Verpasste Chancen der Energiewende

Stromgewinnung wie im Dynamo

Eine dieser Ideen wurde Anfang Mai 2023 in der Kieler Förde in Schleswig-Holstein probeweise zu Wasser gelassen. Der zwölf Meter hohe und acht Tonnen schwere Prototyp eines Wellenkraftwerkes erzeugt Strom nach dem gleichen Prinzip wie ein Fahrraddynamo – jedoch nicht rotierend wie dieser, sondern linear im Wellengang. Im Auf und Ab der Wellen durchlaufen zwei Linear-Generatoren entlang einer Hubstange ein Magnetfeld und erzeugen durch Induktion elektrischen Strom. Das Feld ist abgeschirmt und kann dadurch nicht nach außen wirken.

Der Prototyp mit einer Leistung von bis zu 32 Kilowatt hat erste Tests bereits hinter sich und soll 2026 in der Nordsee nahe Sylt in einem Langzeitversuch erprobt werden. Sollte er sich dabei bewähren, könnten Anlagen dieses Typs, dann allerdings in achtmal größerer Ausführung, schon in zehn Jahren „grünen“ Strom ins Netz einspeisen. Geht es nach Christian Keindorf, Professor für Erneuerbare Offshore-Energien an der Fachhochschule Kiel, werden die Wellenkraftwerke künftig in Offshore-Windparks installiert: „Zwischen Windrädern ist Platz genug und ein Seekabel wäre dort auch schon vorhanden“, erläutert er: „Warum sollten wir Seegebiete, die sowieso schon der Energieerzeugung dienen, nicht noch wesentlich effizienter nutzen?“

Doch das ist noch Zukunftsmusik. Für die Erprobung des Prototyps im rauen Betrieb auf See sucht Keindorf derzeit nach Kooperationspartnern. Die stehen nicht gerade Schlange, denn bisher ist mit Wellenkraft erzeugter Strom deutlich teurer als Windstrom. Anders als Windräder erhalten Wellenkraftwerke für ins öffentliche Netz eingespeisten Strom keine staatlich festgelegte Vergütung, erläutert Keindorf: „Deshalb zögert die Industrie bislang, diese Technologie aufzugreifen und bis zur Serienreife weiterzuentwickeln.“ Der Wunsch des Kieler Forschers lautet: eine Einspeisevergütung im Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) auch für Wellenstrom. „Erst das EEG hat Wind- und Sonnenenergie groß gemacht“, stellt der Energieexperte fest. Es ist eine Erfolgsgeschichte, die sich mit Wellenenergie wiederholen ließe.

Doch Wellenkraftwerke sind nicht die einzige Technologie, mit der sich Meeresenergie ernten lässt. Bereits im 11. Jahrhundert trieben an den Küsten von England und Frankreich sogenannte Gezeitenmühlen, die sich die Strömungsenergie von Ebbe und Flut zunutze machten, Holzsägen, Mahlsteine oder Schmiedehämmer an. Doch mit den Gezeiten lässt sich auch elektrischer Strom erzeugen. Seit 1967 nutzt das Gezeitenkraftwerk Rance bei St. Malo in der Bretagne den Tidenhub, um jährlich rund 600 Millionen Kilowattstunden Strom ins Netz einzuspeisen. Diese Energiemenge ist groß genug, um alle Haushalte einer Großstadt wie Augsburg zu versorgen.

Energie aus dem Tidenhub

Andererseits ist sie auch ein gewaltiger Eingriff in die Natur. Gezeitenkraftwerke, die nach dem Staudammprinzip arbeiten, werden an Flussmündungen oder Meeresbuchten mit besonders hohem Tidenhub errichtet. In St. Malo trennt eine 750 Meter lange, mit Turbinen ausgerüstete Sperrmauer die Mündungsbucht des Flusses Rance vom offenen Meer. Bei Flut strömen die Wassermassen durch die Turbinen in den Mündungssee, bei Ebbe laufen sie auf dem gleichen Weg wieder ab. Die Folge: Seit das Kraftwerk in Betrieb ist, hat sich der Tidenhub deutlich verringert, die Mündung der Rance ist stark verlandet und die Zusammensetzung von Flora und Fauna ist eine gänzlich andere.

