megawatt ist eine Stangenkraft des Exzentergestän­ ges von etwa 6.10⁷ Newton zu beherrschen. Bei einer Zug­ festigkeit von Stahl mit etwa 500 N/mm² ist dies durch einen Doppel-T-Träger der Breite etwa 70 cm, der Basislängen je 30 cm und einer Stegdicke von 11 cm zu bewältigen. Für eine Stangenlänge von 20 Metern hat der Träger ein Gewicht von etwa 19 Tonnen.

Die relativ langsame Wellenschwingung mit Wellenperioden von etwa 1 bis 15 Sekunden erfordert für den Betrieb eines hoch­ tourigen (Tourenzahlen zwischen 60 und 1500 UPM) Elektro­ generators die Zwischenschaltung von Getrieben. Dies kann sowohl mit mechanischen als auch hydraulischen Maßnahmen (z. B. nach Föttinger) geschehen.

Bei Verwendung von hydraulischer Kraftübertragung kann ge­ mäß einer Anordnung nach Fig. 1 mit einer zwischenge­ schalteten Umkehrturbine im verengten Strömungsrohr von dieser auch die Getriebefunktion im wesentlichen übernommen werden. Die Umkehrturbine stellt eine gleichsinnige An­ triebsrichtung des Elektrogenerators sicher - selbst bei Umkehrung der Strömungsrichtung des Meerwassers im hydrau­ lischen Antriebsrohr. Bei der im allgemeinen relativ hohen Masse des Generatorläufers wird auch gleichzeitig eine Laufglättung trotz der Wellenschwingung bewirkt.

Die Turbinenanordnung besteht in der Fig. 1 aus zwei Kap­ lanturbine-artigen Elementen, wobei deren Laufradschaufeln um jeweils eine senkrecht auf der Rotationsachse stehenden Nebenachse schwenkbar befestigt sind. Bei Umkehrung der Wasserströmung im Turbinenrohr klappen die Laufradschaufeln automatisch bis zu einem zweiten Anschlag um, so daß auch mit Umkehrung der Strömungsrichtung der Drehsinn der Rota­ tionsachse erhalten bleibt (Fig. 2). Die Verwendung von mehrfachen Turbinensätzen, wobei die einzelnen Elemente auf der Rotationsachse vorzugsweise gegeneinander winkelmäßig versetzt sind, kann der Verbesserung des hydraulischen Wir­ kungsgrades der Anordnung dienen.

Zur Kompensation des in etwa 6-stündigem Wechsel ("Ebbe- Flut-Ebbe-Flut" in 24 Stunden) erfolgenden Tidenhubes von je nach Meeresregion von etwa 1 bis 10 Metern (mitunter auch noch darüber) besitzt der senkrechte Teil des den hydrauli­ schen Antrieb bewirkenden Strömungsrohres eine Länge von etwa bis zu 50 Metern. Sein oberes Ende befindet sich etwa 20 Meter unterhalb des ruhigen Seeniveaus. Als Richtregel für diesen Abstand dient die Summe aus Tidenhub und halber maximaler Wellenhöhe - was allerdings in den jeweiligen See­ lokalisationen zu unterschiedlichen Werten führen kann. Der Durchmesser des senkrechten Strömungsrohres beträgt bei einer genutzten Wellenfrontbreite von 100 Metern etwa 10 Me­ ter. Vor Übergang in den etwa 5 Meter langen waagerechten Teil, welcher die Wasserkraftmaschine (Turbine) enthält, verjüngt sich das Rohr auf etwa 1 Meter Durchmesser. Dies bedeutet im Turbinenbereich eine etwa Verhundertfachung der Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zur Geschwindigkeit der vertikalen Wellenbewegung und bewirkt damit eine Anpas­ sung an das hohe Drehzahlerfordernis des Elektrogenerators.

Die Wasserverdrängung im senkrechten Strömungsrohranteil wird durch einen am oberflächlichen Schwimmkörper befestig­ ten und mit Dichtungsringen ausgestatteten Kolben bewirkt, der sich gemäß der Wellenbewegung jeweils auf- und abwärts bewegt. Zur Vermeidung von evtl. klemmenden Kippbewegungen kann der Schwimmkörper durch Führungseinrichtungen zusätz­ lich auf das Strömungsrohr zentriert werden.

Sowohl das Strömungsrohr als auch der gegen den Seewasser­ einfluß gekapselte Elektrogenerator sind am Seeboden mittels Senkkasten-Gründung fest verankert. Die gewonnene Energie wird über Seekabel (Belastbarkeit bis 500 Megawatt je Kabel) dem Verbraucher, gegebenenfalls auch in größerer Entfernung auf dem Festland, zugeführt.

