Wettbewerbsarbeit. Jugend forscht 2012 Fachgebiet Physik. Regenerative Energien für die Fähre Sandau. eingereicht von:

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1 Wettbewerbsarbeit Jugend forscht 2012 Fachgebiet Physik Regenerative Energien für die Fähre Sandau eingereicht von: Simon Busse, Sören Bebenroth, Ben Sturm Schüler-Institut für Technik und angewandte Informatik SITI e.v. Havelberg mit Unterstützung von Herrn Dr. H. König und der Stadt Sandau Gliederung: 1. Die Idee 2. Die Zielsetzung 3. Funktionsweise einer Gierfähre 4. Energetische Betrachtungen 4.1. Die Berechnung der benötigten Energie 4.2. Auswertung der Wetterdaten Energiebilanz Windkraft 4.3. Nutzung der Strömung Energiebilanz der Wasserkraft 4.4. Nutzung der Sonnenenergie Energiebilanz aus Solar 4.5. Wertung der Ergebnisse 5. Auswertung und Anwendung 6. Das Modell 7. Quellen Anhang

2 1. Die Idee Am Anfang des Schuljahres stand mal wieder die alljährliche Ideenkonferenz im SITI (Schülerinstitut für Technik und angewandte Informatik) an. Dort besprechen alle Mitglieder des Schüler-Instituts welche Projekte im kommenden Schuljahr anstehen. Außerdem diskutieren wir über Ideen, unteranderem auch über Ideen für Jugend forscht. Hierbei ist uns die Idee gekommen für eine, mit erneuerbaren Energien betriebene, Gierfähre. Eigentlich stand schon ein Jahr lang an der Ideentafel im SITI, eine Turbine für eine Fähre zu bauen, die die ständige Strömung des Elbwassers in Strom umwandelt. Wir haben die Idee aufgegriffen und erweitert. Simon, der in Sandau wohnt, nahm Kontakt zur Stadt Sandau auf, die eine Gierfähre betreibt. Die Stadt Sandau. möchte dieses Projekt unterstützen und ist an den Ergebnissen unserer Untersuchungen interessiert. Vielleicht lässt sich sogar einiges in der Realität umsetzen. 2. Die Zielsetzung Das Ziel unserer Arbeit ist es, zu untersuchen, ob eine Gierfähre unabhängig von Benzin- oder Stromquellen zu betreiben ist. Dies wollten wir durch Erneuerbare Energien erreichen. Dazu sollen Solarenergie, Windkraft und Wasserkraft genutzt werden. Um das umzusetzen, müssen wir die Energie, die die Fähre benötigt, durch möglichst effiziente Energiegewinnungsanlagen ausgleichen. Zur Anschauung wollen wir ein Funktionsmodell mit Strömungskanal herstellen. Die Sandauer Fähre auf der Ostseite der Elbe 1

3 3. Funktionsweise einer Gierseilfähre Eine Gierfähre wird von der Strömung im Fluss angetrieben. An einer flussaufwärts verankerten Boje ist das Gierseil verankert. Dieses ist an Bug und Heck der Fähre befestigt. Durch Veränderung der Länge der Seilenden wird der Anstellwinkel der Fähre geändert. Der Druck des anströmenden Wassers drängt sie dann an das entsprechende Ufer. 4. Energetische Betrachtungen 4.1. Berechnung der benötigten Energie Der erste Schritt unserer Arbeit war es zu ermitteln, welche Energiemenge für den Betrieb der Fähre nötig ist. Dazu haben wir die Informationen von der Sandauer Fähre genutzt. Folgende Leistungen wurden uns genannt: P Winde = 750W P Landeklappe = 3350W P Beleuchtung = 650W Zur Berechnung der Energie sind noch die dazugehörenden Zeiten nötig. Diese haben wir für eine Überfahrt gemessen (einmal Winde bedienen, Einmal Landeklappe heben und senken. Diese Zeiten wurden auf einen Tag hochgerechnet. Dazu kam noch die durchschnittliche Betriebszeit der Beleuchtung am Tag. 2

4 pro Überfahrt mit 46 Überfahrten pro Tag t Winde = 50 s t Winde = 2300 s = 0,64 h t Landeklappe + Schranke = 8 s t Landeklappe = 368 s = 0,1 h t Beleuchtung = 4,5 h Hieraus ergibt sich die benötigte Energiemenge pro Tag: E Winde E Winde E Winde E Landeklappe E Landeklappe = P Winde * t Winde = 750 W * 0,64 h = 0,48 kwh = P Landeklappe * t Landeklappe = 3,35 kw * 0,1 h E Landeklappe = 0,34 kwh E Beleuchtung E Beleuchtung = P Beleuchtunge * t Beleuchtung = 650 W * 4,5 h E Beleuchtung = 2,92 KWh E Gesamt E Gesamt E Gesamt = E Winde + E Beleuchtung + E Landeklappen = 0,48 kwh + 0,34 kwh + 2,92 kwh = 3,74 kwh Die Sandauer Fähre hat durchschnittlich 300 Betriebstage. Daraus ergibt sich ein Jahres Energiebedarf von: E Gesamt = 3,74 kwh * 300 E Gesamt = kwh 3

