Meeresen. (Gezeiten-, Wellennutzung, unters. Wassertemp.) Flashcards
Entstehung der Gezeiten
Gezeiten entstehen im Wesentlichen durch das Einwirken von? (2)
Mond
-> Gravitationswirkung des Mondes und Fliehkräfte der Erdbewegung
Sonne
-> Springflut & Nippflut
-> ABER: Die Gezeiten kleinerer Randmeere (Nordsee) sind aber fast ausschließlich durch das Mitschwingen der angrenzenden Ozeane verursacht und nur zum kleinen Teil durch die Einwirkung von Sonne und Mond
Entstehung der Gezeiten
Erkläre Entstehung der Gezeiten durch Mond!
Mond 1/4 so groß wie Erde
–> darum verschiebt sich der gemeinsame Schwerpunkt in Richtung Erde (befindet sich im Inneren der Erde)
Gravitationswirkung des Mondes: Die Anziehungskraft des Mondes wirkt auf die Erde und zieht das Wasser auf der mondzugewandten Seite an, was einen Flutberg erzeugt.
Fliehkräfte der Erdbewegung: Die Erde bewegt sich um den gemeinsamen Massenschwerpunkt, der sich im Inneren der Erde befindet, wodurch auf der mondabgewandten Seite ebenfalls ein Flutberg entsteht.
-> Diese beiden Flutberge, einer durch die Gravitationskraft und einer durch die Fliehkraft, führen zu den Gezeiten, die wir als Ebbe und Flut wahrnehmen.
Von einer Flut bis zur nächsten dauert es? Wann tritt die Gegenflut auf?
24h und 50min.
-> zwischen zwei Fluten liegt nach 12h und 25min. die Gegenflut
(-> also in 24h immer 2xEbbe und 2xFlut und aufgrund der 50min. drüber, verschieben sich die Gezeiten immer täglich um 50min.)
Erkläre den Einfluss der Sonne auf die Entstehung der Gezeiten. Gehe dabei auf die zwei verschiedenen Arten des Erde-Sonne-Mond Zusammenspiels ein!
Sonne viel weiter entfernt von Erde als der Mond, aber deutlich größer. Ihre Anziehungskraft hat also auch einen Effekt auf die Gezeiten.
Nennenswerter Einfluss der Sonne durch zwei Arten des Erde-Sonne-Mond Zusammenspiels:
1) Springflut: Sonne und Mond auf einer Geraden mit Erde
–> Anziehungskräfte addieren sich
-> starke Flut (Springtide)
2) Nippflut: Sonne und Mond stehen um 90°C verschoben zur Erde
–> Anziehungskräfte subtrahieren sich
-> schwache Flut (Nipptide)
(siehe slide 7)
Was versteht man unter der Springflut?
Sonne und Mond auf einer Geraden mit Erde
–> Anziehungskräfte addieren sich
-> starke Flut (Springtide)
Was versteht man unter der Nippflut?
Nippflut: Sonne und Mond stehen um 90°C verschoben zur Erde
–> Anziehungskräfte subtrahieren sich
-> schwache Flut (Nipptide)
Was versteht man unter Gezeiten?
Den Wechsel von Ebbe und Flut und das damit verbundene Ansteigen und Abfließen der Wassermassen
Wovon hängt die Art in der sich die Gezeiten über den Globus ausbreiten im Wesentlichen ab? (4)
Gestalt und Tiefe der Ozeane
Inseln
Kontinenten
Meeresboden
Gezeiten
Bedingt durch den Wechsel des Wasserstandes kann es in küstennahen Bereichen zu was kommen?
starken Ausgleichsströmungen
Küstenregionen mit guten Gezeiten Ressourcen
-> siehe slide 10+11!
…
Was ist der Tidenhub (bzw. Tidefall)?
Die Differenz (Höhe) zwischen tiefstem Ebbestand (Tidenniedrigwasser) und höchstem Flutstand (Tidehochwasser).
