Energie aus Wasserkraft

Natur bei der Arbeit

Energie aus WasserkraftZusammenfassung zum Seminarvortrag SS 2006

Lars Weihrauch 7063438 Joseph Dupong Di Moutassy 7033674 Rafael Krajewski 7063437

Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Hans-Jrgen Abel

EnergieausWasserkraft

Inhalt 1. Einleitung 2. Gezeitenkraftwerke 3. Wellenkraftwerke 4. Strmungskraftwerke 5. Meereswrmekraftwerke 6. OsmoseKraftwerke 7. FazitMeeresenergie 8. QuellenundLiteraturangaben 2 3 5 8 11 14 19 20

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1. Einleitung Laufwasser und Speicherkraftwerke werden in Europa schon heute an den ergiebigstenStandortengenutzt. ImFolgendenmchtenwireineandereArtderregenerativenEnergienutzungaus Wasser, die noch weitgehend ungenutzt ist, vorstellen. Dabei handelt es sich um die Erschlieung der Meeresenergie, die auf unterschiedliche Weise funktionieren kann. Zuerst werden Gezeitenkraftwerke, Wellenkraftwerke und Strmungskraftwerke, diemechanischeEnergienutzen,behandelt.AnschlieenderfolgtdieErluterung der Meereswrmekraftwerke, die ihr Potential aus der thermischen Energie beziehen. Den Abschluss der prsentierten Wasserkraftwerke bilden schlielich OsmoseKraftwerke, die ihre Kraft aus den unterschiedlichen Wasser Salzkonzentrationen schpfen. Als Fazit der Arbeit werden die Potenziale der regenerativenEnergien,u.a.durchWassererzeugt,zusammengefasst.

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2. Gezeitenkraftwerke Gezeitenkraftwerke nutzen den Wechsel der Gezeiten. Die antreibende Kraft fr dieGezeitenistaufdasWechselspielderAnziehungskrftesowohlzwischenErde undMondalsauchzwischenErdeundSonnezurckzufhren(sieheBild2.1).

Bild2.1 EntstehungderGezeiten[Quelle:19951999MicrosoftCorporation]

Der entstehende Hhenunterschied zwischen den Wasserstnden, der niedrigste bei Ebbe und der hchste bei Flut, wird als Tidenhub bezeichnet. Diese Art von Kraftwerk wird bevorzugt an Ksten und Buchten installiert, die durch einen besonders hohen Tidenhub ausgezeichnet sind. Das Prinzip eines

Gezeitenkraftwerksbestehtdarin,dassbeiFlutdieWassermassenineinvomMeer abgeschnittenes Bassin geleitet werden, welches unterhalb des Flutwasserpegels liegt. Dabei treibt das Wasser beim Einstrmen eine oder mehrere Turbinen zur Stromgewinnungan(sieheBild2.2Pos.1).BeiEbbeflietdasbeiFlutgesammelte WasserwiederumdurchdieTurbinenzurckinsMeer(sieheBild2.2Pos.2).Dieser Vorgangwiederholtsichzyklisch.

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Bild2.2 FunktionsschemaeinesGezeitenkraftwerks [Quelle:http://www.neurohrinfo.de/html/gezeitenenergie.html]

DasgrtebishergebauteGezeitenkraftwerkmiteinerangegebenenLeistungvon 240MWbefindetsichinFrankreichamFlussRancebeiSaintMalo(sieheBild2.3 und 2.4). Der dort entstehende Tidenhub bersteigt oft 12 m bis max. 18 m [Pohl; Zielinski]. Whrend der Gezeiten werden im mittleren Durchschnitt 15000 m/s Wasser bewegt. Das entspricht einem Volumen von einem Fuballfeld, das 2 m unter Wasser steht undproSekundeausgewechseltwird. Bild2.3 DieBuchtvonSt.Malo [Quelle:www.unterrichtsfilm.de]

Bild2.4 DasGezeitenkraftwerkbeiSt.Malo[Quelle:www.unterrichtsfilm.de]

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3. Wellenkraftwerke Die Wellenkraft stellt im Gegensatz zu den Gezeiten eine zeitlich und rumlich weniger regelmige Energiequelle dar. Dennoch verfgen Wellen ber ein Potenzial mit dem etwa 15 Prozent des weltweiten Strombedarfs gedeckt werden knnte. An deutschen Ksten fllt das theoretische Potenzial mit 1020 kW/m (Nordsee)bzw.510kW/m(Ostsee)bei12TerawattstundenproJahr,imVergleich zu anderen Teilen der EU (siehe Bild 3.1.1) oder gar Teilen der Welt (siehe Bild 3.1.2)rechtbescheidenaus[Lbbert2005,S.7].

