Referat Gezeitenkraftwerke - Geschichtliche Entwicklung

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 Gezeitenkräfte sind wesentlich größer als die bisher erschlossenen Energiequellen. Nach einer überschlägigen Berechnung ergibt sich für einen mittleren Tidenhub von 0,7m eine Gezeiten Rohrleistung der Weltmeere von 54x10⁹ PS.

Hingegen beträgt die Gesamtleistung aller Wasserkraftwerke auf der Erde nur 7,626x10⁹ PS.

Bereits im 11. Jahrhundert hatte man schon Flutmühlen gebaut, welche auf dem Wasser schwimmten.

Die älteste bekannte Arbeit kam von J.Mariano und stammte aus dem Jahre 1438. Sie umfasste außer den Skizzen noch die Bauausführung.

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 ausbauwürdige Flüsse schon erschlossen sind und dadurch wenige Mittel- und Hochdruckanlagen gebaut werden könne, 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 nächsten liegt, überstiegt die Anziehungskraft des Modes die Fliehkraft, die überall auf der Erde den gleichen Wert hat. Da sich die Erde infolge ihrer eigenen Umdrehung durch das System der gezeitenerzeugenden Kräfte hindurchbewegt, tritt für 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 Gesamtarbeitsvermögen der kinetischen Energie E_ki=S(FcDtgv²/2g).. es ist über die gesamte Flutwelle zu summieren.

Das Gesamtvermögen der potentiellen Energie beträgt E_po= S( g b L_o z_bo Dz_b) + S( g b L_u z_bu Dz_b)..

Wobei b die Spiegelbreite und L die Länge der Welle in der Höhe ist

3.1) Ausnutzungsgrad

Für die kinetische Energie beträgt der Ausnutzungsgrad E_ki=S( Q g v²/2g), wobei Q das Volumen der Masse m ist und die Summe von 0 bis 2pd

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.

Für die Entleerung von Becken zum Meer arbeitenden Turbinen:

V_B=  bzw ein Volumsgesammtabfluss von Q_B=nq=-S(z)dz/dt

Gesamtleistung: Ng=nN(q,Hk); Volumabschluss: V= nqt_T+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 können zeitweise mit dem Meer verbunden werden. Da die drei Becken abwechselnd das Krafthaus versorgen und vom Meer neues Betriebswasser erhalten müssen, 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 cosinusförmigen Verlaufes der einzelnen Tiden und darüber hinaus ebenfalls cosinusförmigen der sich halbmonatlichen Schwankungen der Meeresspiegelhöhe. (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 möglich einen Leistungsausgleich innerhalb der Anlage zu erreichen. Jedoch wird die Betriebsführung sehr kompliziert dadurch.

Ein Rückhaltesystem kann während der Springtide eine bestimmte Wassermenge auf Hochwasserebene speichern. Diese Wasser kann man bis zur Nipptide zurückhalten und erst dann dem Betriebsbecken zurückhalten. Der Ausnutzungsgrad eines solchen Beckens ist jedoch sehr klein.

Durch ein Zusammenarbeiten von mehreren Gezeitenkraftwerken ein Ausgleich auch durchgeführt werden, wenn auch schwer. Es ist nämlich sehr schwer Baumöglichkeiten zu finden bei denen Gezeitenkraftwerke ähnliche Leistungen aufweisen. Da der Ebbelauf im allgemeinen länger als der Zeitabschnitt der kommenden Flut dauert würden zwar 2 Einbecken-Kraftwerke gleich Leistung verzeichnen , jedoch währe ihr Leistungskurve um eine halbe Tide verschoben.

Wärmekraftwerke als Leistungsausgleich eignen sich wenig da sie die Gesamtkosten erheblich steigern würden, wobei Gasturbinen hier am ehesten in Frage kommen würden, da sie schnell anlaufen können.

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 könnte an Ort und Stelle die unausgeglichene Energie verwerten. Dafür käme 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 Wärmekraftwerke und Binnenwasserkraftwerke übernehmen die übrige Bedarfsdeckung, insbesondere das Ausfüllen der Betriebspausen des Gezeitenkraftwerkes und die Lieferung des Spitzenstromes.

Weiters kann man auch die überschüssige 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 überschüssigen 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 überschüssige 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 für 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 Umstände sind von Standort zu Standort verschieden. Im Küstengebiet besteht der Baugrund aus feinem Sand. Das Krafthaus hat stark schwingende Massen.

Liegt das Kraftwerk vor der Küste muss es einen schweren Sturm ohne weiteres aushalten und ist deswegen besonders stark zu bemessen.

6.3) Absperrdamm

Bei ungünstigen Lagen der Kraftwerke werden auch Absperrdämme benutzt um vor Stürmen der offenen See zu schützen.

Dafür werden vorwiegend Schüttdämme 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 gefüllt und dann mit Beton vergossen. Zusätzlich natürlich auf der Seeseite noch verstärkt.

6.4) Verlandung

Da die Gezeitenwelle Sinkstoffe heranträgt, entsteht am Beckenrand eine Verlandung.

Die Fließgeschwindigkeit des zurücklaufenden 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 gegenüber Flusskraftwerken gleicher Fallhöhe und Wassermenge.

7) Vor- und Nachteile

An günstigen Stellen sind die gewinnbaren Energiemengen ungeheuer groß.

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 ausgeführt werden.

Im Vergleich mit Flusskraftwerken ist der Erbau ca um 70% teurer und die elektrische Ausrüstung um 40% billiger.

In Summe ist ein Gezeitenkraftwerk um ca 55% teurer.

Weiters ist die Ausbaggerung sehr mühsam.

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, München

2. " Alle Wunder dieser Welt" © 1968 by Bertelsmann Sachbuchverlag Reinhard Mohn, Gütersloh      

und Praesent Verlag, Gütersloh

3. Zeitschrift " Technica", Nr. 4, 1974

4. https://www.ingenieur.de

5. https://137.193.57.84/energie/wasser/gezeiten.htm

6. https://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 / Düsseldorf