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Präzise Spannung repariert Korallenriffe

16. Dezember 2020, 12:03 Uhr   |  Redaktion: Ute Häußler

Präzise Spannung repariert Korallenriffe
© CCell

Bild 1: Um die Küstenerosion zu bekämpfen und marinen Ökosysteme zu verbessern, sollen beschädigte Korallenriffe mittels Elektrolyse wiederhergestellt oder neu angelegt werden.

Das Sterben von Korallenriffen gefährdet Küsten und Menschen weltweit. Ein neuer Schutz-Ansatz arbeitet mit einem exakte geregelten Stromversorgungssystem: Erneuerbare Energien treiben über Smart Power Management (SPM) die Elektrolyse von Meerwasser an und lassen Korallenriffe wieder auferstehen.

Nach aktuellen Studien erodieren 70 Prozent der weltweiten Küsten. Fast 200 Millionen Menschen sind von dem bröckelnden Schutz, den Korallenriffe im Ökosystem bieten, abhängig und damit wachsenden Gefahren an der Küste ausgesetzt. Bis 2040 sollen voraussichtlich 99 Prozent der verbliebenen Riffe verschwinden. Betroffen davon sind Orte in Mexiko, Indonesien, einer Vielzahl von kleineren Inseln weltweit sowie die Lebensgrundlagen der dort lebenden Menschen.  

Die Wellenenergie – und damit deren Gefährlichkeit für die Küsten – steigt durch die schnelle Erwärmung der Ozeane zurzeit um 0,4 Prozent pro Jahr.  Wissenschaftler, Forscher und Firmen haben es sich zum Ziel gesetzt, maritime Ökosysteme nicht nur zu erhalten, sondern wieder zu vergrößern. Eine Technologie fußt auf der Elektrolyse von Meerwasser und baut in großem Umfang zerstörte Korallenriffe wieder auf bzw. lässt neue Riffe wachsen. Extrem stabile Kalkfelsen, deren Wachstum normalerweise 100 Jahre dauern würde, brauchen mit dieser Methode nur 5 Jahre zur Regeneration. Durch Restaurierung oder Neubildung von Riffen könnte die Energie der Wellen um 5 bis 8 % reduziert werden. Die Auswirkungen der Wellen auf die Küsten könnten damit auf ein Niveau von vor etwa 20 Jahren reduziert und die Küstenerosion gestoppt oder sogar umgekehrt werden.

Anforderungen an die Stromversorgung

Auf nachhaltige Weise Riffe im großen Umfang in entlegenen Gebieten und mehrere hundert Meter von der Küste entfernt wachsen zu lassen, bietet zahlreiche Herausforderungen, auch und gerade an die Stromversorgung. Das britische Unternehmen CCell  baut für den Wiederaufbau der Riffe zunächst eine Stahlstruktur als Korallengerüst ins Meer, Strom wird aus erneuerbaren Energien wie Solar-, Wind- und auch der Wellenenergie selbst gewonnen und anschließend für das Kalksteinwachstum über spezielle Power-Module an das Stahlgerüst geliefert und reguliert. Die an die Stahlriffstruktur angelegte Spannung muss dabei zwischen 1,2 und 4 Volt liegen, um durch Elektrolyse das Kalziumkarbonat aus dem Meerwasser zu extrahieren. Die Ausgangsleistung variiert je nach Wetter- und Gezeitenbedingungen ständig.

Die präzise Versorgung der Stahlrahmen mit Strom bewirkt einen Prozess, bei welchem dem Seewasser Mineralien entzogen werden und dadurch stabiler Kalkstein auf dem Rahmen wachsen kann. Nach dem manuellen Anpflanzen von Korallen auf dem Kalkstein kann CCell das Wachstum der Korallen auf dem Kalkstein gegenüber dem natürlichen Prozess bis zum 3-fachen beschleunigen.  

Vicor Power
© CCell

Bild 2. Der Stromgenerator nutzt Wellenenergie über ein robustes Paddel zum Antrieb des hydraulischen Systems zur Stromerzeugung.

Die Stromversorgung  über ein Smart Power Management (SPM) muss mit einer variablen Steuerung und kontinuierlichen Leistungsabgabe dafür sorgen, dass die neuen Korallen gut gedeihen – am besten ohne Unreinheiten, mit einer starken Molekularstruktur sowie einer zügigen Wuchsgeschwindigkeit. Präzision im Elektrolyseprozess ist dafür essentiell – er darf für optimales Wachstum und stabile Kalkstrukturen weder zu schnell noch zu langsam erfolgen.