Bild3.1.1 NothernEuropeanwaveclimate[Quelle:http://ec.europa.eu/research/energy/]

Bild3.1.2 VerteilungderWellenenergiedichteinkWproMeterKstenlngeinden Weltmeeren.[Quelle:WorldEnergyCouncil,http://www.worldenergy.org/wec geis/publications/reports/ser/wave/wave.asp]

Die technische Umsetzung der Wellenenergie kann auf verschiedenen Funktionsweisenbasieren,dieimFolgendenvorgestelltwerden.

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3.1 Wassermassen Das durch Wellenkraft in ein Reservoir hineinschwappende Wasser fliet durch eineTurbinezurckinsMeer.DiesesFunktionsprinzipkannsowohlaufoffenem Meer (siehe Bild 3.1.1) als auch an den Ksten (siehe Bild 3.1.2) angewendet werden.

Bild3.1.1 FunktionsschemaWellenkraftdurchWassermassenaufoffenemMeer [Quelle:http://www.wavedragon.net]

EinPrototypmitdiesemFunktionsprinzipwirdzurzeitinWales(GB)indemvon derEUgefrdertemProjektWaveDragongetestet.

Bild3.1.2 FunktionsschemaWellenkraftdurchWassermassenanderKste [Quelle:http://www.waveplane.com]

3.2 Luftstrmung Durch den Wellengang wird eine schwingende Wassersule in einem abgeschlossenenRaumerzeugt(oscillatingwatercolumn,OWC).AlsArbeitsmedium wird Luft eingesetzt. Der ber und Unterdruckwechsel erzeugt eine

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Luftstrmung, die eine Turbine antreibt (siehe Bild 3.2.1). Durch den raschen Richtungswechsel des Luftstromes werden bei dieser Bauart WellsTurbinen eingesetzt, die immer die gleiche Drehrichtung beibehalten, unabhngig davon, vonwelcherRichtungdieRotorenangestrmtwerden.

Bild3.2.1 FunktionsschemaLuftstrmung [Quelle:http://www.neurohrinfo.de/html/gezeitenenergie.html]

EinerstesKraftwerkdiesesTypsinSchottlanderzeugtseitdemJahr2000einenoch geringeLeistungvon500Kilowatt.[Lbbert2005,S.8]

3.3 Schwimmkrper Am Meeresboden verankerte Bojen (siehe Bild 3.3.1) werden auf Grund der WellenbewegungunddankdesarchimedischenPrinzips(Archimedeswaveswing) aufundabbewegt.DiesevertikalelineareBewegungwirdmitHilfeeinesLinear GeneratorszurStromerzeugunggenutzt.

Bild3.3.1

SchwimmbojenmitLineargenerator[Quelle:http://www.unileipzig.de]

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4. Strmungskraftwerke Strmungskraftwerke erzeugen die Elektrizitt aus der natrlichen Meeresstrmung(kinetischeEnergie).WiebeieinerWindenergieanlagebewegen sichz.B.zweiRotorenunterWasser(sieheBild4.1).

Bild4.1 MglichesMeeresstrmungskraftwerk,bestehendauseinerReihevonim Meeresgrund verankerten TurbinenMasten. Ein RotorPaar ist zu Wartungszwecken ber Wasser gehoben.[Quelle:MarineCurrentTurbinesLtd.,http://www.marineturbines.com]

Durch die hohe Dichte des Wassers bentigen Strmungskraftwerke geringere Strmungsgeschwindigkeiten als Windenergieanlagen. Die hohe Dichte des WassersermglichtesauerdemkleinereRotorbltteralsbeiWindenergieanlagen zuverwenden.DiesreduziertdeutlichdieBaukosten.AlsweitererVorteilzhltdie geringe Beeintrchtigung der Umwelt. Ein Strmungskraftwerk arbeitet ab einer Strmungsgeschwindigkeit von mindestens 23 Meter pro Sekunde (knapp 10 km/h). Mit nur sehr geringer Rotationsfrequenz dreht sich der Rotor und treibt einenGeneratoran.

