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Gezeitenkraftwerk
Gezeitenkraftwerke entnehmen ihre Energie letztlich der Erddrehung mit Hilfe der Anziehungskraft des Mondes und der Sonne auf die Erde (siehe auch Gezeiten).
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Grundprinzip und Bedeutung
Ein Gezeitenkraftwerk ist ein Wasserkraftwerk, das potentielle und kinetische Energie aus dem Tidenhub des Meeres in elektrischen Strom umwandelt. Der Tidenhub ist die Differenz zwischen Hoch- und Niedrigwasserstand.
Die Energie stammt letztlich aus der Erddrehung sowie aus der Anziehungskraft von Mond und Sonne auf die Erde. Gezeitenkraftwerke bremsen die Strömungsbewegung der Meere minimal ab: Auf- und ablaufendes Wasser wird gestaut, seine potentielle Energie treibt Turbinen an, und deren Rotationsenergie wird durch elektrische Generatoren in nutzbare elektrische Energie umgewandelt. Gegenüber der natürlichen Gezeitenreibung fällt diese zusätzliche Abbremsung wegen der hohen Rotationsenergie der massereichen Erde nicht ins Gewicht.
Staudammprinzip
Traditionell werden Gezeitenkraftwerke an Meeresbuchten oder Ästuarien, also Flussmündungen, mit besonders hohem Tidenhub gebaut. Ein Deich oder Staudamm trennt die Bucht ab und bildet einen Stauraum. Im Deich sitzen Wasserturbinen.
Bei Flut treibt einfließendes Wasser die Turbinen an, bei Ebbe ausfließendes Wasser. Deshalb müssen die Turbinen in beiden Durchströmungsrichtungen arbeiten können; dazu werden ihre Rotorblätter umgestellt. Bereits ein geringes Wassergefälle kann mit Rohrturbinen genutzt werden. Der bekannteste Vertreter dieser Turbinenart ist die Kaplan-Turbine.
Ein solches Kraftwerk kann überschüssigen Strom anderer Kraftwerke verwenden, um Meerwasser in den Stauraum zu pumpen. Beim späteren Rückfluss entsteht zusätzlicher Strom. Dann arbeitet es zugleich als Pumpspeicherkraftwerk.
Grenzen für Wirtschaftlichkeit und Umwelt
Bei einem erforderlichen Mindest-Tidenhub von 5 m gibt es ungefähr einhundert geeignete Buchten auf der Erde. Nur etwa die Hälfte davon würde einen wirtschaftlichen Einsatz ermöglichen. Zudem tritt Ebbe und Flut nur alle 12 Stunden und 24 Minuten auf; die Leistung kann daher nicht gleichmäßig geliefert werden. Hohe Springtiden und schwache Nipptiden verstärken die Schwankungen der Energiegewinnung.
Salzwasser verursacht starke Korrosion an den Turbinen. Der dadurch nötige Wartungsaufwand verschlechtert die Wirtschaftlichkeit.
Staudämme für Gezeitenkraftwerke beeinflussen außerdem Flora und Fauna der Küstengewässer. Küstenökosysteme sind im natürlichen Zwölf-Stunden-Zyklus entstanden, hinter dem Kraftwerk sind die Phasen jedoch verschoben. Auch die Wanderung von Wassertieren in und aus der Bucht sowie in einmündende Flüsse wird erschwert. Wegen der begrenzten Standorte und der erheblichen ökologischen Folgen werden Staudammkraftwerke künftig nur einen geringen Anteil des Strombedarfs decken können.
Betriebene Anlagen und Beispiele
Das Gezeitenkraftwerk Rance an der Mündung der Rance in Frankreich wurde ab 1961 gebaut und 1966 eröffnet. Es war lange Zeit das größte Gezeitenkraftwerk. In der Bucht bei St-Malo beträgt der Tidenhub normalerweise 12 m, manchmal 16 m. Der Betondamm ist 750 m lang; er schafft ein Staubecken von 22 km² Oberfläche und 184 Mio. m³ Nutzinhalt. In 24 Durchlässen arbeiten Turbinen mit jeweils 10 MW Nennleistung. Die Gesamtleistung beträgt 240 MW, die jährliche Stromerzeugung rund 600 GWh. Auch diese Anlage arbeitet als Pumpspeicherkraftwerk.