Um ein Korallenriff von 360 m² wachsen zu lassen, wird eine Leistung von 2 kW benötigt. Rein rechnerisch sind Wellengeneratoren teurer als Solarpanels. Je weiter die Anlagen jedoch von der Küste entfernt sind, desto effizienter werden Generatoren, welche Wellenenergie nutzen. Für einen erfolgreichen Kampf gegen die Erosion muss die Kraft der Ozeanwellen etwa 300 Meter vor der Küste gebrochen werden. Es gibt aber auch Riffprojekte, die nur 70 Meter oder bis zu 700 Meter von der Küste entfernt sind. Alle Projekte haben durch den Einsatz von erneuerbaren Energien eines gemeinsam: durch die ständig sich ändernden Umgebungsbedingungen erzeugen die Generatoren eine stark schwankende Ausgangsspannung.

Die wichtigste Energiequelle

Vicor Power
© CCell

Bild 3. Das Stromversorgungsnetz: Die Wellenenergiekonverter, die ein Offshore-Kraftwerk bilden, befinden sich dort, wo die beste Wellenenergie am nächsten zur Küste austritt.

Im Referenzbeispiel von CCell basiert die Energiegewinnung  auf einem Umwandler für die Wellenenergie, bei dem ein Paddel ein hydraulisches System für die Stromerzeugung antreibt. Dieses kleine Kraftwerk produziert bei der Umsetzung der Wellenenergie einen weiten und sich ständig ändernden Spannungsbereich. Für das Wachstum von festen und schützenden Korallen wird jedoch eine präzise geregelte Spannung benötigt. Nicht nur die sich stetig ändernde Energiequelle will beherrscht werden, der Elektrolyseprozess selbst wird auch durch die Zusammensetzung des Meerwassers, die Wassertemperatur und den Fluss über die Anode und Kathode, welche durch die Stahlkonstruktion gebildet werden, beeinflusst. Diese Variablen müssen innerhalb der Stromversorgung überwacht, gemessen und kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass die Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode einen genau berechneten Stromfluss im Seewasser zwischen den Elektroden erzeugt.  Nur damit wird ein optimaler Elektrolyseprozess erzielt, um aus den im Meerwasser enthaltenen Mineralien eine starke und widerstandsfähige Schicht aus Kalziumkarbonat entstehen zu lassen.

Die Stromversorgung

Für die benötigten 2 kW Leistung werden die Wellenenergie-Wandler und das Meerwasser-Kraftwerk an einer Stelle platziert, wo mit geringstem Abstand zur Küste die größtmögliche Energie verfügbar ist. Die Ausgangsspannung dieser Generatoren liegt im Bereich von 35 bis 70 V.

Die spezifische Stromversorgung besteht zuerst aus einer Übertragungs- und Regelstufe gefolgt von einem Point-of-Load-Wandler für die Versorgung der Kontrollfunktionen des Systems. Das Elektrolysesystem wird über ein langes Kabel mit Energie versorgt und befindet sich auf dem Meeresboden, in der Nähe der Stahlkonstruktion, mit welcher das Riff repariert oder neu aufgebaut wird.

Bei einer Leistung von 2 kW und einer idealen Potentialdifferenz von 1.2 bis 4 V zwischen den Elektroden, muss das System bei minimaler Spannung einen Strom von bis zu 1.666 A liefern. Unter diesen Voraussetzungen ergeben sich für die Stromversorgung folgende, einzigartigen Herausforderungen:

  • Übersetzung und Regelung einer weiten Eingangsspannung von 36 – 70 V für die Kontrollsysteme an Land und das Elektrolysesystem draußen am Riff.

  • Versorgung des Unterwasser-Elektrolysesystems mit 2 kW über ein Kabel von bis zu 700 Metern Länge.

  • Bereitstellung eines hohen Stromes von bis zu ca. 1700 A und Regelung der Spannung auf einem definierten Level von 1,2 – 4 V zwischen den Elektroden der Stahlkonstruktion.

  • Das Stromversorgungssystem muss die Spannung unter den sich ständig ändernden Bedingungen der erneuerbaren Energien rasch anpassen können.