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Im Rahmen des EU Pilotprojekts Seaflow wurde vor der Kste des englischen DistriktsNorthDevon(sieheBild4.1)imJuni2003einStrmungskraftwerk(siehe Bild4.2)miteinerLeistungvon300kWzuTestzweckenerrichtet.BeidieserAnlage kannderRotorzurErleichterungvonWartungsarbeitenmitdemMaschinenraum ber die Wasseroberflche gehoben werden (siehe Bild 4.3). In einer greren StckzahlgebautwrdeSchtzungenzufolgeeineKilowattstundeStrometwafnf biszehnCentkosten[Lbbert2005].

Bild4.1 StandortvonSeaflow[Quelle:MarineCurrentTurbinesLtd.]

Bild4.2 FotoderStrmungsturbineSeaflow [Quelle:MarineCurrentTurbinesLtd.]

Bild4.3 ArbeitsundWartungsstellung [Quelle:MarineCurrentTurbines]

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Das geschtzte weltweite Potenzial liegt bei 140 bis zu 1500 Terawattstunden [Lbbert 2005]. Die Unsicherheit dieser Schtzung beruht auf dem noch unzureichenden Wissen ber Strmungsverhltnisse in den Arbeitstiefen der Rotoren. Die Nutzung von Meeresstrmungskraftwerken in Deutschland ist aufgrund der relativ geringen Strmungsgeschwindigkeiten in der Nord und Ostsee eher wenigerinteressant.AlseinzigmglicherStandortwirddieSdspitzederInselSylt genannt, wo pro Jahr etwa 150 Megawattstunden elektrischer Energie erzeugt werdenknnten[Lbbert2005]. Wegen der internationalen Fhrungsrolle deutscher Unternehmen in der Windenergietechnik erscheint jedoch eine Partizipation an einem mglichen Ausbau dieser Technologie, zumindest in Bezug auf zustzliche Arbeitspltze, mglich.DasvorhandeneKnowhowausderWindkraftanlagenTechnologiemuss aber an die Kraft und Dichteverhltnisse im Wasser angepasst werden. Deshalb erscheinenForschungsprojekteindiesemZusammenhangsinnvoll.

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5. Meereswrmekraftwerke Ein Meereswrmekraftwerk gewinnt elektrischen Strom aus dem Temperaturunterschied zwischen kalten und warmen Wassermassen in unterschiedlichen Tiefen der Meere. Wenn der Unterschied zwischen den oberen (050 m) und den unteren Schichten (ab 8001000 m) des Wassers mehr als 20 C betrgt, kann ein Kreislauf in Gang gesetzt werden, der in der Lage ist, Energie, beispielsweise an einen Generator, abzugeben. Die geeigneten Potenziale fr Meereswrmekraftwerkebefindensichumdenquatorverteilt(sieheBild5).

Bild5 Temperaturunterschiede zwischen der Oberflche und 1000m Tiefe in den Ozeanen [Quelle:http://www.nrel.gov/otec/]

VerschiedeneKreislaufsystemmglichkeitenwerdenimFolgendenvorgestellt. 5.1 GeschlossenerKreislauf DaswarmeOberflchenwasserwirdineinemOrganicRankineCycle(SieheBild 5.1) gepumpt, das ein bei niedriger Temperatur siedendes Arbeitsmedium (z.B. Ammoniak) durch einen Wrmebertrger zum Verdampfen bringt. Das verdampfteArbeitsmittelwirdaneineTurbinegeleitet,indereinTeilderWrme in Bewegungsenergie umgewandelt wird. Der Generator wird von dieser Energie getrieben.11


Bild5.1 SchemavoneinemgeschlossenenOceanThermalGradientKraftwerk(OTEC) [Quelle:http://de.wikipedia.org]

5.2 OffenerKreislauf Das warme Oberflchenwasser wird unter Vakuum verdampft (siehe Bild 5.2.1). Der auf diese Weise erzeugte Dampf treibt eine Turbine zur Stromerzeugung an. Anschlieend wird der Dampf in dem Kondensator verflssigt, so entsteht

entsalztes Wasser, das fr vielfltige Zwecke genutzt werden kann (sieheBild5.2.2).

