Gezeitenkraftwerke

Gezeitenkraftwerke:

Inhalt:

1) Geschichtliche Entwicklung

2) Entstehung der Gezeiten

3) Arbeitsvermögen der Gezeitewelle
3.1) Ausnutzungsgrad

4) Arten und Bauweisen der Gezeitenkraftwerke
4.1) Rechnerische Grundlage
4.2) Einbeckenanlage
4.3) Zweibeckenanlage
4.4) Dreibeckenanlage

5) Probleme der Gezeitenwellen

6) Bauliche Besonderheiten
6.1) Wahl der Kraftmaschinen
6.2) Krafthaus
6.3) Absperrdamm
6.4) Verlandung
6.5) Wichte

7) Vor - und Nachteile

8) Quellen






















    Geschichtliche Entwicklung

Die gesamten auf der Erde vorkommenden Gezeitenkr√§fte sind wesentlich gr√∂√üer als die bisher erschlossenen Energiequellen. Nach einer √ľberschl√§gigen Berechnung ergibt sich f√ľr einen mittleren Tidenhub von 0,7m eine Gezeiten Rohrleistung der Weltmeere von 54x109PS.
Hingegen beträgt die Gesamtleistung aller Wasserkraftwerke auf der Erde nur 7,626x109PS.
Bereits im 11. Jahrhundert hatte man schon Flutm√ľhlen gebaut, welche auf dem Wasser schwimmten.
Die √§lteste bekannte Arbeit kam von J.Mariano und stammte aus dem Jahre 1438. Sie umfasste au√üer den Skizzen noch die Bauausf√ľhrung.

M.Boisner untersuchte in einer Studie die Wirkungsweisen verschiedener Becken, ohne aber auf die Lösungen der Probleme näher einzugehen. Man vermutete das eine wirtschaftliche Nutzung in absehbarer Zeit nicht möglich sei.
1920 versuchte man die Energien der Wellen in Druckluft umzusetzen.
Da viele ausbauw√ľrdige Fl√ľsse schon erschlossen sind und dadurch wenige Mittel - und Hochdruckanlagen gebaut werden k√∂nne, Kohle immer teurer wird und die Atomkraft viele Gefahren mit sich bringt, ist es naheliegend Gezeitenkraftwerke zu bauen.
Bei oberflächlicher Betrachtung scheint das Problem der Gezeitenkraftwerke einfach zu sein.
Eigentlich ist das Problem von vielen anderen Faktoren abhängig; aus dem Grunde werden auch viele Wissenschafter und Ingenieure benötigt.

2) Entstehung der Gezeiten:

Steht der Mond im Zenit der ihm am n√§chsten liegt, √ľberstiegt die Anziehungskraft des Modes die Fliehkraft, die √ľberall auf der Erde den gleichen Wert hat. Da sich die Erde infolge ihrer eigenen Umdrehung durch das System der gezeitenerzeugenden Kr√§fte hindurchbewegt, tritt f√ľr den Beobachter auf der Erde jeweils nach einem halben Mondtag die gleiche gezeitenerzeugenden Kraft des Mondes ein.
Die gezeitenerzeugende Kraft der Sonne beträgt nur den 2,17 Teil von der des Mondes. Die Wirkung der Sonne und des Mondes addieren sich bei Voll - und bei Neumond und heben sich bei den ersten und letzten Viertel des Mondes auf. Weiters muss auch die Corioliskraft beachtet werden.
Die Gezeitenkurve im offenen Meer ähnelt einer cosinuskurve.