5 4.2. Auswertung der Wetterdaten Energiebilanz aus Windkraft Zur Berechnung der Energiegewinnung aus regenerativen Energiequellen war es notwendig Wetterdaten auszuwerten. Von der Sandauer Wetterstation erhielten wir die durchschnittlichen Windgeschwindigkeiten für das gesamte Jahr 2011, die wir in einer Exceltabelle erfasst und ausgewertet haben (Diagramm). Hierbei ist es wichtig zu wissen, dass kleine Windkraftanlagen, die für die Fähre geeignet wären erst ab einer Windgeschwindigkeit von 2,5 m/s (9 km/h) beginnen, Strom zu erzeugen. In unserer Auswertung traf das auf 88 Tage in 2010 und 106 Tage in 2011 zu. Somit können wir die Erzeugung von Elektroenergie aus Windkraft berechnen. Dazu verwenden wir die Angaben zur Kleinwindkraftanlage H1K - 24V. Bild 1: Kleinwindkraftanlage H1K - 24V In der Exceltabelle wurden dazu alle Daten, die zur Stromerzeugung in 2011 nutzbar wären gefiltert und die entsprechenden Werte aus der Leistungskurve der H1K-24V zugeordnet. In der Exceltabelle wurde dann gleich die Leistung mit jeweils 12 h multipliziert. Das entspricht zwar nur einem halben Tag. Wir wollten damit Windschwankungen berücksichtigen und Abweichungen der Nenn- und dann realen Nutzleistungen ausgleichen. (Die Exceltabelle befindet sich im Anhang) Somit ergibt sich einen Jahres-Energiebilanz für 2011 bei Nutzung der Windkraft von: E Windkraft = 154 kwh 4

6 4.3. Nutzung der Strömung Energiebilanz aus Wasserkraft Da eine Gierfähre sich auf einem fließenden Gewässer befindet könnte die Fluss- Strömung sogar als Dauerenergiequelle genutzt werden. Wasserströmungen werden bereits verschiedentlich zur Energiegewinnung genutzt. Die bekannteste Form sind Gezeitenkraftwerke, die Ebbe und Flut nutzen. Es werden aber auch Meeresströmungen in der Tiefe von Ozeanen genutzt. Die Strömung von Flüssen wurde schon seit Jahrhunderten an Wassermühlen auch in Verbindung mit Generatoren genutzt, was allerdings heute nur noch selten zu sehen ist. Bei unserer Recherche fanden wir aber zahlreiche Bilder von Wasserturbinen die in Flüssen oder unter Booten/Pontons. Bild 2 : Flussturbine Unterwasser-Installation Bild 3 :Flussturbine schwimmende Variante Bild 4: Schaufelradvariante Beim Einsatz an einer Fähre ist zu beachten, dass diese nur einen Tiefgang von maximal 50 cm hat. Dadurch könnten kleine Turbinen unterhalb der Bojen (siehe Bild 1) und an der Rückseite der Fähre die Schaufelradvariante verwendet werden. 5

7 Dafür ermittelten wir die Strömungsgeschwindigkeit der Elbe durch Messungen an der Sandauer Fähre. Die theoretische Leistung einer Strömungsturbine haben wir nach der Quelle 1 berechnet aus dieser Grafik berechnet: Diagramm des Herstellers für ein größeres Modell mit ρ -Dichte, v Strömungsgeschwindigkeit, A Propellerfläche ρ = 1000 kg/m³ v = 1,4 m/s (gemessen) A = 0,8 m² (bei einem angenommen Propellerdurchmesser von 0,5 m) P Wasserkraft = 0,6 * 500 kg/m³ * 0,8 m² * (1,4 m/s)³ P Wasserkraft = 658,5 W 0,7 kw Wir gehen davon aus, dass die Strömungsgeschwindigkeit am Ufer geringer als in der Flussmitte ist. Außerdem ist in dem Diagramm die blaue Linie, elektrisch nutzbare Energie bei 1,4 m/s nur etwa 70% der errechneten Leistung. Deshalb verwenden wir noch einen Faktor von 0,25 zur errechneten Leistung, weil die Fähre die meiste Zeit an einer Uferseite liegt. Dafür können wir aber von 365 Tagen im Jahr und 24 h/tag ausgehen. E Wassekraft = 0,25 * 365 * 24* 0,7 kwh E Wasserkraft = 1533 kwh 6

