Meereswärmekraftwerk OTEC

Meereswärmekraftwerk Ocean Thermal Energy Conversion

Ein Meereswärmekraftwerk gewinnt elektrischen Strom aus dem Temperaturunterschied zwischen kalten und warmen Wassermassen in unterschiedlichen Tiefen der Meere. International gebräuchlich für diese Art der Erneuerbaren Energie ist die Abkürzung OTEC (engl. Ocean Thermal Energy Conversion), auch kann die Bezeichnung ozeanothermisches Gradient-Kraftwerk verwendet werden. Jacques-Arsène d’Arsonval lieferte schon im Jahr 1881 die theoretischen Grundlagen für diese Art der Energiewandlung.

Allgemeines zu mehr Meereswärmekraftwerke

Temperaturunterschiede zwischen Wasserschichten

Das Wasser an der Oberfläche der Ozeane besitzt eine höhere Temperatur als das Wasser in tieferen Schichten. Dieses thermale Gefälle (thermaler Gradient) macht sich das Meereswärmekraftwerk zu Nutze. Wenn der Unterschied zwischen den oberen (0-50 m) und den unteren Schichten (ab 800-1000 m) des Wassers mehr als 20° C beträgt, kann ein Kreislauf in Gang gesetzt werden, der in der Lage ist, Energie, beispielsweise an einen Generator, abzugeben.

Beachtenswert ist, dass ein Meereswärmekraftwerk im Vergleich zu anderen alternativen Stromerzeugern diesen ständig produzieren kann und nicht von der Tageszeit oder anderen veränderlichen Faktoren abhängig ist. Reale Wirkungsgrade liegen in der Größenordnung von drei Prozent, wobei die Energiequelle – das warme Meerwasser – meist im Überschuss und kostenlos zur Verfügung steht und sich selbst ständig durch die Sonneneinstrahlung erneuert. Bei einer Wassertemperatur von 6 und 26°C ist theoretisch ein Wirkungsgrad von 6,7 % erreichbar. Die technische Umsetzung ist jedoch immer mit Wirkungsgradverlusten behaftet.

Die praktische Leistung dieser Kraftwerke wird durch die Wassermenge bestimmt, die durch den Kreislauf genutzt wird. Dabei wird eine Leistung von 100 Megawatt (MW) für den geschlossenen und etwa 2,5 MW für den offenen Kreislauf als obere technisch sinnvolle Grenze angesehen. Beim 100 MW-Kraftwerk würden etwa 200 Kubikmeter Wasser pro Sekunde durch eine Rohrleitung mit der Nennweite von etwa 11 Meter zum Kraftwerk gefördert werden. Dazu kommen noch einmal 400 m³ warmes Oberflächenwasser pro Sekunde. Das entspricht etwa 1/5 des Nilstromes in das Mittelmeer. Im offenen Kreislauf bildet die Größe der Turbine das begrenzende Element.

Der derzeit größte Kostenfaktor (bis zu 75%) für Anlagen dieser Dimension ist die Rohrleitung, in der das Tiefenwasser an die Oberfläche gefördert wird. Sie würde aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder armiertem Beton gefertigt werden. Sofern die Pumpen am unteren Ende der Leitung angebracht werden, könnte auch eine Schlauchleitung aus flexiblerem kostengünstigeren Kunststoff verwendet werden.

Der Aufwand und die gewaltige Größe der technischen Anlagen im Verhältnis zur Energieausbeute ist der Hauptgrund, der eine kommerzielle Anwendung oder eine größere Verbreitung dieses Kraftwerkstyps bisher verhinderte.

Funktionsprinzipien eines Meereswärmekraftwerkes

Die Funktion eines Meereswärmekraftwerkes ist in zwei verschiedenen Kreislaufsystemen möglich. Beide Prinzipien können auch kombiniert werden.

Geschlossener Kreislauf eines Meereswärmekraftwerkes

Schema eines geschlossenen OTEC-Kreislaufs

Bei einem Meereswärmekraftwerk mit geschlossenem Kreislauf wird in einem Organic Rankine Cycle warmes Oberflächenwasser gepumpt, welches ein bei niedriger Temperatur siedendes Arbeitsmedium in einem Wärmeübertrager zum Verdampfen bringt. Das verdampfte Arbeitsmedium wird durch eine an einen Generator angeschlossene Turbine geleitet, in der ein Teil der Wärme in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Anschließend wird das Arbeitsmedium mit dem aus der Tiefe angepumpten kalten Wasser in einem weiteren Wärmeübertrager wieder in einem Kondensator verflüssigt und kann von neuem in den Verdampfer eingespeist werden.

