Zukünftige Kosten

Oct 13, 2023

Veröffentlicht am 28. Mai 2023 um 22:37 Uhr von Harry Valentine

Vor etwa 10 Jahren wurde in der schnellen Strömung eines Abschnitts des Sankt-Lorenz-Stroms südwestlich von Montreal, Kanada, eine hydrokinetische Unterwasserturbine installiert. Die Energiebehörde von Quebec brach die Demonstration schließlich ab und erklärte, dass die Technologie gemessen an Dollar pro Kilowattstunde kostenmäßig nicht mit der konventionellen Stromerzeugung aus Wasserkraft konkurrenzfähig sei. Die Zukunft der hydrokinetischen Turbinentechnologie hängt von einer höheren Leistung zu wettbewerbsfähigen Kosten im Vergleich zu anderen erneuerbaren Technologien ab.

Einführung

Kostenvergleiche im Zusammenhang mit der Reparatur und Wartung von Maschinen ergaben, dass für jeden Dollar, der an einem Landstandort ausgegeben wird, etwa 10,00 bis 100 Dollar an einem Offshore-Standort auf schwimmenden Oberflächen ausgegeben wurden, während 1.000 Dollar oder mehr für Technologie tief unter Wasser ausgegeben werden können.

Die Geschichte der hydrokinetischen Turbinen begann vor etwa 4.000 Jahren mit Wasserrädern, die die kinetische Energie des fließenden Flusswassers in mechanische Kraft umwandelten. Frühe Installationen befanden sich entlang eines Flussufers, wobei der untere Teil des Wasserrads teilweise in das fließende Wasser eingetaucht war, was wiederum das Rad in Rotation versetzte.

In den 1980er Jahren führte die Suche nach sauberer, erneuerbarer Energie zu Tests mit Unterwasserwindmühlen oder hydrokinetischen Turbinen. Das Ergebnis war, dass Süßwasser eine fast 850-mal höhere Dichte als Luft und Meerwasser eine 870-fache Dichte aufwies. Die Leistungsabgabe ist eine Funktion des Massendurchflusses der Flüssigkeit durch eine Turbine. Infolgedessen erwiesen sich hydrokinetische Turbinen als vielversprechende alternative saubere erneuerbare Energietechnologie. Die meisten frühen Hersteller hydrokinetischer Turbinen installierten die Turbinen auf Tragrahmen, die auf dem Flussbett ruhten, wie dies südöstlich von Montreal und an anderen Standorten auf der ganzen Welt der Fall war.

Turbineninstallationen

Bei der Installation von Unterwasserturbinen wurde ein Boot oder Schiff mit einem Bordkran eingesetzt, der die Turbinen zum Installationsort transportierte, wo der Kran anschließend jede Turbinenbaugruppe auf den Fluss- oder Meeresboden absenkte. Für die Wartung untergetauchter Turbinen müssen Taucher unter Wasser arbeiten oder ein mit einem Kran ausgestattetes Schiff muss die untergetauchte Turbinenbaugruppe an die Oberfläche bringen, was mit erheblichen Kosten verbunden ist. Durch die Befestigung von Turbinen an Küstenstrukturen oder unter schwimmender Technologie, an der Wartungsteams an Bord gehen können, werden die Wartungskosten gesenkt. Unternehmen in Kanada und Schottland entwickeln schwimmende Strukturen, die Turbinen tragen.

Während die schwimmende Struktur von Orbital Marine of Scotland über zwei Turbinen mit jeweils 1 Megawatt verfügt, verfügt die schwimmende Struktur von Sustainable Marine of Canada über sechs Turbinen. Eine konkurrierende schwimmende Struktur von Big Moon aus Kanada trägt ein modernes Wasserrad. Alle drei Technologien sind so konzipiert, dass sie von einem Küstenbaupunkt zu einem Offshore-Installationspunkt geschleppt werden können, wo Festmacherkabel die schwimmenden Turbinenbaugruppen sichern würden.

Big Moon platziert die Achswelle und die Stromerzeugungsausrüstung über Wasser in einem Gehäuse. Orbital Marine und Sustainable Marine bauen die schwimmenden Strukturen, um Wartungsteams Zugang zu Turbinen und Stromerzeugungsanlagen zu ermöglichen.

