Wasserkraft ist global. Sollte die Wasserkraftforschung das auch sein?

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Warum Experten aus den USA und Norwegen zusammenarbeiten, um herauszufinden, wie diese erneuerbare Energie der Welt beim Übergang zu sauberer Energie helfen könnte

Als Dany Tome zum ersten Mal auf dem Campus des National Renewable Energy Laboratory (NREL) in Golden, Colorado, ankam, bemerkte er weder die goldenen Gräser, die von den Hängen wehten, noch die Sonnenkollektoren, die in sauberen, geometrischen Reihen auf Parkhäusern und Schluchten angebracht waren.

„Der erste Eindruck, den ich bekam, waren Schlangen“, sagte Tome, ein Doktorand an der Universität Südostnorwegen. „Dass es hier Schlangen gibt.“

Aber Tome besuchte Colorado nicht wegen der Reptilien. Im Rahmen einer größeren Partnerschaft zwischen Norwegen und den Vereinigten Staaten verbrachte er fünf Wochen am NREL. Gefördert durch das Water Power Technologies Office des US-Energieministeriums Wissensaustauschprogramm unterstützt die Zusammenarbeit zwischen nationalen Labors, Universitäten und Ozeanen – alles zur Förderung der Wasserkraft.

Wasserkraft ist nach wie vor die größte erneuerbare Energiequelle weltweit und erzeugt mehr Strom als alle anderen erneuerbaren Energien zusammen. nach Angaben der Internationalen Energieagentur. Und Pumpspeicherkraftwerke, die bis zu tausende Stunden Energie in Stauseen speichern können, macht 94 % der weltweiten Energiespeicher aus. Da Länder ihre Stromnetze jedoch um erschwinglichere und effizientere Solar- und Windenergietechnologien erweitern, müssen sie wissen: Welche Rolle spielt Wasserkraft in dieser erneuerbaren Zukunft?

Warum sich die Rolle der Wasserkraft weiterentwickeln sollte und wird

Norwegen ist berühmt für seine Fjorde. Aber es sollte auch für seine erneuerbaren Energien bekannt sein. Das Land bezieht etwa 98 % seiner Energie aus erneuerbaren Ressourcen, der größte Teil davon (92 %) stammt aus Wasserkraft.

Obwohl die Vereinigten Staaten nur herumkommen 6 % des Stroms stammen aus WasserkraftBeide Länder haben ein erhebliches Potenzial, mehr Strom – oder andere Vorteile – aus Wasserkraft zu gewinnen. Einige Wasserkraftwerke können beispielsweise Energie nach Bedarf erzeugen, was die Wasserkraft zu einem zuverlässigen Partner für andere erneuerbare Energiequellen macht. Wenn die Sonne untergeht oder der Wind nachlässt, kann Wasserkraft Lücken schließen, um sicherzustellen, dass das Netz zuverlässig und belastbar bleibt.

Beide Länder sind auch auf ähnliche Arten der Wasserkraft angewiesen: in erster Linie auf große Kraftwerke in Stauseen (im Gegensatz zu kleineren Kraftwerken entlang fließender Flüsse). Um diese Stauseen zu füllen, sind Wasserkraftwerke auf Schneekappen- oder Gletscherschmelze und Regenwasser angewiesen – alles könnte schrumpfen, wenn sich die Welt erwärmt.

Aber die beiden Länder – und die Welt – haben noch etwas anderes gemeinsam: den Klimawandel.

„Diese Dinge sind nicht an Länder gebunden. Weltweit ist es ein ähnlicher Effekt“, sagte Mayank Panwar mit Blick auf die Auswirkungen des Klimawandels. Panwar, ein leitender Forschungsingenieur am NREL, war ab Sommer 2023 Gastgeber von Tome und mehreren anderen Wasserkraftforschern der Universität Südostnorwegen.

Jedes Land kämpft mit seinen eigenen Klimakrisen, wie tödlichen Überschwemmungen in feuchten Regionen und Erntevernichtungen in trockenen Regionen; Um diese Krisen einzudämmen, verfolgen viele ehrgeizige Ziele für saubere Energie.

„Und wo passt die Wasserkraft da hinein?“ fragte Panwar.

Warum das zukünftige Stromnetz moderne Wasserkraft braucht

Obwohl Wind- und Solarenergie werden den Giganten in den kommenden Jahren wahrscheinlich überholenWasserkraft wird weiterhin eine Schlüsselrolle bei der Unterstützung sauberer Energienetze weltweit spielen.

Dennoch untersuchen viele Länder, darunter Norwegen und die Vereinigten Staaten, genau, wie moderne Versionen dieses erneuerbaren Schwergewichts in zukünftige saubere Energienetze integriert werden könnten.

Wasserkrafttechnologien sind nicht ohne Mängel: Beispielsweise können Anlagen, je nachdem, wo und wie sie gebaut werden, die Fischwanderung beeinflussen. Die heutigen Wasserkrafttechnologien sind bereits umweltfreundlicher als ihre Vorgänger. Und sowohl Norwegen als auch die Vereinigten Staaten untersuchen, wie die Auswirkungen der Wasserkraft auf die Umwelt, das Ökosystem und die Gemeinschaft beispielsweise durch sichere Fischpass-Technologien abgemildert werden können.

Bestehende Wasserkraftanlagen könnten durch moderne Modernisierungen, Reparaturen und sogar einige digitale Verbesserungen effizienter werden. Wenn die beiden Länder ihre analogen Anlagen digitalisieren können, könnten die Betreiber besser kontrollieren, wie viel Energie sie erzeugen (und wann) und sich an veränderte Netzanforderungen anpassen.