Rotoren am Meeresgrund

Umweltgerechter ist eine dem Windrad ähnelnde Technik, die ohne Sperrmauern auskommt. Dabei drehen sich in den ab- und anströmenden Wassermassen von Ebbe und Flut auf dem Meeresboden verankerte Rotoren, deren Bewegung ein Generator in elektrischen Strom verwandelt. Das bislang leistungsstärkste Kraftwerk dieses Typs ging 2016 in Schottland ans Netz. Mit aktuell vier 1,5-Megawatt-Rotoren zieht die Anlage mit dem Namen MeyGen elektrische Energie aus der Strömung zwischen dem schottischen Festland und den Orkney-Inseln, wo sich Ebbe und Flut mit besonderer Wucht austoben.

Die in der Pentland Firth genannten Meerenge in hohem Tempo hin und her gepressten Wassermassen mit einem Volumen von der achtfachen Größe derer des Amazonas gelten als einer der energiereichsten Gezeitenströme der Welt. Schon bald wollen die schottischen Ingenieure dem Pentland Firth noch mehr elektrische Energie abzapfen: Im Endausbau soll MeyGen über fast 400 Megawatt Leistung verfügen und rund 175.000 Haushalte mit elektrischer Energie versorgen können.

Um mithilfe von Meeresströmungen effizient Strom erzeugen zu können, müssen diese gar nicht so gewaltig sein wie in Pentland Firth. Da Wasser eine rund 800-mal so große Dichte besitzt wie Luft, liefern Meeresrotoren auch bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit noch reichlich elektrische Energie. Weil sie sich nur langsam drehen, sollen sie zudem für Meerestiere ungefährlich sein. Doch das ist ein Punkt, der noch genauerer Untersuchungen bedarf. Analysen zufolge gibt es in Europa mehr als 100 geeignete Standorte für Meeresströmungskraftwerke. Dennoch wurden bislang nur wenige solche Anlagen gebaut, denn die Technik ist mangels einer Massenfertigung teuer und kann mit Windkraft nicht konkurrieren.

Aus dem gleichen Grund steckt eine weitere innovative, jedoch völlig anders geartete Meerestechnologie noch in den Kinderschuhen: Osmosekraftwerke, die an Flussmündungen mithilfe der osmotischen Druckdifferenz zwischen Süß- und Salzwasser Strom gewinnen. Der weltweit erste Prototyp dieses Kraftwerkstyps ging vor 15 Jahren im norwegischen Tofte an den Start.

Überdruck aus der Osmose

Das Prinzip eines Osmosekraftwerks ist einfach: Im Kraftwerk werden Süßwasser und Meerwasser durch eine Membran getrennt, die nur für Süßwasser durchlässig ist. Da die Süßwasser-Moleküle bestrebt sind, die unterschiedliche Salzkonzentration auszugleichen, dringen sie durch die Membran auf die Meerwasserseite. Mit dem einströmenden Wasser entsteht ein Überdruck, mit dem sich Turbinen antreiben lassen.

Allerdings reichte die Leistung des 2009 in Betrieb genommenen Kraftwerk-Prototyps bloß aus, um einen Kuchen zu backen. Mit der Versuchsanlage wollte der Energieversorger Statkraft Betriebserfahrungen sammeln, die in ein für 2015 geplantes 25-Megawatt-Kraftwerk einfließen sollten. Doch dazu kam es nicht mehr. Ende 2013 stoppte der Konzern die Erforschung der Technologie. Das Ziel, mit Osmosekraftwerken in absehbarer Zeit wettbewerbsfähig Energie zu erzeugen, sei verfehlt worden, teilte Statkraft mit. Damals waren Erdgas und Erdöl konkurrenzlos billig. Zudem war die erhoffte staatliche Einspeisevergütung ausgeblieben.

