Wo Meeresenergie auf hybride Energieversorgungssysteme trifft – dieses Labor verringert die Integrationsrisiken

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Die ARIES-Plattform verfügt über wesentliche Funktionen, um Meerenergieanlagen für verschiedene Anwendungen nachzuahmen und deren Risiken zu verringern.

Energie aus Ozeanwellen hat das Potenzial, Offshore- und Küsten-Mikrogrids mit Energie zu versorgen – beispielsweise zur Aufladung autonomer Unterwasserfahrzeuge, zur Unterstützung von Ozeansensoren und der Aquakultur sowie zur Sicherstellung lokaler Energieversorgung für abgelegene Gemeinschaften.

Doch um diese Energie zu nutzen, sind Wellenenergieumwandler erforderlich, die mit einer Vielzahl von Speicher- und hybriden Erzeugungssystemen verbunden sind – es handelt sich dabei um noch junge Technologien. Angesichts der Risiken ungetesteter Elektronik sowie der extremen Bedingungen vieler Mikrogrids muss die Einführung von Meeresenergietechnologien sehr sorgfältig erfolgen. Genau hier werden die einzigartigen Fähigkeiten der Plattform Advanced Research on Integrated Energy Systems (ARIES) zur Validierung und Risikominimierung unverzichtbar.

ARIES wird vom National Laboratory of the Rockies (NLR) betrieben und integriert im Labor wichtige Systemkomponenten wie Leitsysteme, Wasserkrafttechnologien, Leistungselektronik sowie simulierte Ozeanphysik. Mit der ARIES-Infrastruktur können Gemeinschaften, Unternehmen und Forschungsteams die Leistung der Geräte bereits vor dem Einsetzen ins Wasser simulieren, um deren langfristigen Nutzen und technischen Erfolg zu überprüfen.

„ARIES ermöglicht es NLR und seinen Partnern, komplexe hybride Meeresenergiesysteme in einer kontrollierten, wiederholbaren und zugänglichen Umgebung zu validieren und weiterzuentwickeln“, sagte Al LiVecchi, Programmanager des Wasserkraftlaborprogramms bei NLR. „Dies hilft dabei, Risiken zu verringern und die Systeme für den Einsatz im Ozean vorzubereiten sowie die Technologieentwicklung zu beschleunigen. Es gibt keine Meeresenergiefirma, die die Laboreinrichtungen von NLR genutzt hat und dabei nicht die gewonnenen Erkenntnisse in Systeme der nächsten Generation integriert hat.“

Wellen im Labor – Ozeanische und elektronische Systeme

Mikrogrids können eine breite Palette an Anwendungen vor der Küste und in abgelegenen Gebieten unterstützen. Logistisch gesehen kann die Stromversorgung an Küstenstandorten aufgrund der Entfernung unter Druck geraten, was Sicherheits- und Zuverlässigkeitsrisiken mit sich bringt.

Diese Sorge gilt auch für Offshore-Missionen wie die Ozeanüberwachung und die Aquakultur sowie für entfernte US-Militärbasen, abgelegene Stammesdörfer und abgelegte Bergbau- und Fischereibetriebe. Strom aus dem Netz ist nicht immer verfügbar – daher kann es für einige Gemeinschaften sinnvoll sein, auf den Ozean als Energiequelle zurückzugreifen. Doch zunächst kann diese Energiequelle mit ARIES getestet werden.

„Bei fortschrittlichen Lösungen für Ozeanenergie ist es schwierig, Vertrauen in den Einsatz neuer Technologien zu haben, da so viele Unwägbarkeiten bestehen“, sagte Jen Kurtz, Forschungsdirektorin von ARIES bei NLR. „ARIES beseitigt Unsicherheiten und verringert das Risiko. Wir schaffen eine Umgebung für maritime und Energieversorgungssysteme, die unsere Partner so realistisch wie möglich vorfinden.“

Zur Nachbildung komplexer Systeme, die Ozeanenergie mit hybriden Energieversorgungssystemen verbinden, verwendet ARIES sowohl maßgeschneiderte Hardware als auch digitale Zwillinge.

Ein zentrales Werkzeug ist ein Trockensimulator für Ozeanwellen, der Geräte so bewegt, wie es Wellen im Ozean tun. Die Large-Amplitude Motion Platform, kurz LAMP, ist dafür konzipiert, 10.000-Kilogramm schwere Wellenenergieumwandler in sechs Freiheitsgraden zu bewegen. LAMP prüft die physikalische Widerstandsfähigkeit der Geräte gegen die Kräfte des Ozeans und misst ihre Fähigkeit, Energie aus verschiedenen Winkeln zu gewinnen. Die Forscher des NLR haben LAMP gründlich charakterisiert, sodass die Eigenschaften der Wellen genau abgebildet werden.