Zeichne + Beschrifte slide 12!
…
Gezeitenkraftwerke nutzen was?
die in den Gezeiten enthaltene potenzielle Energie
Gezeitenkraftwerke - das Ein-Becken-System mit Einwegnutzung
Zeichne das Gezeitenkraftwerk und erläutere die Funktionsweise!
Zeichnung -> siehe slide 14
Funktionsweise:
- Abtrennung des Wasserbeckens durch Mauern und einen Damm
- Im Damm sind eine Schleuse und eine Turbine
- Bei Flut strömt Wasser durch Schleuse ins Becken
- Bei Ebbe wird Wasser aus dem Becken durch eine Turbine ins Meer geleitet (Energieerzeugung)
- Nachteil: Stromproduktion nur bei Ebbe
Gezeitenkraftwerke - das Ein-Becken-System mit Einwegnutzung
Nenne einen Nachteil dieses Gezeitenkraftwerkes
Stromproduktion nur bei Ebbe (vergleichsweise kurzer Zeitraum der Energiebereitstellung)
Gezeitenkraftwerke - das Ein-Becken-System mit Zweiwegnutzung
Zeichne das Gezeitenkraftwerk und erläutere die Funktionsweise!
Zeichnung -> slide 15!!
Funktionsweise:
- Abtrennung des Wasserbeckens durch Mauern und einen Damm
- Im Damm sind eine Schleuse und eine Turbine
- Turbine kann in beide Richtungen durchströmt werden (Zweiwegnutzung)
- Schleuse beschleunigt nur das Ein- und Ausströmen des Wassers in Zeiten mit nahezu keinem Höhenunterschied zwischen Speicherbecken und Meer
- Vorteil: Stromproduktion auch bei Flut
–> größerer Zeitraum der Energiebereitstellung
–> ABER keine kontinuierlichen und gleichmäßigen Mengen über Zeitverlauf (Nachteil)
Funktionsweise eines Gezeitenkraftwerkes (Zweigwegnutzung) in 4 Phasen dargestellt und erläutert.
Siehe slide 16!!
…
Gezeitenkraftwerke - das Zwei-Becken-System
Zeichne das Gezeitenkraftwerk und erläutere die Funktionsweise (Gehe auch auf Vor- und Nachteile ein!)
-> Skizze auf Slide 17!!
Funktionsweise:
- Abtrennung des Wasserbeckens durch Mauern und einen Damm
- Im Damm sind nur zwei Schleusen (keine Turbine)
- Das Wasserbecken ist durch einen weiteren Damm in zwei Becken unterteilt
-> in diesem Damm befindet sich Turbine - Jedes der beiden Becken ist über jeweils eine Schleuse mit dem Meer in Verbindung
- Steuerung über Ebbe-Flut immer so, dass Becken1 einen höheren Wasserstand hat als Becken2
-> bei Ebbe: Schleuse von Becken1 geschlossen und von Becken2 geöffnet
-> bei Flut anders herum - Wasser strömt von Becken1 zu Becken2 über Turbine und erzeugt Strom (in der Zeit ist Schleuse von Becken1 geschlossen)
Vorteil:
- Energieproduktion im Vergleich zu Ein-Becken-Systemen (Einweg-/Zweiwegnutzung) weiter vergleichmäßigt
Nachteile:
- höherer Platzbedarf
- höherer bautechnischer Aufwand für die Erstellung der beiden Becken
Gezeitenkraftwerke
Vergleiche Ein-Becken-System mit Einwegnutzung, Ein-Becken-System mit Zweiwegnutzung und Zwei-Becken-System v.a. in Bezug auf die Energiebereitstellung
Zwei-Becken-System hat eine kontinuierliche und vergleichmäßigte Energiebereitstellung. (Grundlastfähig)
-> dafür höherer Platzbedarf und bautechnischer Aufwand
Ein-Becken-System mit Zweiwegnutzung hat keine kontinuierliche und gleichmäßige Energiebereitstellung, aber Energiebereitstellung bei Ebbe und Flut möglich.
