DE3633145A1

DE3633145A1 - Gewinnung elektrischer energie aus meeres-oberflaechenwellen

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Publication number: DE3633145A1
Application number: DE19863633145
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-09-30
Filing date: 1986-09-30
Publication date: 1988-05-05
Also published as: DE3633145C2

Description

2. Allgemeines

2.1 Ihre Fremdenergie bezieht die Erde weitestgehend aus der Sonnenstrahlung.

Diese Primärenergie bewirkt

* die Erwärmung der Luft, Erd- und Wasseroberfläche
* die Lichtdurchflutung der Atmosphäre
sekundär
* die Luft- und Wasserströmungen und
* die Wellenbildungen in Luft und Wasser
* das Leben.

Während die Tiefenwellen im wesentlichen Folge von Strömungsvorgängen im Meer sind, entstehen die Oberflä chenwellen überwiegend durch Luftbewegung; sie verbrauchen einen erheblichen Teil der Sonnenenergieeinstrahlung.

2.2 Rechnungsgrundlagen

Geht man von einer auf den Weltmeeren im Durchschnitt herrschenden Windstärke zwischen 5 und 6 aus, erhält man nach Dietrich^a) eine mittlere Wellenlänge Lm von ca. 40 m, eine mittlere Wellenhöhe Hm von ca. 2 m und eine mittlere Wellenperiode Tm von ca. 6 Sek. Diese Werte steigen erheblich mit steigender Windstärke (Tabelle 1 und Abb. 5 und 6). Ebenfalls nach Dietrich vollführen die betroffenen Wasserteilchen angenäherte Kreis- ("Orbi tal"-) Bahnen, deren Durchmesser mit zunehmender Tiefe überproportional abnimmt (Abb. 7) und bei einer Tiefe gleich Wellenlänge vernachlässigt werden kann.

Per saldo kann man davon ausgehen, daß die die Wellenbewe gung bewirkende Kraft gleich dem Gewicht einer Wassersäule von 2 Wellenhöhen ist.

Das sind bei 1 m ² Oberfläche nach der angenommenen mittleren Windstärke 5 bis 64 m³ oder entspricht bei je 3 Sek. Hub- und Absenkung/Wellenlänge einer Leistung von 13 kW oder bei einer Meeresoberfläche von 70% der Globusoberfläche von 4 Π r² oder rund 70% aus 509 Mio. km² Oberfläche oder rund 360 Mio. km² Oberfläche oder 360 Billionen m² rund 5 Billiarden (5 × 10¹⁶) kW oder rund 5 Milliarden MW - ein millionen faches dessen, was die Menschheit je verbrauchen könnte.

^a) "Das geographische Seminar", herausgegeben von Prof. Dr. Edwin Fels, Prof. Dr. Hartmut Leser, Prof. Dr. Ernst Weigt, Prof. Dr. Werner Wilhelmy; Georg Westermann Verlag. 3. Auflage 1970; Ge samtherstellung Westermann Braunschweig 1978; Autor: G. Dietrich "Oberflächenwellen und interne Wellen"

Berücksichtigt man, daß Computer ehemals außerordent lich teuer waren, während man heute Kleinstcomputer auf Solarbasis bereits zu 8,50 DM/Stück haben kann und geht zunächst von einem Wirkungsgrad von nur 15 % aus (der sich also im Zuge der technischen Entwicklung später sicher stark erhöhen läßt), ließen sich zumindest 2 kW/m² Oberfläche erzielen.

Das entspricht jährlich rund 17 500 kWh.

2.3 Realisierung

Da die Möglichkeit der elektrotechnischen Nutzung der Wellenenergie als solche durch eine stattliche Reihe von Patenten erwiesen ist, bleibt zunächst die Frage nach der Ursache von deren Nicht-Realisierung.

Es ist das allein die Unwirtschaftlichkeit der bisher zum Patent angemeldeten Verfahren:

* Die Stromerzeugungsaggregate müssen in Künstennähe instal liert werden, weil sie der Gründung bedürfen. Dort aber herrscht im Vergleich zum offenen Meer ein nur unbedeuten der Seegang, der dem Nutzer nur kümmerliche Ausläufer der gewaltigen Energie des offenen Meeres überläßt,
* sofern sie schwimmen, sind es Schiffe oder Einzelschwimm körper, die mit ihrer Begrenztheit keinen wirklich wirtschaftlichen Einsatz ermöglichen,
* der Strom wird über viele mechanische reparatur- und verschleißträchtige und darüber hinaus energie- und rohstoffverschlingende Teile wie Rollen, Seile, Achsen, Zahnräder, Klappen etc. erzeugt,
* die Verzinsung der Herstellungskosten sowie ihre stetige technische Alterswertminderung durch Verschleiß, aber auch ihre erforderlichen Wartungs- und Reparatur kosten können durch den Erlös der erzielbaren Strommenge nicht abgedeckt werden.

