Gezeitenkraftwerke

Gezeitenkraftwerke​ - ein Physik Referat

Dieses Referat hat Elias geschrieben. Elias ging in die 10. Klasse. Für dieses Physik Referat hat wurde die Note 2 vergeben.
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Dies ist ein Artikel geschrieben von SchülerIn Elias, schulnote.de ist weder für die Richtigkeit noch für die Quelle verantwortlich.

Das Referat entstand im Physikunterricht der 10.Klasse (Thema: Energieformen und Energiegewinnung)

Was sind Gezeitenkraftwerke?

Gezeitenkraftwerke sind Wasserkraftwerke, die sich die kinetische und potentielle Energie von Wasser zunutze machen um elektrische Energie mithilfe von Turbinen zu gewinnen. Wasser wird zu den erneuerbaren (regenerativen) Energieformen gezählt, weil es einem ständigen Kreislauf unterliegt, dem Wechselspiel von Ebbe und Flut.

Funktionsweise

Gezeitenkraftwerke nutzen die Energie der zweimal am Tag an jeder Stelle der Ozeane auftretenden Ebbe und Flut. Die Gezeiten entstehen durch die Gravitationskraft zwischen Mond und Erde und sind immer zum Mond ausgerichtet. Die Erde dreht sich also unter den Wassermengen der Ozeane hinweg ohne sie „mitzunehmen“. Die Energie liefert demzufolge die Erdrotation. Es ist interessant zu wissen, dass die Reibung der Flutwelle an der Erdoberfläche und an den Turbinen von Gezeitenkraftwerken tatsächlich dazu führt, dass die Erde pro Tag um 0,0016 s abgebremst wird.
Voraussetzung für den Bau eines Gezeitenkraftwerkes ist ein großer Tidenhub (Höhendifferenz von Ebbe und Flut) und eine große Bucht, die durch einem Damm, in dem die Turbinen zur Stromerzeugung sitzen, vom Meer getrennt ist.
Bei Flut strömt das Wasser durch den Damm (und somit durch die Turbinen) und erzeugt das erst mal elektrische Energie, die durch Generatoren an den Turbinen abgegriffen wird. Es wird also kinetische Energie (Bewegungsenergie des strömenden Wassers) in elektrische Energie umgewandelt. Wenn sich die einkommende Flut ihrem Höchststand nähert und die Differenz zwischen dem Wasserspiegel in der Bucht und dem im Meer gering ist, kann man mit geringem Energieaufwand den Wasserspiegel in der Bucht über die Höchstmarke der Flut hinaus erhöhen. Das wird erreicht, indem man die Turbinen, durch Elektromotoren angetrieben, als Pumpe einsetzt. Dadurch gewinnt man mehr Energie, als für das Hochpumpen aufgewendet wurde.
Bei Ebbe wird der große Tidenhub genutzt, um das aufgestaute Wasser in der Bucht durch die Turbinen zurück in Meer laufen zu lassen. Nun wird die potentielle Energie des Wassers in der Bucht mithilfe der Turbinen in elektrische Energie umgewandelt.
Es wird also beim Einlaufen in die Bucht sowie beim Auslaufen zurück ins Meer elektrische Energie gewonnen.

Die Kaplanturbine

In Gezeitenkraftwerken werden ausschließlich Kaplanturbinen verwendet. Sie wurde von dem österreichischen Ingenieur Viktor Kaplan zwischen 1910 und 1924 in Brünn entwickelt. Die Schaufeln der Turbine sind verstellbar, damit die Turbinenleistung an das schwankende Wasser angepasst werden kann. Außerdem kann sie, von Elektromotoren angetrieben, als Pumpe arbeiten (siehe oben). Kaplanturbinen haben einen Wirkungsgrad von etwa 80% – 90%. Das heißt, dass die Energie, die das Wasser besitzt, zu 80% – 90% in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Ursache für diesen Energieverlust ist, dass bei der Reibung an den Turbinen immer ein Teil der Energie in thermische Energie umgewandelt wird und so für die Nutzung verloren geht.

Geschichte, Gegenwart und Zukunft von Gezeitenkraftwerken
Dass Wasserkraft in Energie umgewandelt werden kann, ist bereits in einem griechischen Gedicht aus dem Jahre 85 v.Chr. belegt. Neben den durch Flusswasser angetriebenen Mühlen wurden schon im Mittelalter (4. bis 16. Jahrhundert n.Chr.) viele Wasserräder durch die Kraft der Gezeiten bewegt. Allein an den englischen Küsten, vor allem an den Mündungen der Flüsse „Severn“ und „Trent“ ist für das 11. Jahrhundert der Betrieb von mehr als 5000 Gezeitenmühlen belegt. Mit der Entwicklung von Turbinen im 19. Jahrhundert rückte die Gewinnung von elektrischer Energie aus Wasserkraft in greifbare Nähe. Doch die Pläne, die Wasserkrafttechniker schon vor 70 Jahren schmiedeten, konnten erst 1966 verwirklicht werden, als das weltweit erste Gezeitenkraftwerk in La Rance (Nordwestfrankreich) nach fünfjähriger Bauzeit seinen Betrieb aufnahm. Zwei, je 705m lange Dämme mit jeweils 24 Kaplanturbinen waren entstanden, die jährlich rund 540M kWh Strom erzeugen. Die Voraussetzung für den wirtschaftlichen Betrieb ist ein großer Tidenhub, der in der Mündung des Flusses „Rance“ etwa 12m beträgt. Dieser Gezeitenunterschied sorgt dafür, dass genügend Meerwasser in das 22km² große Staubecken strömt. Pro Sekunde fließen etwa 260m³ Wasser durch die Turbinen.
Weitere Kraftwerke gibt es an den Küsten Chinas, Russlands und Kanadas. Auf der Erde gibt es lediglich 100 geeignete Bauplätze für ein solches Gezeitenkraftwerk. Der nötige Tidenhub ist auch der Grund dafür, dass es an deutschen Küsten keine Gezeitenkraftwerke gibt, da der Tidenhub dort nur 2m – 3m beträgt und der Bau eines solchen Kraftwerkes somit unwirtschaftlich wäre.
Auch in Zukunft werden wahrscheinlich keine Gezeitenkraftwerke mehr gebaut, da es einerseits andere und bessere regenerative Energieformen gibt (Windenergie; On- und Offshoreanlagen) und andererseits die Amortisationszeit (die Zeit, in der die Investitionskosten relativiert sind) mit 60 Jahren zu hoch ist.

Vorteile und Nachteile

Nachteile: zu lange Bauzeit; die Energie, die weltweit mit Gezeitenkraftwerken erzeugt werden könnte, liegt unterhalb des Energiejahresbedarfs Deutschlands; die meisten Länder haben keine geeigneten Bauplätze; Gezeitenkraftwerke können im günstigsten Fall nur 2000h der 8760h eines Jahres betrieben werden, da in der restlichen Zeit kein Gezeitenhub besteht; Gezeitenkraftwerke stellen einen tiefen Eingriff in die betroffenen Ökosysteme dar (der Damm beispielsweise stellt eine unüberwindbare Barriere für Meeresbewohner dar; die Dynamik der Wasserstände wird durch die zeitweise Stauung des Wassers gestört)
Vorteile: keine Luftverschmutzung wie bei Kohlekraftwerken; keine unmittelbare Gefahr für die Menschen wie bei Atomkraftwerken.

Internet, Schulmaterialien

Direktor Schulnote.de

Elias

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Physik
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