Das Meer war ruhig, als das Wanderfalken-Schiff letzten Monat den Hafen in Homer, Alaska, mit drei Liegeplätzen auf seinem Deck verließ, die alle mit wissenschaftlichen Instrumenten beladen waren.
Achtzehn Stunden später wurden diese Liegeplätze in die schlammigen Wellen abgesenkt, wo sie zwei Monate lang Daten sammelten. Zwei der Anlegestellen waren 12-Fuß-U-Boot-förmige Bojen, die 60 Fuß unter der Oberfläche der Bucht schwammen, und die dritte ruhte auf dem Meeresboden; alle drei sammelten Daten zu Geschwindigkeit, Turbulenz und Sedimenten am landesweit bestplatzierte Gezeitenenergie-Site.
Cook Inlet ist eine hochenergetische Ecke des Pazifischen Ozeans und beherbergt eine der größten Gezeitenressourcen der Erde. All diese Energie hat das Potenzial, die Abhängigkeit der Einwohner Alaskas zu verringern rückläufige Öl- und Gasförderung und liefern überschüssige erneuerbare Energie, die die Wirtschaft Alaskas ankurbeln könnte. Aus diesem Grund haben Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL) ihre Liegeplätze im Cook Inlet unter Wasser gesetzt; Die gesammelten Daten werden dazu beitragen, wichtige Details der Chancen und Herausforderungen zu identifizieren, die sich daraus ergeben, diese wogenden Gewässer zu einer zuverlässigen und erneuerbaren Energiequelle für die an der nahen Küste lebenden Alaskaner zu machen.
Aber das ist keine leichte Aufgabe.
„Modelle und Ortskenntnisse sagen uns, dass die Strömungen hier extrem stark sind. Im Winter gibt es Schlick und Meereis. Wir erwarten, dass die Turbulenzen intensiv sein werden“, sagte Levi Kilcher, ein leitender NREL-Wissenschaftler, der Bewertungen von Meeresenergieressourcen wie diese leitet.
NREL-Forscher und Besatzungsmitglieder bereiteten sich darauf vor, im Juli drei Liegeplätze in Cook Inlet, Alaska, einzurichten, um Daten für einen potenziellen Gezeitenenergiestandort zu sammeln. Von links nach rechts: Chris Higgins (Wanderfalke), Patrick Verity (Wanderfalke), Brian Hunt (TerraSond Limited), Frank Spada (Integral Consulting), Levi Kilcher (NREL), Andrew Smith (TerraSond Limited), Gwen Sovitski, Olivia Cormier (TerraSond Limited), Jeff Johnson (Wanderfalke). Foto mit freundlicher Genehmigung von Christopher Pike
Einfangen von Energie aus Ebbe und Flut
So wie Windturbinen Energie aus bewegter Luft gewinnen, können Unterwasserturbinen Energie aus Ebbe und Flut erzeugen. Gezeitenenergie hat das Potenzial, in den Vereinigten Staaten mehr als 220 Terawattstunden saubere, erneuerbare Energie pro Jahr bereitzustellen, was ausreicht, um 21 Millionen Haushalte mit Strom zu versorgen. Gezeitentechnologien sind vielversprechend und neue Demonstrationsprojekte zeigen der Welt, dass sie zuverlässig und effizient arbeiten können. Und doch ist es im Vergleich zu Wind- und Solarenergie noch eine Branche im Frühstadium. Im September 2020 waren in den USA nur drei Gezeitenturbinen in Betrieb.
