Kraft des Ozeans: Strom aus Gezeiten und Wellen

Die gängigste Form der Stromerzeugung auf dem Wasser ist die Offshore-Windkraft, die nach der Photovoltaik und der Onshore-Windkraft die drittgrößte Form der erneuerbaren Stromerzeugung in Deutschland ist. Auch die Kombination aus Windkraft und Sonnenenergie auf dem Wasser ist in der Diskussion angekommen. Die Erzeugungsprofile der beiden Formen ergänzen sich teilweise – starker Wind tritt oft in Verbindung mit sonnenarmem Wetter auf und andersherum. Auch Offshore-Solaranlagen und –Solarparks ohne Bezug zu Windenergie sind bereits im Umlauf. 2024 ging in China ein 6,4 km2 großer Offshore-Solarpark des Unternehmens Grand Sunergy ans Netz, der pro Jahr ungefähr 400.000 Haushalte mit Strom versorgen kann. Auch in Europa gibt es Projekte, Offshore-Solarparks in der Nordsee anzulegen, zum Beispiel in einem gemeinsamen Vorhaben des niederländischen Unternehmens Oceans of Energy und 15 weiteren teilnehmenden Partnern. Oceans of Energy ist in Europa Vorreiter im Bereich der Offshore-Photovoltaik, bereits 2019 haben sie in der niederländischen Nordsee einen Offshore-Solarpark angelegt. 

Neben Sonne und Wind bietet das Meer auch eine dritte offensichtliche Energiequelle: das Wasser, genauer gesagt Wellen und Strömungen. Es gibt verschiedene Ansätze und Konzepte, wie Wasserkraft zur Stromerzeugung genutzt werden kann. Letztendlich wird die natürliche Bewegungsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Das geschieht normalerweise, indem die Wellen Turbinen ankurbeln oder Pumpen in Bewegung bringen. Auch wenn ein Großteil der Erde von Wasser bedeckt ist, können nicht alle Wassermassen gleichermaßen genutzt werden. Wellenkraftwerke und Gezeitenkraftwerke bieten sich vor allem in Küstenregionen mit starkem Seegang oder starker Strömung an.  

Das 2011 gegründete schwedische Unternehmen NoviOcean arbeitet an einem Allrounder-Projekt, das das volle Potenzial der Meere für die Stromerzeugung nutzen soll. Das umfasst einerseits Windkraft und Solarenergie, aber vor allem Strom, der aus der Bewegungsenergie der Wellen und Gezeitenbewegung gewonnen wird. Die auf der Wasseroberfläche schwimmenden Anlagen sind im Meeresboden verankert und können jeweils zwischen 800 und 1.000 Kilowatt an Strom erzeugen. Ein großer Vorteil dieser Anlagen liege vor allem in ihrer Flexibilität und der variablen Stromerzeugung. Selbst wenn Wind und Sonne beizeiten nicht zur Verfügung stehen, so kommt der Großteil der Stromerzeugung immer noch aus der Wellenenergie. 65 Prozent des Stroms soll aus den Wellen und der Strömung gewonnen werden, 30 Prozent aus Windkraft und Solarenergie macht nur einen kleinen Anteil von 5 Prozent aus. Auch wenn sich das Projekt noch in der Test- und Weiterentwicklungsphase befindet, plant NoviOcean, eine Kapazität von 500 Megawatt erneuerbaren Stroms bereitzustellen. Langfristig will das Unternehmen die Kapazität bis 2050 auf 10 Gigawatt ausbauen. 

Das Unternehmen CorPower Ocean, ebenfalls schwedisch, setzt auf kleine Kraftwerke, die ausschließlich Wellenkraft nutzen, um Strom zu erzeugen. Die Kraftwerke in Bojenform passen sich dem Seegang und den Wellenbewegungen an und können dadurch laut CorPower Ocean bis zu 300 Prozent mehr Strom erzeugen als andere Wellenkraftwerke. Das Projekt HiWave-5 wurde zwischen 2023 und 2024 mit reduzierter Stromerzeugung sechs Monate lang vor der portugiesischen Atlantikküste getestet. In einer weiteren Testphase soll die maximale Stromerzeugung erreicht werden. 2026 soll dann die erste Bojenfarm mit einer Leistung von 5 Megawatt vor der Küste Irlands in Betrieb gehen.