2011 wurde Sihwa-ho in Südkorea, 40 km südwestlich von Seoul, fertiggestellt und löste La Rance als größtes Gezeitenkraftwerk ab. Zehn Turbinen mit je 25,4 MW erreichen zusammen 254 MW. Die Anlage gehört zu einem rund 13 km langen Damm, der eine natürliche Bucht vom Gelben Meer trennt. Der Damm sollte ursprünglich Brauchwasser speichern; weil das Wasser zu faulen begann, wurde umgeplant. Die 22 m unter dem Wasserspiegel angebrachten Niederdruckturbinen von Andritz Hydro nutzen das bei Flut einströmende Meerwasser.
Das Gezeitenkraftwerk Annapolis in Annapolis Royal, Nova Scotia, hatte 20 MW, ging 1984 in Betrieb und diente vor allem Forschung und Entwicklung. Es nutzte im Ein-Richtungs-Betrieb nur den Ebbstrom. Nach technischen Mängeln ging es 2019 außer Betrieb; 2021 wurde die endgültige Stilllegung beschlossen.
Weitere genannte Anlagen sind Kislaja Guba an der russischen Barentssee, das seit 1968 existiert und im Text mit etwa 400 kW angegeben wird, sowie Anlagen bei Murmansk mit 0,4 MW und in China. Das Kraftwerk bei Jiangxia in Zhejiang wurde laut Fließtext 1986 fertiggestellt und hat 10 MW. Die Tabelle nennt für Jiangxia hingegen 3,2 MW und das Jahr 1980 sowie für Kislaja Guba 1,7 MW; diese Angaben weichen vom Fließtext ab.
Planungen und neuere Bauformen
Für die Bay of Fundy in Nova Scotia war lange ein Kraftwerk mit 5.000 MW geplant, wurde wegen hoher Investitionen aber nicht realisiert. Es gab auch Bedenken wegen ökologischer Folgen für das wichtige Fischereigebiet und wegen einer möglichen Veränderung des Tidenhubs auf der Gegenseite der Bucht, durch die Städte wie Boston überflutet werden könnten. Statt eines Damms plante man später Turbinen auf dem Meeresgrund. Bei einer 2009 testweise aufgestellten Turbine mit 12 m Durchmesser fiel nach wenigen Tagen die Datenübertragung aus. Die Untersuchung zeigte Beschädigungen an zwei Blättern; nach der Bergung 2010 ergab die Datenauswertung, dass die starke Strömung der Turbine innerhalb von drei Wochen alle Blätter genommen hatte.
Die Severn Barrage in Großbritannien sollte zwischen Cardiff und Bristol eine 16 km lange Sperre bilden. Die 2016 geplanten Turbinen sollten 8.500 MW liefern und fünf Prozent des britischen Stromverbrauchs decken; der Tidenhub am Standort erreicht bis zu 15 m. Zunächst wurden Kosten von 15 Milliarden Pfund (19 Mrd. Euro) veranschlagt. Ende 2010 stoppte die britische Regierung das umstrittene Projekt, nachdem eine Machbarkeitsstudie Kosten von bis zu 34 Milliarden britische Pfund errechnet hatte. Als Nachfolger wurde 2010 Swansea Bay mit 320 MW geplant, 2015 genehmigt und wegen ausbleibenden ausreichenden Baubeginns bis 2020 zunächst nicht fortgesetzt; 2023 wurde es als Teil von „Blue Eden“ wiederbelebt.
Heute werden Staudamm-Anlagen wegen ihrer starken ökologischen Einwirkungen kaum mehr gebaut. Stattdessen nutzt man In-Flow-Gezeitenkraftwerke: Im Wasser angebrachte, etwa schraubenförmige oder windradähnliche Turbinen erzeugen Strom aus Strömungen, die meist mit einer Tide verbunden sind. Diese Anlagen werden auch als Meeresströmungskraftwerke beschrieben. Die Kraft des Tidenhubs wurde bereits im 17. Jahrhundert an den Kanalküsten Englands und Frankreichs genutzt. Im Juli 2019 erschien außerdem eine Studie zur Stromgewinnung aus Salzwasserströmungen über den elektrokinetischen Effekt.