Das Arbeitsprinzip entspricht dem eines Dampfkraftwerks, nur wird als Arbeitsmedium kein Wasserdampf verwendet. Es sind verschiedene Stoffe als Arbeitsmedium für ein Meereswärmekraftwerk denkbar, dessen Nutzung allerdings jeweils sowohl Vorteile als auch Nachteile mit sich bringt.

* Ammoniak ist leicht verfügbar und preisgünstig in der Produktion, aber giftig.

* Propan ist auch geeignet, aber hat niedrigere Wärmeleitfähigkeit und Verdampfungswärme als Ammoniak.

Offener Kreislauf im Meereswärmekraftwerk

Schema eines offenen OTEC-Kreislaufs

Ein Meereswärmekraftwerk mit offenem Kreislauf nutzt das warme Oberflächenwasser als Arbeitsmedium, das unter Vakuum verdampft wird. Der erzeugte Dampf treibt eine Turbine zur Stromerzeugung an. Anschließend wird der Dampf, der seinen anfänglichen Druck in der Turbine verliert, mit Hilfe von kaltem Tiefenwasser wieder im Kondensator verflüssigt. Wird hierfür ein Wärmeübertrager verwendet und ein direkter Kontakt vermieden, so entsteht entsalztes Süßwasser, das als Trinkwasser genutzt werden kann. In einer Vakuumkammer wird durch eine Vakuumpumpe ständig die im Wasser gelöste Luft abgesaugt. Somit wird sichergestellt, dass das Wasser ohne weitere Wärmezufuhr siedet und verdampft.

Hybrider Kreislauf

Schema eines hybriden OTEC-Kreislaufs

In einem hybriden Meereswärmekraftwerk werden beide vorgenannten Systeme kombiniert. Das warme Oberflächenwasser wird genutzt, um das Arbeitsmedium im geschlossenen Turbinenkreislauf zu verdampfen. Nachdem es die Turbine passiert hat, wird es wiederum durch kaltes Tiefenwasser kondensiert und erneut in den Kreislauf eingebracht.

Das immer noch warme Oberflächenwasser wird nach der Wärmeabgabe an den Turbinenkreislauf in einer Vakuumkammer verdampft. Dieser Wasserdampf wird mit Hilfe des Kühlwassers kondensiert, wodurch Süßwasser gewonnen werden kann.

Eine andere Anordnung sieht zuerst die Vakuum-Verdampfung des warmen Seewassers vor. Dieser warme Wasserdampf wird anschließend genutzt, um das Arbeitsmedium des Turbinenkreislaufes zu verdampfen. Bei diesem Vorgang wird der Wasserdampf wiederum zu Süßwasser kondensiert. Das kalte Tiefenwasser wird nur zur Kondensation des Arbeitsmediums der Turbine genutzt.

Es sind auch weitere Kombinationen möglich. Eine favorisierte Bauform hat sich bei den wenigen Versuchsanlagen noch nicht durchgesetzt.

Geschichte/Versuchsanlagen von Meereswärmekraftwerken

Bereits 1881 erdachte der französische Ingenieur Jacques-Arsène d’Arsonval ein Meereswärmekraftwerk mit geschlossenem Kreislauf. Es wurde von ihm jedoch nie getestet.

Im Jahre 1930 wurde an der Nordküste auf Kuba eine kleine Anlage mit offenem Kreislauf installiert, die ihren Betrieb jedoch schon nach wenigen Wochen einstellte. Sie wurde vom Franzosen Georges Claude, einem Freund und Schüler von Jacques Arsene d’Arsonval und Erfinder der Neonröhre, entworfen. Er ließ sich das Prinzip des offenen Kreislaufes patentieren. Die Pumpen benötigten eine größere Leistung als die 22 kW, die vom Generator abgegeben wurden. Gründe dafür waren der schlecht gewählte Standort und Probleme mit Algen. Das nächste Projekt von Claude, ein schwimmendes OTEC-Kraftwerk vor Brasilien, wurde von einem Sturm beendet, der eine Rohrleitung beschädigte. Der glücklose Erfinder starb praktisch bankrott von seinen OTEC-Versuchen.

In den 1970er Jahren förderte die US-Regierung die Erforschung des Meereswärmekraftwerkes mit 260 Millionen Dollar. Nach den Wahlen von 1980 wurde die staatliche Unterstützung jedoch stark gekürzt.

