Geringere Betriebskosten durch bessere Turbinenschaufeln für Gezeitenkraftwerke
Sonne, Wind und Gezeiten sind gleichermaßen unendliche Quellen erneuerbarer Energie, doch die Gezeitenenergie bietet einen weiteren Vorteil. Wie Newton bereits vor 450 Jahren erklärte, entstehen die Gezeiten durch zwei der zuverlässigsten bekannten Phänomene – die Bewegung des Mondes um die Erde und die Drehung der Erde um die eigene Achse. Die Gezeitenenergie ist also im Gegensatz zur Sonnen- und Windenergie wetterunabhängig und Jahrzehnte im Voraus vorhersehbar. Gezeitenturbinen sind auch weniger sichtbar und hörbar für die Bevölkerung in der Nähe. Das Potenzial ist also enorm und die EU war bisher führend in diesem Bereich, dennoch macht Gezeitenenergie nur einen kleinen Anteil in der EU-Stromversorgung aus. Eines der größten Probleme sind die Kosten. Der Schwerpunkt des EU-finanzierten Projekts NEMMO lag darauf, die Stromgestehungskosten über eine ganzheitliche Designkampagne zu senken und so die Leistung und Haltbarkeit der Turbinenschaufeln zu stärken.
Die Vorteile der Gezeitenenergie ausnutzen
Wasser ist etwa 800 Mal dichter als Luft. Die Turbinenschaufeln in Gezeitenkraftwerken sind also kürzer und stabiler als die in Windkraftanlagen. Sie rotieren auch langsamer, denn durch die hohe Dichte des Wassers im Vergleich zur Luft entsteht durch Gezeitenströmungen mehr Energie pro Flächeneinheit als durch Wind. Die Drehung durch dichtes Salzwasser bedeutet aber auch physikalischen und chemischen Verschleiß, sodass die Schaufelkanten schnell erodieren. Dadurch entstehen Risse und Wasser kann eintreten. Das beschleunigt die Abnutzung weiter und das Ausfallrisiko steigt.
Eine ganzheitliche Kampagne zur Modellierung, Entwicklung und Prüfung
Die Kavitation ist ein zentrales Problem für die Turbinenschaufeln in Gezeitenkraftwerken. Bei der Schaufeldrehung entstehen durch periodische hydrostatische Druckabfälle Bläschen auf den Schaufeln, die kollabieren und zu Oberflächenermüdung führen. „Die Modellierung wurde in der Gezeitenindustrie bisher nur minimal eingesetzt. Der Ausgangspunkt von NEMMO waren ausführliche Computermodellierungen, um die möglichen Kavitationseffekte auf verkleinerte Versionen der Schaufeln zu prüfen“, erklärt der Projektkoordinator Pablo Benguria von Tecnalia Research & Innovation. Außerdem wurden über NEMMO innovative Werkstoffe, Beschichtungen und Verfahren gestaltet, um die Lebensdauer der Turbinenschaufeln zu verlängern. Mit nanoverstärkten Verbundwerkstoffe wurde die Ermüdungs- und Stoßfestigkeit verbessert, Fouling wurde durch eine Mikrotexturierung der Schaufeloberfläche verhindert. Das Team schuf neue nicht auslaugende Anti-Fouling-Beschichtungen, um dauerhaft vor Kavitation zu schützen. „Ermüdungsproben sind für Rotoren unerlässlich, sodass eine riesige Bibliografie an Referenzen verfügbar ist. Doch für Turbinenschaufeln stecken Ermüdungsproben noch in den Kinderschuhen. Unsere Testverfahren beruhen auf verbesserten Verfahren und somit optimiertem Design der Turbinenschaufeln. So konnten die Abnutzungsraten durch Kavitation, Fouling und Alterung in einer rauen Meeresumgebung eingestuft und die hydrodynamische Leistung und Lebensdauer der Schaufeln quantifiziert werden“, erklärt Benguria. Mit diesen Erfolgen sollte die Zuverlässigkeit künftiger Schaufelkonstruktionen deutlich gesteigert werden können.
Optimierte Schaufeln auf dem Weg ins Meer
Bei dem umfassenden Designprozess von NEMMO wurden kritische Variablen geprüft, die bisher nicht ausreichend erforscht wurden. Daraus entstand ein komplexer optimierter Entwurf. „Das neue Design bietet mehr Kapazitäten zur Energieerzeugung und eine längere Haltbarkeit der Schaufeln, sodass die Betriebskosten für Gezeitenkraftwerke sinken“, fasst Benguria zusammen. Drei Schaufeln sollen bald in dem Versuchskraftwerk ATIR von Magallanes Renovables eingesetzt werden und bei realen Betriebsbedingungen auf den Orkney Islands in Schottland getestet werden. Die Turbinenschaufeln von NEMMO könnten bald auf den Markt kommen. Dadurch sinken die Hürden für Investitionen in Gezeitenenergie, sodass die berechenbare Kraft der Gezeiten freigesetzt werden kann, um den Übergang zur emissionsfreien Energieerzeugung in Europa zu beschleunigen.
Schlüsselbegriffe
NEMMO, Gezeitenenergie, Turbinenschaufeln, Kavitation, Fouling, Ermüdungsprobe
