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Energie aus dem Meer

Die gewaltige Energie, die hinter der Kraft des Meeres steckt, ist schon so manchem Küstenbewohner zum Verhängnis geworden. Doch diese Energie ist nicht nur zerstörerisch, sie kann auch genutzt werden, zum Beispiel zur Stromgewinnung. Strom aus dem Meer – gewonnen aus der Kraft der Gezeiten und Wellen. Experten sehen darin ein großes Potenzial.

Gezeitenkraftwerk

Bereits im 11. Jahrhundert wurde die Kraft des Tidenhubs in Gezeitenmühlen in England und Frankreich genutzt. Und im Jahr 1897 wurde in Frankreich das erste Mal elektrischer Strom mit Hilfe von Turbinen und Generatoren gewonnen, angetrieben durch Ebbe und Flut.

Rund 20 Jahre später entstanden die ersten Pläne für ein Gezeitenkraftwerk an der Mündung des französischen Flusses Rance bei St. Malo in der Normandie. Die Bucht ist mit einem Tidenhub von bis zu 12 Metern besonders geeignet. Es dauerte allerdings noch bis zum 4. Dezember 1967, bis das erste Gezeitenkraftwerk der Welt in Betrieb gehen konnte. Das Prinzip ist denkbar einfach. Ein 750 Meter langer Damm trennt die Bucht vom offenen Meer ab. Das Wasser kann nur durch 24 Rohrturbinen auf die andere Seite gelangen. Die Turbinen erzeugen den Strom sowohl beim Einlaufen des Wassers (Flut) als auch beim Auslaufen (Ebbe). Je nach Strombedarf kann das Ablaufen dabei auch leicht verzögert werden. Ingesamt erzeugt das Kraftwerk eine Leistung von 240 Megawatt. Weltweit gibt es nur einige wenige meist kleinere Anlagen mit rund einem Megawatt.

Meeresströmungskraftwerk

Energie lässt sich jedoch nicht nur durch die Nutzung des Tidenhubs gewinnen. Denn dass das Meer bei Flut höher steht, bedeutet nicht, dass es dort angehoben wird, jedenfalls nicht in dem Sinne, wie man einen Eimer Wasser vom Boden anheben würde. Das Wasser des Meeres wird durch die Gezeitenkräfte von einem Ort zu einem anderen gezogen. Dort wo es wegfließt herrscht Ebbe, dort wo es hinfließt Flut. Es entstehen Strömungen.

Und diese können ebenso zur Stromgewinnung genutzt werden. Vor der Küste Großbritanniens entstand das erste Meeresströmungskraftwerk der Welt. Das deutsch-britische Pilotprojekt trägt den Namen "Seaflow". Es sieht aus wie eine Windkraftanlage unter Wasser und funktioniert auch fast genauso. Der Unterschied: Statt des Windes, also der Strömung der Luft, wird die Gezeitenströmung des Wasser genutzt. Seit der Inbetriebnahme 2003 musste "Seaflow" beständig verbessert werden. Zum Beispiel war die Meeresströmung geringer als erhofft. Auch stellte der Unterwasserbetrieb extreme Anforderungen an die Materialien.

Im Jahr 2008 ging "Seaflows" Nachfolger "Seagen" vor der Küste Nordirlands in Betrieb. Mit seinen zwei Turbinen produziert das Gezeitenkraftwerk, anders als sein Vorgänger, tatsächlich Strom. Die Leistung beträgt 1,2 Megawatt, womit gut 1000 Haushalte versorgt werden können.

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Wellenenergie

Das Wetter ist zwar ein unvorhersehbarer Faktor, es ist jedoch entscheidend bei einer weiteren Form des Energietransports im Meer: der Wellenenergie. Um diese Energie zu nutzen gibt es verschiedene Ansätze. Einer der ältesten ist das Prinzip der schwingenden Wassersäule. Das ständige Auf und Ab des Wassers treibt dabei in einer Art Kamin eine Luftsäule an. Wie in einer Luftpumpe wird bei ansteigendem Wasser die Luft nach oben durch eine Turbine gedrückt. Beim Absinken des Wassers wird die Luft durch die Turbine angesogen. Eine ausgeklügelte Technik sorgt dafür, dass sichdie Turbine in beiden Fällen immer in dieselbe Richtung dreht. Dadurch werden Reibungsverluste vermieden. Der erste Prototyp eines Wellenkraftwerks ist im November 2000 an der Westküste Schottlands in Betrieb gegangen und liefert eine Spitzenleistung von500 Kilowatt.

