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Wenn Sie bei dem Begriff „erneuerbare Energie“ an ein Meer von Sonnenkollektoren oder hoch aufragende Windräder denken, sind Sie nicht allein. Es wird immer üblicher, Energie aus Sonne und Wind zu gewinnen. Das liegt daran, dass diese „sauberen“ Energiequellen Strom erzeugen, ohne unsere Luft zu verschmutzen. Genauso wichtig ist, dass sie kein Kohlendioxid in die Atmosphäre abgeben. Dieses Treibhausgas speichert die Sonnenwärme und trägt zu unserem Klimawandel bei.

Aber Sonnen- und Windenergie haben einen großen Nachteil: Sie sind nicht immer verfügbar. Die Sonne scheint nur tagsüber. Der Wind kommt und geht. Es gibt nur sehr wenige Orte, an denen der Wind konstant genug ist, um ständig Strom zu erzeugen. Und so einfach es auch klingen mag, die Speicherung von Energie für eine spätere Nutzung hat sich als große Herausforderung erwiesen.

Aber Meereswellen? Jeder, der sich in der Nähe eines Strandes aufgehalten hat, kann bestätigen, dass Wellen morgens, mittags und abends auf das Ufer prallen. Und das macht sie ideal für die Energieerzeugung rund um die Uhr. Jetzt haben Wissenschaftler herausgefunden, wie viel Energie Wellen liefern könnten.

Wenn Wind über die Wasseroberfläche weht, entstehen Wellen. Wenn Sie jemals an einem windigen Tag weiße Schaumkronen auf einem Ozean oder einem See gesehen haben, haben Sie dies in Aktion gesehen. Der Wind lässt das Wasser an der Oberfläche auf und ab schwanken. Auch wenn es so aussieht, als würde das Wasser von einem Ort zum anderen wandern, kommt es in Wirklichkeit nicht sehr weit. Vielmehr bewegt es sich im Kreis – hoch, hoch, hoch bis zur Spitze der Welle, dann runter, runter, runter auf der anderen Seite.

Das stimmt zumindest, wenn das Wasser sehr tief ist, wie zum Beispiel im Ozean. Diese sanft wogenden Wellen nennt man „Wellengang“. Aber Wellen verändern sich, wenn sie sich dem Ufer nähern.

Wenn das Wasser flacher wird, kann es sich nicht mehr im Kreis bewegen. Der Boden kommt ihm in die Quere. Das Wasser stößt auf den Meeresboden und zerdrückt den Kreis in ein Oval. Ähnlich wie ein Mensch, der über etwas stolpert, „stolpert“ das Wasser über den Boden. Der obere Teil schlingert am Boden vorbei. Die Welle „bricht“ und kracht näher an den Strand.

Wellenenergiesysteme nutzen die Bewegung des Wassers zur Stromerzeugung. Einige dieser Geräte nutzen die Kraft der brechenden Wellen. Andere machen sich den Wellengang zunutze. Wieder andere nutzen den Druck der Wellen in der Nähe des Meeresbodens. Alle haben jedoch das gleiche Ziel: Sie wandeln die Wellenenergie in elektrische Energie um. Dieser Strom kann zur Versorgung des Stromnetzes verwendet werden. Dabei handelt es sich um das Kabelnetz, das den Strom zu den Häusern und Gebäuden überträgt, damit wir ihn nutzen können.

Die Wellenenergie ist auf Gebiete in Meeresnähe beschränkt. Schließlich können die Kabel, die Strom transportieren, nur so lang sein. Aber 40 Prozent der Weltbevölkerung leben in einem Umkreis von 100 Kilometern vom Meer entfernt. Das bedeutet, dass viele Lampen, Fernseher und Tablets durch Wellen mit Strom versorgt werden könnten.