„Ein Großteil unserer Arbeit baut auf dem Hintergrund von NREL im Bereich Windkraft auf“, sagte Kilcher. „Es brauchte Zeit, um zu verstehen, wie wichtig es ist, Turbulenzen bei der Konstruktion von Windkraftanlagen zu berücksichtigen. Wir lernen daraus und kommen jetzt den Turbulenzfragen zuvor, indem wir diese Messungen durchführen. Aber im Ozean gibt es so viele zusätzliche Umweltherausforderungen: Wir haben auch mit Meereis, Sedimenten, Meeresbewuchs zu kämpfen – ganz zu schweigen von den korrosiven Eigenschaften des Salzwassers selbst. Deshalb versuchen wir auch, die Details dieser Umweltherausforderungen zu verstehen.“
Für die Cook-Inlet-Studie leitete Kilcher ein Multilabor-Team, zu dem Forscher des Pacific Northwest National Laboratory und der Sandia National Laboratories gehörten. Das Team hat auch Hilfe von TerraSond Limited, Ocean Renewable Power Company, und Integrale Beratung. NREL hat ähnliche Studien im Puget Sound, Washington, und vor der Küste von Maine durchgeführt, aber die Umgebung Alaskas stellt einzigartige Herausforderungen: stärkere Strömungen, Meereis im Winter und Sedimente, die von den Gletschern der nahe gelegenen Berge in die Bucht gespült werden . Die Turbulenzen wirbeln Sand und Schlamm aus dem Einlaufboden auf, wodurch schaumiges, graues Wasser an der Oberfläche und eine Aufschlämmung aus Sand und Kies am Boden entsteht.
„Die starken Strömungen am Standort schaffen Sanddünen auf dem Meeresboden, die 9 Meter hoch sind. An dieser Stelle sind Instrumente verloren gegangen, höchstwahrscheinlich im Sand vergraben“, sagte Kilcher. „Wir haben im Tidal Bottom Lander Mittelwasser-Liegeplätze und aufblasbare Kammern verwendet, um sicherzustellen, dass wir dieses Zeug zurückbekommen.“
Frank Spada (Integral Consulting, links) und Andrew Smith (TerraSond Limited) halten die Boje ruhig, während Patrick Verity (Wanderfalke) sie für einen Ballasttest im Hafen von Homer, Alaska, entfesselt. Foto mit freundlicher Genehmigung von Christopher Pike
Es ist eine Umgebung, die Kilcher gut kennt. Er wuchs in Homer, einem kleinen Fischerdorf am Cook Inlet, auf, wo er am Strand dieses eisigen Wassers spielte, Fischen für den Lebensunterhalt praktizierte und später als Matrose für das Frachtgeschäft seines Vaters arbeitete. Er erwarb einen Ph.D. in Ozeanographie mit dem Schwerpunkt Ozeanturbulenzen von der Oregon State University. Vor zehn Jahren brachte er sein Fachwissen in das Wasserkraftteam von NREL ein, um bei der Entwicklung von Gezeitenkraftwerken zu helfen, die eines Tages seine Heimatstadt mit Strom versorgen könnten.
„Probleme, die unlösbar erscheinen, haben mich schon immer angezogen. Turbulenzen sind eines dieser Probleme, und Gezeitenenergie hat sich manchmal auch so angefühlt, aber die Branche beginnt, echte Erfolge zu sehen“, sagte Kilcher.
Um bei den Bemühungen zu helfen, sammeln Kilcher und sein Team jetzt einige der Informationen, die für den Start von Projekten in Cook Inlet erforderlich sind. Neben Turbulenzen messen die Forscher die Geschwindigkeit, den Salzgehalt, die Temperatur sowie die Sedimentzusammensetzung und -konzentration des Wassers. Mit diesen Daten werden sie Modelle validieren und verfeinern, um ein viel detaillierteres Bild des Standorts zu zeichnen, einschließlich der Menge an Energie, die dort erzeugt werden könnte und wie Gezeitenturbinen gebaut werden können, die den Elementen standhalten.
Das detaillierte Verständnis der Gezeitenenergiequelle Cook Inlet, die sich aus diesem Projekt ergibt, wird es der Industrie ermöglichen, Gezeitenturbinen zu konstruieren, die in der rauen Cook Inlet-Umgebung über Jahrzehnte zuverlässig funktionieren. Letztendlich könnte diese Arbeit auch dazu beitragen, Turbinenanordnungen zu entwickeln, die die Stromproduktion maximieren und gleichzeitig die Auswirkungen auf das Meeresleben und die Ökosysteme des Meeresarms minimieren.
