T H E R M O H A L I N E S A U F T R I E B S K R A F T W E R K. Ein neuer Kraftwerkstyp. von. Sabrina Berens. Alice Knauf WEIRD SCIENCE CLUB DARMSTADT

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1 T H E R M O H A L I N E S A U F T R I E B S K R A F T W E R K Ein neuer Kraftwerkstyp von Sabrina Berens Alice Knauf WEIRD SCIENCE CLUB DARMSTADT an der Lictenbergscule Europascule, MINT-Excellence Center, Internationale Begegnungsscule Ludwigsöstr Darmstadt (1/9)

2 Zusammenfassung: Unsere Vorstellung von einem Termoalinen Auftriebkraftwerks ist, den Temperatur- und Dicteunterscied zwiscen den Gewässerscicten im Meer zu nutzen um Energie zu gewinnen. Dies ist eine neue Konzeption: Nac einmaligem Antrieb eines Kreislaufs mit einer Pumpe, kann ein ständiger Auftrieb in einem Ror erzeugt werden, welcer einen an eine Turbine angesclossenen Generator antreiben kann. Voraussetzung für den Standort wäre, z.b. eine tiefe Stelle möglicst in Küstennäe, wie der Golf von Biskaya (eine Buct im Atlantik, nördlic von Spanien und westlic von Südfrankreic) oder das Milwaukeetief im Puerto-Rico-Graben. In unserem Projekt aben wir für diese Standpunkte recnerisc belegt, dass es sic lont mit einem Termoalinen Auftriebkraftwerk Energie zu erzeugen. Dies wäre damit eine zukunftsträctige erneuerbare Energiequelle. Der Vorteil des Kraftwerks bestet vor allem darin, dass es in einen besteenden Kreislauf eingreift, der von der Sonne getrieben wird und sic ständig erneuert. Dieses Kraftwerk ist tecnologisc extrem einfac und warsceinlic die kostengünstigste Art Energie zu gewinnen. Zudem kommt inzu, dass es unabängig von wecselnden, äußeren Bedingungen ist und unsere Umwelt scont. (/9)

3 Inaltsverzeicnis Einleitung 3 Zielsetzung 4 Teorie 4 Konzeption eines Termoalinen Auftriebkraftwerks 6 Biskaya Milwaukeetief Diskussion 7 Ungenauigkeiten Ergebnis Kosten Probleme Fazit Danksagung 8 Einleitung Zur Zeit wird viel über einen etwaigen Atomausstieg diskutiert und die globale Klimaerwärmung ist täglic in den Medien. Um die Energie- und Umweltprobleme zu lösen, bräucte man zuverlässige und kostengünstige regenerative Energiequellen. Es gibt viele Ansätze aber die meisten Tecnologien sind noc nict ausgereift, zu teuer o- der steen nict fläcendeckend zur Verfügung. Aus diesem Grund muss die Entwicklung besteender Ideen vorangetrieben werden und neue Ideen müssen entwickelt werden. Bei unserer Recerce sind wir auf die Idee des Meereswärmekraftwerks (OTEC: Ocean Termal Energy Conversion) gestoßen. Dieser Kraftwerkstyp, von dem es noc keinen Prototypen gibt, soll elektriscen Strom aus dem Temperaturunterscied zwiscen kalten und warmen Wassermassen in untersciedlicen Tiefen der Meere gewinnen. Das ist im Prinzip eine Art Wärmepumpe. Daraus aben wir eine neue Idee entwickelt, die des Termoalinen Auftriebkraftwerks. (3/9)

4 Zielsetzung Wir wollen untersucen, ob es sic lont den Auftrieb, der durc einen Temperatur und Dicteunterscied zwiscen dem meist wärmeren Oberfläcenwasser und der kälteren Tiefenströmung erzeugt wird, zu nutzten um Energie zu gewinnen. Teorie Die großen Meeresströmungen sind ser stabil und werden durc die Sonne, die Kugelgestalt der Erde und die Erddreung verursact. Die Bewegung des Wassers ängt dabei im Wesentlicen von der Salzkonzentration und der Temperatur ab die Strömung ist termoalin. Im Nordatlantik dominiert der Golfstrom mit durc Verdunstung aufkonzentriertem, warmen Oberfläcenwasser, das nac Nordosten strömt. Im Bereic der Arktis kült das Oberfläcenwasser ab und sinkt. Dabei wird es vom salzarmen, kalten Scmelzwasser der Arktis verdünnt. Als Tiefenströmung durcströmt das Wasser am Meeresboden den ganzen Atlantik und vereinigt sic südlic vom Kap der guten Hoffnung mit der Zirkumpolarströmung des Global Convejor Belt. Durc dieses Prinzip findet man global ein rect konstantes termoalines Profil. An der Oberfläce ist das Wasser warm, ser salzaltig und at eine geringe Dicte. Der größte Teil ist Zwiscenwasser mit mittlerer Temperatur von ca. 4 C, einer mittleren Salzkonzentration und mittlerer Dicte. Am Meeresboden dominiert eine kalte, salzarme Tiefenströmung mit großer Dicte. Wenn es gelingt, die salzarme Tiefenströmung anzusaugen und termisc dem Zwiscenwasser anzugleicen, dann sollte sic in einem Ror ein Auftrieb einstellen, der durc die untersciedlice Salzkonzentration getrieben wird. Um diese abzuscätzen bedarf es einiger pysikaliscer Überlegungen: Das Volumen einer Substanz wird durc die Zustandsgleicung bescrieben: V ( T, p) V 0 [ 1 + γ ( T T ) κ ( p p )] 0 0 (4/9)

