Nutzung von Wellenenergie mit moderner Technologie

Da die Nachfrage nach Strom weiter steigt, besonders mit dem Wachstum von Elektrofahrzeugen, stehen wir vor möglichen Energiemängeln. Ausserdem machen sich die Sorgen um den Klimawandel durch den Einsatz fossiler Brennstoffe bemerkbar und zeigen, dass wir erneuerbare Energiequellen brauchen. Unter diesen Quellen sticht die Wellenenergie als eine bedeutende Möglichkeit hervor. Im Laufe der Jahre hat die Wellenenergie jährlich um etwa 0,47 % zugenommen, was auf ihr Potenzial als zuverlässige Energiequelle hinweist.

#Potenzial der Wellenenergie

Wellenenergie ist eine reichhaltige Ressource, besonders entlang der Küsten, wo das gesamte Potenzial auf etwa 2,11 Terawatt (TW) geschätzt wird. Davon können rund 96,6 Gigawatt (GW) genutzt werden. Viele Länder haben jedoch die Wellenenergie im Vergleich zu anderen erneuerbaren Quellen wie Wind und Sonne noch nicht vollständig ausgeschöpft. Um Energiemangel zu bekämpfen und die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu reduzieren, investieren Länder in Wellenenergieumwandler (WECS). Zum Beispiel haben China und Indien 2021 ihre eigenen WECs gebaut, um diese ungenutzte Energiequelle zu nutzen.

#Hochtemperatur-Supraleiter ohne Isolierung

Ein neuer Fortschritt in der Wellenenergietechnologie besteht darin, Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) ohne Isolierung im Design von WECs zu verwenden. Durch das Entfernen der Isolierung zwischen den Wicklungen der HTS-Spulen können die Systeme eine bessere Betriebszuverlässigkeit im Vergleich zu traditionellen Supraleitern erreichen. Dieser Ansatz ermöglicht mehr Stärke und höhere Leistung, was entscheidend für Anwendungen ist, die starke Magnetfelder erfordern, wie Teilchenbeschleuniger und MRT-Geräte.

Die Einführung der HTS-Technologie ohne Isolierung in WECs zielt darauf ab, Probleme im Zusammenhang mit der magnetischen Flussdichte und der Gesamtgrösse der verwendeten Magneten zu lösen.

#Design und Entwicklung von WECs

Der Fokus dieser Technologie liegt darauf, das Design von Wellenenergieumwandlern zu verbessern. Durch die Integration von HTS-Magneten ohne Isolierung ins Stromerzeugungssystem können wir die Effizienz steigern und Materialkosten senken. Der Designprozess umfasst die Analyse verschiedener Faktoren wie Elektromagnetismus, mechanische Kräfte und Kühlbedürfnisse.

Das vorgeschlagene System verwendet ein Punktabsorber-Design, das Energie aus der Oszillation von Bojen im Wasser erfasst. Während die Ozeanwellen die Boje bewegen, sorgt sie dafür, dass ein Generator Strom erzeugt. Die Bojen können effektiv Energie aus Wellen aus verschiedenen Richtungen nutzen.

Die Gesamtanordnung umfasst einen Kryokühler zur Kühlung der HTS-Magnete und eine Batterie, um den Stromfluss aufrechtzuerhalten. Flüssiger Wasserstoff dient als Kühlmittel, das durch das System zirkuliert, um die Magnete auf einer geeigneten Temperatur zu halten.

#Schlüsselkomponenten des Systems

Ein wichtiger Aspekt des Designs ist die Boje, die richtig dimensioniert sein muss, um eine optimale Energieabsorption zu gewährleisten. Die Abmessungen der Boje werden durch die Wellenlänge der Wellen bestimmt, um die maximale Energieaufnahme zu garantieren. Der Durchmesser der Boje ist so gestaltet, dass er 1,5 % der Wellenlänge beträgt, um die Effizienz zu maximieren.

Das Design nutzt faserverstärkte Kunststoffe (FRP), um das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig die Haltbarkeit zu gewährleisten. Die Magnete sind so angeordnet, dass sie den magnetischen Flusswechsel maximieren, was eine bessere Energieerzeugung ermöglicht.