3) Arbeitsvermögen der Gezeitenwelle

Mit m als Masse und v als Geschwindigkeit hat ein Teilchen der idealen Gezeitenwelle mv²/2 der Bewegung, das wenn es nicht verbraucht wird gewonnen werden kann.
Das Gesamtarbeitsverm√∂gen der kinetischen Energie Eki=Σ(FcΔtγv¬≤/2g).. es ist √ľber die gesamte Flutwelle zu summieren.
Das Gesamtverm√∂gen der potentiellen Energie betr√§gt Epo= Σ( γ b Lo zbo Δzb) + Σ( γ b Lu zbu Δzb)..
Wobei b die Spiegelbreite und L die Länge der Welle in der Höhe ist

3.1) Ausnutzungsgrad

F√ľr die kinetische Energie betr√§gt der Ausnutzungsgrad Eki=Σ( Q γ v¬≤/2g), wobei Q das Volumen der Masse m ist und die Summe von 0 bis 2πd
Die Potentielle Energie ist vom Typ des Turbinenbetriebs abhängig und somit unterschiedlich.







4) Arten und Bauweisen der Gezeitenkraftwerke

4.1) Rechnerische Grundlagen

Die Fallhöhe im Krafthaus beträgt Hk=z(t) - h(t) wobei z die Höhe des Meerwasserspiegels und z die im Becken.
F√ľr die Entleerung von Becken zum Meer arbeitenden Turbinen:
VB=
bzw ein Volumsgesammtabfluss von QB=nq= - S(z)dz/dt
Gesamtleistung: Ng=nN(q,Hk); Volumabschluss: V= nqtT+Vw

4.2) Einbeckenanlage

In der Sperre die das Becken vom Meer trennt, sind die Wehr und Turbinenanlagen.
Das Wasser fließt bei der in einer Richtung arbeitenden Turbine nur in eine Richtung. In der anderen Richtung fließt das Wasser nur wenn die Schleusen öffnen. Das passiert wenn die Flut bis auf den Beckenwasserspiegel gestiegen ist. Die doppelt wirkende Einbeckenanlage unterscheidet sich lediglich durch Turbinen die in 2 Richtungen arbeiten können.

4.3) Zweibeckenanlage

Bei Zweibecken anlagen mit einem gemainsamen Krafthaus, wird der Wasserspiegelunterscheid zwischen Hoch und Tiefbecken genutzt.
Bei der Zweibeckenanlagen mit getrennt arbeitenden Becken, ergänzen sich die Becken bei Ebbe und Flut und haben somit keine Betriebspausen.

4.4) Dreibeckenanlagen

In Dreibeckenanlagen mit Zwischenkammer ist eine Zwischenkammer zwischen den drei Becken und dem Meer angeordnet, wobei das Krafthaus die meeresseitige Zwischenkammerwand ersetzt.
Die Becken k√∂nnen zeitweise mit dem Meer verbunden werden. Da die drei Becken abwechselnd das Krafthaus versorgen und vom Meer neues Betriebswasser erhalten m√ľssen, sieht ein Vorschlag einen 6 Phasenbetrieb vor, welcher an das Steuerschema der Schleuse hohe Anforderungen stellt.


















5) Probleme der Gezeitenwellen

Die periodischen Schwankungen des Meeresspiegel und somit der Kraftwerksleistungen sind einmal eine Funktion des cosinusf√∂rmigen Verlaufes der einzelnen Tiden und dar√ľber hinaus ebenfalls cosinusf√∂rmigen der sich halbmonatlichen Schwankungen der Meeresspiegelh√∂he. (siehe Bild 32a).
Die einzelnen Beckentypen haben unterschiedliche Fallhöhenausnutzungen, wobei die in beiden Richtungen arbeitende Einbeckenanlage die höchste Fallhöhenausnutzung hat.

Leistungsausgleich:

Durch Anordnung mehrerer Becken ist es m√∂glich einen Leistungsausgleich innerhalb der Anlage zu erreichen. Jedoch wird die Betriebsf√ľhrung sehr kompliziert dadurch.
Ein R√ľckhaltesystem kann w√§hrend der Springtide eine bestimmte Wassermenge auf Hochwasserebene speichern. Diese Wasser kann man bis zur Nipptide zur√ľckhalten und erst dann dem Betriebsbecken zur√ľckhalten. Der Ausnutzungsgrad eines solchen Beckens ist jedoch sehr klein.
Durch ein Zusammenarbeiten von mehreren Gezeitenkraftwerken ein Ausgleich auch durchgef√ľhrt werden, wenn auch schwer. Es ist n√§mlich sehr schwer Baum√∂glichkeiten zu finden bei denen Gezeitenkraftwerke √§hnliche Leistungen aufweisen. Da der Ebbelauf im allgemeinen l√§nger als der Zeitabschnitt der kommenden Flut dauert w√ľrden zwar 2 Einbecken - Kraftwerke gleich Leistung verzeichnen, jedoch w√§hre ihr Leistungskurve um eine halbe Tide verschoben.
W√§rmekraftwerke als Leistungsausgleich eignen sich wenig da sie die Gesamtkosten erheblich steigern w√ľrden, wobei Gasturbinen hier am ehesten in Frage kommen w√ľrden, da sie schnell anlaufen k√∂nnen.
In einem gewissen Bereich ist es möglich die Schaufelstellung der Turbinen zu verstellen; jedoch ist bei Generatoren mit fixer Polzahl eine konstante Drehzahl nicht möglich. Polumschaltbare Drehstromerzeuger haben jedoch einen zu hohen Platzbedarf und sind deswegen ungeeignet.
Die chemische Industrie k√∂nnte an Ort und Stelle die unausgeglichene Energie verwerten. Daf√ľr k√§me die Magnesiumoxyd - oder die Wasser - und Saerstoffherstellung als Abnehmer in Frage.
Bei einem Verbundbetrieb arbeitet das Gezeitenkraftwerk als Laufkraftwerk und deckt einen Teil der Grundlast ab. Die auf das gleiche Netz einspeisenden W√§rmekraftwerke und Binnenwasserkraftwerke √ľbernehmen die √ľbrige Bedarfsdeckung, insbesondere das Ausf√ľllen der Betriebspausen des Gezeitenkraftwerkes und die Lieferung des Spitzenstromes.

Weiters kann man auch die √ľbersch√ľssige Energie speichern.
Es ist möglich pneumatisch, thermisch, elektrisch und hydraulisch diesen Überschuss zu speichern.
Bei der pneumatischen Speicherung wird die Energie verwendet um Luft in Druckluftkesseln zu sammeln. Bei der thermischen Speicherung wird mit dem √ľbersch√ľssigen Drehstrom Dampf erzeugt und gespeichert. Die elektrische Speicherung erfolgt durch Speicherung in Akkumulatoren und wird in Spitzenzeiten wieder in Wechselstrom umgewandelt und ins Netz gespeist. Die hydraulische Speicherung erfolgt indem die √ľbersch√ľssige Energie dazu verwendet wird um ein Pumpspeicherkraftwerk zu betreiben















6) Bauliche Besonderheiten

6.1) Wahl der Kraftmaschine

In wesentliche Punkten lauten die Forderungen an die Turbine f√ľr ein Gezeitenkraftwerk:
    Ausnutzung der Fallhöhe mit hohem Wirkungsgrad Erreichen einer möglichst hohen Turbinendrehzahl Konstanz der Turbinendrehzahl Verwendung nicht korrodierender Werkstoffe (wegen Seewasser) Wirksame Schmierung der Axiallager trotz ständigem Ein - und Ausschaltens. Ausbildung des Turbineneinlaufes möglichst so, dass die Turbine nur eine Drehrichtung hat. Einfachheit in der Bedienung und keine Unterhaltskosten

Um das Verhalten eines bestimmten Laufrades bei verschiedenen Belastungen zu kennzeichnen, stellt man Kennfelder auf, aus denen sich bei entsprechender Wassermenge die jeweiligen Leistungen ergibt.

6.2) Krafthaus

Das Krafthaus muss den äußeren Umständen entsprechen.
Diese Umst√§nde sind von Standort zu Standort verschieden. Im K√ľstengebiet besteht der Baugrund aus feinem Sand. Das Krafthaus hat stark schwingende Massen.
Liegt das Kraftwerk vor der K√ľste muss es einen schweren Sturm ohne weiteres aushalten und ist deswegen besonders stark zu bemessen.