Das von der EU mit etwa 20 Millionen Euro geförderte Wellenkraftwerk-Projekt WEDUSEA nutzt die Wellenbewegungen, um Luft durch eine Turbine zu pumpen und so Strom zu erzeugen. In einer nach unten geöffneten Luftkammer steigt bei einer kommenden Welle das Wasser, wodurch die Luft komprimiert wird und durch die Turbine strömt. Durch das Turbinendesign dreht sich die Turbine sowohl bei ein- als auch bei ausströmender Luft in dieselbe Richtung. So wird Strom produziert, wenn das Wasser ansteigt, aber auch wenn es sich wieder zurückzieht. Das Projekt begann im September 2022 und läuft noch bis September 2026. Ein Wellenkraftwerk dieser Sorte soll eine Leistung von 1 Megawatt erbringen, wobei das kein fester Wert ist, sondern von der Größe des Kraftwerks abhängt. Die aktuelle Version ist etwa 5 Stockwerke hoch und wiegt mehr als 800 Tonnen.  

Eine völlig andere Variante, um Wellen, Strömungen und Wasserbewegungen für die Stromerzeugung zu nutzen verfolgt das französische Projekt NH1, das am Raz Blanchard vor der Atlantikküste der Normandie am Meeresgrund vier Unterwasserturbinen installiert hat. Die Strömung dort – eine der stärksten Gezeitenströmungen Europas – sorgt dafür, dass sich die Turbinen drehen und Strom erzeugt wird. Laut dem Unternehmen Normandie Hydroliennes können die Turbinen bei Inbetriebnahme und Netzanschluss 2028 fast 34 GWh Strom pro Jahr liefern, was ausreicht, um etwa 7.000 französische Haushalte zu versorgen.  

Einen komplett ruhigen Seegang gibt es auf dem offenen Meer nur selten. Selbst wenn es nur sehr schwache Wellen gibt, sorgen allein Gezeiten und Strömung dafür, dass sich das Wasser immer bewegt. Deswegen können Gezeitenkraftwerke und Unterwasserturbinen grundsätzlich immer Strom erzeugen.  Gezeitenströmungen sind außerdem über Jahre hinweg präzise vorhersehbar, Gezeitenkraftwerke können somit eine zuverlässige Ergänzung zur volatilen Stromerzeugung aus Wind und Sonne werden und vor allem bei Dunkelflauten zur Stabilität beitragen.  Flächendeckende Nutzbarkeit ist aktuell aber noch der große Problempunkt. Die Stromerzeugung durch Gezeitenkraftwerke und Unterwasserturbinen findet aktuell in erster Linie durch Pilotprojekte statt und die Technologie steckt noch in der Forschung und Entwicklung. Auch wenn das französische Unternehmen Normandie Hydroliennes erwartet, bis 2028 mit 34 GWh pro Jahr etwa 7.000 französische Haushalte versorgen zu können, ist das noch weit von einer wirklich realistischen Ergänzung zu Wind und Sonne und vor allem von Reservekapazitäten entfernt. Zum Vergleich: Allein im April 2023, dem letzten Monat bevor die letzten Atomkraftwerke in Deutschland abgeschaltet wurden, betrug der Anteil an Kernenergie im deutschen Strommix noch knapp 1.000 GWh. 

Für Wellenkraftwerke an der Wasseroberfläche gilt das ebenso. Auch hier befinden sich die Projekte im Endspurt der Forschung und können danach wenige Gigawattstunden bereitstellen – genug, um die Erforschung als Erfolg zu vermarkten, aber aktuell noch zu wenig, um die Stromversorgung wirklich signifikant zu ergänzen und zu unterstützen.  

