Wellenkraftwerke Eine neue Art der Energiegewinnung aus Meereswellen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Autonome Offshore-Energiesysteme von C-Power könnten durch effiziente Energieerzeugung und Fernkommunikation mit hoher Bandbreite neue maritime Anwendungen erschließen.

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Bild 1: Während andere auf Fortschritte in der Solar- und Windkrafttechnologie achten, gehört C-Power zu den Pionieren bei der effizienten Nutzung der Meereswellenenergie. Das Unternehmen macht neue Formen von Offshore-Anwendungen möglich, darunter die Öl- und Gasexploration und -förderung, offshore Kohlenstoff-Sequestrierung, ozeanographische Forschung, Aquakultur und Heimatschutz.
Bild 1: Während andere auf Fortschritte in der Solar- und Windkrafttechnologie achten, gehört C-Power zu den Pionieren bei der effizienten Nutzung der Meereswellenenergie. Das Unternehmen macht neue Formen von Offshore-Anwendungen möglich, darunter die Öl- und Gasexploration und -förderung, offshore Kohlenstoff-Sequestrierung, ozeanographische Forschung, Aquakultur und Heimatschutz.
(Bild: C-Power)

Die Erschließung von Energie aus Meereswellen ist ein rasant wachsendes Arbeitsgebiet. Marine-Ingenieure arbeiten an diesem Thema, um zuverlässige und kostengünstige Energieerzeugung und -speicherung auf See zu ermöglichen und gleichzeitig neue Formen von Offshore-Daten- und Kommunikationsdiensten zu schaffen.

Zuverlässige, kosteneffiziente Energieerzeugung und -speicherung

Columbia Power Technologies, Inc. (C-Power), ein weltweiter Anbieter von Wellenenergiesystemen mit Sitz in Corvallis, Oregon, USA, liefert zuverlässige, kosteneffiziente Energieerzeugung und -speicherung sowie Daten- und Kommunikationsdienste für Offshore-Anlagen und trägt damit zum Ausbau der maritimen Wirtschaft bei. Die autonomen Offshore-Energiesysteme (AOPS) von C-Power gewinnen mechanische Wellenenergie und wandeln sie in nutzbare Energie für zahlreiche maritime Anwendungen um, z. B. für Offshore-Öl- und -Gasförderung, Offshore-Kohlenstoffspeicherung, ozeanographische Forschung, Aquakultur und Heimatschutz.

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Gewinnung von Meeresenergie im Kilowatt-Maßstab

Seit seiner Gründung im Jahr 2005 konzentriert sich C-Power auf die Gewinnung von Meeresenergie und hat sein Know-how auf diesem Gebiet ständig weiterentwickelt. Während andere Unternehmen große Megawatt-Systeme anstreben, konzentriert sich C-Power zunächst im Rahmen eines DARPA-Projekts namens Wave Energy Buoy Systems (WEBS) auf die dezentrale Energiegewinnung im Kilowatt-Maßstab für Offshore-Datenkommunikationsnetzwerke.

Im Rahmen des WEBS-Projekts entdeckte C-Power die Möglichkeit einer lokalen Stromerzeugung für Unterwasserfahrzeuge, Unterwasserbetriebsanlagen und Hochsee-Sensoren zur Erfassung von Umweltdaten. Bisher wurde der Strom für diese Einsatzbereiche über teure, unhandliche, nicht wiederaufladbare Bordbatterien oder über elektrische Unterwasserleitungen geliefert, die von einem Schiff oder einem Dieselgenerator gespeist wurden. Mit der Entwicklung von AOPS eröffnete C-Power ungeahnte neue Anwendungsmöglichkeiten durch die Bereitstellung einer autonomen, umweltfreundlichen und hochseetauglichen Stromquelle, die zugleich als Kommunikationskanal dient.

SeaRAY verbessert Energieeffizienz und Datenkommunikation

Die neueste AOPS-Plattform namens SeaRAY ist der Schlüssel zu C-Powers Nahziel der Entwicklung von Energiesystemen, die 10 W bis 1 MW Leistung aus dem Wellengang erzeugen. Um seine Ziele am unteren Ende des Leistungsspektrums zu erreichen, hat C-Power das SeaRAY-AOPS-Design mit hohem Leistungs-/Gewichtsverhältnis entwickelt und nutzt dazu die Stromwandlertechnik von Vicor Corporation. Dank seines geringen Platzbedarfs ist SeaRAY mobiler und wirtschaftlicher - es lässt sich leichter anliefern und aufstellen und spart Zehntausende Dollar an täglichen Betriebskosten.

