Meeresenergie

Meeresenergie umfasst alle Techniken, die Strom aus Bewegung, Temperatur oder Salzgehalt des Meerwassers gewinnen: aus Ebbe und Flut, Gezeitenströmungen, Wellen, Temperaturunterschieden und der Vermischung von Süß- und Salzwasser. Auf dem Papier ist das Potenzial gewaltig. Der Special Report on Renewable Energy Sources des IPCC (2011) bezifferte das theoretische Potenzial allein für Wellen- und Meereswärmeenergie auf einige Tausend bis Zehntausende TWh pro Jahr, und die Gezeiten gehören zu den am besten vorhersagbaren Energieflüssen der Erde. In der Praxis ist der Sektor winzig. Weltweit laufen rund 0,5 GW, die in der Größenordnung von 1 TWh pro Jahr erzeugen, weniger als 0,01 % des weltweiten Stroms, und fast alles davon stammt aus zwei Gezeitenkraftwerken. Im Folgenden gehen wir jede Technik durch, erklären, warum es so langsam vorangeht, und zeigen, wo Kosten und Ausbau stehen.

So funktioniert Meeresenergie

Alle Meerestechniken stehen vor demselben Problem: Das Meer ist ein feindseliger Ort. Die Anlagen müssen extremen Wellenlasten, Salzwasserkorrosion, Bewuchs und Stürmen standhalten, und für Installation und Wartung braucht es kurze Wetterfenster und Spezialschiffe. Die Physik hinter den einzelnen Techniken ist dagegen sehr unterschiedlich.

Gezeitenhub (Staudämme und Lagunen)

Ein Gezeitenhubkraftwerk ist im Grunde Wasserkraft mit geringer Fallhöhe. Ein Damm quer über eine Flussmündung oder eine Lagunenmauer vor der Küste hält das Wasser bei Flut zurück. Ist der Meeresspiegel draußen um mehrere Meter gefallen, strömt das Wasser durch Rohrturbinen für niedrige Fallhöhen zurück. Manche Anlagen erzeugen auch bei auflaufendem Wasser Strom (Zweiwegebetrieb) oder pumpen bei Hochwasser, um die Fallhöhe zu vergrößern. Die nutzbare Energie pro Tide wächst mit dem Quadrat des Tidenhubs. Lohnend sind deshalb nur Standorte mit sehr großem Hub, in der Regel über etwa 5 m.

Reale Kraftwerke holen nur einen Teil des theoretischen Werts heraus, meist ein Drittel oder weniger. Die Turbinen können nicht über die gesamte Fallhöhe arbeiten, und der Betrieb muss Rücksicht auf Schifffahrt und Ökologie nehmen. Der Gezeitenenergie-Rechner schätzt den Ertrag für beide Ansätze.

Gezeitenströmung

Strömungsturbinen stehen in schnellen Strömungen in Meerengen und vor Landspitzen, wo die Spitzengeschwindigkeit regelmäßig über 2–2,5 m/s liegt. Meerwasser ist rund 840-mal dichter als Luft, deshalb braucht eine Gezeitenturbine für dieselbe Leistung einen viel kleineren Rotor als eine Windkraftanlage. Eine Strömung von 2,5 m/s hat etwa die Leistungsdichte eines Windes von rund 24 m/s. Das Kubikgesetz und die Betz-Grenze gelten genauso wie bei der Windkraft. Es gibt Turbinen mit horizontaler Achse auf dem Meeresgrund, schwimmende Plattformen mit darunter hängenden Turbinen (etwa die 2-MW-Anlage O2 von Orbital Marine Power) und drachenähnliche Geräte, die durch die Strömung fliegen.