Eine große Herausforderung, um Gezeitenkraftwerke und Wellenkraftwerke tatsächlich flächendeckend nutzbar zu machen, ist die Verfügbarkeit von Standorten. Während die westeuropäische Atlantikküste – besonders zwischen Portugal und Frankreich – ein großes Potenzial bietet, eignen sich unter anderem auch die Nordsee, die Ostküste Kanadas in Nova Scotia und die Magellanstraße in Südamerika für Gezeitenkraftwerke. 

Ein kleineres Problem von einer großflächigen Stromerzeugung durch Gezeitenkraftwerke und Wellenkraftwerke ist die zentrale Stromproduktion an der Küste. Das gleiche Problem besteht bereits bei der Offshore-Windkraft: Eine zentrale Stromversorgung belastet die Stromnetze, was einen intensiveren Netzausbau notwendig macht. Eine zusätzliche Stromproduktion durch Wellen- und Gezeitenenergie in der Nähe von Offshore-Windkraft würde in Deutschland zu einer stärkeren Netzbelastung führen.

Probleme und Schwierigkeiten bei der großflächigen Nutzung

Eines der größten Probleme von Wellenkraftwerken ist die Belastung der Anlagen durch die See und das dort herrschende Wetter. Die Anlagen müssen robust sein und starke Stürme und hohen Seegang aushalten können. Die Widerstandsfähigkeit kann zuweilen die Leistung beeinträchtigen, was unter anderem an den Bojenkraftwerken von CorPower Ocean zu sehen ist. Diese passen sich normalerweise automatisch dem Seegang an und nutzen die Bewegung der Wellen, um Bewegungsenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Bei zu hohen Wellen wird diese Funktion heruntergefahren und die Boje fixiert, sodass sie nicht von den Wellen weggerissen wird. In dem Fall wird auch die Stromerzeugung drastisch reduziert, weil die Bewegung der Wellen nicht mehr optimal genutzt wird. Das Projekt von CorPower Ocean vor der Küste Portugals wurde im Oktober und November 2023 mit mehreren schweren Stürmen konfrontiert, teilweise mit bis zu 18 Metern hohen Wellen. Bei jedem der Stürme konnten die Bojen ihre Funktion zeitweise herunterfahren und die optimierte Stromerzeugung nach überstandenem Sturm wieder aufnehmen. Auch die Verankerung im Meeresboden habe sich in diesen Situationen als zuverlässig erwiesen. In diesem Fall haben die Bojen eine sechsmonatige Testphase überstanden. Wie es um die langfristige Widerstandsfähigkeit und Lebensdauer steht, bleibt abzuwarten. 

Gezeitenkraftwerke sind normalerweise keinen Starkwettereignissen ausgesetzt, dafür aber vor allem kontinuierlichen, mehr oder weniger gleichbleibenden Belastungen, die unter Wasser auftreten. Diese können unter anderem der Wasserdruck sein, die ständige Abnutzung und Korrosion durch Salzwasser, das sogenannte Biofouling durch Algen, Muscheln, Tiere und andere im Wasser lebende Mikroorganismen sowie die permanente Abnutzung durch Sand, Steine und andere Sedimente am Meeresboden. Das alles kann die Leistung der Kraftwerke deutlich verringern und sogar zu komplettem Ausfall der Bauteile führen. Solche Unterbrechungen der Stromversorgung gehen auf Kosten der Zuverlässigkeit dieser Kraftwerke als Ergänzung zu bereits etablierten erneuerbaren Energien. Entsprechend ist es wichtig, dass Fehlverhalten frühzeitig erkannt und behoben wird. Das französische NH1-Projekt setzt hierfür beispielsweise auf automatische Leistungskontrolle und Echtzeitüberwachung. Die Kraftwerke sind laut Unternehmen in der Lage, sich selbst von Biofouling zu befreien und geringfügige Korrosion zu beheben.