Bild5.2.1 Schemaeinesoffenen Meereswrmekraftwerkes [Quelle:http://de.wikipedia.org] Bild5.2.2

SchemaderAnwendungsbereiche einesMeereswrmekraftwerkes [Quelle:http://www.nrel.gov/otec/]

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In den Jahren 1993 bis 1998 war in Keahole Point, Hawaii ein experimentelles Meereswrmekraftwerk (siehe Bild 5.2.3) mit offenem Kreislauf erfolgreich in Betrieb. Die Generatorleistung betrug 210kW, bei einer Oberflchen wassertemperaturvon26CundeinerTiefenwassertemperaturvon6C.

Bild5.2.3 Experimentelles Meereswrmekraftwerk mit offenem Kreislauf, Keahole Point, Hawaii[Quelle:http://www.hawaii.gov/dbedt/info/energy/renewable/otec]

5.3 HybriderKreislauf Hierbei werden beide schon vorgestellten Systeme miteinander kombiniert (sieheBild5.3).

Bild5.3 SchemaeineshybridenMeereswrmekraftwerk[Quelle:http://de.wikipedia.org]

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6. OsmoseKraftwerke Die Funktionsweise eines OsmoseKraftwerks beruht im Unterschied zu konventionellen Wasserkraftwerken, bei denen Hhenunterschiede (potentielle Energie) oder Strmungen (kinetische Energie) von Wasser ausgenutzt werden, auf der Nutzung unterschiedlicher Salzkonzentrationen zwischen S und Meereswasser. OsmoseKraftwerke knnten somit an Flussmndungen gebaut werden, wo Fluss und Meerwasser aufeinander treffen die sich im Salzgehalt unterscheiden. DazuwirdeineMembranverwendetberdieSundMeereswasserinKontakt gebracht werden. Die Membran ist nur fr das Lsungsmittel Wasser, nicht aber fr das gelste Salz durchlssig. Somit kann ein Konzentrationsausgleich stattfinden, in dem das Wasser durch den Membranbertritt in die hher salzkonzentrierteLsung(Meereswasser)gelangt(sieheBild6.1).

Bild6.1 PrinzipderOsmose[Quelle:Statkraft]

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Der bertritt des Wassers bewirkt eine Verdnnung der hher konzentrierten Lsung und erhht gleichzeitig den Druck auf dieser Seite der Membran (sieheBild6.2).

Bild6.2 PrinzipderEnergiegewinnungdurchOsmose[Quelle:MaxPlanckInstitutfr Plasmaphysik]

Dieser Prozess geschieht so lange bis der osmotische Druck erreicht wird. Im Fall von Swasser und Meerwasser (Salzgehalt 35 Volumenprozent) betrgt der erreichbare osmotische Druck bis zu 27 bar. Diesen Energiegehalt kann man mit einemWasserfallvergleichendervoneinerFallhhevon270mhinabstrzt. [Meyer 2005]. Da die Weltmeere ber unterschiedliche Salzkonzentrationen verfgen,flltdasPotentialz.B.amTotenMeeroderMittelmeerhherausalsan derOstoderNordsee.

Bereitsum1970gabesersteVorschlgefreinOsmoseKraftwerk(SieheBild6.3) [Norman1974].DiepraktischeUmsetzungdieserPlnescheitertejedochanderbis dahinnichthinreichendenMembrantechnologie.Aktuellknnen2W/mMembran erzeugt werden. Die Wirtschaftlichkeit eines Osmosekraftwerks wird bei 5 W/m vorausgesagt[GKSS2005].