8 4.4. Nutzung der Sonnenenergie Energiebilanz aus Solar Da uns aufgefallen ist, dass es auf der Fähre viele ungenutzte Flächen gibt, war auch die Nutzung von Solaranlagen möglich. Die Daten zur Ermittlung des Energiegewinnung durch eine Photovoltaik-Anlage haben wir von Dr. König erhalten, der seit fast zwei Jahren eine solche Anlage mit 47 Platten betreibt und wöchentlich die Stromgewinnung protokolliert. Für 2011 ergibt sich Energieerzeugung von kwh. Das entspricht einer durchschnittlichen Produktion von rund 244 kwh pro Platte im Jahr. Auf der Fähre lassen sich an der Längsseite (36m) problemlos 18 Solarplatten montieren: E Solar = 4392 kwh 4.5. Gesamt-Energiebilanz Zur Bestimmung der Gesamtenergiebilanz werden nun die errechneten Energiemengen addiert. E Gesamt = E Wind + E Wasserkraft + E Solar E Gesamt = 154 kwh kwh kwh E Gesamt = 6079 kwh 7

9 5. Auswertung und Anwendung Unter 4.1. haben wir den Energiebedarf der Fähre mit kwh berechnet. Die aus Wind-, Wasserkraft und Solar gewinn- und nutzbare Energie haben wir mit 6079 kwh berechnet. Wir können feststellen, dass mehr Energie gewonnen als von der Fähre verbraucht wird. Bei unseren Untersuchungen spielte die Windenergie mit einem Anteil von nur 154 kwh fast keine Rolle. Also ist die Nutzung der Sonnenenergie und der Wasserkraft zu empfehlen. Jede einzeln würde den Energiebedarf der Fähre schon decken. Bei der Berechnung der Energiebilanz sind wir allerdings davon ausgegangen, dass alle gewonnene Energie auch gespeichert und damit vollständig verwendet werden kann. Der Stadt Sandau könnten wir empfehlen, wenn die Investition möglich ist, die schwimmende Variante der Strömungsturbine unter den Bojen des Gierseiles zu verwenden, weil die Strömung hier stärker und gleichmäßiger als an der Fähre selbst ist. Auch sechs Solarmodule würden rechnerisch den Energiebedarf decken, wozu aber eine gleichmäßige Sonneneistrahlung notwendig wäre. Man könnte aber auch unsere Variante mit 18 Modulen an der Längsseite der Fähre oder eine Variante als Sonnendach (Schatten und Regenschutz für Passagiere) realisieren. Es ist geplant, unserer Erkenntnisse aus dem Projekt bei der Stadtratssitzung April oder Mai vorzustellen. Nach den Erfolgen und Empfehlungen beim Regional- und Landeswettbewerb werden wir und in der Vorbereitung auf die Präsentation vor dem Sandauer Stadtrat über zu erwartende Investitionskosten und Fördermöglichkeiten erkundigen und eine Empfehlung für eine Realisierung an der Fähre erarbeiten. Dazu wollen wir auch uns empfohlene Kontakte zur Fachhochschule Magdeburg- Stendal und zur Experimentellen Fabrik in Magdeburg herstellen, die Projekte zu Strömungsturbinen bearbeiten. 8

10 6. Das Modell Zur Veranschaulichung unseres Projektes haben wir ein Modell einer Gierfähranlage aufgebaut. Die Elbe wird durch eine 100 x 60 x 15 cm große PVC-Wanne dargestellt. Diese wird in zwei Kanäle geteilt. Der erste Kanal wird das eigentliche Modell des Flusses mit zwei Ufern (Styroporplatten) sein. In diesem befindet sich eine Pumpe, die einen Strömungskreislauf erzeugt. Der zweite Kanal ist für den Betrachter unsichtbar unter der einen Uferseite und dient zur Rückströmung des Wassers. Die Fähre ist eine schwimmende Schale, in der sich ein LEGO-RCX befindet, der zur Steuerung des Fährbetriebes dient. Auf unserer Fähre sind ein Windrad und Solarpanel vorhanden. Zusätzlich wird ein Strömungssensor verwendet. Damit können die Nutzung der drei Energiearten (Wasserkraft, Windkraft und Solarenergie) dargestellt werden. Die stromerzeugenden Geräte betreiben im Modell drei farbige Leuchtdioden, die aufleuchten, wenn die jeweilige Energiegewinnung erfolgt. Wenn die Strömungspumpe eingeschaltet ist, wird das am Strömungssensor dem RCX gemeldet. Damit leuchtet die blaue LED auf, die die Energiegewinnung durch die Wasserturbine simuliert. Schalten wir eine Halogenlampe ein, erzeugt das Solarpanel die Spannung für die gelbe LED. Das stellt die Nutzung der Solarenergie dar. 9