Aufgrund der vielversprechenden Möglichkeiten der Wellenenergie testen Forscher, wie gut verschiedene Arten von Generatoren die Meeresenergie in Strom umwandeln. Gleichzeitig versuchen sie sicherzustellen, dass das Leben im Meer dabei nicht geschädigt wird.

Energie dort, wo sie gebraucht wird

Der erste Schritt zur Erzeugung von Wellenenergie? Den besten Platz für die Energieumwandler zu finden.

Nicht alle Küstengebiete eignen sich für die Erzeugung von Wellenenergie. Die Form des Landes unter dem Meer verändert die Größe und Form der Wellen. Außerdem sind Wellenenergiewandler kostspielig. Die besten Standorte sollten viel Wellengang haben, aber nicht so viel, dass die Konverter bei einem Sturm beschädigt werden könnten.

Um die besten Standorte zu ermitteln, wenden sich die Wissenschaftler an Computermodelle. Joao Morim Nascimento und Nick Cartwright sind Umweltingenieure in Australien. Beide arbeiten an der Griffith University in Southport, Queensland. Ein Umweltingenieur arbeitet an der Reduzierung von Umweltverschmutzung und Abfall. Die beiden wollten an der Südostküste ihres Landes gute Standorte für Wellenenergiekonverter finden. Dort befinden sich mehrere australische Großstädte. Da so viele Menschen in Küstennähe leben, könnte sich dieses Gebiet hervorragend für Wellenenergie eignen.

Die Forscher begannen mit einem bestehenden Computermodell namens SWAN. (Der Name steht für Simulating WAves Nearshore.) SWAN wurde von Forschern der Universität Delft in den Niederlanden entwickelt. Es sagt die Stärke und den Ort der Ozeanwellenenergie voraus. Dabei werden Faktoren wie Wind, Merkmale des Meeresbodens und Wechselwirkungen zwischen mehreren Wellen berücksichtigt.

Morim Nascimento und Cartwright haben SWAN an den Südosten Australiens angepasst. Sie fügten Details über die Wassertiefe bis zu einer Entfernung von 50 Kilometern (31 Meilen) von der Küste hinzu. Außerdem fügten sie Daten über die Winde und Wellen in der Region hinzu. Dann testeten sie das Modell mit Daten von Bojen im Meer. Die Ingenieure optimierten das Modell, bis es die von den Bojen aufgezeichnete Wellenenergie genau vorhersagte.

Das Modell half dem Team, „Hotspots“ zu finden – Orte mit einer, wie Cartwright es nennt, „Fülle von Wellenenergie“. Jeder Standort befindet sich innerhalb von 5 Kilometern (3 Meilen) von der Küste entfernt in maximal 22 Meter (72 Fuß) tiefem Wasser. Diese sind ideal, erklärt er, weil es einfacher und billiger ist, die Energie von diesen Standorten an die Küste zu bringen als von weiter draußen.

„Es gibt mehr als genug natürliche Energie im Meer“, sagt er. „Die Herausforderung besteht darin, genug davon zu nutzen und in Energie umzuwandeln, die die Menschen verwenden können. Ein Teil dieser Herausforderung ist der Ozean selbst. Die Wellen schlagen ständig gegen die Geräte. Die Geräte können auch extremen Wetterbedingungen ausgesetzt sein. Sehr große Sturmwellen können die Umwandler beschädigen, sagt Cartwright. Und er fügt hinzu, dass salzhaltiges Meerwasser alle Metallteile korrodiert oder zersetzt.

Meeresteppich

Wissenschaftler und Ingenieure versuchen auf viele verschiedene Arten, diese Herausforderungen zu meistern. Ihre Ideen haben zu vielen Arten von Designs geführt. Einige Konverter schwimmen an der Oberfläche und sind mit Wellengeneratoren auf dem Meeresboden verbunden. Bei anderen ist ein Ende am Meeresboden verankert, während sich das andere frei hin und her bewegen kann, wenn die Wellen über sie hinwegspülen. Wieder andere nutzen den Luft- oder Wasserdruck, um Strom zu erzeugen.