Im Sommer 2011 ging vor der Küste der baskischen Kleinstadt Mutriku das erste kommerziell betriebene Wellenkraftwerk ans Netz. Die 16 Turbinen wurden in die Hafenmauer integriert, sodass das Kraftwerk kaum als solches zu erkennen ist. Die Stromausbeute fällt jedoch wesentlich geringer aus, als anfangs angenommen. Das Kraftwerk erzeugt nur knapp 300 Kilowatt, womit im Durchschnitt 250 Haushalte mit Strom versorgt werden können.

"Wellendrache" und "Seeschlange"

Zwei andere Techniken, die getestet werden, sind "Wavedragon" (Wellendrache) und "Pelamis" (griechisch für Seeschlange). Bei "Wavedragon" schwappen Wellen auf hoher See über Rampen in ein höher gelegenes Reservoir. Aus diesem Reservoir fließt das Wasser zurück ins Meer und treibt dabei Turbinen an. Bei "Pelamis" handelt es sich um mehrere Stahlrohre, die über bewegliche Gelenke miteinander verbunden sind. Diese Stahlrohrschlange liegt auf der Wasseroberfläche, passt sich den Wellenbewegungen an und wandelt die Bewegung in Elektrizität um.

Lösung des weltweiten Energieproblems?

Der Energievorrat, der in den Gezeiten steckt, ist zwar riesig, lässt sich jedoch nur selten wirtschaftlich nutzen. Um zum Beispiel ein Gezeitenkraft betreiben zu können, benötigt man mindestens einen Tidenhub von fünf Metern sowie eine geeignete Bucht. Weltweit gibt es schätzungsweise nur wenige Dutzend solcher Stellen. Insgesamt ließen sich rein rechnerisch zwölf Gigawatt (ein Gigawatt = eine Milliarde Watt) Strom erzeugen. Damit könnten gerade mal zehn Kohlekraftwerke ersetzt werden.

Außerdem steht die Energie nicht kontinuierlich zur Verfügung, die Spitzenlast verschiebt sich ebenso wie die Hochund Niedrigwasser von Tag zu Tag. Es müssten daher Möglichkeiten zur Speicherung der Energie geschaffen werden. Das Problem der kontinuierlichen Energiegewinnung tritt bei den Wellenkraftwerken noch verstärkt auf, da bei diesen das Wetter eine entscheidende Rolle spielt. Lediglich ein Strömungskraftwerk liefert eine halbwegs konstante Energie und ist unabhängig vom Wetter. Allerdings gibt es erst wenige Pilotanlagen.

In der Kombination verschiedener Meereskraftwerke sehen die Experten gleichwohl einen wichtigen Pfeiler der erneuerbaren Energien. Im Vergleich zu Wind, Sonne und Biomasse steht die Nutzung der Energie aus demMeer aber noch amAnfang1. (5 130)

1 http://www.planet-wissen.de/natur_technik/meer/energie_aus_dem_meer/ 42

Erdwärme

99 Prozent der Erde sind heißer als 1000 Grad. Direkt unter unseren Füßen schlummert ein gewaltiges, nahezu unerschöpfliches Energiepotential. Die Erdwärme, auch Geothermie genannt, kann man nutzen, um Gebäuden zu heizen, Nahwärmenetze zu speisen und sogar um Strom zu erzeugen. Doch bisher spielte Erdwärme als Energiequelle bei uns kaum eine Rolle. Zu schwierig erschienen die Förderbedingungen, zu unwirtschaftlich die Stromproduktion. Dank neuer Technologien wandelt sich langsam das Bild.

Vorbild Island

Welche Bedeutung Erdwärme für die Energieversorgung in Zukunft haben könnte, zeigt uns heute schon Island. 37 aktive Vulkane heizen den Untergrund des Inselstaates auf. Heiße Quellen, Geysire und Wasserdampfspalten sind sichtbare Zeichen des geothermischen Potentials. Nur wenige hundert Meter unter der Erdoberfläche herrschen in wasserführenden Gesteinsschichten bis zu 350 Grad. Und über natürlich austretenden oder aus Bohrlöchern geförderten Wasserdampf werden bereits 90 Prozent aller Haushalte mit Wärme versorgt.