„Wir brauchten dringend einen steuer- und regelbaren Weitbereichs-Gleichstromwandler, um die gepulste Wellenenergie des Meeres in eine halbseitige Gleichstrom-Busspannung umzuwandeln“, erklärt Joe Prudell, leitender Entwicklungs- und Elektroingenieur bei C-Power. „Das ist eine gewaltige Herausforderung. Dass wir das mit den Leistungsmodulen von Vicor in verschiedenen Leistungsstufen schaffen können, ist ein echter Vorteil.“

Autonome Datenfernübertragung

Das SeaRAY-Design bietet zudem die Möglichkeit einer autonomen Datenfernübertragung: Es überträgt das Geschehen im Meer in Echtzeit in die Cloud. Umfang und Häufigkeit der Datenerfassung waren bisher bei maritimen Datenerfassungssystemen limitiert. Dank der Nutzung von Mobilfunknetzen und Satellitenkommunikation zur Echtzeit-Datenübertragung zwischen Cloud und SeaRAY lassen sich mehr und vielfältigere Daten sammeln und in kürzeren Abständen übertragen.

Energiegewinnung aus einer stets wechselnden Stromquelle

Die komplexen Energieeigenschaften der Meereswellen mit den anspruchsvollen Anforderungen an die Energieumwandlung von SeaRAY in Einklang zu bringen – das war die entscheidende Herausforderung für C-Power bei der Entwicklung des Systems. Dazu zählte unter anderem der extrem weite Eingangsbereich von 30:1, der die Unberechenbarkeit der Meereswellen widerspiegelt. Das Designteam von Vicor Power Systems lieferte ein System, das Energie mit hohem Wirkungsgrad umwandeln und Stromspeicher aufladen kann. Die Anlage kann zudem externe Steuersignale vom C Power-System entgegennehmen und so die Anforderungen an die Energieumwandlung in Echtzeit präzise erfüllen.

„Ein derart schwieriges Leistungsprofil in eine kosteneffiziente, praktische Lösung umzusetzen und diese Leistung dann zu konditionieren und in nutzbare Energie für verschiedenste mobile und statische Nutzlasten umzuwandeln, ist wirklich bahnbrechend“, so C-Power CEO Reenst Lesemann. „Das hat bisher noch niemand geschafft.“

Skalierbare Power-Design

Das skalierbare Power-Design des SeaRAY nutzt Vicor BCM-Bus-Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis und PRM-Reglermodule mit komplexen mehrstufigen diskreten Wandlern für die effiziente Umwandlung der turbulenten, unvorhersehbaren Wellenenergie und zur kontrollierten Leistungsbereitstellung. Dadurch erreichte C-Power eine Steigerung des Wandler-Wirkungsgrads im SeaRAY-Design von etwa 50 auf 85 bis 94 Prozent.

Durch den Einsatz stabiler Vicor-Gleichstromwandler mit weitem Eingangsbereich erzielte C-Power die dringend benötigte Kontrolle, weil SeaRAY die gepulste Energie der Meereswellen in eine variierende Gleichspannung umwandelt und zugleich einen konstanten Strom bei verschiedenen Stromstärken erzeugt. Darüber hinaus helfen die Stromwandlertopologien in den Vicor-Modulen, elektromagnetische Störungen und Rauschen an Bord des SeaRAY zu minimieren, die sonst die Messgenauigkeit der Sensoren beeinträchtigen könnten.

„Es gibt viele Unternehmen, die versuchen, Wellenenergie zu erfassen und umzuwandeln, aber es ist etwas ganz Besonderes, so etwas in einem kleinen, kompakten Formfaktor zu machen und trotzdem die Anforderungen der Kunden aus betrieblicher und logistischer Sicht zu erfüllen“, sagt Lesemann. „Genau deshalb konnten wir mit der Unterstützung von Vicor den Vorsprung gegenüber allen Anderen ausbauen.“

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