Computergestützte Untersuchung der hydrodynamischen Leistung eines vertikal untergetauchten plattenförmigen Wellenenergieumwandlers bei variablen relativen Öffnungen

Warum Wellen unsere Zukunft antreiben können

Ozeanwellen transportieren eine enorme Menge sauberer Energie, doch die meisten Geräte zu deren Nutzung sind komplex und teuer. Diese Studie untersucht eine überraschend einfache Idee: eine dünne vertikale Platte, verborgen knapp unter der Meeresoberfläche, die den Wasserfluss so umformt, dass er eine Turbine effizienter antreiben kann. Indem die Forscher untersuchen, wie Wellen mit dieser Platte und einem geformten Meeresboden darunter interagieren, erschließen sie einen neuen Weg, mehr Energie aus jeder vorbeiziehenden Welle zu gewinnen.

Eine verborgene Platte unter den Wellen

Das zentrale Bauteil dieser Arbeit ist eine stationäre, untergetauchte dünne Vertikalplatte, die knapp unter der Wasseroberfläche platziert ist. Auf die Platte treffende Wellen werden teilweise reflektiert und teilweise gezwungen, sich zu beschleunigen, wenn sie durch einen Spalt zwischen Platte und Meeresboden gedrängt werden. Flussabwärts kann diese beschleunigte Strömung eine axiale Turbine antreiben, ähnlich einem kleinen Unterwasserwindrad. Die zentrale Gestaltungsfrage lautet, wie groß dieser Spalt sein sollte und wie die Form des Meeresbodens unter der Platte die Menge an nutzbarer Energie beeinflusst, die in die schnell fließenden Wassermassen gelangt.

Aufbau eines digitalen Wellentanks

Statt Experimente auf See durchzuführen, bauten die Forscher ein detailliertes Computermodell eines Wellentanks mit der Software ANSYS Fluent. Sie simulierten zwei Fluidphasen, Luft oben und Wasser unten, und erzeugten am einen Ende des Tanks realistische Wellen, während sie diese am anderen Ende absorbierten, um unerwünschte Reflexionen zu vermeiden. Innerhalb dieses numerischen Tanks platzierten sie die untergetauchte Platte, teils über einem flachen Boden, teils über einem erhöhten trapezförmigen Meeresboden, der einen verengten Durchgang unter der Platte schuf. Durch die Verfolgung sowohl der Wasseroberfläche als auch der Strömungsgeschwindigkeit um die Platte konnten sie abschätzen, wie viel der einströmenden Wellenenergie in nutzbare Strömungsenergie für die Turbine umgewandelt werden kann.

Testen unterschiedlicher Öffnungen und Meeresböden

Die Forscher variierten zwei Hauptgrößen: die Höhe des Spalts unter der Platte, bezeichnet als relative Öffnung, und die Stärke der Wellen, ausgedrückt durch deren Höhe und Periode. Sie verglichen zudem flache und unebene Meeresböden durch Veränderung der Höhe der trapezförmigen Struktur unter der Platte. Ihre Simulationen zeigten, dass beim Zusammenspiel mit dem geformten Meeresboden das Wasser unter der Platte gebündelt und beschleunigt wird, wodurch starke Jets und Wirbelmuster entstehen, die mehr kinetische Energie transportieren. Dieser Effekt war über einem flachen Meeresboden deutlich schwächer, wo die Strömung gleichmäßiger und weniger energiereich blieb.

Das optimale Verhältnis von Durchfluss und Effizienz finden

Durch die Untersuchung der Strömungsgeschwindigkeit unter der Platte für viele Kombinationen aus Wellenhöhe und -periode identifizierte das Team Bedingungen, bei denen die Wassergeschwindigkeit und damit die potenzielle Leistung am höchsten waren. Sie fanden heraus, dass sowohl die Steilheit der Wellen als auch die Größe der Öffnung eine Rolle spielen. Bei relativ steilen Wellen erreichte die axiale Strömungsgeschwindigkeit ihr Maximum bei einer spezifischen Wellenperiode von etwa 1,87 Sekunden. Entscheidend war, dass eine relative Öffnung von 50 Prozent die beste hydrodynamische Effizienz ergab, also den größten Anteil der Wellenenergie in eine schnelle, turbinentaugliche Strömung umwandelte. Mit dieser Öffnung und einem trapezförmigen Meeresboden übertraf das System klar den Fall eines flachen Bodens und andere Spaltgrößen.

Was das für die Wellenenergie bedeutet

Vereinfacht gesagt zeigt diese Studie, dass eine moderate Änderung der Unterwassergeometrie die Leistungsfähigkeit eines Wellenenergiewandlers erheblich steigern kann. Eine dünne untergetauchte Platte kombiniert mit einer sorgfältig bemessenen Öffnung und einem geformten Meeresboden kann Wellenenergie in einen starken Wasserstrahl für eine axiale Turbine bündeln. Die Ergebnisse legen nahe, dass eine Öffnungshöhe von 50 Prozent, kombiniert mit bestimmten Wellenbedingungen, das beste Gleichgewicht zwischen Durchlass und ausreichender Verengung zur Beschleunigung des Wassers bietet. Auch wenn reale Ozeane unregelmäßiger sind als ein digitaler Wellentank, geben die Befunde Designern einen klaren Ausgangspunkt für den Bau kompakter, effizienter und potenziell kostengünstiger Wellenenergieumwandler, die besser zur natürlichen Form des Meeresbodens passen.

Zitation: Yadav, S.S., Roy, S. & Rathore, P.K.S. Computational investigation on the hydrodynamic performance of a vertically submerged plate-type wave energy converter under variable relative openings. Sci Rep 16, 14854 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38433-7

Schlüsselwörter: Wellenenergie, erneuerbare Meeresenergie, untergetauchter Plattenkonverter, Meeresbodentopographie, Computational Fluid Dynamics