-> bei Einwegnutzung nur bei Energiebereitstellung nur bei Flut
Gezeitenkraftwerke
Woran scheitert der Bau von Gezeitenkraftwerken meistens?
An:
- sehr hohen Kosten
- den zu großen Umweltauswirkungen
-> sehr flächenintensive Konstruktion, Trennung von Meeresgebieten
(nur zwei große Gezeitenkraftwerke weltweit im Betrieb (!))
Nutzung von Ebbe- und Flutstrom
Nutzung der ?(1)? die mit Ebbe und Flut einhergehen ohne ?(2)?
(1) Wasserbewegung
(2) Bau eines Damms
Nutzung von Ebbe- und Flutstrom
Vergleichsweise geringe Energiedichte. Warum?
Weil nur geringe Druckunterschiede vorliegen, sodass nur relativ geringe Strömungsgeschwindigkeiten vorliegen.
–> Es sind aber sehr große Strömungsquerschnitte möglich.
Nutzung von Ebbe- und Flutstrom
-> befindet sich im Forschungsstadium
…
Nutzung von Ebbe- und Flutstrom
Es macht kein Unterschied, ob die Strömung des Meereswassers durch Ebbe und Flut oder durch andere Effekte (z.B. unterschiedliche Erwärmung -> Golfstrom) hervorgerufen wird.
-> also eher Nutzung von Wasserströmungen
…
Welche drei alternative Konzepte gibt es bisher für die Nutzung von Ebbe- und Flutstrom (bzw. für andere Strömungen wie z.B. Golfstrom)?
Vertikalläufer
Horizontalläufer (“Unterwasserwindräder”)
Sich auf- und abwärts bewegende Flügel
Nutzung von Ebbe- und Flutstrom
Gebiete mit hohen Gezeitenströmungen
-> siehe slide 21
…
Für die Gezeitenströmung kann, wie für jede andere Strömung die Leistung des durch einen bekannten Querschnitt (hier den Rotorquerschnitt des Strömungsenergiewandlers) strömenden Meerwassers (ANALOG einer WINDKRAFTANLAGE) aus der ?(1)?, dem ?(2)? und der ?(3)? in der ?(4)? berechnet werden
(1) Dichte des Wassers (rohWasser)
(2) Strömungsquerschnitt (SRotor)
(3) Strömungsgeschwindigkeit des Wassers vWasser
(4) dritten Potenz
Wie lautet die Formel zur Berechnung der Leistung des durch einen bekannten Querschnitt strömenden Meerwassers (hier durch den Rotorquerschnitt des Strömungsenergiewandlers)?
Analog zur Windkraftanlage (!)
-> ABER DICHTE DES WASSERS NICHT DER LUFT NEHMEN (!)
Pwasser = 1/2 x rohWasser x SRotor x v^3wasser
-> SRotor meint hier den Strömungsquerschnitt -> also Fläche A
Beispiele slide 23 - 25 mal ansehen
…
Nutzung von Ebbe- und Flutstrom
Systeme mit einer senkrechten Rotationsachse haben sich nicht durchgesetzt.
Wahr/Falsch?
Wahr
Nutzung von Ebbe- und Flutstrom
Systeme mit einer senkrechten Rotationsachse haben sich nicht durchgesetzt.
-> Noch größere physikalische Nachteile haben Systeme die versuchen Strömungsenergie mit auf und ab bewegenden Flügeln zu nutzen
Allgemein ist eine Nutzung nur wo sinnvoll nutzbar?
in einem (engen) Band zwischen Bodeneffekten und Oberflächeneinflüssen (Wellen)
-> Bodeneffekte z.B. aufgrund der Rauheit des Bodens gewisse Turbulenzen
(Also dazwischen nur nutzbar)
Entstehung von Wellen
Hauptsächlich von ?(1)? induzierte Energieform
Sowohl ?(2) als auch ?(3)? Energie
(1) Windenergie
(2) potentielle
(3) kinetische
Entstehung von Wellen
Beschrifte die Abbildungen auf Folie 28
…
Entstehung von Wellen:
1) Wellenperiode T (in s) kann aus was bestimmt werden?
