Ein Tiefsee-Generator nutzt vor Oregon die Wärme eines Unterwasservulkans und erzeugt dabei kurzzeitig mehr Strom, als seine eigenen Systeme benötigen. Für 8,7 Sekunden gelingt dem Prototyp Adélie eine positive Strombilanz, bevor technische Probleme den Versuch beenden. Die Messwerte stammen vom Entwickler Endurance Energy, ein dauerhafter Kraftwerksbetrieb ist damit noch nicht erreicht. Besonders aufschlussreich ist, weshalb die Anlage ihre Energie schließlich an einer anderen Stelle gewinnt als ursprünglich geplant.
Am Meeresboden des Pazifiks hat ein drei Tonnen schwerer Tiefsee-Generator Wärme aus dem Untergrund in elektrische Energie umgewandelt. Das Testgerät Adélie von Endurance Energy lief am Unterwasservulkan Axial Seamount und erreichte dabei ungefähr 26.000 Turbinenumdrehungen pro Minute. Ein Team um Firmenchef Andrew Redd ließ die Maschine während einer Expedition vom Arbeitsschiff Ocean Guardian auf den Meeresboden hinab. Die Leistungsangaben beruhen auf dem Versuchsbericht des Entwicklers; eine unabhängige Prüfung dieser Messwerte wird darin nicht dokumentiert.
Während des erfolgreichen Betriebsfensters lag die Nettoleistung im Median bei rund zwei Kilowatt, kurzzeitig stieg sie bis auf 16,5 Kilowatt. Diese Werte beschreiben den Überschuss nach dem eigenen Stromverbrauch der Anlage, ohne den Aufwand für Herstellung, Schiffseinsatz und Installation einzurechnen. Ursprünglich sollte eine eigene Bohrung den Prototyp versorgen, doch deren Wasserstrom reichte für den Betrieb der Maschine nicht aus. Den erfolgreichen Lauf speiste schließlich ein natürlicher Austritt, aus dem etwa 281 Grad Celsius heißes Wasser strömte.
Unter dem Versuchsort liegt ein Vulkan, der sich rund 700 Meter über das durchschnittliche Niveau des umgebenden Meeresrückens erhebt. Seine Gipfelregion besitzt eine ungewöhnlich rechteckige Caldera, also einen eingestürzten Vulkankessel, mit mehreren hydrothermal aktiven Bereichen entlang ihrer Ränder. Wie die US-Meeresbehörde NOAA dokumentiert, wurden dort heiße Quellen, frische Lavaflächen und warme Wasseraustritte mit Kameras und Tauchfahrzeugen untersucht. Für den Versuch stand damit ein Ort zur Verfügung, dessen geologischer Aufbau bereits detailliert erfasst war.
In der Erdkruste sickert Meerwasser durch Risse nach unten, nimmt Wärme aus der Umgebung des Magmas auf und strömt anschließend wieder empor. Der enorme Druck der darüberliegenden Wassersäule hält es flüssig, auch wenn seine Temperatur weit oberhalb des vertrauten Siedepunkts liegt. Trifft die heiße Flüssigkeit auf das kalte Meerwasser, fallen gelöste Stoffe als feine Mineralpartikel aus und können dunkle Wolken bilden. Nach der Beschreibung hydrothermaler Quellen entstehen daraus auch die charakteristischen Schlote, an denen sich unter anderem schwarze Eisensulfide ablagern.
Adélie arbeitet mit einem organischen Rankine-Kreislauf, bei dem die Wärme zunächst auf eine getrennt geführte Arbeitsflüssigkeit übergeht. Durch einen Wärmetauscher erhitzt das Quellwasser dieses Medium, dessen Dampf anschließend die Turbine und damit den elektrischen Generator antreibt. Das US-Energieministerium beschreibt dieses Prinzip auch für Geothermiekraftwerke an Land, in denen das Thermalwasser von den Turbinen getrennt bleibt. Bei der Unterwasseranlage übernimmt das umgebende kalte Meerwasser anschließend die Kühlung, damit das Arbeitsmedium wieder flüssig wird und erneut Wärme aufnehmen kann.
An Bord fällt der Prototyp durch seinen offenen Metallrahmen, blanke Rohrleitungen und mehrere auffällige orangefarbene Schlauchschlaufen sofort ins Auge. Hinter dieser sichtbaren Technik müssen auch die elektrischen Bauteile den Bedingungen der Tiefsee standhalten und zuverlässig Messwerte liefern. Nach Angaben der Entwickler sitzen Teile der Elektronik in ölgefüllten Kammern, deren Druck an die Umgebung angepasst wird. Titanrohre übertragen die Wärme zwischen den Flüssigkeiten; diese Materialwahl gehört zum Versuch, ein System für heißes, salzhaltiges Wasser aufzubauen.
Beim Anfahren braucht die Anlage zunächst elektrische Energie aus ihrer Batterie, bevor die Wärmequelle den laufenden Betrieb tragen kann. Laut dem technischen Bericht von IEEE Spectrum erfasste die Software beim Hochlaufen einen kurzen hohen Stromwert, lieferte anschließend aber keine weiteren Messwerte. Daraufhin griff die Schutzfunktion ein und schaltete das System ab. Bei einem späteren Neustart versagte die Leitung zur Kältemittelpumpe, nachdem sich eine Harzabdichtung geöffnet hatte und Meerwasser eingedrungen war.