Wellenenergie

Wellenkraftwerke nutzen die Bewegung der Oberflächenwellen, die ihre Energie vom Wind über weite Meeresflächen beziehen. Die besten Reviere mit oft 40–70 kW pro Meter Wellenfront liegen an westwärts gerichteten Küsten in mittleren bis hohen Breiten: Schottland, Irland, Portugal, Chile, Südaustralien und der pazifische Nordwesten der USA. Die Leistungsdichte der Wellen wächst mit dem Quadrat der Wellenhöhe und mit der Wellenperiode. Die Windkraft hat sich auf den Dreiblattrotor geeinigt, die Wellenenergie hat noch keine Einheitsbauform gefunden:

• Punktabsorber: Bojen, deren Auf-und-ab-Bewegung einen hydraulischen oder linearen elektrischen Generator antreibt.
• Oszillierende Wassersäulen (OWC): Eine teilweise untergetauchte Kammer, in der die Wellen Luft verdichten und entspannen und so eine Luftturbine antreiben. Das Kraftwerk im Wellenbrecher von Mutriku in Spanien (rund 0,3 MW) läuft seit 2011.
• Attenuatoren: lange, gegliederte Schwimmkörper, die sich mit den durchlaufenden Wellen biegen, wie das Pelamis-System.
• Oszillierende Klappen (Wave Surge Converter): Klappen mit Scharnier am küstennahen Meeresgrund, die von den Wellen hin- und hergedrückt werden, wie der Oyster von Aquamarine.
• Überlaufsysteme: Wellen schwappen in ein erhöhtes Becken, das Wasser fließt über Turbinen mit geringer Fallhöhe zurück.

Meereswärmekraft (OTEC)

OTEC betreibt eine Wärmekraftmaschine zwischen warmem tropischem Oberflächenwasser und kaltem Wasser, das aus rund 1.000 m Tiefe heraufgepumpt wird. Geschlossene Systeme verdampfen ein Arbeitsmittel wie Ammoniak. Offene Systeme entspannen warmes Meerwasser zu Niederdruckdampf und können nebenbei entsalztes Wasser liefern. Bei einem Temperaturunterschied von nur etwa 20–24 °C liegt der Carnot-Wirkungsgrad bei rund 7 % und der Nettowirkungsgrad nach Abzug der Pumpenergie bei etwa 2–3 %. Die Anlagen brauchen deshalb sehr große Wassermengen und Kaltwasserleitungen. Demonstrationsanlagen mit rund 100 kW laufen auf Hawaii (Makai Ocean Engineering) und auf Okinawa in Japan. Interessant ist OTEC vor allem für tropische Inseln, die auf teuren Dieselstrom angewiesen sind.

Salzgradient

Wo Flusswasser ins Meer mündet, lässt sich der Unterschied im Salzgehalt in Strom verwandeln. Bei der Druckretardierten Osmose strömt Süßwasser durch Membranen in unter Druck stehendes Meerwasser; bei der umgekehrten Elektrodialyse erzeugen ionenselektive Membranen eine Spannung. Statkraft betrieb von 2009 bis 2013 einen kleinen Osmose-Prototyp in Tofte in Norwegen und kam dann zu dem Schluss, dass die Membranen für den kommerziellen Einsatz zu schwach sind. Die Technik steckt noch im Labor- und Pilotmaßstab.

Wichtige Projekte

Größere Gezeitenhubprojekte in Großbritannien, darunter die Severn Barrage (rund 8,6 GW) und die Swansea Bay Tidal Lagoon (320 MW), sind wegen Kosten und Umweltbedenken immer wieder abgelehnt worden.

Wirkungsgrad und Kapazitätsfaktor

Strömungsturbinen erreichen meist einen Leistungsbeiwert von 0,35–0,45 und einen Kapazitätsfaktor von etwa 25–45 %, je nachdem, wie die Nennleistung im Verhältnis zur Spitzenströmung gewählt ist. Für die Turbinen von MeyGen wurde in guten Jahren eine Verfügbarkeit von über 90 % gemeldet. Gezeitenkraftwerke mit Staudamm kommen auf etwa 20–30 %, weil sie nur während eines Teils jedes Gezeitenzyklus Strom erzeugen; La Rance holt aus 240 MW rund 500 GWh im Jahr, also etwa 24 %. Ausgereifte Wellenkraftwerke sollen an guten Standorten 20–35 % erreichen, doch kaum eines lief lange genug für belastbare Zahlen. Weil die Meerestemperaturen stabil sind, könnte OTEC im Prinzip als Grundlast mit Kapazitätsfaktoren über 90 % laufen.

