Innovationspreis der Energiedepesche: Wasserkraftwerk

(14. Dezember 2015) Eine deutsche Kleinfirma hat ein winziges Wasserkraftwerk entwickelt. Es sieht wie ein Propeller aus und ist ganze zwölf Zentimeter groß. Der Propeller ist mit einer flexiblen 1,80 Meter langen Achse verbunden. Wirft man den Propeller in einen Bach oder einen Fluss, dann fängt die Achse an, sich zu drehen. Die Achse ist an Land mit einem kleinen Gerät verbunden, in dem aus der Achsendrehung Strom erzeugt und gespeichert wird. Das Handy kann direkt in das Gerät eingesteckt und aufgeladen werden. Die erste Serie mit einer Auflage von 2.100 Anlagen wird im Dezember 2015 in weltweit 60 Länder ausgeliefert. Auch in Regionen ohne Stromnetz ist das Gerät einsetzbar und damit ideal für viele Länder der ­dritten Welt.

Das Gerät kostet 300 Euro. Über eine gemeinnützige GmbH soll mit Unterstützung von Stiftungen der Preis auf ein Niveau sinken, der auch für Entwicklungsländer bezahlbar ist. Bei einer Fließgeschwindigkeit von minimal einem Meter pro Sekunde erzeugt die Mikroturbine Blue Freedom fünf Watt Leistung. Damit kann ein Handy in einer Stunde aufgeladen werden. Den German Energy Award und den German Design Award hat das Gerät unlängst verliehen bekommen. Nun kommt der Innovationspreis der Energiedepesche hinzu.

Die Mikroturbine Blue Freedom kann online bestellt werden.

Ein Ozean voller Energie

Auf die Weltmeere entfällt gut 70 Prozent der solaren Einstrahlung und fast 90 Prozent der Windenergie. Sie halten damit den größten Teil der globalen Ressourcen an erneuerbaren Energien bereit. Jochen Bard, Leiter der Abteilung Umwandlungsverfahren am Kasseler Institut für Solare Energieversorgungstechnik, berichtet über die Möglichkeiten zur Stromerzeugung mit Meeresenergie.

(8. September 2008) Allein in Form von Wind, Wellen und Strömungen bergen die Ozeane ein Energiepotenzial, das etwa 300-mal so groß ist wie der Primärenergieverbrauch der ganzen Welt. Technisch und wirtschaftlich lassen sich aus heutiger Sicht jedoch nur Bruchteile davon nutzen. Das Potenzial schrumpft auch dadurch, dass es gerade entlang der Küsten vielfältige konkurrierende Nutzungen gibt. Darüber hinaus darf der Ausbau der erneuerbaren Energien nicht die Meeresökosysteme gefährden. Dies schränkt insgesamt die Flächen für eine nachhaltige Nutzung der erneuerbaren Energie erheblich ein.

Energieausbeute: Bis zu einem Megawatt auf 25 Meter Wellenkammlänge

Wellenreiten einmal anders

So schätzen europäische Studien das weltweite technische Erzeugungspotenzial der Wellenenergie auf 11.400 TWh jährlich. Nachhaltig lassen sich davon etwa 2.000 TWh pro Jahr nutzen, also mehr als zehn Prozent des heutigen Strombedarfs. Allein die europäischen Küsten könnten technisch 770 TWh pro Jahr erzeugen. Etwa 20 Prozent davon gelten als wirtschaftlich nutzbar.

Es liegt in der Natur der Wellenbewegung - einfach ausgedrückt laufen die Wasserteilchen auf einer Kreisbahn - dass die Stromerzeugung mithilfe von Wellenkraft eine echte Herausforderung ist. Die Leistung von Wellen ist aber enorm: Auf offener See kann eine Anlage, die auf 25 Metern Breite die Energie von Wellen einfängt, eine mittlere Leistung von einem Megawatt erreichen. An der Küste sind die Leistungen in der Regel deutlich kleiner.