Solche Defekte betreffen die Verbindung zwischen einer grundsätzlich funktionierenden Wärmekraftmaschine und einer Anlage, die lange ohne direkten menschlichen Zugriff arbeiten soll. In einer früheren Entwicklungsmitteilung beschreibt Endurance deshalb ausdrücklich Geräte, die sich für Wartungsarbeiten wieder vom Meeresboden bergen lassen. Vor Adélie hatte das Unternehmen nach eigenen Angaben bereits vier Prototypeneinsätze absolviert und dabei Tiefen bis 3.300 Meter erreicht. Diese Erprobungen betrafen einzelne Entwicklungsschritte und belegen für sich genommen weder eine bestimmte Stromausbeute noch die Lebensdauer einer kompletten Anlage.
Für die Fernsteuerung nutzte das Team das Regional Cabled Array der Ocean Observatories Initiative, ein bereits bestehendes wissenschaftliches Netz im Nordostpazifik. Seine Gesamtlänge verteilt sich auf mehrere Strecken, die sieben zentrale Knoten mit einer Landstation in Pacific City verbinden. Nach der Dokumentation der University of Washington transportiert die Infrastruktur Energie und Daten und erlaubt Kommunikation in beide Richtungen. Endurance konnte darüber Befehle aus Seattle senden; Messgeräte und Kameras am Vulkan liefern zugleich Informationen über Erdbeben, Wasserströmungen und biologische Vorgänge.
Die Quellen sind auch Lebensräume, deren Bewohner ihre Energie aus chemischen Prozessen beziehen und damit unabhängig vom Sonnenlicht existieren können. Wie artenreich solche Standorte sein können, zeigt das Hydrothermalfeld bei den Galapagos-Inseln, an dem auch eine seltene Brutstätte von Tiefseerochen gefunden wurde. Eine technische Nutzung muss deshalb berücksichtigen, ob sie Wasserströme, Temperaturverhältnisse oder den Kontakt der Tiere mit chemischen Stoffen verändert. Für solche Vergleiche sind Messungen des ungestörten Zustands nötig, weil aktive Quellen schon von Natur aus dynamische Systeme bilden.
Mit einem anderen technischen Ansatz haben Yu Xie, Shi-jun Wu und Can-jun Yang schon während einer früheren Expedition elektrische Energie aus einer Tiefseequelle gewonnen. Ihr Gerät wurde am Dragon Flag Field im Südwestindischen Rücken in 2.765 Metern Tiefe eingesetzt und erzeugte kontinuierlich 2,6 bis 3,9 Watt. In der Originalarbeit in Applied Energy beschreiben sie, wie ein Wärmerohr die Energie zu thermoelektrischen Bauteilen leitete. Die gewonnene Elektrizität betrieb einen Datenlogger und eine LED-Lampe, sodass eine konkrete Anwendung für wissenschaftliche Geräte bereits erprobt wurde.
Während diese kleinen Wandler Temperaturunterschiede unmittelbar elektrisch nutzen, zielt Adélie auf die Stromgewinnung mit rotierenden Maschinen für einen größeren Leistungsbereich. Auch an Land verfolgt die Geothermie unterschiedliche Wege, um heiße Gesteine technisch zu erschließen und ausreichend Wasser hindurchzuführen. Bei Enhanced Geothermal Systems werden dafür Fließwege im Untergrund gezielt erweitert, damit Flüssigkeit Wärme aufnehmen und zu einem Kraftwerk transportieren kann. Das erklärt zugleich, weshalb die Temperatur eines Standorts allein wenig über seine nutzbare Leistung sagt: Zusätzlich müssen genügend Wasser und geeignete Strömungswege vorhanden sein.
Für einen späteren kommerziellen Einsatz entwickelt Endurance das System Leopard mit einer geplanten Leistung von zwei Megawatt und arbeitet an einem Projekt im Königreich Tonga. Dort soll erstmals 2027 Strom aus der Tiefsee ins Netz gelangen; dieser Zeitplan ist eine Ankündigung des Unternehmens. Der wirtschaftliche Reiz liegt für Inseln darin, einen Teil ihres eingeführten Dieselkraftstoffs durch eine örtlich verfügbare Energiequelle zu ersetzen. Ob sich dieses Ziel mit der neuen Technik erreichen lässt, hängt neben der Maschine auch von den Kosten für Installation, Wartung und Stromleitungen ab.
Die Geologin Emily Pope vom Center for Climate and Energy Solutions verweist besonders auf das salzhaltige Wasser und die Entfernungen bis zu den Abnehmern. Gegenüber Canary Media bewertet sie Solarenergie mit Batteriespeichern als eine Alternative, an deren Kosten sich solche Inselprojekte messen lassen müssten. Für einen fairen Vergleich zählt die am Netzanschluss gelieferte Energie über lange Zeiträume, einschließlich der Ausfälle und der dafür erforderlichen Reparaturen.
Als nächsten Versuch kündigt Endurance für den Winter Gentoo an, eine überarbeitete Version des bisherigen Prototyps mit längeren Betriebsphasen als Entwicklungsziel. Gleichzeitig will das Team stärkere Wasserströme erschließen: Sein vorhandenes Bohrgerät kann nach Firmenangaben bis zu 80 Meter in den Meeresboden vordringen.
Endurance Energy, Endurance Energy Drills World’s First Subsea Geothermal Well and Runs First Net-Positive Power Plant.
IEEE Spectrum, Startup Tests Offshore Geothermal Power.
GeekWire, Go inside Endurance Energy, the Seattle startup tapping underwater volcanoes for geothermal power.
Canary Media, This geothermal startup produced a tiny bit of power from the seafloor.
Applied Energy, Generation of electricity from deep-sea hydrothermal vents with a thermoelectric converter; doi:10.1016/j.apenergy.2015.12.036
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