11 Durch die Verwendung eines Föhns erzeugen wir Wind, der das Windrad antreibt. Das wird von einem Rotationssensor dem RCX gemeldet, der die grüne LED schaltet. Damit simulieren wir die Nutzung der Windkraft. Durch den RCX wird außerdem der Wechsel der Gierseilposition an der Fähre gesteuert. Damit bewegt sich unsere Fähre, wie die richtige allein durch die Strömung zwischen den beiden Ufern hin und her. Das Programm für den RCX haben wir in RoboLab programmiert. Dieses Modell kann nach dem Jugend-forscht-Wettbewerb z.b. im Physikunterricht bei der Behandlung von Energieumwandlungen und in der Strömungslehre eingesetzt werden oder in Heimat-Sachkunde-Unterricht die Funktion einer Gierfähre demonstrieren. 7. Verwendete Quellen: 1. Wasserkraft ohne Aufstau Konzepte und deren Grenzen Albert Rubrecht, Universität Stuttgart, ( ) 3. Fähre der Stadt Sandau (auch unter 4. Wetterdaten der Wetterstation Sandau (Herr Heller) Aufzeichnungen zur Solarstromerzeugung von Herrn Dr. König 2011 Anhang nächste Seite 10

12 Datum 1.Quartal Wind (km/h) nutzbar in m/s kwh je 12 Stunden Datum 2. Quartal Wind (km/h) nutzbar in m/s kwh je 12 Stunden Datum 3.Quartal Wind (km/h) nutzbar in m/s kwh je 12 Stunden Datum 4.Quartal ,9 3,0 0, ,4 1,1 0, ,6 9,6 1, , , , ,0 2, , , , , , ,3 2,6 0, , ,9 9,9 1, ,8 10,8 1, , ,3 9,3 1, , ,3 10,3 1, ,8 3,0 0, , , ,1 12,1 1, , ,8 16,8 2, , ,2 11,2 1, ,6 3,2 0, ,4 21,4 2, , ,4 15,4 2, ,5 3,2 0, , , , , , ,9 12,9 1, , , , ,6 10,6 1, , ,5 21,5 2, , , , ,4 16,4 2, , , ,2 3,4 0, , ,8 9,8 1, , , ,8 10,8 1, , ,5 2,6 0, , , , , , , , , , , , , , ,4 15,4 2, , , , , , , , , , ,2 16,2 2, , , , , ,3 4,0 0, , ,8 16,8 2, ,4 11,4 1, ,3 3,4 0, , , ,5 10,5 1, , , , ,2 2,6 0, , , , , , , , ,3 14,3 1, ,3 10,3 1, , , ,6 22,6 2, , , ,5 10,5 1, , , ,8 12,8 1, , , , , , , ,4 4,6 0, , , , ,2 5,1 0, , , , ,4 7,1 0, , , , ,8 3,6 0, , , , ,5 4,6 0, , , ,4 2,6 0, , ,1 10,1 1, , , , ,3 14,3 1, , ,4 2,6 0, , ,0 1, , ,4 3,2 0, , ,9 9,9 1, , , , ,3 3,1 0, , , ,5 4,0 0, , ,5 11,5 1, , ,2 3,1 0, ,6 13,6 1, , , ,9 2,8 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,4 11,4 1, ,8 13,8 1, , ,5 9,5 1, ,7 13,7 1, ,3 10,3 1, ,1 2,5 0, , , ,0 3, , , , , , , ,4 12,4 1, , , ,5 14,5 1, ,4 10,4 1, , , , , ,3 13,3 1, , , , ,3 11,3 1, , , , ,5 12,5 1, , , , ,3 9,3 1, , , , ,2 13,2 1, ,4 2,6 0, , , ,1 13,1 1, ,2 0, , ,3 12,3 1, ,1 12,1 1, ,1 4,8 0, ,6 13,6 1, ,5 17,5 2, ,5 18,5 2, ,6 2,7 0, , ,6 11,6 1, ,3 17,3 2, , , , ,8 18,8 2, , , , , , , ,3 10,3 1, , ,2 18,2 2, ,3 17,3 2, ,8 4,9 0, , ,1 11,1 1, ,1 16,1 2, , , ,3 19,3 2, ,6 12,6 1, , , , ,9 14,9 1, , , , ,1 14,1 1, , , , ,8 13,8 1, , ,7 17,7 2, , , , , , , , , , , , ,2 11,2 1, ,2 2,8 0, ,8 10,8 1, ,8 10,8 1, , , ,4 9,4 1, , ,5 15,5 2, , , ,8 12,8 1, , , , ,1 16,1 2, , , , ,9 9,9 1, , , , , ,5 4,0 0, , ,9 18,9 2, , ,5 19,5 2,574 Wind (km/h) , ,9 nutzbar in m/s kwh je 12 Stunden 13,959 31,127 42,649 65,855 Gesamt: 153,590