Es gibt eine Vielzahl von Konzepten und Ideen zur Nutzung von Wellenenergie. Die wichtigsten Wandlungssysteme lassen sich in drei unterschiedlichen Bauformen zusammenfassen. Dies sind
• sogenannte OWC-Systeme mit schwingender Wassersäule (oscillating water column), mit Wasser oder Luft als Arbeitsmedium für eine Turbine;
• überspülte schwimmende oder ortsfeste Reservoirs, in die Wellen über eine Rampe einlaufen. So entsteht eine kleine Fallhöhe, die konventionelle Wasserturbinen antreibt.
• sowie punktförmige Absorber, die durch ihre Bewegung mit den Wellen einen mechanischen Antrieb für einen Generator darstellen.

Die Erwartungen an die Entwicklung der Wellenenergie in den kommenden Jahren sind hoch. Der weltweit erste Wellenenergiepark mit drei Anlagen vom Typ Pelamis mit je 750 Kilowatt geht in Kürze vor Portugal in Betrieb. Die Anlage besteht aus schwimmenden Systemen mit beweglichen Gliedern, das an eine Seeschlange erinnert. In Spanien und Portugal sind weitere Parks im Megawattbereich mit sogenannten Punktabsorbern geplant. Großbritannien will in einem speziell ausgewiesen Bereich der Nordsee einen Netzanschluss mit einer Kapazität von 20 Megawatt für die Installation von Wellenenergiewandlern (sogenannte "Wavehubs") bereitstellen.

Vom Strömen zum Strom

In Küstennähe treten unter anderem durch die Gezeiten starke Meeresströmungen auf, die sich ebenfalls zur Energiegewinnung nutzen lassen. Dabei gibt es zwei Konzepte, die sich wesentlich unterscheiden. Zum einen werden große "Tidenbarrieren" vorgeschlagen, die so in einer Meerenge errichtet werden sollen, dass das gesamte Wasser durch die Rotoren strömen muss. Das erste Gezeitenkraftwerk wurde 1967 an der Atlantikküste in der Mündung der Rance bei Saint-Malo in Frankreich erbaut: Das Wasser strömt in ein Staubecken, in dessen Staudamm Turbinen eingebaut sind. Technologisch mit der Windenergienutzung vergleichbar sind demgegenüber Meeresströmungsturbinen, deren frei umströmte Rotoren allerdings etwa nur 20 Prozent der Strömungsenergie des Wassers nutzen.

Das internationale Forschungsprojekt SEAFLOW realisierte ein Konzept für die kommerzielle Nutzung von Meeresströmungen zur Stromerzeugung. Eine Anlage mit etwa 300 Kilowatt Nennleistung ging im Juni 2003 vor der Britischen Westküste (Bristol Channel, North Devon) in Betrieb. Seit April 2008 läuft ein erster Prototyp für eine kommerzielle Anlagentechnik in der nordirischen Meerenge bei Strangford - übrigens mit Förderung durch das Bundesumweltministerium und Technologie aus Deutschland. Die Anlage arbeitet mit zwei nebeneinander angeordneten Rotoren und besitzt eine Gesamtleistung von 1,2 Megawatt. Sie könnte etwa 300 Haushalte mit Strom versorgen.

Seit dem Jahr 2002 läuft im Rahmen des italienischen ENERMAR-Projektes eine schwimmende 60 kW-Versuchsanlage in der Straße von Messina. Das norwegische "Blue Concept Projekt" ging mit einem dreiflügeligen Rotor mit 20 Metern Durchmesser im September 2004 im Kvalsund-Fjord nahe der Stadt Hammerfest an das Stromnetz. Auch in China, Korea, Kanada, USA und Großbritannien laufen zurzeit Pilotanlagen mit Leistungen von etwa 50 bis mehreren hundert Kilowatt.