Umgestaltung der Wirtschaft Alaskas mit sauberer, erschwinglicher und lokaler Energie
Der Zugang zu sauberer, bezahlbarer Energie würde die Wirtschaft Alaskas verändern, die derzeit aufgrund der geringeren Öl- und Gasproduktion und der hohen Energiepreise vor einer tiefen wirtschaftlichen Rezession steht. Die Einwohner Alaskas sind nicht nur für Arbeitsplätze und Staatseinnahmen von Öl und Gas abhängig, sondern auch für Wärme und Strom. Aufgrund ihres extremen Klimas, ihrer abgelegenen Lage und ihrer fehlenden Infrastruktur geben sie doppelt so viel für Energie aus wie der durchschnittliche Amerikaner; viele Gemeinden zahlen dreimal mehr, so das Cold Climate Housing Research Center Wohnungsbewertung in Alaska 2018.
Das Cook Inlet-Gelände wird schätzungsweise bis zu 18 Gigawatt Gezeitenenergiepotenzial — mehr als das 20-fache der Menge, die von allen straßengebundenen Gemeinden Alaskas verbraucht wird.
„Es ist eine riesige Menge an Energie, zu der wir direkt vor unserer Haustür Zugang haben“, sagte Chris Rose, Executive Director des Renewable Energy Alaska Project, einer gemeinnützigen Organisation, die saubere Energielösungen für Alaska vorantreibt. “Die wirtschaftlichen und ökologischen Vorteile wären immens.”
Mit erschwinglicher Energie könnten lokale Industrien die in Alaska geernteten Rohstoffe wie Holz, Mineralien und Fisch verarbeiten, anstatt sie an Orte mit günstigeren Energiepreisen zu exportieren. Gemeinden könnten für Transport und Heizung von Diesel auf Strom umsteigen. Mit überschüssigem Strom könnten Unternehmen sogar damit beginnen, Wasserstoff als Treibstoff für den Export der riesigen erneuerbaren Energieressourcen des Staates herzustellen.
Gezeitenkrafttechnologien befinden sich in einem kritischen Entwicklungsstadium; US-amerikanische und europäische Unternehmen haben bei Demonstrationsprojekten mit nur einem Gerät zunehmend Erfolg und planen nun Pilotprojekt-Arrays, die langfristige Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit demonstrieren. Die starken Strömungen und die raue Umgebung von Cook Inlet sind ideal, um die Robustheit der Technologie zu demonstrieren. Angesichts dieser Erfolge glauben die NREL-Ingenieure, dass Gezeitentechnologien im nächsten Jahrzehnt einen erheblichen Beitrag zum Energiebedarf Alaskas leisten könnten. Dies würde dazu beitragen, die Wirtschaft Alaskas zu transformieren und wiederzubeleben, und wäre ein wesentlicher Beitrag zur Erreichung des Ziels der Meeresenergieindustrie, bis 2035 1 Gigawatt Meeresenergieanlagen zu installieren.
„Es ist, als würde man den Menschen in Arizona vor 40 Jahren sagen, dass wir hier eine Goldgrube haben werden, wenn Solarstrom jemals wirklich billig wird. Erraten Sie, was? Es passierte.” Mit anderen Worten, sagte Rose: „Die Zeit, in Gezeitenenergie zu investieren, ist jetzt.“
Draußen in Cook Inlet auf dem Peregrine Falcon hat Kilcher drei Liegeplätze aufgestellt und erfolgreich geborgen, um die Daten zu sammeln, die für die Entwicklung der nächsten Generation von Gezeitengeräten erforderlich sind. Als er zum Hafen zurückkehrte, schien die Sonne über den schneebedeckten Bergen, und Kilcher hielt Ausschau nach den Buckelwalen, die das Team am Vortag gesehen hatte. Er dachte an die wertvollen Daten, die sie gerade gesammelt hatten, und an das Geräte-Engineering, das sie ermöglichen wird. Und er dachte an den Kindheitstraum, der aus denselben Gewässern erwuchs.
Ich bin fest davon überzeugt, dass wir eine sauberere Zukunft finden können, die CO2-neutral ist – sogar CO2-negativ“, sagte Kilcher. „Ich arbeite seit 10 Jahren daran, die Meeresenergie zu einem Teil dieser Lösung zu machen.“
Weitere Informationen zu NRELs Ressourcencharakterisierungsarbeit.
Artikel mit freundlicher Genehmigung von Nationales Labor für erneuerbare Energien (NREL).
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