Doch die Erforschung der Technologie geht weiter – allerdings auf Sparflamme. An der Weiterentwicklung der Membran, dem Herzstück jedes Osmosekraftwerks, wird vereinzelt noch immer geforscht. Denn je dünner die Membran, desto höher ist die Energieausbeute. Ende 2019 stellten Forscher der Rutgers University in Piscataway in den USA ein neuartiges Membranmaterial vor, das zwar noch optimiert werden muss, Osmosekraftwerken aber einen wirtschaftlich rentablen Betrieb ermöglichen könnte. Das lässt hoffen, könnte doch Osmoseenergie in Europa gut ein Siebtel des europäischen Strombedarfs decken – entsprechende politische Unterstützung vorausgesetzt.

Die Renaissance der Wasserräder

Aber nicht nur das Meer bietet unerschlossene Energiepotenziale. Auch mit der Strömungsenergie von Flüssen lässt sich weit mehr Elektrizität erzeugen als es bislang der Fall ist – und das mit Techniken, die im Gegensatz zu den üblichen Dämmen und Wehranlagen nur geringfügig in die Charakteristik eines Flusses eingreifen. Eine davon ist das Wasserrad, Herzstück jeder Wassermühle, das man ein bisschen zu voreilig bereits ins Technikmuseum abgeschoben hat.

An der Aller im niedersächsischen Landkreis Celle feiert die archaische Technik ihre Wiederauferstehung. An der Bannetzer Schleuse bei Hornbostel wird ein Wasserrad im Format eines Einfamilienhauses eingebaut. Nach Abschluss der Arbeiten soll die Forschungsanlage rund 1.000 Haushalte mit elektrischem Strom versorgen – und das auf umweltschonende Weise: Anders als bei herkömmlichen Wasserkraftwerken, deren Turbinen bis zu 30 Prozent aller absteigenden Fische häckseln, liege die Mortalitätsrate in Bannetze bei nur 0,28 Prozent, sagt Projektleiter Christian Seidel von der TU Braunschweig: „Die Fische nutzen die Kammern zwischen den Schaufeln als Abstiegshilfe.“

Die Neuentwicklung soll bislang technisch und wirtschaftlich nicht nutzbare Wasserkraftpotenziale in Flüssen mit großen Durchflussmengen und geringen Fallhöhen zwischen 0,4 und 4 Metern erschließen. Das bundesweite Potenzial für Hochleistungswasserräder schätzt Seidel auf rund 15 Terawattstunden. Das wären etwa 2,5 Prozent des aktuellen deutschen Stromverbrauchs. Ein Manko: Wasserräder funktionieren nur in Verbindung mit einer Stauanlage, die jedoch deutlich kleiner ausfallen kann als bei konventionellen Wasserkraftwerken.

Bojen in der Flussströmung

Strombojen dagegen – eine weitere innovative Technologie, die mit der kinetischen Energie von Flüssen elektrischen Strom erzeugt – kommen ohne Aufstau klar. Sie schwimmen fest vertäut in der Strömung, tauchen bei Hochwasser ab, sodass Treibgut ungehindert passieren kann, und sind, so das Ergebnis gewässerökologischer Studien, auch für Fische keine Gefahr. Eine elf Meter lange und fünf Meter breite Boje versorgt bei Fließgeschwindigkeiten von zwei Metern pro Sekunde ungefähr 70 Haushalte.

In der Donau bei Kienstock, einem kleinen Ort in der Wachau, werden seit etlichen Jahren vier Strombojen-Prototypen im Langzeitversuch getestet. Die Wachau – eine Region in Niederösterreich in und um das Donautal zwischen Melk und Krems und Heimat von 50.000 Menschen – will mit der neuen Technik in naher Zukunft stromautark werden. Die ersten vier Strombojen-Parks sollen noch in diesem Jahr in Betrieb gehen.