Die große Stärke der Gezeitenenergie ist die Planbarkeit, nicht der Wirkungsgrad. Die Erzeugung lässt sich Jahre im Voraus vorhersagen, und die Gezeiten erreichen entlang einer Küste zu unterschiedlichen Zeiten ihren Höhepunkt. Über mehrere Standorte verteilt glättet sich die Gesamterzeugung. Schwankend bleibt sie trotzdem, nur ohne wetterbedingte Prognosefehler.

Kosten

Meeresenergie ist von der Wettbewerbsfähigkeit etablierter erneuerbarer Energien weit entfernt, vor allem weil zu wenig gebaut wurde, um die Lerneffekte auszulösen, die Wind und Solar billig gemacht haben. Die veröffentlichten Schätzungen der Stromgestehungskosten gehen weit auseinander:

• Gezeitenströmung: etwa 0,20–0,45 EUR/kWh für heutige Pilotparks, laut IRENA (Innovation Outlook: Ocean Energy Technologies, 2020) und Ocean Energy Europe. In den britischen Contracts-for-Difference-Auktionen erhielten Strömungsprojekte in der Allocation Round 4 (2022) Basispreise von rund 178 £/MWh und in späteren Runden um 170–200 £/MWh (alles in Preisen von 2012), mehr als das Dreifache von Offshore-Wind in denselben Runden.
• Wellenenergie: noch teurer, meist mit 0,30–0,55 EUR/kWh oder mehr für frühe Parks angesetzt, bei großer Unsicherheit.
• Gezeitenhub: Staudämme und Lagunen haben sehr hohe Anfangsinvestitionen, die Bauwerke halten aber 100 Jahre, und die Betriebskosten sind niedrig. La Rance hat seine Kosten längst eingespielt; neue Lagunenprojekte konnten bei marktüblichen Kalkulationszinsen keine wettbewerbsfähigen Stromgestehungskosten nachweisen.
• OTEC: Die Schätzungen für kommerzielle Anlagen mit 10–100 MW streuen sehr stark, oft 0,15–0,40 USD/kWh, und es gibt keine kommerzielle Anlage, an der man sie prüfen könnte.

Der SET-Plan der Europäischen Kommission zielt bei Gezeitenströmung auf 0,15 EUR/kWh bis 2025 und 0,10 EUR/kWh bis 2030, bei Wellenenergie auf 0,20 EUR/kWh bis 2025 und 0,15 EUR/kWh bis 2030. Erreichbar ist das nur, wenn die kumulierte Leistung von Dutzenden auf Hunderte Megawatt wächst. Mit dem LCOE-Rechner kannst du solche Kosten mit anderen Optionen vergleichen.

Fläche, Wasser und Material

Meeresanlagen beanspruchen Meeresfläche, kein Land. Strömungs- und Wellenparks brauchen Sperrzonen, die mit Schifffahrt, Fischerei und Freizeitnutzung kollidieren können; die Fläche pro MW ähnelt aber der von Offshore-Wind. Staudämme und Lagunen sind ein anderer Fall: Sie verändern große Wattflächen und Flussmündungen dauerhaft. Gebaut werden die Anlagen überwiegend aus Stahl, Beton und Verbundwerkstoffen, mit Seekabeln aus Kupfer; Korrosionsschutz und Antifouling-Beschichtungen bringen eigene chemische Probleme mit. Süßwasser wird nicht verbraucht, offene OTEC-Anlagen können sogar welches erzeugen.