Strom durch Meersalz: Osmose

Ein ganz anderes Verfahren zur Energieerzeugung nutzt den sogenannten osmotischen Druckes, der an Flussmündungen aufgrund des unterschiedlichen Salzgehalts zwischen Süß- und Meerwasser herrscht. Diese Technologie befindet sich aber noch im Labormaßstab. Weltweit ist nach Angaben von Voith Siemens Hydro an Flüssen mit einem Volumen von über 500 Kubikmeter pro Sekunde theoretisch eine Leistung von etwa 730 Gigawatt erreichbar, beziehungsweise etwa 2.000 TWh pro Jahr als nachhaltiges Potenzial.

Auch Deutschland beteiligt sich

Insgesamt befinden sich von Neuseeland bis Norwegen weit über 100 Projekte in der Realisierungsphase. In vielen Fällen steht der Anlagenbau aber noch aus. Es bleibt fraglich, ob die Mehrzahl heutiger Projekte überhaupt realisiert wird. Die Investitionen sind jedoch erheblich: Allein in Europa werden aktuell etwa 250 bis 300 Millionen Euro in die Entwicklung und den Bau von Meeresenergieanlagen investiert. Auch Deutschland beteiligt sich. Etwa 25 Anlagen- und Komponentenhersteller aus dem Bereich der Windenergie oder Wasserkraft beliefern internationale Projekte. Die vier großen Stromkonzerne in Deutschland haben sich ebenfalls an entsprechenden Projekten beteiligt. Sie rechnen damit, dass sich dieser Zweig zu einer Exporttechnologie entwickelt, die langfristig weltweit einen nennenswerten Beitrag zu einer nachhaltigen Energieversorgung leistet.

Technologie mit Startproblemen

Auf dem Weg zur Markteinführung sind aber auch die kommerziell viel versprechenden Ansätze auf Unterstützung angewiesen. In vielen Fällen treiben junge und kleine Unternehmen die Entwicklung voran. Neben den technischen und wirtschaftlichen Risiken stehen die betroffenen Firmen dann vor dem Problem, mit ihren installierten Pilotanlagen einen "Return of Investment" zu erreichen. Mit einzelnen Prototypen lässt sich nicht ohne weiteres die für große Investitionen erforderliche Reife der Technologien erzielen und nachweisen.

Daher müssen differenziertere Strategien zum Durchbruch verhelfen. Heute sind vor allem Betriebserfahrungen mit den neuen Anlagen notwendig, um die Verfügbarkeit zu verbessern und wirtschaftlich sinnvolle Lebensdauern nachzuweisen. Entscheidend sind dabei die richtigen Förderinstrumente wie zum Beispiel der Britische Marine Renewables Deployment Fund, der die Installation von Demonstrationsanlagen mit bis zu neun Millionen Pfund je Technologie fördert. Daneben gibt es in Großbritannien und Portugal Ansätze, in geeigneten Meeres-gebieten potenzielle Standorte für Wellenkraftanlagen auszuweisen und dem Projektentwickler einen kostenlosen Netzanschluss anzubieten. Damit sind die Bau- und Betriebsgenehmigungen stark vereinfacht und die relativ hohen Netzanschlusskosten für die zunächst noch überschaubar kleinen Testinstallationen ent-fallen. Dies könnte in Kombination mit geeigneten Einspeisevergütungen nach dem Vorbild des deutschen Energieeinspeisegesetzes den nötigen Impuls für den Markteintritt der Meeresenergietechnologien liefern.

Fazit

Die Nutzung vorwiegend küstennaher und aus heutiger Sicht technisch erreichbarer Meeresflächen ergibt unter Berücksichtigung von Wellen, Strömungen und Osmose ein weltweit nutzbares Potenzial von insgesamt etwa 5.000 TWh pro Jahr. Theoretisch lassen sich also damit knapp ein Drittel des Weltstrombedarfs decken. Angesichts des starken Handlungsdrucks, den der Klimawandel ausübt, und der dramatischen Kostenentwicklung für fossile Energieträger sind nur noch solche Technologien zukunftsträchtig, deren Markteintritt in Sicht ist und deren Kosten mit denen der Windkraft und Solartechnologien langfristig konkurrieren können. Die Meeresenergie ist zumindest ein aussichtsreicher Kandidat.