2) Wie lautet die Formel?
3) Was bewegt sich entlang der sinusförmigen Wasserwelle?
4) Beschrifte die Abbildung auf slide 29
1) aus der Wellenlänge lambda (in m) und der Geschwindigkeit c (in m/s)
2) T = 1/f = lambda / c
3) Energie (nicht die Wasserpartikel)
-> der Radius nimmt mit der Tiefe ab (slide 30)
4) …
Entstehung von Wellen
Wird für die Verknüpfung von Wellenhöhe und -periode ein Standardspektrum zugrunde gelegt, kann die Leistung bzw. Energie der Wellen bestimmt werden
Wie lautet die Formel zur Berechnung der Leistung (bzw. Energie) der Welle?
P =
(roh * g^2 * T * Hsubs^2)
/
(64 * pi)
-> Wenn man roh, g^2 einsetzt erhält man:
≈ 500 (kg/(s^4 * m)) * T * Hsubs^2
-> P beschreibt die Leistung in Watt pro Meter Wellenfront
Mit:
- T: Periode (in s)
- roh: Dichte des Wassers (in kg/m^3)
- g: Gravitationskraft (9,81 m/s^2)
- Hsubs: Signifikante Wellenhöhe
Wellennutzung
Zwischen welchen Prinzipien/Konzepten wird unterschieden? (3)
Beschreibe knapp was man darunter versteht!
Welleninduzierte Fallhöhe
-> Ziel ist es mit Hilfe der Welle eine technisch nutzbare Fallhöhe zu schaffen
Oszillierende Wassersäule
-> Durch die Wellenbewegung wird ein Medium in eine schnelle Bewegung versetzt, die dann mithilfe einer Turbine genutzt werden kann
Hydrodynamische Bewegung
-> Bestimmte Komponenten folgen der Wellenbewegung und die dadurch realisierte Relativbewegung kann über entsprechende mechanische und/oder hydraulische Systeme genutzt werden
Bei den Speicherbecken-Systemen ist was das Ziel?
Mithilfe der Wellenenergie das Meerwasser auf ein höheres geodätisches Niveau zu heben
-> wodurch eine nutzbare Fallhöhe ggü. dem Meeresspiegel geschaffen wird
-> die potentielle Energie des Wassers kann dann umgewandelt und zur Bereitstellung mechanischer bzw. elektrischer Energie genutzt werden
Speicherbecken-Systeme meint Systeme, die nach welchem Konzept/Prinzip der Wellennutzung arbeiten?
Welleninduzierte Fallhöhe
Bei den Speicherbecken-Systemen (bzw. Systemen mit dem Konzept der welleninduzierten Fallhöhe) kommen zur Umwandung der potenziellen Energie des Wassers in elektrische Energie Systemkomponenten zum Einsatz, die grundsätzlich vergleichbar sind mit denen der “klassischen” Stromerzeugung aus Wasserkraft
…
Wellennutzung: Prinzip der welleninduzierten Fallhöhe
Es kommen vergleichbare Systemkomponenten wie in der “klassischen” Stromerzeugung aus Wasserkraft zum Einsatz.
Es wird zwischen welchen Systemgruppen unterschieden? (2)
Systeme für den Küsteneinsatz
Systeme für die Verwendung auf dem offenen Meer
Wellennutzung - Prinzip der welleninduzierten Fallhöhe
Speicherbecken-Systeme für den Küsteneinsatz:
Beschreibe das Konzept, nenne ein Beispiel und zeichne dieses!
Das durch die Brandung auf den Strand auflaufende Wasser wird über einen ansteigenden, spitz zulaufenden Kanal (Keilrinne) in ein erhöht liegendes Sammelbecken geleitet.