1979 wurde an Bord eines Frachtkahnes der US-Marine vor der Küste Hawaiis ein Experiment, das sogenannte „Mini-OTEC“, mit einem geschlossenen Kreislauf erfolgreich unter Beteiligung des Staates Hawaii und eines Industriepartners durchgeführt. Es dauerte etwa drei Monate. Die Generatorleistung betrug rund 50 kW, die Netzeinspeiseleistung ca. 10-17 kW. Es wurden etwa 40 kW für den Betrieb der Pumpen benötigt, die das 5,5 °C kalte Wasser mit einer Förderleistung von 10,2 Kubikmeter in der Minute aus 670 m Tiefe in einem 61 cm durchmessenden Polyethylenrohr und das 26 °C warme Oberflächenwasser ebenfalls mit einer Förderleistung von 10,2 m³/min zur Anlage förderten.

1980 wurden an Bord eines umgebauten Marine-Tankers, der vor Kawaihae an der Kona-Coast (Hawaii) verankert war, Komponenten eines geschlossenen Kreislaufes unter dem Projektnamen „OTEC-1“ getestet. Dabei sollten die Umweltauswirkungen eines im Meer verankerten Kraftwerks untersucht werden. Die Anlage konnte keine Elektrizität gewinnen.

1981 war für einige Monate ein kleines Meereswärmekraftwerk auf der Insel Nauru in Betrieb, welches von einem japanischen Konsortium zu Demonstrationszwecken errichtet worden war. Von den 100 kW Generatorleistung wurden rund 90 kW von den Pumpen benötigt. Die Gesamtbetriebsdauer betrug 1.230 Stunden.

Versuchsanlage auf Hawaii für ein Meereswärmekraftwerk

Bereits 1983 wurde ein 40 MW-OTEC Versuchskraftwerk auf einer künstlichen Insel am Kahe Point vor der Küste von Oahu (Hawaii) geplant. Nachdem die Konstruktionsarbeiten 1984 abgeschlossen waren, konnten jedoch keine Geldmittel für den Bau gewonnen werden, da das OTEC-Kraftwerk sich nicht mit billigeren fossilen Kraftwerken vergleichen konnte. Nach weiterer Forschung speziell an den Verdampfern und Kondensatoren versprach man sich jedoch eine starke Senkung der Kosten eines OTEC-Kraftwerks mit geschlossenem Kreislauf.

In den Jahren 1993 bis 1998 war in Keahole Point, Hawaii ein experimentelles Meereswärmekraftwerk mit offenem Kreislauf erfolgreich in Betrieb. Die Generatorleistung betrug 210 kW, bei einer Oberflächenwassertemperatur von 26 °C und einer Tiefenwassertemperatur von 6 °C. Im Spätsommer bei sehr hohen Temperaturen konnten bis zu 250 kW vom Generator abgegeben werden. Dabei wurden etwa 200 kW von den Pumpen zur Förderung des Wassers verbraucht. Es wurden etwa 24.600 Kubikmeter kaltes Wasser durch ein 1 Meter durchmessendes Rohr aus rund 825 m Tiefe und 36.300 Kubikmeter warmes Oberflächenwasser an Land gepumpt. Ein kleiner Teil des erzeugten Dampfes wurde zur Gewinnung von entsalztem Wasser genutzt (etwa 20 l/min). Die Versuche ergaben, dass sich bei kommerziellen Kraftwerken ein Verhältnis von etwa 0,7 von Generatorleistung zu Netzeinspeiseleistung erreichen lassen würde.

Ein weiteres Kraftwerk in Hawaii mit einer Generatorleistung von 1,4 MW und einer Netzeinspeiseleistung von etwa 400 kW wurde entworfen, jedoch aufgrund fehlender Finanzierung nicht umgesetzt.

Mögliche Standorte für Meereswärmekraftwerke

Gerade Länder in tropischen Bereichen, speziell Inselstaaten, müssen einen Großteil ihres Energiebedarfs z.B. in Form von Erdöl einführen. Meereswärmekraftwerke, noch dazu in Synergie mit den weiter unten beschriebenen zusätzlichen Anwendungen, stellen eine Option dar, diese Abhängigkeit zu verringern. Dies ist auch ein Grund, warum sich ein großer Teil der führenden Forschungsarbeiten auf den US-Bundesstaat Hawaii konzentrieren.

Meereswärmekraftwerke an Land

An Land gebaute Meereswärmekraftwerke haben den großen Vorteil, dass sie einfacher zu bauen sowie geschützter vor Stürmen sind als Off-Shore-Anlagen und die Weiterleitung der erzeugten Energie in das Stromnetz einfacher zu verwirklichen ist. Ebenso ist nur an Land eine sinnvolle Anwendung der unten beschriebenen weiteren Nutzungsmöglichkeiten gewährleistet.

Allerdings ist der Betrieb eines Meereswärmekraftwerkes an Land nur dort möglich, wo auch in Küstennähe eine Meerestiefe von an die 1000m vorhanden ist. Dies ist nur in den karibischen und ozeanischen Inselstaaten sowie an Teilen der Küsten der südöstlichen USA, Westafrikas, Ostafrikas und einigen indonesischen Inseln der Fall.

