DE
EnglishEspañolFrançaisDeutschRomânăहिन्दी简体中文
RechnerKartenLänderRankingsVergleichenTechnologienWissen Energy Explorer Solar- & Windparks Glossar
Rechner: Wasser & Meer

Gezeitenenergie-Rechner: Gezeitenkraftwerke mit Damm und Gezeitenströmungsturbinen

Schätzt den Jahresertrag einer Gezeitenlagune bzw. eines Gezeitenkraftwerks mit Damm aus Beckenfläche und Tidenhub oder von Strömungsturbinen aus Strömungsgeschwindigkeit und Rotorgröße, simuliert über jeden Spring-Nipp-Zyklus eines Jahres.

Bearbeitbarer Link PDF-Bericht mit Logo Kostenlos · ohne Anmeldung

Ergebnisse

13,6 GWh pro Jahr aus 6 MW, ein Kapazitätsfaktor von 25,9 %. Der Ertrag lässt sich Jahre im Voraus vorhersagen, pulsiert aber mit jeder Tide und schwankt mit dem Spring-Nipp-Zyklus. LCOE ≈ 422 €/MWh.
Jahresenergie
13,6GWh
3.785 durchschnittliche EU-Haushalte
Kapazitätsfaktor
25,9%
2.271 Volllaststunden
Installierte Leistung
6MW
Mittlere Leistung
1,6MW
Nenn-Strömungsgeschwindigkeit
3,13m/s
Rotor 18 m · Cp 0,42
Mittlere kinetische Leistungsdichte
4,67kW/m²
zeitgemitteltes ½ρ|u|³
Betriebsstunden
6.457h/Jahr
640 h bei Nennleistung
LCOE
422€/MWh
Investition 45 Mio. €
Projekt-IRR
-7,6%
bei 200 €/MWh
Zwei Wochen Ertrag: von Spring- bis Nipptide
  • Die Strömung folgt u = U_peak(t)·sin(2πt/12,42 h), wobei der Spitzenwert über 14,77 Tage sinusförmig zwischen deinen Spring- und Nippwerten schwankt; Asymmetrie von Flut und Ebbe, Turbulenz und das vertikale Geschwindigkeitsprofil werden nicht modelliert.
  • Nimm die Strömung in Nabenhöhe, nicht an der Oberfläche. Nachlauf- und Blockadeeffekte spielen bei großen Parks mit; dieses Modell betrachtet jede Turbine einzeln.

So funktioniert der Gezeitenenergie-Rechner

Aus Gezeiten lässt sich auf zwei grundverschiedene Arten Strom gewinnen, und der Rechner bildet beide ab.

Tidenhubkraftwerke (Sperrwerke und Lagunen) halten das Wasser bei Flut hinter einem Damm zurück und lassen es durch Niederdruckturbinen ab, sobald sich ein Höhenunterschied aufgebaut hat. Im Grunde ist das Wasserkraft, angetrieben vom Mond. Die verfügbare Energie wächst mit der Beckenfläche und dem Quadrat des Tidenhubs.

Gezeitenströmungsturbinen stehen in schnellen Strömungen, wie Windräder unter Wasser. Ihre Leistung wächst mit der Rotorfläche und der dritten Potenz der Strömungsgeschwindigkeit. Meerwasser ist rund 840-mal dichter als Luft: Ein 18-m-Rotor in einer Strömung von 3 m/s leistet so viel wie ein Windrotor von 70–80 m bei 12 m/s Wind. Das gilt allerdings nur dort, wo die Strömung kräftig ist.

Die Gezeiten folgen dem halbtägigen Mondzyklus von 12,42 Stunden, und ihre Amplitude schwillt über den Spring-Nipp-Zyklus von 14,77 Tagen an und ab. Der Rechner simuliert ein ganzes Jahr: beim Sperrwerk jede einzelne Tide, bei der Strömungsturbine alle 10 Minuten, wobei Tidenhub oder Spitzenströmung zwischen deinen Werten für Spring- und Nipptide pendeln.

Die Formeln

Sperrwerk / Lagune, pro Tide: E = ½ × ρ × g × A × R² Jährlich: E_year = Σ_tides min(E_tide × Entnahmefaktor, P_installed × Erzeugungsstunden) × Verfügbarkeit

Gezeitenströmung: P(t) = min(P_rated, ½ × ρ × A_rotor × Cp × |u(t)|³ × η) u(t) = U_peak(t) × sin(2π t / 12.42 h), U_peak pendelt über 14.77 Tage zwischen Spring- und Nipptide

Für Meerwasser gilt ρ = 1.025 kg/m³. Der Entnahmefaktor (voreingestellt 38 % bei Ebbebetrieb, 32 % bei Flutbetrieb, 50 % bei Zweirichtungsbetrieb) berücksichtigt den Turbinenwirkungsgrad, die Fallhöhe, die vor Beginn der Erzeugung nötig ist, und die Wartezeit, bis sie sich aufgebaut hat.