Gleichzeitig treibt überschüssiger Heißdampf Turbinen in einem Geothermiekraftwerk an und erzeugt Strom. Soviel, dass auch Wasserstoff, ein möglicher Energieträger der Zukunft, produziert werden kann. Treibhausgase wie CO2, die beim Einsatz fossiler Brennstoffe entstehen, sind in Island kein Problem. Natürlich sind die Vorrausetzungen für die Erdwärmenutzung in Island dank der vielen Vulkane einzigartig. Aber auch in Mitteleuropa könnte das Potential erschlossen werden.

Labsal aus dem Untergrund

Zumindest passiv nutzten schon die alten Gallier, Kelten und Germanen Erdwärme in Thermalquellen, ein Labsal für Körper und Geist in den eisigen Wintern unserer Vorzeit. Auch die alten Römern kannten die Wärmequelle aus dem Untergrund. Sie konstruierten schon vor 2000 Jahren die sogenannten Thermen. Thermalbäder findet man auch heute noch in zahlreichen Kurorten, die vom kostenlosen Angebot der Erde profitieren.

Das älteste Erdwärmekraftwerk der Welt

Im Italien der Neuzeit begann die Geschichte der aktiven oder kommerziellen Nutzung der Erdwärme. Unter Italien treffen die afrikanische und die eurasische Kontinentalplatte aufeinander. In der Toskana führt das zwar nicht zu Vulkanausbrüchen, aber Magma heizt dort oberflächennahe, unterirdische Wasserreservoire auf. An mehreren Stellen bahnt sich heißer Wasserdampf schon seit Jahrtausenden seinen Weg an die Erdoberfläche. Den nutzte 1913 Graf Piero Ginori Conti in Larderello für das erste Erdwärmekraftwerk der Welt. Wasserdampf trieb Turbinen an und diese erzeugten Strom.

Erdwärmenutzung in Deutschland

Heißwasserreservoire direkt unter der Erdoberfläche sind in unseren Breitengraden selten. Erdwärmenutzung schien daher bisher in Deutschland auf wenige Orte beschränkt zu sein. In Bayern bauen zum Beispiel Erding, Straubing oder Unter-

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haching schon auf Erdwärme. Auch in Mecklenburg-Vorpommern wird Erdwärme vorwiegend zum Heizen verwendet. Die Stromerzeugung aber wird erst rentabel, wenn sehr große und mehrere hundert Grad heiße Wasserdampfvorkommen zur Verfügung stehen. Viele Gebiete in Deutschland verfügen aber erst in mehreren Tausend Metern Tiefe über größere, ergiebige Heißwasservorkommen. Bohrungen in solche Bereiche sind teuer und wenn kein Fernwärmenetz zur Nutzung der Quellen vorhanden ist, ist selbst die Wärmenutzung für Kommunen nicht reizvoll.

Erdwärme kann aber auch unabhängig von natürlichen Heißwasservorkommen genutzt werden, zum Beispiel mit dem "Hot-Dry-Rock-Verfahren" (HDR). Dabei bohrt man in Tiefen von 4000 bis 5000 Metern. Dort liegen die Gesteinstemperaturen je nach Standort schon bei 200 bis 300 Grad Celsius. Wenn man jetzt über ein Bohrloch Wasser in den Untergrund treibt, kann es sich dort aufheizen und über ein zweites Bohrloch als heißer Wasserdampf wieder nach oben befördert werden. So entsteht ein Kreislaufsystem, an das an der Oberfläche Erdwärmekraftwerke angeschlossen werden könnten. Die heißen Gesteinsschichten im Erdinneren werden also praktisch als Durchlauferhitzer verwendet.

Vorteil: Mit dem HDR-Verfahren wird unabhängig von natürlichen, unterirdischen Heißwasservorkommen und könnte überall Erdwärme fördern. Mit entsprechenden Wärmetauscher-Technologien ließe sich auch schon mit 100 bis 150 Grad heißem Wasserdampf kostengünstig Strom produzieren.

Potential für die Zukunft?