CCell entschied sich für die Factorized Power Architecture (FPA) von Vicor, welche nicht nur die geforderten Anforderungen an die Stromversorgung erfüllt, sondern auch mit einer hohen Leistungsdichte den Aufbau eines möglichst kleinen Systems am Riff gewährleistet. Die Vicor-Architektur kann mit einem Überspannungsschutz auch direkt auf Transienten reagieren.

Die Factorized Power-Architektur

Ein Standard-DC-DC Wandler beinhaltet in einem Gerät die zwei Funktionen Umwandlung und Regelung. Die Vicor Factorized Power-Architektur splittet diese DC-DC Funktionen in zwei separate Module, einen effizienter Buck-Boost-Wandler (Pre Regulation Module, PRM) und einen Sinus-basierten Gleichspannungswandler (Voltage Transformation Module, VTM). Die Architektur und die verwendeten Topologien eignen sich optimal für die Anforderungen der Stromversorgung für die Meerwasser-Elektrolyse.

Der Buck-Boost-Wandler arbeitet über einen weiten Eingangsspannungsbereich. Durch die verwendete Zero-Voltage Switching (ZVS)-Topologie besitzt er einen hohen Wirkungsgrad und kann für höhere Leistungen parallelgeschaltet werden. Zum weit im Meer liegenden Riff muss eine Leistung von 2 kW übertragen werden, die höhere Spannung ermöglicht aber eine Reduzierung des Kabelquerschnitts und damit auch eine Senkung der Kosten. Zusätzlich ist der Buck-Boost-Wandler darauf optimiert, dem nachgeschalteten VTM eine präzise geregelte, höhere Spannung zur Verfügung zu stellen.    

Das VTM ist ein resonanter, mit hoher Frequenz taktender Wandler mit festem Übersetzungsverhältnis und ohne Regelung. Die Ausgangsspannung folgt daher der Eingangsspannung mit einem festen Verhältnis, das k-Faktor genannt wird. Das VTM verhält sich wie ein DC-DC-Wandler und bei einem k-Faktor von 1:8 ist die Ausgangsspannung 1/8 der Eingangsspannung, der Ausgangsstrom beträgt das Achtfache des Eingangsstromes.  

Die beiden Module arbeiten nahtlos zusammen, wobei das PRM die präzise Regelung der für das Riff benötigten Spannung übernimmt und das VTM für die Umwandlung der Spannung und Lieferung des Stromes für die Elektroden zuständig ist. Für die CCell-Applikation wurde folgende Lösung gewählt:

Unter Berücksichtigung des gemessenen Spannungsabfalls über das zum Riff führende Kabel erzeugt das PRM aus der 36 – 70 V Spannung der Wellenenergie-Generatoren eine Versorgungsspannung am Eingang der VTMs von 9,6 – 32 V. Mit dem k-Faktor von 1:8 beträgt die Ausgangsspannung der VTMs die geforderten 1,2 – 4V. Da sich die Umgebungsbedingungen ständig ändern, muss das PRM die Versorgungsspannung der VTMs ständig nachregeln, um die gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten.

Vicor Power
© CCell

Bild 4. Der Elektrolyseprozess muss nicht nur mit einer sehr variablen Quellenspannung auskommen, sondern wird auch von der Zusammensetzung des Meerwassers, der Wassertemperatur und der Durchflussrate über die vom Stahlrahmen gebildeten Elektroden (Anode und Kathode) bestimmt. Alle diese Variablen müssen genau überwacht, gemessen und gesteuert werden, um sicherzustellen, dass die Potentialdifferenz zwischen Anode und Kathode mit einer exakten Spannung durch das Meerwasser zwischen den Elektroden treibt.

Einzigartige Power-Anwendung

Die Wiederherstellung eines Riffs via Elektrolyse ist eine einzigartige und komplizierte Anwendung mit vielen, sich ständig ändernden Variablen. Die präzise Messung und Kontrolle der Wachstumsprozesse bzw. der dafür eingesetzten Stromversorgung ist dabei der für ein starkes Riff wichtigste Part. Der DC-DC Wandler muss sich mit seinen spezifischen, individuellen Charakteristiken für die Umwandlung und Regelung fast wie ein Minicomputer verhalten. Die Factorized Power-Archtitektur Lösung hilft dabei, die wechselnden Bedingungen zu managen und trägt in diesem Vorzeigeprojekt zur Verbesserung des Ökosysteme und von Mensch und Natur bei. UH

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