Eines der neuesten Systeme sieht ein bisschen wie ein flacher Teppich aus. Mohammad-Reza Alam und sein Team an der University of California, Berkeley, haben den Konverter so konzipiert, dass er einen schlammigen Meeresboden nachahmt. Orte mit viel Schlamm können ankommende Wellen gut absorbieren, erklärt Alam. Fischer in flachen Gewässern steuern bei rauem Wetter oft schlammige Gebiete an. Boote, die sich dort aufhalten, sind vor großen Wellen geschützt, während sie einen Sturm aussitzen.

Wenn Schlamm so viel Energie absorbieren kann, so Alams Überlegung, dann sollte ein Energiewandler, der sich wie Schlamm verhält, dasselbe tun. Das würde ihn bei der Nutzung der Wellenenergie äußerst effizient machen.

Der „Teppich“ seines Konverters besteht aus einer glatten Gummiplatte. Er liegt in der Nähe des Meeresbodens, wo er sich mit den Wellen biegen und strecken kann. Während er sich auf und ab bewegt, drückt er Beiträge in und aus einer Kolbenpumpe. Die Pumpe wandelt die Bewegung des Kolbens in Strom um, der dann über ein Kabel an das Stromnetz weitergeleitet wird.

Der Teppich ist in der Lage, fast die gesamte Energie aus den Wellen zu entfernen, sagt Alam. Und er könnte viele Haushalte mit Strom versorgen. Jede Stunde, sagt er, kann jeder Quadratmeter des Teppichs etwa 2,5 Kilowatt aus dem Wasser an der kalifornischen Küste holen. Das ist doppelt so viel Strom wie ein typisches amerikanisches Haus pro Stunde verbraucht.

„Wenn wir die gleiche Leistung aus Sonnenenergie gewinnen wollen“, sagt Alam, „brauchen wir 14 Quadratmeter Solarzellen.“ Das ist 14 Mal so viel! Er sagt, dass ein Wellenteppich in voller Größe wahrscheinlich etwa 10 Meter breit und 20 Meter lang wäre. Damit könnte er rund um die Uhr 500 Kilowatt Strom pro Stunde erzeugen – genug, um mehr als 400 Haushalte mit Strom zu versorgen.

Andernorts, z. B. in Nordeuropa, sind die Wellen energiereicher. Daher könnte ein Wellenteppich dort mehr Strom erzeugen, so Alam. Umgekehrt könnten schwächere Wellen an Orten wie dem Golf von Mexiko nicht so viel Strom in das Stromnetz pumpen.

Die gesamte Struktur ist am Meeresboden verankert und liegt knapp über dem Meeresboden. Es ist also völlig unsichtbar. Das ist für viele Menschen, die sich am Strand aufhalten, wichtig. Sie sehen nicht gern große Energieerzeugungsanlagen (wie Windturbinen), wenn sie schwimmen oder segeln gehen. Viele Windkraftanlagen sind weit von der Küste entfernt, so dass Strandurlauber sie nicht sehen können. Der Wellenteppich kann sich jedoch in Küstennähe befinden. Das bedeutet, dass die Kabel, die den Strom ins Netz leiten, viel kürzer sein können. Und der durch den Teppich erzeugte Strom dürfte daher weniger kosten.

Gut für die Umwelt?

Es steht außer Frage, dass die Erschließung neuer Quellen für erneuerbare Energien gut für die Umwelt ist. Weniger Umweltverschmutzung und weniger Treibhausgase sind gut für Menschen, Pflanzen und Tiere. Aber saubere Energiequellen können auch Probleme verursachen.