Mobiles Trockendock

Das als mobiles Trockendock bekannte Halbtauchschiff kann unter den Rumpf eines havarierten Schiffes eintauchen, bevor es aus dem Wasser gehoben wird. Diese Technologie könnte angepasst werden, um groß angelegte schwimmende Technologie zur Umwandlung kinetischer Meeresenergie kopfüber auf ihrem Deck zu transportieren, von einem Bau- oder Montageort an Land zu einem geeigneten Offshore-Standort, bevor sie untergetaucht wird, um die Turbinenbaugruppe von ihrem Deck schweben zu lassen. Die Kombination aus Ballasttanks, Pontons und Krankabeln würde dazu beitragen, die Turbinenbaugruppe umzudrehen, bevor sie auf das Deck eines mobilen Trockendocks geschwommen wird.

Bei der Ankunft am Installationsort würden Kabel angebracht, um die schwimmende Turbinenbaugruppe in geeigneten Gezeitenströmungen zu sichern. Die mobile Trockendock-Technologie ermöglicht eine größere Flexibilität bei der zukünftigen Gestaltung großer schwimmender Turbinenbaugruppen, die eine hohe Leistung zu wettbewerbsfähigen Kosten liefern. Die zukünftige Marktentwicklung für die Meeresumwandlungsenergietechnologie hängt von Innovationen ab, die die Stromabgabe zu wettbewerbsfähigen Kosten steigern, wobei ein einfacher Zugang zu Maschinen zur Durchführung routinemäßiger Wartungs- und Reparaturarbeiten von entscheidender Bedeutung ist. Ein erweiterter Markt für diese Technologie würde die Kosten für die Entwicklung einer speziellen Halbtauchertechnologie rechtfertigen, die Turbinenbaugruppen transportieren kann.

Flussturbinen

Bei herkömmlichen hydrokinetischen Turbinen auf Flussbasis handelte es sich um eine entlang eines Flussufers errichtete Struktur mit einer Achse, die sich vom Land weg und senkrecht zur Flussströmung erstreckte. Solche Wasserräder dienten den Gemeinden über einen Zeitraum von Jahrhunderten und erfüllten vielfältige Aufgaben. Big Moon of Canada entwickelt ein modernes Wasserrad, das in starken Wasserströmungen betrieben werden kann. Eine schwimmende Struktur kann das Wasserrad in der Mitte des Flusses tragen, während ein Küstengebäude das Wasserrad neben dem Ufer tragen kann, um einen einfachen Zugang für die Wartung von Stromerzeugungsanlagen und zur Turbine zu ermöglichen.

Die stromaufwärts gelegene Seite von Brückenpfeilern an schnell fließenden Flüssen bietet kostengünstige Standorte für die Befestigung von Gehäusen für vertikalachsige hydrokinetische Turbinen. Während der Boden des Turbinengehäuses möglicherweise auf dem Flussboden ruht, kann der Brückenpfeiler möglicherweise auch das Gewicht der Gehäusebaugruppe tragen. Die Aussetzung eines Sektors von 120 Grad des Wasserradumfangs eines Wasserrads mit Quer- oder Vertikalachse der Flussströmung sollte eine konkurrenzfähige Umwandlungseffizienz für Axialströmungsturbinen bieten. Es besteht die Möglichkeit, Wasserräder oder Turbinen mit vertikaler Achse auf Antriebswellen mit längerer Länge zu stapeln, um die Leistungsabgabe zu wettbewerbsfähigen Kosten zu steigern.

Größere und stärkere Turbinen

In den letzten 20 Jahren kam es bei unter Wasser liegenden hydrokinetischen Turbinen verschiedener Hersteller, die in verschiedenen schnell fließenden Wasserströmungen installiert waren, zu Brüchen der Turbinenschaufeln, insbesondere in Kanälen rund um die Bay of Fundy in Kanada. Anstatt die Turbinenschaufeln von einer zentralen Achse nach außen auszufahren, streckt ein Turbinenhersteller die Turbinenschaufeln von einem rotierenden Ring aus, der auf einem rohrförmigen Rohrgehäuse mit großem Durchmesser installiert ist, nach innen. Dieser Design-Präzedenzfall bildet die Grundlage für die Kombination einer zentralen Achse mit einem rohrförmigen Gehäuse mit großem Durchmesser, um den Gesamtradius der Turbinenschaufeln möglicherweise zu verdoppeln und so die überstrichene Fläche und die Leistungsabgabe um den Faktor vier zu erhöhen.