Das mochte seine Gründe darin haben, daß die Erfinder Maschinenbauer waren, denen die nötigen statisch-bautech nischen Kenntnisse fehlten oder aber Bauingenieure, die kaum Kenntnis vom Maschinenbau und ebenso wenig wie Maschinenbauer von wirtschaftlichen Grundanforde rungen an kapitalintensive Erfindungen solcher Art haben.

2.4 Die Aufgabenstellung muß daher nunmehr vorzugsweise die Wirtschaftlichkeit der Energiegewinnung aus Meereswellen sein.

Dabei sind folgende Forderungen aufzustellen:

* die Installation muß (mit Ausnahme der Pole) an allen Stellen der Weltmeere möglich sein
* die Herstellungskosten müssen gering sein
* der Verschleiß minimal
* die Wartung desgleichen
* zusammenfassend: die Stromerzeugung muß nach Überwin dung der Anfangsschwierigkeiten so billig sein, daß ihre Kosten unter denen der übrigen Energie liegen.

3.0 Vorbemerkungen

Ein Trägerrost (Abb. 2) ist die Auflösung einer Platte beliebiger Stärke in kreuzweise angeordnete starr mitein ander verbundene Träger zur Erzielung von Materialeinspa rungen bei im übrigen gleichen Stützbalken. Solche Roste würden bei geeigneter Größe und Stärke auch bei erheblichem Wellengang nahezu unbeweglich schwimmen - so wie etwa 300 m lange Tanker auch bei Windstärke 8 fast unbewegt das Wasser durchpflügen.

3.1 Der hier benötigte Trägerrost gewinnt die statisch günstige Form als Nebenprodukt der Einbringung geeignet großer Löcher, deren Durchmesser alleine von elektrotech nischen Überlegungen definiert wird. Sie haben die Spulen aufzunehmen (Abb. 3).

Dabei wird die Höhe des Systems wie auch die Anzahl der Löcher durch die Statik des verbleibenden Material restes (nämlich des "Trägerrostes") definiert und dieser wiederum aus der Zug-, Druck- und (auch) Torsionsfestig keit des verwendeten Materials, das entweder schwimmfähig (also ein spezifisches Gewicht kleiner als Wasser haben sollte) oder als Hohlkörper ausgebildet sein muß.

Große Platten können aus beliebig großen oder kleinen Einzelteilen, die auf Werften angefertigt werden, nach Anschwimmen zur Station örtlich montiert werden.

Der Rost muß, senkrecht zur Wellenbewegung, nicht absolut starr sein, sondern kann eine gewisse Elastizität behalten. Es spielt keine Rolle, wenn er sich bei sehr großen Wellengängen in gewissem Umfange durch biegt oder gar kürzer als außerordentlich große Wellen ist (schließlich gibt es bei Windstärke 11 solche mit 900 m Länge!).

Für die Höhe des Systems und damit auch für die verlangte Elastizität bei vorgegebenen Festigkeiten ist allein die Wirtschaftlichkeit, die sich erst durch Versuche vor Ort zufriedenstellend abgrenzen läßt, maßgebend.

Der Rost könnte z. B. (wie Stahlbeton) bewehrt sein, entweder um Material zu sparen oder um nicht kostspielige übergroße Zugfestigkeiten des Materials verlangen zu müssen.

3.2 Die Anker (Abb. 4) müssen ebenfalls schwimmfähig sein und sollten per saldo das etwa halbe spezifische Gewicht des Wassers, also um die 0,5 haben.

Ihre Ausbildung soll Zylindern entsprechen, die in den Höhlungen der Spulen des Rostes mit der Wellenbewegung auf und ab gleiten und dadurch Strom erzeugen.

Es versteht sich von selbst, daß Details, nämlich Größe, Dicke, Querschnitte, Schlankheitsgrade, Materialien etc. zur Erzielung optimaler Ergebnisse nur von einem Team aus je einem Physiker, Elektromaschineningenieur, Chemiker, Statiker, Energiewirtschaftler, Nautiker und einem Modell bauer erarbeitet werden können.