Off-Shore Meereswärmekraftwerke

Meereswärmekraftwerke können auch fern der Küste (Off-Shore) angelegt werden, womit sich die Anzahl der infrage kommenden Meeresgebiete um ein Vielfaches vergrößert. Allerdings ist die Verankerung einer solchen Anlage auf dem Meeresgrund sehr aufwendig und teuer, ebenso sind Stürme und Tsunami eine Gefahr. Auch ist es schwieriger, die erzeugte Energie in das Stromnetz einzuspeisen, da die Verlegung von Seekabeln nötig wird, die einen Teil der erzeugten Energie wieder absorbieren.

Es wird die Idee diskutiert, die in küstenfernen Meereswärmekraftwerken gewonnene Energie zu nutzen, um vor Ort Wasserstoff zu erzeugen, welcher dann mit Tankern abtransportiert werden kann. Dies ist als Bestandteil einer zu schaffenden Wasserstoffwirtschaft zu verstehen, welche langfristig das ausgehende Erdöl als Energiequelle ablösen soll.

Schwimmende Anlagen von Meereswärmekraftwerken

Es liegen Pläne vor, schwimmende Meereswärmekraftwerke etwa zum Antrieb von großen Schiffen zu benutzen. Ob diese allerdings technisch zu realisieren sind, ist fraglich. Insbesondere die Stabilisierung der zum Anpumpen des Tiefenwassers bestimmten Leitungen stellt ein Problem dar.

Weitere Anwendungsbereiche der OTEC

Nutzungsmöglichkeiten von Meereswärmekraftwerken

Außer zur Erzeugung von elektrischer Energie ist die Technik des Meereswärmekraftwerkes auch für andere Anwendungen nutzbar. Durch die Kombination mehrere Anlagen für verschiedene Nutzungen ergeben sich Synergie-Effekte für die Teilanlagen.

Meerwasserentsalzung

Die Meerwasserentsalzung stellt neben der Stromerzeugung wohl den interessantesten Aspekt dar und kann in Anlagen mit offenem oder hybridem Kreislauf wie beschrieben realisiert werden.

Aquakultur

Die kälteren, tiefen Wasserschichten der Ozeane sind reich an Nährstoffen. Das im Rahmen des Kraftwerkbetriebes an die Oberfläche gepumpte Tiefenwasser kann daher für Aquakulturen genutzt werden. Denkbar sind hierbei sowohl die Zucht von Fischen und anderen Meerestieren, als auch die Kultivierung von Algen und Wasserpflanzen. In Verbindung mit Aquakulturen wird den Meereswärmekraftwerken die größte zukünftige Bedeutung zugemessen, da so gleichzeitig eine Energiequelle für die Pumpen und Ausrüstungen der Anlagen zur Verfügung steht. Dabei stellt das Kraftwerk jedoch meist einen Zusatznutzen zur Aquakultur dar.

Kühlung

Mit Hilfe des angepumpten kalten Tiefenwassers können beispielsweise in der Nähe der Kraftwerke befindliche Kühlhäuser betrieben werden, etwa um die in den Aquakulturen gezüchteten Produkte frisch zu halten. Auch ist der Betrieb von Klimaanlagen für Gebäude durch das kalte Wasser denkbar.

In Hawaii wurde das kalte Wasser genutzt, um die Klimaanlage der Forschungseinrichtungen für OTEC und Aquakulturen zu unterstützen. Auf diese Weise konnten mehrere 1.000 Dollar Elektrizitätskosten pro Jahr gespart werden.

Mineraliengewinnung

Es gab bereits mehrere Ansätze, im Meerwasser gelöste Mineralien zu gewinnen. Diese scheiterten an den hohen Kosten und dem großen Extraktionsaufwand. Da beim Meereswärmekraftwerk sowieso große Wassermengen bewegt werden müssen, einem großen Kostenfaktor dieses Verfahrens, wird auch diese Idee neu geprüft.

Umweltauswirkungen von Meereswärmekraftwerken

Die Nutzung der Meereswärme in großem Umfang würde das Temperaturgefüge der Meere, vielleicht auch Meeresströmungen beeinflussen. Genauere Einschätzungen dieser Problematik sollen weitere Forschungsarbeiten bringen.

Es laufen auch Untersuchen, die die Folgen eines möglichen Austritts des Arbeitsmediums Ammoniak des inneren Kreislaufes auf das Meeresleben untersuchen sollen. Das gleiche gilt auch für die geringen Chlormengen, die dem ankommenden Seewasser beigegeben werden, um das Fouling, also das Ansetzen von Biomasse (z.B. Algen) in der Anlage, zu verhindern.