Motivation
Hinsichtlich des wachsenden Energiebedarfes weltweit und den daraus resultierenden Anforderungen an den Umweltschutz stellen die erneuerbaren Energien aus dem Meer ein großes Potenzial dar. Das technisch umsetzbare Potenzial der Meeresenergie liegt bei einem Anteil von ca. 33% am gesamten weltweiten Stromverbrauch. Schätzungen zufolge könnte die Gezeitenströmungen einen Beitrag von etwa 4% (800 TWh/a) am weltweiten Stromverbrauch liefern. Derzeit werden verschiedene Prototypen von Gezeitenströmungsturbinen entwickelt und installiert. Das IHS arbeitet hierbei in Zusammenarbeit mit Voith Ocean Energy in Heidenheim an der Entwicklung mehrerer Prototypen.
Entstehung von Gezeitenströmungen
Maßgeblich für die Entstehung von Gezeitenströmungen sind die Gravitationskraft des Mondes und die Fliehkraft aus dem Umlauf um den gemeinsamen Systemschwerpunkt von Erde und Mond, sowie die Gravitationskräfte des Systems Sonne und Erde. Auf der dem Mond zugewandten Seite ist die Gravitationskraft zum Mond hingerichtet, die Fliehkraft entgegengesetzt. Auf der dem Mond abgewandten Seite ist die Fliehkraft wieder in Betrag und Richtung gleich groß, die Gravitationskraft jedoch wesentlich geringer aufgrund des größeren Abstandes zum gemeinsamen Schwerpunkt. Die Fliehkraft ist daher maßgebend auf der dem Mond abgewandten Seite. Daher entstehen auf der Erde zwei Flutberge. Da sich die Erde noch um ihre eigene Achse dreht, dreht sie sich zwei mal am Tag durch einen Flutberg. Somit steigt und fällt der Meeresspiegel ca. zweimal in 24 Stunden. Dieser Tidenhub bewirkt somit die Gezeitenströmungen, die jedoch sehr stark von geografischen Gegebenheiten abhängig sind.
In der Regel finden sich hohe Strömungsgeschwindigkeiten in Buchten und zwischen Inselgruppen, mit Wassertiefen zwischen 10 - 50 m. Um Einflüsse von Bodengrenzschicht und Wellen an der Oberfläche auf die Turbine zu vermeiden, besteht nur ein bestimmtes, technisch sinnvoll nutzbares Band zwischen Boden und Oberfläche.
Berechnung und Optimierung von Rotorblättern
Die optimale Ausnutzung und Umwandlung der kinetischen Energie in elektrische Energie ist ein Hauptziel bei der Entwicklung einer Turbine. Am IHS werden derzeit verschiedene Turbinenkonzepte analytisch und numerisch optimiert. Hierbei werden verschiedene Geometriekenndaten vorgegeben, die ein optimales Blattdesign im Designprozess zur Folge haben. Zusätzlich werden in der Berechnungskette die Schubkräfte, d.h. die Axialkräfte, und die Kavitationsneigung berücksichtigt.
In Bild 3 ist ein Auszug aus einem Optimierungslauf dargestellt, bei dem die Kavitationszahl über dem Leistungsbeiwert aufgetragen wird. Rot gekennzeichnet die besten Designs im Verlauf der Berechnung.
Die Prototypenanlage in Bild 4 wird derzeit in Süd Korea installiert. Weitere Turbineneinheiten sollen folgen und einen Gezeitenturbinenpark bilden, der zuverlässig und vorhersagbar Strom produziert.
