Das SURF-WEC, eine Abkürzung für Small Underwater Research Flap Wave Energy Converter, wurde erstmals aus dem Labor ins Meer vor dem Makai Research Pier auf der Insel Oʻahu im Bundesstaat Hawaii gebracht. Das von National Laboratory of the Rockies in Zusammenarbeit mit der University of Hawaii at Manoa durchgeführte Projekt soll ein kleines Gerät zur Umwandlung von Wellenbewegung in Strom testen und zugleich sein Design, seine Daten und die daraus gewonnenen Erkenntnisse offen zugänglich machen.
Dieser Schritt erfolgt in einem Bereich, in dem Versuche im offenen Wasser im Vergleich zum Umfang der in den vergangenen Jahrzehnten durchgeführten theoretischen Forschung und Modellierung weiterhin begrenzt sind. Den Forschenden zufolge behindern der Mangel an tatsächlichen Einsätzen sowie die fehlende Veröffentlichung von Daten einiger Experimente das Verständnis der Leistung von Meeresenergieanlagen und erschweren den Übergang von Modellen zu kommerziell skalierbaren Technologien.
Wie funktioniert das Gerät?
Das SURF-WEC besteht aus einer schwimmenden Klappe, die in Ufernähe befestigt ist und ungefähr die Größe eines großen Bildschirms hat. Die Klappe bewegt sich beim Vorüberziehen der Wellen vor und zurück, ähnlich wie eine Tür, die sich um ihre Scharniere dreht, und treibt dadurch ein geschlossenes Hydrauliksystem an, das Flüssigkeit pumpt und ihren Druck allmählich erhöht. Sobald ein bestimmter Druck erreicht ist, wird er genutzt, um einen mit einem elektrischen Generator verbundenen Motor anzutreiben.
Die wichtigste Forschungseigenschaft des Geräts ist die Möglichkeit, seine Reaktion auf die Wellen aus der Ferne anzupassen. Das Team kann zwischen einem passiven Modus, der seine Reaktion nicht an die Bedingungen anpasst, und einem aktiven Modus umschalten, der sich in Echtzeit an die wechselnden Wellen anpasst. Modellierungen zufolge kann der aktive Betrieb mehr Energie aufnehmen, verursacht jedoch zusätzliche Verluste durch den Betrieb der Sensoren, Steuerungssysteme und eigentlichen Anpassungsmechanismen.
Von der Modellierung zum Test im Meer
Das Projekt umfasste zwei Jahre Modellierung, Bau, Tests und Validierung in den Laboren des National Laboratory of the Rockies. Die Forschenden nutzten Werkzeuge wie WEC-Sim, um die Bewegung der Klappe und der Wellen zu simulieren. Außerdem testeten sie das hydraulische Energieumwandlungssystem mit einem elektrischen Aktuator, der in einer kontrollierten Umgebung die Wellenbewegung nachahmte.
Das Labor entwickelte zudem die Plattform MODAQ 2.0 zur Überwachung der Leistung, zur Steuerung des Geräts und zur Datenerfassung. Nachdem die Komponenten im Labor getestet worden waren, wurde das System isoliert und verstärkt, um es vor den Bedingungen der Meeresumwelt zu schützen. Anschließend wurde es nach Hawaii verschifft, um dort montiert, eingesetzt und mit dem Ufer der Insel verbunden zu werden.
Vor dem Einsatz wurde das Team von einem starken Kona-Sturm überrascht, der auf Oʻahu zuzog und dessen Winde und Wellen die Erwartungen der historischen Daten übertrafen. Daher befestigten die Forschenden zunächst nur den Rahmen und warteten den Sturm ab. Danach wiederholten sie die Simulationen mit Echtzeitdaten nahegelegener Bojen. Zwei Tage später schlossen sie die Montage und Befestigung des Geräts am Meeresboden ab und führten die Kabel zur MODAQ-2.0-Plattform am Ufer.
Warum ist diese Nachricht wichtig?
Das Team bestätigte, dass nach der Befestigung Strom im System ankam. Dies belegt den erfolgreichen ersten Übergang vom Labordesign zum Betrieb im Meer, stellt jedoch noch keinen Beweis für die kommerzielle Rentabilität oder eine kontinuierliche Stromerzeugung in großem Maßstab dar. Das SURF-WEC wurde vor allem als Forschungsplattform mit geringen Zugangshürden konzipiert, um Daten zu erzeugen, auf denen Forschende und Industrie aufbauen können.
Mehr als fünf Monate nach dem Einsatz plant das Team, das Gerät bis zu einem Jahr im Wasser zu lassen, einen Live-Datenfeed bereitzustellen und einen öffentlich zugänglichen Abschlussbericht zu veröffentlichen. Die Ergebnisse werden dabei helfen, den aktiven und den passiven Betrieb zu vergleichen, die mit der Steuerung verbundenen Verluste zu bewerten und die Leistung des Energiesystems unter realen Meeresbedingungen zu verstehen. Wie lange das Gerät im Wasser bleiben kann und wie viel Strom es langfristig erzeugen kann, sind weiterhin offene Fragen, die durch den fortlaufenden Test geklärt werden sollen.
Das Projekt wird vom Büro für Wasserkraft und Meeresenergie des US-Energieministeriums finanziert. Die Zusammenarbeit zwischen dem Labor und der Universität ermöglichte es, Fachwissen in den Bereichen Wellenmodellierung, Steuerung, Hydraulik und Verankerung im Meer zu verbinden.