In der Keilrinne wird die kinetische Energie der Wellen in potenzielle Energie umgewandelt
-> die Wellenhöhe nimmt dabei wegen der abnehmenden Breite zu
Der Wasserspiegel des Sammelbeckens liegt einige Meter über dem Meeresspiegel
Das auf einem höheren potenziellen Niveau gesammelte Meerwasser kann dann beim Ablassen mit Hilfe einer Turbine in elektrische Energie umgewandelt werden-
Bsp.: TapChan
-> Skizze slide 36!!
Wellennutzung - Prinzip der welleninduzierten Fallhöhe
Speicherbecken-Systeme für den Küsteneinsatz:
Nenne einen Nachteil und einen Vorteil dieser Systeme!
Nachteil: Aufgrund des Speicherbeckens hoher Platzbedarf
Vorteil: langlebiger, da wichtige Komponenten nicht offenem Meer ausgesetzt sind
Wellennutzung - Prinzip der welleninduzierten Fallhöhe
Speicherbecken-Systeme auf dem offenen Meer:
Beschreibe das Konzept generell!
Im Gegensatz zu den Speicherbecken-Systemen an der Küste breitere und kürzere Rampe für den Meereswasserzulauf.
Die Tauchtiefe des schwimmenden Systems - und damit die Höhe des Speicherbeckens über dem Mittelwasserspiegel - wird dem jeweils aktuellen Seegang angepasst
Schwankende Durchströmung der Turbine
-> diskontinuierliche Energiebereitstellung
Wellennutzung - Prinzip der welleninduzierten Fallhöhe
Speicherbecken-Systeme auf dem offenen Meer:
Welche Herausforderung besteht?
Die Entwicklung eines Steuerungssystem zur optimalen Nutzung mehrerer eingebauter Turbinen, sowie ihre Optimierung zur Nutzung stark veränderlicher geringer Fallhöhen.
Wellennutzung - Prinzip der oszillierenden Wassersäule (OWC - Oscillating Water Column)
Das OWC-System fand bereits 1910 Anwendung und dürfte damit das erste genutzte Wellenenergiekraftwerk überhaupt sein.
Damals wurde die Luftkompression, die in einer Höhle an einer Felsküste durch die Brandung hervorgerufen wird, energetisch genutzt. (siehe Abb. slide 40)
…
Wellennutzung - Prinzip der oszillierenden Wassersäule (OWC - Oscillating Water Column)
Diese Technik der oszillierenden Wassersäule zur Stromerzeugung aus Meereswellen wird seit Jahrzehnten für die Energieversorgung von ?? eingesetzt.
Leuchtbojen
-> siehe slide 41
Wellennutzung - Prinzip der oszillierenden Wassersäule (OWC - Oscillating Water Column)
Grundsätzliches Problem von derartigen Wellenenergiewandler-Systemen ist was?
Die technische Notwendigkeit der Übersetzung einer langsamen Wellenbewegung in eine schnellere Bewegung, die dann zur Stromerzeugung genutzt werden kann (Medium: Luft -> Wells-Turbine)
Wellennutzung - Prinzip der oszillierenden Wassersäule (OWC - Oscillating Water Column)
Welche Turbine wird bei diesem Prinzip benötigt?
Wells-Turbine
Wellennutzung - Prinzip der oszillierenden Wassersäule (OWC - Oscillating Water Column)
Die Wells-Turbine muss von ?(1)? des OWC angetrieben werden und ?(2)? in eine Richtung laufen.
(1) pulsierender Strömung
(2) kontinuierlich
Worauf basiert das Prinzip der Wells-Turbine?
Basiert auf senkrecht zur Strömung angeordneten, symmetrischen Flügelprofilen, die - sofern sie sich bereits bewegen* - bei beiden möglichen Anströmungsrichtungen eine Vortriebskraft in Bewegungsrichtung erzeugen.
*Muss im Generatorbetrieb angefahren werden
-> Beschrifte Abbildung auf slide 42!