Das Aufkommen an Wellenenergie kann je nach den Seegangsver­ hältnissen bis zu sehr beträchtlichen Werten ansteigen. Für einen Schwimmkörper (Floß) an der Meeresoberfläche mit einer Breite in der Wellenfront von 100 Metern und einer Länge, die etwa der halben Wellenlänge (λ/2) in Metern entspricht, werden mechanische Leistungen (Å_W) umgesetzt, wie sie die Tabelle ausweist. Der unterschiedliche Seegang wird hier gemäß seemännischer Erfahrung durch die Zuordnung zur Wind­ bezeichnung nach der Beaufort-Skala gekennzeichnet. Bereits bei leichtem Seegang (entsprechend Beaufort 4) werden Wel­ lenleistungen je Quadratmeter beobachtet (letzte Spalte der Tabelle), wie sie bisher mit Solarzellen unter günstigen Voraussetzungen erhalten wurden, d. h. etwa 200 Watt/m². Zu­ nehmender Seegang (etwa bis Beaufort 8) läßt schon die Grö­ ßenordnung von etwa 100 Megawatt/100 m Wellenfront errei­ chen.

Für die Errichtung von Wellenkraftwerken mit konventionel­ len Kapazitäten von etwa einigen hundert bis tausend Mega­ watt empfehlen sich durch den verstärkten Seegang bedingt besonders herausragende Lokalisationen der Meeresgebiete. Diese sind bestimmt durch ausgeprägte ozeanische Strömungs­ verhältnisse bzw. geeignete zonale Witterungsbedingungen. Vor allein durch britische und portugiesische Forscher (etwa M.T. Pontes u. Mitarbeiter: An Atlas of the Wave Energy Resource in Europe. 14th Offshore Mechanics and Arctic En­ gineering Conference 1995) wurden die Europa umgebenden Meere (Nordsee, Atlantik und Mittelmeer) auf vorzugsweise Eignung untersucht.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Gewinnung von Wellen­ energie vermeidet durch die unterseeische Übertragung der Energie auf ebenfalls unterseeisch gelagerte Elektrogene­ ratoren den erfahrungsgemäß zerstörerischen Angriff schwe­ rer Seezustände auf die Energiegewinnungsanlagen. Die höch­ sten zu erwartenden Wellenhöhen liegen etwa zwischen 10 bis 20 Metern. Die Lagerung der gekapselten Generatoren in etwa 50 Metern Seetiefe dämpft die Kraft des Wellenschlages wei­ testgehend. Demgegenüber zeigt der Wellenschlag in der Kü­ stenbrandung bei schwerer See ganz allgemein Zerstörungs­ potentiale, die je Meter Küstenfront der Zertrümmerung von 100 und mehr Tonnen Küstengestein entsprechen können. Wie mehrfache weltweite Erfahrung inzwischen gezeigt hat, sind in der Küstenbrandungsregion errichtete Wellenkraftwerke diesen Angriffen immer wieder erlegen.

Claims (5)

1. Verfahren und Vorrichtung zur Gewinnung von Wellenener­ gie, dadurch gekennzeichnet, daß die vertikale Wellenbewe­ gung ihre kinetische Energie mittels eines in der Wasser­ oberfläche befindlichen Schwimmkörpers über eine untersee­ isch angeordnete Kraftübertragungseinrichtung zu einem mit dem Meeresgrund fest verbundenen Elektrogenerator überträgt.

2. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kraftübertragung durch einen mechani­ schen Exzenterantrieb bewirkt wird, wodurch die Energie der vertikalen oberflächlichen Wellenbewegung als Rotationsener­ gie des Elektrogenerators übertragen wird.

3. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kraftübertragung zur Umwandlung der vertikalen Wellenenergie in Rotationsenergie des Elektro­ generators durch hydraulischen Kraftschluß über eine Tur­ binen-Anordnung erfolgt.

4. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hydraulische Kraftübertragung über Einschaltung von Umkehrturbinen erfolgt, wodurch bei jewei­ liger Umkehrung der vertikalen Wellenbewegung die gleich­ sinnige Drehrichtung des Elektrogenerators gewährleistet wird.

5. Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 1, 3 und 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Laufradschaufeln der Umkehr­ turbine sich automatisch unter dem Druck der einströmenden Wassermenge in ihrer Einstellung umkehren, so daß die Dreh­ richtung der Turbinenachse von der wechselweise umkehrenden Wasserströmungsrichtung unverändert bleibt.