Gezeitenkraft auf dem Prüfstand

Vor der Nordküste Schottlands bewegen Ebbe und Flut enorme Wassermengen. Dort, im Pentland Firth, sollen daher in den nächsten Jahren Gezeitenkraftwerke entstehen, die diese starken Strömungen zur Stromgewinnung nutzten. Ein internationales Forscherteam hat nun mit Modellrechnungen geprüft, wie viel Leistung ein solches Kraftwerk tatsächlich liefern könnte. Ihr Ergebnis liegt nicht nur viel niedriger als das der schottischen Behörden, es zeigt auch, dass bisherige Planungen eher kontraproduktiv sind.

Die Gezeiten prägen viele Meeresküsten der Erde: Regelmäßig zur Flut steigt das Wasser an und zieht sich bei Ebbe wieder zurück. Dieser ständige Wechsel bewegt an einigen Küsten enorme Mengen Wasser – die sich dazu nutzen lassen, um damit Strom zu erzeugen. Senkt man Turbinen an einer Stelle mit starkem Tidenhub ins Meer, strömt das auf- und ablaufende Wasser durch sie hindurch und treibt sie damit an. Das Prinzip ist damit ähnlich einem Wasserkraftwerk beispielsweise an einem Fluss oder einem Staudamm – nur das Wasser beim Gezeitenkraftwerk abwechselnd mal in die eine, mal in die andere Richtung fließt.

Nur in etwa 100 Küstenregionen weltweit sind die Gezeitenströmungen so stark, dass ein solches Kraftwerk rentabel arbeiten könnte. Einer der Standorte mit einem extrem starken Gezeitenstrom ist der Pentland Firth, die Meerenge zwischen dem schottischen Festland und den Orkney-Inseln. „Sie ist für ihre außergewöhnlich schnellen Gezeitenströmungen bekannt, die fünf Meter pro Sekunde übertreffen können“, erklären Thomas Adcock von der University of Oxford und seine Kollegen. Unter anderem deshalb haben schottische Behörden bereits im Jahr 2010 Teile des Gebiets an sieben Unternehmen verpachtet, die dort Gezeitenturbinen planen und bauen sollen.

Zwischen einem und 14 Gigawatt

Aber trotz der hohen Bedeutung dieses Standorts für die Gezeitenkraft weichen die Schätzungen, wie viel Strom sich dort tatsächlich gewinnen lässt, stark voneinander ab, wie die Forscher berichten: Während die schottische Regierung von bis zu 14 Gigawatt spricht, gehen andere von durchschnittlich nur rund einem Gigawatt aus. Ein Grund für diese Diskrepanzen ist nach Ansicht der Wissenschaftler, dass bisherige Berechnungen meist nur vereinfachte Modelle nutzten, die nicht die tatsächliche Topografie der Meerenge und des dortigen Meeresbodens berücksichtigten. Stattdessen wurde das Ganze wie ein einfacher Kanal betrachtet.

Adcock und seine Kollgen haben dies nun mit einem komplexeren Modell wiederholt. Dabei ermittelten sie, wie viel Strom erzeugt werden würde, wenn Turbinen in einer oder mehreren Reihen quer durch die Meerenge aufgestellt werden würden. Dabei berücksichtigten sie sowohl den Einfluss des Untergrunds auf die Gezeitenströmungen in verschiedenen Bereichen des Pentland Firth, als auch die Einbußen, die die von den Turbinen erzeugten Turbulenzen auf die nachfolgenden Turbinen haben.

Prinzip eines Gezeitenkraftwerks: Das im Wechsel vor- und zurückströmende Wasser treibt die Turbinen an. © gemeinfrei

Strom für den halben schottischen Bedarf

Die Auswertungen ergaben, dass ein Gezeitenkraftwerk am Pentland Firth maximal 1,9 Gigawatt Leistung erreichen kann – und damit weniger als in vielen bisherigen Schätzungen veranschlagt. Die Leistung würde aber immerhin ausreichen, um knapp die Hälfte des gesamten schottischen Strombedarfs zu decken.

Das allerdings nur unter bestimmten Bedingungen, wie die Forscher betonen: „Dafür müssen die Turbinen einmal quer über den gesamten Pentland Firth aufgestellt werden und große Schwankungen in der Strömungsgeschwindigkeit aushalten“, so Adcock und seine Kollegen. Zudem müsse man dafür in Kauf nehmen, dass sich die Strömungsrate durch die Meerenge dadurch um bis zu einem Drittel verringere.

Bisherige Vergabestrategie ist kontraproduktiv

Und noch etwas ergaben die Modellrechnungen: Der Bau mehrerer kleiner, unabhängig voneinander geplanter Gezeitenkraftwerke in diesem Gebiet ist eher kontraproduktiv. Denn stellt man Turbinen auf einer kleinen Fläche auf, macht sich der Einfluss der Untergrundform stärker bemerkbar und kann zu Einbußen in der Leistung führen.

Außerdem können sich die Turbinen gegenseitig stören, wie die Forscher berichten: Kann beispielswiese eine einzige Reihe Turbinen im Pentland Firth rund ein Gigawatt Strom erzeugen, fällt die Leistung dieser Turbinenreihe auf nur noch 0,7 Gigtawatt, wenn ein zweites Unternehmen zwei weitere Reihen dazubaut, rechnen Adcock und seine Kollegen vor. Zudem seien die Turbinen dann nicht auf die jeweils tatsächlich erforderliche Leistung hin ausgelegt und könnte daher schneller abgenutzt sein.

Die bisherige Strategie der schottischen Regierung besteht allerdings darin, Gebiete im Pentland Firth getrennt an unterschiedliche Unternehmen zu verpachten. Im Jahr 2010 wurden bereits Lizenzen an sieben Unternehmen vergeben, die an verschiedenen Stellen der Meerenge Gezeitenkraftwerke errichten sollen. „Eine solche Strategie war erfolgreich bei Offshore-Windanlagen, die sich gegenseitig kaum beeinflussen“, erklären die Forscher. Im Falle der Gezeitenkraftwerke sehe dies aber fundamental anders aus. Um efffektiv zu sein und die 1,9 Gigawatt Leistung zu bringen, müsse ein Kraftwerk am Pentland Firth als eine gemeinsam geplante Einheit entwickelt werden – nicht als Stückwerk sich gegenseitig blockierender Turbinenblöcke. (Proceedings of the Royal Society A, 2013; doi: 10.1098/rspa.2013.0072)

(Proceedings of the Royal Society A, 10.07.2013 – NPO)