Wellennutzung - Prinzip der oszillierenden Wassersäule (OWC - Oscillating Water Column)
Wann ist die Stromerzeugung optimal?
Wenn die natürliche Eigenfrequenz des Schwingungssystems, das durch Einlass, Wassersäule, Luftmasse, Turbine und Auslass gebildet wird, mit der Frequenz der ankommenden Wellen übereinstimmt.
(Abbildung slide 43!)
Wellennutzung - Prinzip der hydrodynamischen Bewegung
Was ist hier das Ziel?
Ziel: In eine Relativbewegung innerhalb dieser mechanischen Konstruktion zu kommen, die dann technisch - z.B. mittels hydraulischer Systeme - nutzbar gemacht werden kann.
Wellennutzung - Prinzip der hydrodynamischen Bewegung
Zeichne die Abbildungen auf slide 45+46!
…
Wellennutzung - Prinzip der hydrodynamischen Bewegung
System: Pelamis
Erkläre den Aufbau und Funktion des Konzepts!
Besteht aus gelenkig gekoppelten Schwimmkörpern.
Zwischen zwei dieser miteinander verbundenen Schwimmkörper sind Pumpen angeordnet
-> mit diesen wird ein Arbeitsmedium verdichtet
Das Arbeitsmedium treibt dann einen Turbinengenerator zu Erzeugung von elektrischer Energie an.
Ab einem gewissen Punkt muss das System vertikal versteift werden, um besonders hohen Wellen stand zu halten
(Skizze Abbildung slide 15+16!)
Unterschiedliche Wassertemperaturen
Etwa 20% der gesamten eingestrahlten Solarenergie wird allein in den ?(1)? in Wärme umgewandelt.
Infolge der erheblichen Wasserflächen, die im ?(2)? der Erde liegen, ist das theoretische Potenzial dieser Option vergleichsweise ?(3)?
(1) tropischen Weltmeeren
(2) Äquatorgürtel
(3) hoch
Unterschiedliche Wassertemperaturen
Etwa 20% der gesamten eingestrahlten Solarenergie wird allein in den tropischen Weltmeeren in Wärme umgewandelt.
Infolge der erheblichen Wasserflächen, die im Äquatorgürtel der Erde liegen, ist das theoretische Potenzial dieser Option vergleichsweise hoch.
Wie kann die thermische Energie zur Stromerzeugung genutzt werden? Was ist das Problem?
Mithilfe offener oder geschlossener Rankine-Prozesse
Problem: Wirkungsgrad von Kreisprozessen ist abhängig von der verfügbaren Temperaturdifferenz.
-> da zwischen sehr hohen Wassertiefen und der Oberfläche nur ein Unterschied von ca. 20K vorliegen, liegen nur kleine Wirkungsgrade von 1 bis 3 % vor.
-> es müssen außerdem sehr hohe Volumenströme umgewälzt werden, um eine entsprechende elektrische Leistung
-> Wasser muss außerdem aus sehr großen Tiefen gepumpt werden
(siehe dazu auch Abbildung slide 50)
Nenne Nachteile eines Systems das unterschiedliche Wassertemperaturen im Meer zur Stromerzeugung nutzen möchte.
Nachteile:
offener oder geschlossener Rankine-Prozesse wird genutzt
-> Wirkungsgrad von Kreisprozessen ist abhängig von der verfügbaren Temperaturdifferenz.
-> da zwischen sehr hohen Wassertiefen und der Oberfläche nur ein Unterschied von ca. 20K vorliegen, liegen nur kleine Wirkungsgrade von 1 bis 3 % vor.
-> es müssen sehr hohe Volumenströme umgewälzt werden, um eine entsprechende elektrische Leistung zu generieren
-> Wasser muss aus sehr großen Tiefen gepumpt werden
Systems das unterschiedliche Wassertemperaturen im Meer zur Stromerzeugung nutzen
Beschrifte die Abbildung und die technische Zeichnung auf slide 52
…