Die Zukunft der Energieumwandlung durch hydrokinetische Turbinen wird von einer Steigerung der Leistungsabgabe zu wettbewerbsfähigen Kosten abhängen. Die Entwicklung von Turbinenschaufeln mit großem Durchmesser, die auch bei starken Strömungen dauerhaft betrieben werden können, wäre von entscheidender Bedeutung. Frühere hydrokinetische Turbinen vom Typ Wasserrad waren anfällig für Brüche, wenn sie in starken Wasserströmungen betrieben wurden. Wenn Big Moon of Canada in der Lage ist, sein modernes Wasserrad so zu entwickeln, dass es den starken Strömungen der Bay of Fundy dauerhaft standhält, könnten vergrößerte Versionen ihrer Technologie in Zukunft wahrscheinlich in Flussanlagen und bei der schwimmenden Offshore-Stromerzeugung zum Einsatz kommen.

Während die stärkste schwimmende Doppelturbine eine Leistung von 2 Megawatt liefert, würden zukünftige Freistromturbinen wahrscheinlich eine weitaus höhere Leistung liefern. Es wird viel an der Umwandlung hydrokinetischer Energie geforscht und umfasst Konzepte wie unter Wasser schwebende Drachen, die sich senkrecht und mit höherer Geschwindigkeit als die umgebende Wasserströmung fortbewegen.

Option für schwebende vertikale Achsen

Die Option einer schwimmenden Struktur mit zwei gegenläufig rotierenden Turbinen mit vertikaler Achse bietet das Potenzial einer kostengünstigen und effizienten Stromerzeugungstechnologie. Ein vorgelagerter Deflektor kann einen 120-Grad-Sektor jeder Turbine freilegen, die sich mit der Wasserströmung stromabwärts bewegt, und gleichzeitig den Bereich der Turbine, der sich stromaufwärts bewegt, gegen die Strömung abschirmen, wodurch der parasitäre Widerstand verringert und die Effizienz erhöht wird. Durch den vertikalen Achsenbetrieb können elektrische Generatoren und Hauptoberlager, die das Gewicht jeder Turbine tragen, über Wasser innerhalb der schwimmenden Struktur platziert werden und sind für Wartungsteams leicht zugänglich.

Ein oberes Lager, das auf einer kreisförmigen Schiene und konischen Rädern basiert, könnte das Gewicht jedes Stapels von Turbinen oder Wasserrädern tragen. Die Konstruktion müsste es hydraulischen Hebern ermöglichen, jede Turbine leicht anzuheben, um einen regelmäßigen Austausch der Rollenräder zu ermöglichen. Ein übergroßes unteres Lager mit Keramikführungen und -rollen würde Seitenlasten tragen und regelmäßig durch Taucher oder zukünftige Fernsteuerungstechnologien ersetzt werden. Konkurrierende schwimmende Systeme, die Axialturbinen verwenden, müssen möglicherweise um 90 Grad geneigt oder um 180 Grad gedreht werden, um Wartungsarbeiten an Lagern und elektrischen Generatoren zu ermöglichen.

Schlussfolgerungen

Während moderne hydrokinetische Freistromturbinen ein großes Potenzial für die Erzeugung von kohlenstofffreiem Strom aufweisen, gibt es weltweit nur sehr wenige Standorte, an denen eine solche Technologie Strom für nahegelegene Märkte erzeugt. Die Entwicklung moderner Versionen der Technologie zum Ersatz klassischer Wasserräder wird seit mehreren Jahrzehnten durchgeführt. Starke Wasserströmungen haben tatsächlich mehrere moderne hydrokinetische Turbinen in den starken Strömungen rund um die kanadische Bay of Fundy zerstört. Die Technologie muss eine Kombination aus Haltbarkeit bei extremen Wetterbedingungen, hoher Leistungsabgabe, einfacher Wartung und Kostenwettbewerbsfähigkeit gegenüber anderen erneuerbaren Technologien über eine längere Lebensdauer bieten.

Die schwierigen aktuellen Bedingungen rund um die Bay of Fundy erfordern den Einsatz hochkarätiger Innovationen zur Weiterentwicklung der hydrokinetischen Turbinentechnologie. Es besteht wahrscheinlich Potenzial für eine solche Innovation, um die Marktanwendung der hydrokinetischen Technologie sowohl im inländischen kanadischen Dienst als auch im internationalen Dienst auszuweiten.

Die hier geäußerten Meinungen sind die des Autors und nicht unbedingt die von The Maritime Executive.