Rechenbeispiel: ein Gezeitenströmungspark

Die Voreinstellungen beschreiben einen Park aus vier Turbinen mit je 1,5 MW und 18 m Rotor in einem Kanal, in dem die tiefengemittelte Spitzenströmung 3,5 m/s bei Springtide und 1,8 m/s bei Nipptide erreicht. Das ähnelt der ersten Phase des Projekts MeyGen im schottischen Pentland Firth.

  • Mit Cp = 0,42 und 90 % Wirkungsgrad im Triebstrang erreicht jede Turbine ihre Nennleistung bei etwa 3,1 m/s.
  • Die Turbinen erzeugen Strom, sobald die Strömung 1 m/s übersteigt (rund 6.450 Stunden im Jahr), laufen aber nur etwa 640 Stunden mit voller Leistung, überwiegend bei Springtide.
  • Bei 92 % Verfügbarkeit erzeugt der Park rund 13,6 GWh im Jahr, ein Kapazitätsfaktor von knapp 26 %. Das reicht für etwa 3.800 durchschnittliche EU-Haushalte.
  • Bei 7.500 €/kW und 3,5 % Betriebs- und Wartungskosten liegen die LCOE über 400 €/MWh, doppelt so hoch wie der angenommene Förderpreis von 200 €/MWh. Diese Lücke erklärt, warum heutige Strömungsprojekte auf eigene Differenzverträge (CfD) angewiesen sind und warum die Branche vor allem an den Kosten arbeitet.

Wählst du die Vorlage Sperrwerk wie La Rance (22 km², Tidenhub 11 m bei Springtide und 5,5 m bei Nipptide, 240 MW, Ebbebetrieb), ergibt das Modell etwa 535 GWh im Jahr. Das liegt nah an den rund 500 GWh, die das echte Kraftwerk seit Jahrzehnten liefert.

So liest du die Ergebnisse

  • Jahresenergie und Kapazitätsfaktor: Gezeitenkraftwerke erreichen meist 20–40 %.
  • Nennströmungsgeschwindigkeit (Strömung). Eine niedrigere Nenngeschwindigkeit hebt den Kapazitätsfaktor, verschenkt aber bei Springtide Energie; Projektierer wägen das gegen die Kosten ab.
  • Energie pro Tide (Sperrwerk). Das Diagramm zeigt den Wechsel zwischen Spring- und Nipptide: Springtiden können viermal so viel liefern wie Nipptiden, weil die Energie mit R² wächst.
  • Durch die Leistung begrenzte Tiden. Ist dieser Wert hoch, würden mehr Turbinen mehr Energie ernten.

Typische Werte

Kennwert Gezeitenströmung Tidenhub
Nötiges Angebot Spitzenströmung bei Springtide > 2,5 m/s mittlerer Tidenhub > 5 m
Einheitengröße 0,1–2,5 MW Rohrturbinen mit 10–26 MW
Kapazitätsfaktor 25–40 % 20–30 %
Investitionskosten 5.000–12.000 pro kW 3.000–8.000 pro kW
Beispiel MeyGen (UK), 6 MW La Rance (FR) 240 MW; Sihwa (KR) 254 MW

Tipps

  • In Nabentiefe messen. Zum Meeresboden hin nimmt die Strömung ab; verwende ADCP-Messungen auf Rotorhöhe, keine Oberflächenwerte.
  • Spring- und Nipptide zählen beide. Ein Standort mit starken Spring-, aber schwachen Nipptiden erzeugt weniger, als seine Spitzenströmung vermuten lässt.
  • Lagunen mit Zweirichtungsbetrieb erzeugen bei Flut und Ebbe und können bei Hochwasser pumpen, um die Fallhöhe zu vergrößern. Sie liefern gleichmäßiger als reine Ebbe-Sperrwerke.
  • Mit Speichern oder anderen Erneuerbaren kombinieren. Gezeitenstrom ist vorhersagbar, kommt aber in vier Schüben am Tag und ergänzt damit Wind und Solar.