CO2-Emissionen über den Lebenszyklus

Ökobilanzen der Meeresenergie stützen sich auf eine Handvoll Anlagen, überwiegend Prototypen; die Zahlen sind daher nur Richtwerte. Der IPCC AR5 WGIII Annex III (2014) nennt für Meeresenergie (Gezeiten und Wellen) eine Spanne von etwa 5,6–28 gCO2e/kWh mit einem Median von rund 17 gCO2e/kWh, ähnlich wie Wind und Solar. Stahllastige Prototypen und niedrige Kapazitätsfaktoren rücken frühe Anlagen an das obere Ende; größere, besser konstruierte Parks dürften sich dem unteren Ende nähern. Bei Gezeitenkraftwerken mit Staudamm dominiert wie bei Talsperren der im Beton gebundene Kohlenstoff, verteilt über eine sehr lange Lebensdauer. Wie diese Werte zustande kommen, erklärt der Abschnitt zu Lebenszyklusemissionen.

Sicherheit und Umweltauswirkungen

Bei der Arbeitssicherheit schneidet Meeresenergie gut ab; die Risiken sind vor allem die üblichen Gefahren der Offshore-Arbeit. Die Umweltfragen hängen vom Standort ab:

• Staudämme verändern Gezeitenströmungen, Sedimenttransport, Wasserqualität und die Wattflächen, auf denen Vögel nach Nahrung suchen. Nach dem Bau brauchte die Mündung der Rance rund ein Jahrzehnt, um ein neues ökologisches Gleichgewicht zu finden. Fische, die durch Turbinen mit geringer Fallhöhe schwimmen, werden verletzt; die Sorge um das Fischsterben trug zur Stilllegung von Annapolis Royal bei.
• Strömungsturbinen werfen Fragen nach Kollisionen mit Meeressäugern, tauchenden Vögeln und Fischen auf. Das Monitoring bei MeyGen sowie in den USA und Kanada hat bisher nur sehr wenige Begegnungen registriert, und die Blattspitzen bewegen sich viel langsamer als Schiffsschrauben. Die Datenlage ist aber noch dünn.
• Unterwasserlärm bei der Installation (vor allem beim Rammen) und elektromagnetische Felder der Kabel wurden untersucht und gelten bei kleinen Parks meist als geringfügig.
• OTEC leitet große Mengen kalten, nährstoffreichen Tiefenwassers ein, was ohne Gegenmaßnahmen lokale Ökosysteme stören kann.

Ausblick

Die Meeresenergie steht ungefähr da, wo die Offshore-Windkraft Anfang der 2000er-Jahre stand: im Prinzip bewährt, teuer und auf öffentliche Förderung angewiesen. Unter den neueren Techniken ist die Gezeitenströmung am weitesten, angeführt von Großbritannien, Frankreich, Kanada und China. Dank gezielter Vergütung hat Großbritannien über 100 MW an Strömungsprojekten unter Vertrag, und französische Projekte im Raz Blanchard wollen folgen. Wellenenergie ist nach mehreren spektakulären Firmenpleiten noch vorkommerziell; Programme wie Wave Energy Scotland und das Testgelände PacWave des US-Energieministeriums versuchen, die Entwicklung auf einen gemeinsamen Ansatz zu lenken. Gezeitenhub hat an einer Handvoll Standorte enormes Potenzial, stößt aber auf hohe Hürden bei Umwelt und Finanzierung. OTEC und Salzgradient bleiben Nischen.

Langfristig sprechen drei Dinge für die Meeresenergie: die Planbarkeit, eine Erzeugung, die zu anderen Zeiten ihren Höhepunkt hat als Wind und Sonne, und der Wert von Strom vor Ort für Inseln und abgelegene Küstenorte. Ocean Energy Europe und das Ocean-Energy-Systems-Programm der IEA halten bis 2050 Dutzende Gigawatt in Europa für möglich, wenn die Kosten wie erwartet sinken. Neben Wind und Solar wäre das immer noch wenig. Wie sich Meeresenergie gegen andere erneuerbare Energien schlägt, zeigen der Technologievergleich, die Seite zu Offshore-Wind und die Weltenergiekarte.