5 Wobei V 0 ein beliebiges Volumen bei einer bestimmten Temperatur T 0 und einem bestimmten Druck p 0 ist. γ ist der Volumenausdenungskoeffizient und κ ist die Kompressibilität. Da diese Werte für Meerwasser scwer abscätzbar sind, nemen wir die entsprecenden Werte für reines Wasser und müssen einen Feler in Kauf nemen. Die Kompressibilität von Flüssigkeiten wie Wasser ist ser klein (κ Pa -1 bei 10 C) und kann desalb vernaclässigt werden. Der Ausdenungskoeffizient γ at im Bereic von 4 C bis 10 C etwa den Wert : 0, K -1 (nac Stöcker, Tascenbuc der Pysik) Die Dicte ist Masse pro Volumen, wobei die Salzkonzentration bei Meerwasser noc dazu kommt. Wir geben den Salzgealt in PSU (Practical Salinity Units) an, was etwa dem Massenanteil in kg pro 1000 kg Wasser entsprict. Damit kommen wir auf eine Formel für die Dicte: c ( T, c) ; mit c in psu und T in C [ + 5, 3 10 ( T 4) ] Im Nordatlantik ist das Tiefenwasser ser kalt und at wegen des Verdünnungseffektes der Arktis eine niedrige Salzkonzentration. Das Oberfläcenwasser at eine ser oe Salinität und ist je nac Jareszeit rect warm. Der größte Anteil des Wassers ist Zwiscenwasser mit einer mittleren Salzkonzentration und einer Durcscnittstemperatur von 4 C. Berecnung der Leistung eines Termoalinen Auftriebkraftwerks: Der öere ydrostatisce Druck des Zwiscenwassers bewirkt in der Tiefe eine Druckdifferenz und damit einen Auftrieb im Ror mit Radius r: F A A p πr g Diese Kraft bescleunigt die Wassermasse bis sic eine stabile Strömung einstellt. Das ist dann der Fall, wenn die Reibungskraft gleic dem Auftrieb ist. Bei Roren mit großem Durcmesser sind die Randeffekte zu vernaclässigen. Die Strömung wird durc die Navier-Stokes-Gleicungen bescrieben, die sic für das Problem von uns (5/9)

6 nict lösen lassen. Wir vergleicen daer die aufströmende Wassermasse mit einem in Wasser aufsteigenden Flüssigkeitskörper und nemen Newtonsce Reibung an: 1 F A πr g πr Cd v F C d näern wir mit 1 an und eralten eine Abscätzung der Gescwindigkeit: R v g Die Flüssigkeitssäule bewegt sic mit v aufwärts und at damit eine kinetisce Gesamtenergie von: E kin 1 πr g πr g Die maximale Leistung, also Energie pro Zeit, die an einem Generator umgewandelt werden könnte (bei 100% Wirkungsgrad) ist dann: P E t kin Ekin v 1 πr g g πr g Nun könnte man auf die Idee kommen mit einer Wärmepumpe Energie aus dem warmen Oberfläcenwasser in das Tiefenwasser zu pumpen um damit den Auftrieb zu eröen. Um das Tiefenwasser um T zu erwärmen, musste man im Wärmeenergie zufüren: W c m T 4, p 3 πr T Das entsprict einer Leistung von P 3 W, W v 4, πr T g πr T 8g (6/9)