6.3) Absperrdamm

Bei ung√ľnstigen Lagen der Kraftwerke werden auch Absperrd√§mme benutzt um vor St√ľrmen der offenen See zu sch√ľtzen.
Daf√ľr werden vorwiegend Sch√ľttd√§mme verwendet.
Anderseits können auch fertige Teile dazu verwendet werden um Dämme zu errichten.
Diese Teile werden an Land gebaut und am Einsenkplatz eingeschwommen, dort abgesenkt und dann mit Sand und Steinen gef√ľllt und dann mit Beton vergossen. Zus√§tzlich nat√ľrlich auf der Seeseite noch verst√§rkt.

6.4) Verlandung

Da die Gezeitenwelle Sinkstoffe heranträgt, entsteht am Beckenrand eine Verlandung.
Die Flie√ügeschwindigkeit des zur√ľcklaufenden Wassers reicht nicht aus um diese Sinkstoffe wieder ab zu transportieren.
Dieser Auflanden des Beckenrandes kann man nur durch abbaggern begegnen.

6.5) Wichte

Die Wichte beträgt im Meerwasser je nach Slazgehalt 1020 kg/m³ bis 1030 kg/m³.
Dies bedeutet einen Energiegewinn gegen√ľber Flusskraftwerken gleicher Fallh√∂he und Wassermenge.







7) Vor - und Nachteile

An g√ľnstigen Stellen sind die gewinnbaren Energiemengen ungeheuer gro√ü.
Die Wartungskosten bilden nur einen kleinen Prozentsatz der Stromgestehungskosten, wobei das Wasser von der Natur ständig kostenlos geliefert wird.
Ebbe und Flut sind kosmische Ursachen und sind deswegen einigermaßen genau berechenbar.
Aus dem Grund lässt sich das Gezeitenkraftwerk mit mehr Wahrscheinlichkeit in den Plan einer Landes - Energieversorgung einsetzen.
Das Gezeitenkraftwerk deckt als Laufkraftwerk einen Teil der Grundlast im Verbundnetz ab.

Jedoch bringt der Bau eines Gezeitenkraftwerkes viele Probleme mit sich.
Der Bau muss bei steigendem und sinkendem Wasser ausgef√ľhrt werden.
Im Vergleich mit Flusskraftwerken ist der Erbau ca um 70% teurer und die elektrische Ausr√ľstung um 40% billiger.
In Summe ist ein Gezeitenkraftwerk um ca 55% teurer.
Weiters ist die Ausbaggerung sehr m√ľhsam.
Das Gezeitenkraftwerk ist den Naturgewalten stets ausgesetzt und muss daher entsprechend stark gebaut werden.
Durch die Sand Schlickteilchen und Salzwasser wird die Turbine weit mehr beansprucht als bei anderen Kraftwerken.

8) Quellen

1. "Lebendiges Wissen: Die Energie" © 1981 by Trewin Coppelstone Book Ltd., London
¬© dt. Ausgabe 1981 by Christian Verlag GmbH, M√ľnchen
2. " Alle Wunder dieser Welt" ¬© 1968 by Bertelsmann Sachbuchverlag Reinhard Mohn, G√ľtersloh
und Praesent Verlag, G√ľtersloh
3. Zeitschrift " Technica", Nr. 4, 1974
4. http://www.ingenieur.de
5. http://137.193.57.84/energie/wasser/gezeiten.htm
6. http://www.strom.de/ak_wt_9903.htm
7. VDI - Forschungsheft 446; "Beilage zur Forschung auf dem Gebiet des Ingenieurwesen"
Ausgabe B Band 20 1954:
"Probleme der Gezeitenkraftausnutzung" von Gerhard Sickert
Deutscher Ingenieursverlag GmbH / D√ľsseldorf

1625 Worte in "deutsch"  als "hilfreich"  bewertet