Zehn Prozent des Weltstrombedarfs lassen sich durch Wellenenergie decken.

Wasser mit Potenzial: 6% möglich

(27. März 2008) Auf ihren möglichen Beitrag zum Energie- und Klimapaket verweist die deutsche Wasserwirtschaft in der Studie "Energiepotenziale der deutschen Wasserwirtschaft" im Auftrag der Deutschen Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA), Hennef.

Wasserkraftanlagen in Deutschland könnten mittel- bis langfristig durch die Optimierung bestehender Anlagen rund 35% mehr Strom liefern, das Stromerzeugungspotenzial auf Kläranlagen könne langfristig auf fast das zwei- bis dreifache des Standes von 2000 ausgebaut werden, so die Studie.

Gemessen an der gesamten Stromerzeugung von rund 640 TWh jährlich könne die Wasserwirtschaft bei Ausschöpfung des ganzen Potenzials rund 6% abdecken. Das entspreche der Leistung eines mittleren Großkraftwerks.

2006 wurden 11,5% des deutschen Stroms regenerativ erzeugt. Die regenerative Wasserkraft ohne Pumpspeicherwerke hatte mit 21,6 TWh einen Anteil von 28,2% an der Regenerativerzeugung. Das technisch nutzbare Wasserkraftpotenzial gilt als zu rund 70% erschlossen.

Durch neue Maschinentechnik könnte bei bestehenden großen Anlagen, die vor 1945 in Betrieb gegangen sind, etwa 15% Leistungssteigerung erreicht werden, bei großen Anlagen nach 1985 noch rund 4%. Die Verstromung des Klärgases erzielte 2006 rund 1,3% der regenerativen Stromerzeugung.

Über BHKW erzeugen Kläranlagen auch Wärme. Durch Ausrüstung aller 2200 großen Kläranlagen mit BHKW und Verbesserung bestehender Anlagen ließe sich die Stromproduktion aus Klärgas verdoppeln, so die DWA. Hierzu brauche es allerdings staatliche Anreize.

Kläranlagen seien mit einem Stromverbrauch von 4,4 TWh pro Jahr die größten kommunalen Energieverbraucher vor Schulen mit 3 TWh und der Straßenbeleuchtung mit 3,4 TWh.

Durch Energiesparmaßnahmen und Optimierung könnten bis zu 25% des gesamten Stromverbrauchs von Kläranlagen gespart werden. Bei besseren Rahmenbedingungen könnten außerdem in Faulbehältern an Kläranlagen geeignete Bioabfälle behandelt und die Stromerzeugung aus den Gasen um mehr als 25% gesteigert werden, so die DWA.

Wasserkraft ist unverzichtbar

(27. August 2007) Durch ihr Ausbaupotenzial und durch ihre Verlässlichkeit und Stetigkeit ist Wasserkraft im Reigen der erneuerbaren Energien ein unverzichtbarer Bestandteil. Die Verdoppelungsziele des Anteiles der erneuerbaren Energie an der Stromerzeugung der EU und der Bundesrepublik Deutschland können nur dann erreicht werden, wenn auch die noch nutzbaren Potenziale in kleinen, mittleren und großen Anlagen genutzt werden.

Die Wasserkraft könnte insgesamt rund 40 Milliarden Kilowattstunden und damit ein Viertel des Stromverbrauchs der Privathaushalte erzeugen. Kleine und mittlere Anlagen stellen einen Löwenanteil des noch zusätzlich nutzbaren Potenziales dar.

Novelle in der Diskussion

Die Wasserkraftbranche ist mit den derzeitigen Mindestpreisen des gültigen EEG zufrieden, obwohl die Stromvergütung für die Modernisierung und Neubau nicht ausreicht. Dafür bedürfte es zusätzlicher Investitionshilfen. Derzeit diskutiert man über den Entwurf einer Novelle des EEG, der vom Umweltministerium vorgelegt wurde.