Während LAMP wie ein Ozean wellt, simuliert der Rest von ARIES die Integration in ein Stromnetz. Die getesteten Geräte werden mit einer umfassenden Reihe von Emulatoren für Forschungsstromsysteme sowie deren kybernetischen Kommunikationsstrukturen verbunden. ARIES kann jedes Stromsystem nachbilden, und zur weiteren Genauigkeit werden verschiedene vor Ort verfügbare Energiequellen genutzt.

„Die kyber-physischen Ressourcen bei ARIES sind außergewöhnlich und stetig im Wachstum“, sagte Kurtz. „Unabhängig von der Art der Partner-Leistungssysteme – ob sie mit Elektrolyseuren, Batterien oder reaktiven Lasten verbunden sind – stellen wir sicher, dass ARIES sie nachbilden kann. So können wir die detaillierten Aspekte der Integration mariner Energien erfassen.“

LAMP eignet sich für viele Wellenenergieumwandler, und Dynamometer am Flatirons Campus des NLR bieten eine ergänzende Möglichkeit zur Überprüfung von Leistungsabgreifsystemen. Anstelle der erzeugten Wasserkräfte erzeugen sie die Drehbewegung, die die elektrische Erzeugung antreibt. So untersuchten die ARIES-Forscher das SeaRAY Autonomous Offshore Power System. Indem sie dieselbe Leistung erzeugten, wie das Gerät vor der Küste hervorbringt, konnten die ARIES-Forscher Mikro- und Nanonetzwerkkonfigurationen für Anwendungen wie das Aufladen von Unterwasserfahrzeugen testen.

Die ARIES-Dynamometer, LAMPs sowie Netzsimulatoren sind nützlich zur Prüfung von Leistungsabnahmesystemen für sowohl rotierende als auch lineare Generatoren sowie für Geräte, die Wellen-, Gezeiten- oder Fließstromenergie nutzen. Jede Art von Wellen- oder hydrokinetischer Mikrogriddesignung ist möglich, und Partner sind eingeladen, davon Gebrauch zu machen.

Vielseitigkeit für Meeresenergie- und Hybrid-Energieversorgungssysteme

Entlang der US-Küsten sowie auf den Inseln und Archipelen der USA gibt es Hunderte von Mikrogrids mit eingeschränkter oder keiner Verbindung zum Hauptnetz. Für Gemeinschaften und Unternehmen, die eine Mikrogriddienstleistung aus Meeresenergie in Betracht ziehen, sind Leistungs elektronik wichtiger Bestandteil der Lösung.

Leistungselektronik wandelt und filtert Elektrizität, damit sie zuverlässig vom Stromnetz genutzt werden kann. Wellenenergie zum Beispiel liefert eine schwankende und unregelmäßige Leistung an Land, was die Fähigkeit des Netzes erschwert, diese Energie zu nutzen. Es sind Elektroniksysteme mit geeigneten Steuerungen und Hardware erforderlich, um diese rohe Energie in nutzbare Elektrizität umzuwandeln. Diese Verbindung zwischen an Land befindlichen und unter Wasser liegenden Ressourcen steht im Mittelpunkt von ARIES.

Ein Beispiel für die Validierung in der Leistungselektronik ist das Projekt „Hydraulic and Electric Reverse Osmosis Wave Energy Converter“ bzw. HERO WEC, bei dem NLR ARIES einsetzte, um ein mit simulierten Netzwerkskomponenten integriertes Wellenenergiegerät zu validieren. Die Forscher entwickelten einen Ladecontroller, um den Energiefluss zwischen dem Offshore-Generator und der Onshore-Batterie besser zu steuern. Bei der Validierung dieses Ladecontrollers aktualisierten die Forscher ARIES, damit zukünftige Validierungen schnell, flexibel und mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden können.

Beteiligen Sie sich

Um tiefer in Themen wie hydrokinetische und marine Energie-Mikrogrids einzutauchen, startete NLR im Jahr 2026 eine Reihe von Webinaren, die sich auf die Herausforderungen konzentrierten, maritime Energieverfahren in abgelegene, isolierte Mikrogrids zu integrieren – einschließlich der Anwendung von ARIES in realen Mikrogrids. Die Webinarreihe richtet sich auch an Teilnehmer von Programmen des US-Energieministeriums, wie beispielsweise die Community Microgrid Assistance Partnership und das Energy Technology Innovation Partnership Project.

Erfahren Sie mehr über die ARIES-Plattform und LAMP. Für eine Zusammenarbeit wenden Sie sich bitte an Rebecca.Fao@nlr.gov.

Artikel von NLR.