Windturbinen können zum Beispiel Zugvögeln und Fledermäusen in die Quere kommen. (Schätzungen zufolge sterben jedes Jahr Hunderttausende dieser Tiere durch Kollisionen mit den massiven, sich drehenden Rotorblättern.) Die geringere Höhe von Wellenenergiekonvertern bedeutet, dass sie wandernde Tiere wahrscheinlich nicht stören würden. Aber „wir müssen die Wechselwirkung mit der Meeresumwelt sorgfältig abwägen“, sagt Deborah Greaves. Sie ist Meeresingenieurin an der Universität von Plymouth in England.

Eine Sorge gilt den ökologischen Auswirkungen der Absorption der gesamten Energie der ankommenden Wellen. (Schließlich wird auf diese Weise Strom erzeugt – durch die Umwandlung von Wellenenergie in elektrische Energie.) Die den Wellen entzogene Energie wird die verbleibende Energiemenge verringern, wenn die Wellen weiter in Richtung Küste laufen. Sie werden kleiner sein, zumindest über eine gewisse Distanz. Kleinere Wellen könnten zu einer geringeren Durchmischung der Nährstoffe in der Wassersäule führen (das ist das Wasser zwischen einem bestimmten Teil des Meeresbodens und der Oberfläche darüber). Und das könnte sich auf die dort lebenden Arten auswirken, sagt Greaves. „Aber es kann auch ein Vorteil sein“, fügt sie hinzu. Schließlich können „Wellenenergiekonverter zum Küstenschutz beitragen“, indem sie die Erosion verringern.

Die Stromgeneratoren könnten sich auch auf die Interaktion mit der Tierwelt auswirken. Viele Vögel und Meeressäuger jagen in Gebieten, die ideale Standorte für Wellenkraftwerke sein könnten, nach Fischen. Es ist möglich, dass die Konverter sogar Fische anlocken könnten, wenn die kleineren Tiere, die sie fressen, dort Zuflucht suchen. Das wiederum könnte hungrige Raubtiere anlocken. Dies könnte dazu beitragen, das Meeresleben in dem Gebiet zu fördern. Aber Fische, Robben und andere Tiere könnten sich auch in den langen Kabeln verheddern, mit denen die Energieumwandler an der Oberfläche verankert sind. Daher müssen die Forscher untersuchen, wo sie diese Konverter installieren wollen, um sicherzustellen, dass sie die örtlichen Ökosysteme nicht schädigen.

Eine weitere Sorge: Die Wandler werden Lärm verursachen. Das kann ein Problem für Fische, Delfine und andere Tiere sein, die auf Geräusche angewiesen sind, um Nahrung zu finden oder zu kommunizieren. Das tiefe Rumpeln eines Bootes und das laute Piepen eines Sonars bereiten den Meerestieren alle möglichen Probleme. Diese Tiere können Schwierigkeiten haben, ihre Nahrung zu finden, oder sie werden desorientiert. Laut Greaves ist es jedoch unwahrscheinlich, dass Wellenumwandler einen hohen Lärmpegel erzeugen. Der größte Lärm entstünde, wenn die Konverter an einem bestimmten Ort installiert würden. Wenn sie erst einmal in Betrieb sind, sollten sie ziemlich leise sein.

Auf der anderen Seite könnten die Konverter als Basis für ein künstliches Riff dienen, wenn sich Algen, Muscheln, Seepocken oder Korallen an der Struktur festsetzen und zu wachsen beginnen. Solche Riffe bieten Schutz für Fische und andere Meeresbewohner. Das könnte die Vielfalt des Meereslebens in dem Gebiet erhöhen. Sie könnten hilfreich sein, solange diese Tiere die Bewegung des Wellenkonverters nicht stören.

„Die Wellenenergie hat das Potenzial, aus den riesigen Ressourcen des Ozeans einen großen Beitrag zu unserem künftigen Bedarf an sauberer Energie zu leisten“, sagt Greaves. Aber sie mahnt: „Es muss auf nachhaltige Weise geschehen, in Harmonie mit der Meeresumwelt.“