Im Jahr 2012 gibt es in Deutschland sechs Heizkraftwerke zur kombinierten Stromund Wärmeerzeugung und 21 Heizwerke, die Wärmenetze versorgen. Nach den ersten positiven Erfahrungen mit dem HDR-Verfahren und neuen Wärmetauschertechnologien kommen weitere Gebiete in Deutschland für die Nutzung der tiefen Erdwärme in Frage. Im Mai 2009 hieß es in einem Bericht der Bundesregierung zur Geothermie: "Bis zum Jahr 2020 sollen etwa 280 Megawatt Leistung zur geothermischen Stromerzeugung installiert sein, das Vierzigfache der gegenwärtig installierten Leistung. Bei einer Leistung von etwa 5 Megawatt pro Kraftwerk entsprich dies mehr als 50 Kraftwerken."

Unstrittig ist, dass Erdwärme ein großes Energiepotential ist. Experten schätzen, dass allein der täglich aus dem Erdinneren aufsteigende Wärmestrom, der durch die Erdoberfläche in die Atmosphäre gelangt und ungenutzt in den Weltraum abgestrahlt wird, den weltweiten Energiebedarf um das 2,5-fache übertrifft. Erwärme produziert keine Abfallstoffe wie CO2 und ist, anders als etwa Sonnenenergie, unabhängig von Tagesund Nachtzeiten, von Klimaoder man Wettereinflüssen1. (4 730)

1 http://www.planet-wissen.de/natur_technik/energie/erdwaerme/

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Moderne Technologien

Die besonderen Eigenschaften des Laserlichts

Licht aus kontinuierlichen Lasern zeichnet sich durch viele Besonderheiten aus: Es ist einfarbig, verfügt über wohlgeformte Wellenzüge und ist stark gebündelt.

Das Licht der Sonne oder das aus einer Taschenlampe besteht aus einer Vielzahl von Wellenzügen ganz unterschiedlicher Wellenlängen. Diese einzelnen Wellenzüge würden wir als verschiedene Farben wahrnehmen, zusammen erzeugen sie aber den weiß-gelblichen Eindruck. Bei kontinuierlichen Lasern ist Schluss mit dieser Vielfalt. Denn sie erzeugen in der Regel nur Strahlung einer bestimmten Wellenlänge – sprich: Farbe.

Laserlichtartigkeit (Kohärenz)

Eine elektromagnetische Strahlung mathematisch genau zu beschreiben, ist keine leichte Aufgabe. In der Regel hilft es, sich die Strahlung aus einzelnen Wellenzügen zusammengesetzt vorzustellen. Ein solcher Wellenzug zeichnet sich durch eine feste Wellenlänge, seine Länge und Position aus.

Für Laserlicht gilt, dass die einzelnen Wellenzüge sehr lang sein können und dass die sich nebeneinander liegenden Züge im Gleichtakt schwingen. Diese Eigenschaft heißt Kohärenz und ist beispielsweise Voraussetzung, wenn dreidimensionale Aufnahmen von Objekten gemacht werden sollen.

Intensität, Emittanz und Brillanz

Laserstrahlen können extrem dünn sein. So lassen sich ohne große Probleme Strahldurchmesser von weniger als einem hundertstel Millimeter erreichen. Da das Licht daher auf eine sehr kleine Fläche konzentriert ist, ist es meist sehr intensiv und kann beispielsweise zum Schweißen von Metall genutzt werden.

Laserstrahlen sind nicht nur dünn, sie bleiben es in der Regel auch und fächern sich nicht weiter auf. Dieses Auffächern wird mit Hilfe der Emittanz beschrieben. Sie gibt an, wie breit ein Strahl ist und wie stark er sich öffnet. Je kleiner die Emittanz, umso fokussierter ist der Strahl.

Berücksichtigt man zusätzlich zum Auffächern die Strahlenergie, so kommt man zum Begriff der Brillanz. Sie ist umso größer, je größer die Energie ist und je kleiner die Emittanz. Da die Energie von der Wellenlänge abhängt, gilt dies auch für die Brillanz. Die Brillanz eines Lasers ist weit größer als die der Sonne1. (1 860)

Wie funktioniert ein Laser?

Atome können Licht aussenden, beispielsweise immer dann, wenn sie durch Stöße oder Licht mit zusätzlicher Energie versorgt wurden. Denn Teilchen geben

1 http://www.weltderphysik.de/gebiete/atome/forschung-mit-licht/konventionelle-laser/die- besonderen-eigenschaften-des-laserlichts/

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