Grenzen des Modells

Die Tide wird als einzelne Sinus-Partialtide mit Spring-Nipp-Modulation abgebildet. Echte Gezeiten haben eine tägliche Ungleichheit, Äquinoktialspringtiden und eine standortabhängige Asymmetrie zwischen Flut und Ebbe. Die Strömungsturbinen werden einzeln betrachtet, ohne Nachlauf im Park oder Blockadeeffekte im Kanal, und das vertikale Geschwindigkeitsprofil bleibt unberücksichtigt. Das Sperrwerksmodell nutzt einen empirischen Entnahmefaktor statt einer vollständigen Betriebssimulation; rechne mit einer Genauigkeit von ±20–30 %. Folgen für Sedimente, Fische und Wattlebensräume liegen außerhalb des Modells, obwohl sie bei Sperrwerken oft den Ausschlag geben.

Methode & Annahmen

Tidenhub (Damm/Lagune): Wasser, das über die Fläche A bei einem Hub R zurückgehalten wird, besitzt pro Füllung oder Leerung die Lageenergie E = ½ ρ g A R² (ρ = 1.025 kg/m³). Der Hub variiert von Tide zu Tide zwischen Nipp- und Springwert über den Zyklus von 14,77 Tagen; 706 Tiden pro Jahr werden aufsummiert, ein Entnahmefaktor rechnet die Lageenergie in abgegebene Energie um, und jede Tide wird auf installierte Leistung × Erzeugungsstunden begrenzt. Gezeitenströmung: P = ½ ρ A Cp u³ η, begrenzt auf die Nennleistung und null unterhalb der Anlaufgeschwindigkeit, simuliert in 10-Minuten-Schritten über ein Jahr mit einer sinusförmigen M2-Tide, deren Amplitude dem Spring-Nipp-Zyklus folgt. LCOE = abgezinste Kosten ÷ abgezinste MWh.

Häufige Fragen

Wie berechnet man Gezeitenenergie?
Bei einem Sperrwerk oder einer Lagune beträgt die pro Tide verfügbare Energie E = ½ × ρ × g × A × R² (Dichte des Meerwassers × Erdbeschleunigung × Beckenfläche × Tidenhub zum Quadrat). Bei Strömungsturbinen gilt P = ½ × ρ × A × Cp × v³, wie bei einer Windkraftanlage, nur ist Wasser rund 840-mal dichter als Luft.
Wie viel Leistung bringt eine Gezeitenströmungsturbine?
Eine moderne Gezeitenturbine mit 1,5–2 MW und 18–20 m Rotor erreicht ihre Nennleistung bei Strömungen um 3 m/s. An einem guten Standort kommt sie meist auf einen Kapazitätsfaktor von 25–40 % und erzeugt rund 3.000–6.000 MWh im Jahr.
Welche Strömungsgeschwindigkeit braucht Gezeitenströmungsenergie?
Kommerzielle Standorte brauchen in der Regel Spitzenströmungen bei Springtide von mehr als etwa 2,5 m/s, besser 3–5 m/s. Weil die Leistung mit der dritten Potenz der Geschwindigkeit wächst, steckt in einem Standort mit 4 m/s mehr als doppelt so viel Leistung wie in einem mit 3 m/s.
Wie viel Strom erzeugt das Gezeitenkraftwerk La Rance?
La Rance in der Bretagne ist seit 1966 mit 240 MW Turbinenleistung in Betrieb und erzeugt aus einem Becken von etwa 22 km² bei einem mittleren Tidenhub von rund 8 m etwa 500 GWh im Jahr. Das entspricht einem Kapazitätsfaktor von rund 24 %.
Warum ist Gezeitenenergie vorhersagbar?
Die Gezeiten entstehen durch die Anziehungskraft von Mond und Sonne. Zeitpunkt und Höhe lassen sich deshalb Jahre, sogar Jahrhunderte im Voraus berechnen. Die Erzeugung schwankt im Tagesverlauf und über den Spring-Nipp-Zyklus von 14,8 Tagen stark, überrascht den Netzbetreiber aber nie.
Warum ist Gezeitenenergie so teuer?
Bauen im Meer, Korrosion, knappe Wetterfenster für Installation und Wartung und kleine Projektgrößen halten die Kosten hoch. Die LCOE von Gezeitenströmungsanlagen liegen heute meist deutlich über 200 pro MWh (EUR oder GBP); mit größeren Parks sollen sie sinken.

Quellen & Literatur

  1. Ocean Energy Systems (IEA Technology Collaboration Programme) — Jahresberichte
  2. Charlier, R.H. (2007). Forty candles for the Rance River TPP tides provide renewable and sustainable power generation. Renewable and Sustainable Energy Reviews 11(9)
  3. Neill, S.P. & Hashemi, M.R. — Fundamentals of Ocean Renewable Energy, Academic Press, 2018
  4. IRENA — Tidal Energy Technology Brief (2014)

Diesen Rechner einbinden

Kostenlos für Blogs, Installateure, Schulen und gemeinnützige Organisationen. Kopier den Code unten, der Rechner aktualisiert sich von selbst.