7 Dies übersteigt die Leistung des Kraftwerks bei weitem und ist desalb sinnlos. Abgeseen davon, dass es solce ocdimensionierten Wärmepumpen nict gibt. Konzeption eines Termoalinen Auftriebkraftwerks Nacdem wir die pysikaliscen Ramenbedingungen angenäert aben, wollen wir eine Einscätzung der Effektivität vornemen. Dazu projektieren wir zwei Prototypen an versciedenen Standorten: 1) Konkreter Fall eines Prototyps in der Biskaya mit 3000m: Salzgealt des Zwiscenwassers: 35,5 psu bei T 5 C Salzgealt des Tiefenwassers: 34 psu aufgewärmt von 3 C auf 5 C beim Aufsteigen Mittlere Dicte des Zwiscenwassers: z 1035,45 kg/m 3 Dicte des erwärmten Tiefenwassers: t 1033,94 kg/m 3 Strömungsgescwindigkeit: v 9,7 m/s Leistung bei 1m Rorradius: P 1,9 MW ) Konkreter Fall eines Prototyps im Milwaukeetief (Puerto-Rico-Graben) mit 9000m: Salzgealt des Zwiscenwassers: 35,5 psu bei T 4 C Salzgealt des Tiefenwassers: 34 psu bei T 4 C Mittlere dicte des Zwiscenwassers: z 1035,45 kg/m 3 Dicte des erwärmten Tiefenwassers: t 1033,94 kg/m 3 Strömungsgescwindigkeit: v 16, m/s Leistung bei 1m Radius: P 6,95MW (7/9)

8 Diskussion Ungenauigkeiten: Da wir von Mittelwerten ausgegangen sind, müsste man, wenn es zum Bau eines Kraftwerks käme, noc mal konkret Messungen an den jeweiligen Standorten vornemen. In unserem Projekt aben wir die Reibung im Ror mit Newtonscer Reibung angenäert. Da dies ein eer zu oc gescätzter Wert ist, könnte es im konkreten Fall sogar zu einer öeren Leistung kommen. Wir aben einfac vorausgesetzt, dass sic das Wasser im Ror scnell an die Außentemperatur angleict. Dies wird aber gerade bei großen Rordurcmessern nict unbedingt der Fall sein. Ergebnis: Durc unsere Berecnungen konnten wir unsere Hypotese bestätigen: Ein Termoalines Auftriebkraftwerk an den rictigen Standorten lont sic. Trotz eines ser kleinen Untersciedes in der Salzkonzentration entwickelt sic auf langen Strecken ein deutlicer Auftrieb mit ser signifikanten Leistungswerten. Mit den normalen Wirkungsgraden einer Turbine könnte ein Termoalines Auftriebskraftwerk je nac Standort wirtscaftlic interessante Mengen an E- lektrizität produzieren. Kosten: Die Kosten des Kraftwerks würden im Vergleic zu allen uns bekannten, bereits existierenden Kraftwerken extrem niedrig liegen. Dabei würde dieses Kraftwerk abgeseen von Wartungsarbeiten kontinuierlic Strom produzieren. Eine Offsore Anlage auf Borinseln ist sicer eine gute Lösung. Bei Anlagen an der Küste müssten warsceinlic scräge Auftriebsrore verwendet werden, was wegen der anderen Reibung Auswirkungen auf die Leistung ätte. Bei Inseln wie den Kanaren oder an der spaniscen Küste ist dies aber denkbar. Das bescictete Metallror mit Gitter, eventuellen Auftriebskörpern für die Wartungsmaneuvrierung und die Turbine mit Generator sind jedenfalls rect günstig zu aben. Wir empfelen den Bau eines Prototypen. (8/9)

9 Probleme: o Es gibt vielleict nict ser viele Standorte für die das Termoaline Auftriebkraftwerk geeignet wäre. o Im Verältnis zur Länge ist das Rore ser dünn, desalb muss das Material stabil und verformbar sein. Das Ror ist Strömungen ausgesetzt und muss auc für die Wartungen äußerst flexibel sein. o Fisce könnten in das Ror und zwiscen die Turbine geraten. Dieses Problem ließe sic aber mit einem Gitter lösen. o Eventuelle Auswirkungen auf die Meeresströmungen bei Nutzung im größeren Stil müssten vorer abgescätzt und untersuct werden. o Das Zwiscenwasser nae dem Ror wird durc die aufsteigende kalte Tiefenströmung ein wenig abkülen und absinken. Damit dieses den Kreislauf nict beindert müsste man es umlenken und das Ror unten zur anderen Seite in ausricten o Für die Wartungen des Kraftwerks müsste man eventuelle Befestigungen am Boden lösen. Unten am Ror könnte man eine Art Propeller einbauen, sodass das Ror langsam aufsteigen kann. Kleine Ballasttanks, die mit Pressluft ausgeblasen werden können könnten für Auftrieb sorgen, der das Ror in die Scwimmlage bringt. Nac der Wartung müssten die Ballasttanks wieder geflutet werden, sodass das Ror wieder absinkt, bis es senkrect im Wasser stet. Man könnte auc Gewicte am Ror oc und runter faren lassen. Fazit: Eine Nutzung von Termoalinen Auftriebkraftwerken wäre eine gute Lösung um langfristig verlässlice Energiequellen zu aben, die unabängig von äußeren, wecselnden Bedingungen und umweltsconend sind. Danksagung Unser Dank gilt Dr. Dlabal, unserem Pysiklerer, der uns stets mit Rat, Pysik und s zur Seite stand. (9/9)