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Bild6.3 IllustrationeinesdererstenKonzeptefreinOsmoseKraftwerk. [Norman(1974),ScienceMagazine] Fr eine Kraftwerksleistung von 1 MW bei einer Membranleistung von 5 W/m ergibt

sich eine Membranflche von 200.000 m. Um Flchen solchen Ausmaes Platz sparend unterzubringen behilft man sich der Rhrenbauform (siehe Bild 6.4). Hierbei werden Membranmatten um ein Sammelrohr gewickelt. Eine Vielzahl solcher Rhren die eine Leistung von z.B. 25 MW erzeugten, knnten in einem Kraftwerk mit einer Flche von 40.000 m zusammengefasst werden. Kraftwerke dieser Gre knnten unterirdisch gebaut werden, wie es sich in Norwegen mit Speicherkraftwerkenbereitsbewhrthat(sieheBild6.5)[Meyer2005].

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Bild6.4 Rhrenprinzip[FrankHasse,HamburgerAbendblatt]

Bild6.5 EinemglicheOsmoseKraftwerksbauweise [MaxPlanckInstitutfrPlasmaphysik/Statkraft]

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Der durch die Membranen erzeugte Druck wird zur Energieerzeugung wie in einemkonventionellenKraftwerkaneinerTurbineentspannt(sieheBild6.6).

Bild6.6 SchemaeinesOsmoseKraftwerks[Statkraft]

Im Rahmen des EU Projektes Salinity Power wurde im Zeitraum von 2001 bis 2004 ein Minikraftwerk im Hafen von Trondheim in Norwegen zu Testzwecken betrieben(sieheBild6.7).

Bild6.7 PilotanlageinTrondheim(Norwegen)[Statkraft]

Gem der StatkraftVorhersage liege das Potenzial der Osmosekraft europaweit bei250undweltweitbei2000TerawattstundenproJahr[Lbbert2005].

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7. FazitMeeresenergie Auf unserer Erde ist das Potenzial an regenerativen Energien so gro (die groen hinteren Quadrate im Bild 7.1),dass es das 3000fache des Weltenergieverbrauchs decken knnte. Obwohl das theoretische Potenzial wohl niemals vollstndig umsetzbar sein wird, ist schon heute das technisch umsetzbare Potenzial (die kleinen vorderen Quadrate im Bild 7.1) regenerativer Energiequellen gro genug, um das Sechsfache des Weltenergieverbrauchs (graues Quadrat im Bild 7.1) abzudecken.

Bild7.1 PotenzialderregenerativenEnergienimVerhltniszumWeltenergieverbrauch[DLR]

Wie man in der Grafik gut erkennen kann, spielen die Potenziale der Meereswrme/ Wellenenergie und der Kraft des Wassers eine nicht zu unterschtzendeRolleinderautarkenEnergieerzeugung.Esgiltschonheutediese Potenziale zu erkennen und mglichst optimal zu erschlieen, was seit Mitte der neunzigerJahreinca.30miteinemGesamtbudgetvon28MillionenEurovonder EU gefrderten Projekten1, die wir in Anstzen vorgestellt haben, erfolgreich verwirklichtwird.

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WeitereInformationenzurEUFrderungunter: http://europa.eu.int/comm/research/energy/nn/nn_rt/nn_rt_oes/article_1131_en.htm[St.25.06.2006]

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8.1 QuellenundLiteraturangaben GKSSForschungszentrumGeesthacht(2005).OsmoseKraftwerk:Erneuerbare EnergienaufdemVormarsch.In:UnterUns,April2005.VerfgbarimInternet unter:http://www.gkss.de/templates/images_d/portal/uuapril05.pdf [Stand:25.06.2006] Lbbert,Daniel(2005).WissenschaftlicheDienstedesDeutschenBundestages DasMeeralsEnergiequelle,INFOBRIEFWFVIII116/2005.Verfgbarim Internetunter:www.bundestag.de/bic/analysen/2005/2005_11_101.pdf [Stand:25.06.2006] Meyer,Olivia(2005).Osmosekraftwerk.In:EnergiePerspektiven,herausgegeben vomMaxPlanckInstitutfrPlasmaphysik,Ausgabe03/2005.Verfgbarim Internetunter:www.ipp.mpg.de/ippcms/ep/download/2005/ep_2005_03.pdf [Stand:25.06.2006] Norman,RichardS.(1974).WaterSalination:ASourceofEnergy.Science186, 350352. Pohl,Andreas;Zielinski,D.BerichtberdasGezeitenkraftwerkLaRance. VerfgbarimInternetunter:http://www.igfsek2.de/ressourc/gezeiten.htm [Stand:25.06.2006]

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