Die Förderung der kleinen Wasserkraft soll beschnitten werden und dafür sollen die großen Wasserkraftwerke in die EEG-Förderung aufgenommen werden. Offensichtlich drückt hier die Versorgungswirtschaft, in deren Konzernbereich die großen Kraftwerke gehören, wieder einmal durch die Hintertür eigene Interessen durch.

Die Wasserkraftbranche sieht sich durch diesen Entwurf gefährdet, weil er zusätzliche ökologisch bedingte Beschränkungen für den Ausbau der Wasserkraft einführt und in Länderkompetenzen eingreift und dadurch das EEG von der Zustimmung der Bundesländer im Bundesrat abhängig machen würde: "Wasserkraftwerke sind genauso wenig Fischhäckselmaschinen wie Windkraftwerke Vögelhackmaschinen sind".

Über 50 Prozent Wachstum bei Wasserkraft möglich

Erneuerbare Energien können in Deutschland bereits ein Drittel des Stromverbrauchs von Haushalten erzeugen. Wasserkraft ist stetige und verlässliche Grundlastenergie und kann allein dazu 15 Prozent beitragen.

(12. Dezember 2003) "Wasserkraft hat als wichtigste Säule der erneuerbaren Energien noch ein erhebliches Ausbaupotenzial", meint Anton Zeller, der Präsident des Bundesverbandes Deutscher Wasserkraftwerke. Eine Verdoppelung der Einspeisung durch kleine und mittlere Kraftwerke sei bereits mittelfristig möglich.

Viele Anlagen wurden stillgelegt

Etwa 80 Prozent des Wasserkraftstroms kommt, geografisch bedingt, aus Bayern und Baden-Württemberg. Die durch das EEG geförderten Kleinanlagen befinden sich überwiegend in der Hand von Privatpersonen und werden nicht gewerblich genutzt.

Kein Schaufelradbagger,  sondern die Leitschaufel einer Gugler-Turbine

Im Jahr 1850 waren noch 70.000 Wasserkraftwerke in Deutschland in Betrieb. In den letzten Jahrzehnten vor dem Erlass des Stromeinspeisegesetzes mussten zehntausende Wasserkraftwerke wegen nicht wettbewerbsfähiger Strompreise stillgelegt werden. Tausende von diesen ehemaligen Wasserkraftwerken warten noch auf den Prinzenkuss für ihre Wiedererweckung.

Verfünffachung durch EEG

Die Stromeinspeisungsgesetze haben für die Nutzung der Wasserkraft eine erfolgreiche Entwicklung angestoßen. Seit 1990 hat sich die Stromerzeugung in kleinen Wasserkraftwerken, die unter das EEG fallen, durch das Erneuerbare-Energien-Gesetz verfünffacht.

Nur zu zwei Dritteln genutzt

Ein erhebliches Potenzial liegt noch in der Modernisierung. Ein Hauptgrund für den nicht noch größeren Zubau liegt in der restriktiven Genehmigungspraxis der administrativen Ebene in den Bundesländern. Gerade die Wasserkraft ist es, die mit hoher Stetigkeit Strom zu liefern vermag und erst zu zwei Dritteln genutzt ist.

Feuchtes Potential:

Wasserkraftausbau könnte zwei Atomkraftwerke einsparen

(02. Februar 2003) Die Wasserkraftnutzung in Deutschland könnte noch erheblich ausgebaut werden, so die Arbeitsgemeinschaft Wasserkraftwerke Baden-Württemberg, Karlsruhe, zu der rund 800 kleine und mittelständische Betriebe gehören.

Wasser - Grundbaustein des Lebens

Etwa 25 Mrd kWh im Jahr lieferten die Wasserkraftwerke hierzulande aktuell. Diese Strommenge lasse sich um weitere 15 Mrd kWh pro Jahr erhöhen, was der Produktion von zwei Kernkraftwerken und dem Bedarf von rund 10 Mio Privatpersonen entspreche.