Windkraft aus riesiger Höhe

Innovative Techniken, die bislang als nicht nutzbar geltende Potenziale erschließen oder bereits etablierte Techniken ergänzen, beschränken sich jedoch nicht nur auf Wasserkraft. Auch bei der Windkraft ist buchstäblich noch Luft nach oben. Höhenwindkraftwerke eröffnen Windressourcen in bis zu 800 Meter Höhe – also dort, wo so gut wie nie Flaute herrscht. Den Strom erzeugen sie mittels Drachen, Drohnen oder Flugzeugen, deren Bewegungen ein Seil auf einen am Boden stehenden Generator überträgt.

Seit Jahren wetteifern Start-ups um den besten Weg, um Höhenwindenergie effizient und kostengünstig auf die Erde zu bringen. Einige scheiterten, andere gingen pleite. Exemplarisch für das Auf und Ab der Branche steht das US-amerikanische Unternehmen Makani: Es wurde 2006 gegründet, 2013 von Google aufgekauft und ist in den Jahren darauf zum Technologieführer aufgestiegen. Makanis einem Flugzeug ähnelndes Kraftwerk flog in 300 Meter Höhe rechtwinklig zum Wind konstant aerodynamisch optimierte Schleifen. Die sich dabei drehenden Propeller trieben einen Generator an. Doch nach dem Absturz eines fliegenden Kraftwerks ließ Google das Projekt fallen.

Es war ein Desaster, von dem sich die übrigen Höhenwindpioniere nicht abschrecken ließen. Einer davon ist die deutsche Firma Skysails Power, deren Lenkdrache beim Aufstieg in hohe Luftschichten ein Seil abzieht. Die sich dabei drehende Winde treibt einen Generator. Ist das Seil vollständig abgerollt, beginnt die Rückholphase: Der Drachen steuert automatisch in eine Lage, in der seine Zugkraft sehr gering ist, und der Generator wickelt im Motorbetrieb das Seil wieder auf. Dafür schluckt er nur einen Bruchteil der Energie aus der Abrollphase. Der Überschuss wird ins Netz eingespeist. Ein einziger Drachen kann bis zu 100 Haushalte versorgen.

Mit Höhenwindkraftwerken, die ohne Betonturm und Rotor auskommen, lasse sich fünfmal so viel Strom ernten wie mit herkömmlichen Windkraftanlagen vergleichbarer Größe, sagt Moritz Diehl, Professor für Systemtheorie, Regelungstechnik und Optimierung an der Universität Freiburg: „und das bei 90 Prozent weniger Materialeinsatz.“ Diehl sieht die fliegenden Kraftwerke als ideale Ergänzung für Windparks am Boden oder auf dem Meer. Man müsse sich das vorstellen wie eine senkrecht über dem Windpark errichtete Mauer aus übereinander geschichteten Flugdrachen, die am Himmel ihre Bahnen zögen, erläutert er: „Windräder nehmen sich gegenseitig den Wind weg. Und die hinteren stehen im Windschatten der vorderen.“ Bei übereinander geschichteten Lenkdrachen gebe es dagegen keine Verschattung.

Es fehlt an Fördermitteln

Doch das dürfte vorerst eine Zukunftsvision bleiben. Denn von staatlicher Seite gibt es bislang kein Geld, um die Markteinführung von Höhenwindkraftwerken zu unterstützen. Auch eine Einspeisevergütung ähnlich dem EEG existiert nicht. Die Lenkdrachen-Technologie von Skysails steht dank privatem Risikokapital trotzdem kurz vor der Marktreife. Erste Anlagen wurden bereits verkauft.

Höhenwindkraftwerke vergrößern das Erntefeld der Windenergie – so wie Wellenkraftwerke, Strombojen und Osmosekraftwerke die Ertragsmöglichkeiten der Wasserkraft erweitern. Und fast alle dieser von den Politikern vernachlässigten Technologien haben Windrädern und Solaranlagen etwas Entscheidendes voraus: Sie sind grundlastfähig, liefern also rund um die Uhr elektrischen Strom – auch wenn der Wind nicht weht und die Sonne nicht scheint.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…