Jedes Magnetset ist verbunden und bildet einen dreiphasigen Stromkreis. Diese Anordnung ermöglicht es dem System, effizient Strom zu erzeugen und dabei die Gesamtgrösse des Systems handhabbar zu halten.

#Optimierungsstrategien

Um die Leistung zu verbessern, werden verschiedene Optimierungstechniken angewendet. Die Abmessungen der HTS-Magnete werden sorgfältig berechnet, um die höchste Spannungsabgabe bei minimalem Materialeinsatz zu erreichen. Der Designprozess umfasst auch einen Mehrbreitenansatz, bei dem verschiedene Breiten von Supraleitungsbändern in den Magneten verwendet werden, um die kritische Stromkapazität zu erhöhen.

Tests zeigen, dass das Mehrbreitendesign die Ausgangsleistung im Vergleich zu einem Einbreitenansatz erheblich steigert. Die Ergebnisse zeigen, dass diese Methode zu einer höheren magnetischen Flussdichte führt, was die Gesamtleistung des Systems weiter verbessert.

#Elektro- und mechanische Analyse

Um sicherzustellen, dass das System effektiv arbeitet, wird eine Analyse der elektromagnetischen Eigenschaften der Magnete durchgeführt. Dazu gehört die Messung der magnetischen Flussdichte und des kritischen Stroms innerhalb der Magnete. Eine ordnungsgemässe Balance ist wichtig, da übermässige Magnetfelder zu einer Degradation des Systems führen können.

Das Design umfasst robuste mechanische Merkmale, um den Kräften standzuhalten, die während des Betriebs entstehen. Die Lorentzkraft, die aus der Wechselwirkung zwischen dem Magnetfeld und dem elektrischen Strom resultiert, wird sorgfältig gesteuert, um sicherzustellen, dass die Magnete unter Last stabil bleiben.

#Kryogene Überlegungen

Die Kühlung ist entscheidend für den Betrieb von HTS-Systemen. Das Design nutzt eine Eintauchkühlmethode, bei der die Magnete in ein Kühlmittel eingetaucht werden. Genaue Berechnungen bestimmen die Menge an flüssigem Wasserstoff, die benötigt wird, um die Magnete bei ihrer optimalen Betriebstemperatur zu halten.

Das Überwachen der Stromdichte ist wichtig, um eine Überhitzung der Ankerwicklungen zu verhindern. Das Design stellt sicher, dass die Stromniveaus innerhalb sicherer Grenzen bleiben, was zur langfristigen Stabilität und Leistung beiträgt.

#Stromerzeugung und Auswertungsanalyse

Das WEC-System ist über einen Gleichrichterkreis mit einem Stromnetz verbunden. Diese Anordnung ermöglicht eine effiziente Umwandlung des erzeugten Stroms von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) zur Nutzung.

Zahlreiche Simulationen werden durchgeführt, um die Stromausgabe unter verschiedenen Bedingungen, wie unterschiedlichen Wellenamplituden und Strömungen, zu bewerten. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Anstieg der Wellenenergie direkt mit höheren Stromausgaben korreliert. Zum Beispiel kann das System unter optimalen Bedingungen etwa 14,10 kW Strom erzeugen.

#Fazit

Das Design und die Entwicklung eines HTS-tubularen Wellenenergieumwandlers ohne Isolierung stellen einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der erneuerbaren Energien dar. Durch die Anwendung verschiedener ingenieurtechnischer Prinzipien zeigt das System vielversprechende Ansätze zur effizienten und kostengünstigen Stromerzeugung.

Da der Bedarf an erneuerbarer Energie wächst, werden Innovationen wie diese eine entscheidende Rolle dabei spielen, die Energieanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig Umweltbedenken anzugehen. Mit fortgesetzter Forschung und Entwicklung könnten grössere Versionen von WECs möglicherweise noch grössere Mengen sauberen Stroms liefern und so die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen weiter reduzieren.