Wellenenergie - Angebot und Ausbeute

"Man kann gegen die Wellen ankämpfen - oder sich von ihnen in die Zukunft tragen lassen" (unbekannte Quelle)

Vorgehen zur Schätzung

Die Abschätzung der Umwandlung in Nutzenergie erfolgt bei dem mobilen Wellenkraftwerk des Öko-Trimarans im Prinzip auf die gleiche Weise wie bei dem Windrad:

1. Ermittlung des Energieangebotes der Primärenergie - jetzt also das der Wellen,
2. Berechnung der Breite des heranrollenden Wellenfeldes, die von der Konstruktion genutzt werden kann.
3. Multiplikation des Produktes von (1) und (2) mit dem Wirkungsgrad des Wellenwandlers.

Zu (1): In Wellenatlanten wird die Wellenenergie für einen Abschnitt der "Wellenwalze" von einem Meter Breite

angegeben. Die Einheit ist kW_* m^-1(Kilowatt pro Meter Wellenwalze). Weil sich die Wellen meist parallel zur Küstenlinie bewegen, wird z. T. auch die Bezeichnung "Kilowatt pro Meter Küstenlinie" verwendet, was aber das gleiche aussagt. Für den überwiegenden Teil unserer Szenarien konnten wir den Wellenatlas des Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut) verwenden. Er enthält zwar keine Angaben über die Wellenenergie, wohl aber solche über die Höhen und Perioden der Wellen. (Höhe: Differenz in Metern zwischen tiefstem Punkt im Wellental und höchstem Punkt des Wellenberges; Periode: Zeitdauer in Sekunden zwischen dem Ankommeneines Wellenberges und des nächsten). Es handelt sich um die Daten von Messbojen, welche diese Werte seit etwa 1970 erfassen und auf diese Weise langjährige Mittelwerte liefern. Mit der Formel P = 0,5_* T _* H² , wobei T = Periode in sec. und H = Wellenhöhe in Meter, kann daraus die Wellenleistung P (power) in kW pro Meter Wellenwalze berechnet werden.

Zu (2): Nach konservativem Verfahren geht man zunächst einmal davon aus, dass die Energie eines heranrollenden Wellenfeldes

in der Frontbreite des Wellenkraftwerks genutzt werden kann (analog zum Vorgehen bei Windturbinen), das wären also bei den 3 Schwimmern des Öko-Trimarans zusammen 6,45 m (kritische Anmerkungen hierzu auf der Seite "Anmerkungen zur Berechnung der Wellenenergie").

zu (3): Bei dem nach ähnlichen Prinzipien arbeitenden Wellenkraftwerk Pelamis (2. Generation P2) ergab sich ein durchschnittlicher Wirkungsgrad von 0,70.¹ Diesen Wert können wir auch für den Öko-Trimaran beanspruchen. Beide Wellenwandler sind Offshore-Anlagen, die zu dem Kraftwerkstyp "line absorber" oder "Attenuator" gehören und sie nutzen beide den Wellenhub als Kraftquelle (auch dazu sind kritische Anmerkungen zu machen, siehe Seite "Anmerkungen zur Berechnung der Wellenenergie").

Das Produkt der in den obigen 3 Schritten ermittelten Werte ergibt also die durchschnittliche Produktion von Nutzenergie aus der Wellenkraft, wobei wir allerdings stillschweigend vorausgesetzt hatten, dass
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(1) Yemm & Pizer 2011, Figure 11

das Schiff senkrecht zu den Wellenfronten ausgerichtet ist. Das ist bei frei gewähltem Kurs aber nur gelegentlich der Fall, und beim Ankern nur im offenen Meer (Treibanker) oder vor der Küste; das Schiff schwenkt dann von selbst in die genannte Position. Während der Reise soll das Schiff aber unabhängig von der Richtung der Wellen gesteuert werden können. Bei einem Kurs parallel zu den Wellenfronten arbeitet das Wellenkraftwerk überhaupt nicht; trifft es in spitzem Winkel auf die Wellenfront auf, ist die Energieproduktion vermindert, zumal dann pro Zeiteinheit nur weniger Wellen passiert werden.

Das wird in der obigen Zeichnung verdeutlicht. Die schwarzen Linien mit den Winkel-Grad-Angaben repräsentieren die Ausrichtung der Wellenfronten. Die grünen Pfeile stehen für die freie Ankerung des Schiffs - hierfür ist Energieproduktion überall gleich. Die roten Pfeile stellen die Reisesituation dar - Hier verringert sich die Energieproduktion umso mehr, je stärker der Kurs von der Richtung

senkrecht zu den Wellenfronten (90°) abweicht. Die während der Reise produzierte Leistung P_R verhält sich also zu der während des Ankerns produzierten Energie P_Awie die Halbkreisfläche zu der Rechteckfläche, also wie 0,5 π r² : 2r² ; daraus ergibt sich ein Korrekturfaktor für die Leistung während der Reise von 0,7854. Eine weitere Reduktion der während der Reise umgesetzten Wellenenergie ergibt sich dadurch, dass wir für die meisten Reisetage eine Übernachtung im Hafen vorgesehen haben; das Schiff kann dann die Wellenenergie nur während der 6 Stunden pro Tag nutzen, wenn es unterwegs ist (siehe Seite "Szenarien").

Ergebnis

Für die verschiedenen Szenarien der Liegeplätze und Reiserouten ergeben sich die folgenden Werte:/tr>

Besonders eklatant sind hier die Unterschiede zwischen dem nördlichen und südlichen Szenario, weil die Wellenenergie im

Mittelmeer im Durchschnitt mit 3 - 4 kW pro m Wellenwalze viel kleiner ist als in der Nordsee und besonders im nördlichen Atlantik; letzteren haben wir dem "best case scenario" zugrunde gelegt.

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