3.3 Der Stromtransport muß durch isolierte Kabel geeigneter Durch messer erfolgen.

Ergebnis

Unterstellt man, wie bereits unter Ziffer 2.2 vorgerechnet, jährlich 17 500 kWh/m² genutzter Meeresoberfläche, ferner eine mittlere Lebensdauer der Bauteile von 10 Jahren, einen Abnehmerpreis der E-Werke beim Hersteller von letztendlich 10 Pf/kWh oder 175 DM jährlich und teilt diesen Preis in seine Bewirtschaftungskosten-Vektoren auf, nämlich

* Betriebskosten (Rohstoffe und Energie zum Betrieb, Versicherungen) von 1% oder rund 17 DM, ferner
* Instandhaltungskosten von 10% = 175 DM und schließlich
* Verwaltungskosten und Ausfallrisiko von weiteren 10% oder ebenfalls 175 DM,

verbleiben an Kapitalverzinsung 1750 - 367 = 1383 DM/Jahr, was nach Anlage 1 zu § 9 Abs. 3 Wert VO einem Kapital von 1383 × 7,72 oder gut 10 000 DM entspricht - ein Betrag, zu dem man 1 m² eines solchen Trägerrostes samt zugehörigen Spulen und Ankern wohl zweifelsfrei herzustellen vermag - wobei aus Erfahrung mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit zu unterstellen ist, daß innerhalb weniger Jahre der angenommene Wirkungsgrad von 15% steigen und die Herstellkosten sinken werden.

Ich schätze, daß der gesamte Energieverbrauch der Bundesre publik Deutschland pro Kopf der Bevölkerung auf etwa ¹/₃ m² Meeresoberfläche erzielbar sein wird.

Das bedeutet, daß bei 60 Mio. Einwohnern 20 Mio. m² erforderlich würden, was, wollte man die erforderlichen Rostflächen zusammenlegen, einer Fläche von ganzen 4 auf 5 km entspricht - bei 15% Wirkungsgrad, wie vorausgesetzt.

Zur umseitigen Abb. 2 (Trägerrost):

Während im Bauwesen ein Balkon in der Regel auf zwei Auflagern aufliegt, läuft das Auflager beim Trägerrost rundum. Seine Konstruktion dient der Material- und damit auch Gewichtseinsparung bei der Überdeckung größerer Flächen. Seine Stärke oder auch Dicke d ist abhängig von der Stützweite 1, von der Festigkeit seines Materials, von seinem Eigengewicht, von der von ihm aufzunehmenden Nutzlast und schließlich vom Schlankheitsgrad seiner Einzelträger sowohl in waagerechter als auch senkrechter Hinsicht. Dabei ist Schlankheitsgrad statisch das Verhältnis Länge zu Breite, Länge zu Höhe oder Breite zu Höhe, die, je nach Material, ebenso wie die Festigkeit, gewis sen Grenzwerten unterliegt. Damit auch die Stützweite 1 - was im vorlie genden Falle indessen vernachlässigt werden kann, da sich das System (vgl. Ziff. 3.1, Abs. 4) im Gegensatz zu normalen Trägerrosten im Baubereich durch aus auch durchbiegen darf.

Die strichpunktierten Linien an den Rändern deuten die beliebige Verlänge rung des Systems in alle drei Dimensionen an.

Claims

1. Gewinnung elektrischer Energie aus Meeres-Oberflächenwellen, dadurch gekennzeichnet, daß ein frei schwimmender Trägerrost mit senkrecht zur Wellenbewegung angeordneten Spulen versehen wird, in denen ebenfalls frei schwimmende Anker mit einem spezifischen Gesamtgewicht von je 0,5 angeordnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß diese Anker durch die Wellenbewegung durch die Spulen gestoßen werden und damit elektrischen Strom gemäß Abb. 3 und 4 erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Trägerrostes ausreicht, die im wesentlichen herrschen den Wellenlängen zu überbrücken, um also trotz Wellengangs (fast) unbeweglich auf der Meeresoberfläche zu schwimmen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, schließlich dadurch gekennzeichnet, daß die Stromerzeugung ohne mechanische Hilfsmittel wie Metall wellen, Zahnräder, Hebel, Seil oder ähnliches verläuft und daß die erforderlichen materiellen Teile, nämlich Trägerrost und Anker, nur dem Verschleiß durch Wasserangriff und nur geringfügig dem durch Berührung mit anderen Bauteilen unterliegen.
Wobei noch zu prüfen bleibt, ob und inwieweit eine Berührung durch entsprechende elektromagnetische Aufladungen der zur Berührung neigenden Konstruktionsteile gemäß Ziffer 4a und 4b sogar gänzlich verhindert werden kann.