Viele dieser neuen Wasserkrafttechnologien befinden sich jedoch noch in der Entwicklung. Bevor Länder in möglicherweise teure und zeitaufwändige Modernisierungen heutiger Anlagen investieren, müssen sie wissen, welche die größten Vorteile mit sich bringen und wie sich diese Änderungen auf ein zukünftiges sauberes Energienetz auswirken könnten.

Panwar und Tome hoffen gemeinsam mit ihren NREL- und norwegischen Kollegen, diese großen Fragen zur Wasserkraft zu beantworten. Panwar zum Beispiel kürzlich hat eine Plattform aufgebaut, die neue Wasserkrafttechnologien nachahmen kann und simulieren, wie sie funktionieren könnten, wenn sie an ein echtes Stromnetz angeschlossen wären.

Doch während Panwar umfassende, netzweite Fragen untersucht, konzentriert sich Tome auf den kleinsten und grundlegendsten Teil eines Wasserkraftwerks: den Generator.

Die Maschine beherrschen

Während seines Bachelorstudiums verliebte sich Tome zum ersten Mal in Maschinen. (Er hat einen in Physik und einen in Elektrotechnik.) Zurück in seinem Heimatland Honduras erinnert sich Tome, wie ein Professor im Labor auf ihn zukam und sagte: „Lass uns eine Sechsphasenmaschine bauen.“ Er hätte genauso gut sagen können: „Lasst uns ein Einhorn bauen.“ Elektrische Systeme wie Generatoren und Stromnetze haben normalerweise nur drei Phasen (Phasen geben an, wie viel Strom das System gleichzeitig liefert). Tome hielt es nicht für möglich, noch mehr hinzuzufügen. Jetzt geht ihm das Einhorn nicht mehr aus dem Kopf.

Nach dem College erwarb Tome einen Doppelmaster in Windenergie und Elektrotechnik von der norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie bzw. der Technischen Universität Delft. In seiner Abschlussarbeit hat er entwarf einen 13-Phasen-Generator für Windkraftanlagen, was die Strommenge erhöhen könnte, die eine Turbine erzeugen könnte. Doch nach seinem Master-Abschluss wechselte Tome zur Wasserkraft.

„In Honduras verfügen wir über viele Wasserkraftressourcen“, sagte Tome. „Und ich dachte: ‚Okay, das könnte passen. Ich kann meinem Land dabei helfen.‘“

Doch Tome ist hin- und hergerissen zwischen der Unterstützung seines Landes bei der Entwicklung neuer Wasserkraftanlagen und der Lösung komplexer, globaler wissenschaftlicher Rätsel als Forscher. „Vielleicht bin ich zu ehrgeizig“, sagte er.

Während seiner Zeit bei NREL fand Tome eine mögliche Lösung, die beiden Zielen dienen könnte. Gemeinsam mit Panwar untersuchte er, wie heiß Wasserkraftgeneratoren werden können, bevor sie zerstörerische Temperaturen erreichen. Und er entdeckte die traditionelle thermische Schwelle – die Temperatur, bei der die heutigen Wasserkraftwerke abschalten und die Stromproduktion zum Stillstand kommen würden –könnte viel höher sein als ursprünglich angenommen. Dieser Schwellenwert könnte sogar noch höher liegen, wenn die Generatoren besser isoliert und länger kühl gehalten würden.

Diese Erkenntnis könnte sowohl den Vereinigten Staaten als auch Norwegen dabei helfen, die Produktion sauberer Energie zu steigern – ohne neue Anlagen zu bauen. Wenn bestehende Wasserkraftwerke ihre Generatoren länger sicher betreiben können, könnten beide Länder mit ihren bestehenden Flotten mehr saubere Energie produzieren. Kurz gesagt: Sie können mit weniger mehr erreichen.

„In gewisser Weise öffnet es tatsächlich die Büchse der Pandora“, sagte Tome über seine Entdeckung, „denn jetzt müssen wir anders darüber nachdenken, wie diese Maschinen betrieben werden und wie sie sich auf das Stromnetz auswirken.“

„Diese Maschinen“ reichen auch über Wasserkraftwerke hinaus. Wenn diese Anlagen von effizienteren, langlebigeren Motoren profitieren können, können dies auch Elektrofahrzeuge und Windkraftanlagen oder sogar Traktoren und Lastwagen.

„Mein Ziel ist es, Maschinen zu entwerfen“, sagte Tome. „Es spielt keine Rolle, welche Art von Maschine.“

Vorerst wird sich Tome jedoch auf Wasserkraft konzentrieren. Obwohl er im November nach Norwegen zurückkehrte, plant er, zu NREL zurückzukehren, um weiterhin mit Panwar zusammenzuarbeiten. Das Duo plant, genau zu simulieren, wie heiß ihre heißen neuen Motoren werden könnten und ob sich diese Änderungen auf Generatorebene auf das Netz auswirken könnten.

„Wir leben in dieser grünen Energiewende, oder?“ Sagte Tome. „Wir brauchen mehr Wind- und Solarenergie. Aber wir haben auch diese älteren Technologien, wie zum Beispiel Wasserkraft.“

Auch wenn die Wasserkraft fast so alt ist wie die norwegischen Fjorde, wird sie unsere alte Stütze bleiben – vor allem, wenn Tome, Panwar und ihre US-amerikanischen und norwegischen Kollegen bei der Modernisierung dieses erneuerbaren Giganten helfen können.

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Artikel von NREL. Von Caitlin McDermott-Murphy.