Hauptseminar: Physik im Alltag Universität Ulm SS 2011
Hauptseminar: Physik im Alltag Universität Ulm SS 2011
Hauptseminar: Physik im Alltag Universität Ulm SS 2011
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
<strong>Hauptseminar</strong>: <strong>Physik</strong> <strong>im</strong> <strong>Alltag</strong><br />
Universität <strong>Ulm</strong> <strong>SS</strong> <strong>2011</strong><br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong> Abbildung 1
Gliederung (I)<br />
Historischer Überblick<br />
Einteilung von Wasserkraftwerken<br />
Laufwasserkraftwerk<br />
Aufbau<br />
Effizienz<br />
Ökologische Aspekte und Probleme<br />
Entwicklung<br />
Speicherkraftwerk<br />
Aufbau<br />
Eigenschaften<br />
Effizienz und Entwicklung<br />
2<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Gliederung (II)<br />
Pumpspeicherkraftwerk<br />
<br />
<br />
<br />
Prinzip<br />
Effizienz und ökologische Aspekte<br />
Forschung und Entwicklung<br />
Gezeitenkraftwerke<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Aufbau<br />
Funktionsweise<br />
Ökologische Aspekte und Probleme<br />
Effizienz und Entwicklung<br />
Wellenkraftwerk<br />
<br />
<br />
<br />
Typen<br />
Pneumatische Kammer<br />
Vergleich mit Poincaré-Maschinen<br />
3<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Wasserkraft: Historischer Überblick<br />
vor 5000 Jahren: erste Nutzung von Wasserrädern in China und<br />
Mesopotamien<br />
700 v.-700 n.Chr.: Wasserräder für Mühlen und zur<br />
Bewässerung der Felder<br />
1767: erstes Wasserrad aus Gusseisen<br />
1842: Erfindung des Vorläufers einer Wasserturbine<br />
1866: Erfindung des elektrodynamischen Generators<br />
1880: erstes Wasserkraftwerk<br />
Beginn 20.Jhd.: großes Interesse an Wasserkraft<br />
Heute: v.a. große Bedeutung zur Speicherung elektrischer<br />
Energie<br />
4<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Wasserkraftwerkstypen: Einteilung (I)<br />
<br />
Niederdruckkraftwerke<br />
geringe Fallhöhe (15 m)<br />
<br />
<br />
hohe Abflussmenge<br />
dienen nicht nur zur Energieproduktion<br />
Grundlastkraftwerke (Auslastung: >50%)<br />
<br />
Mitteldruckkraftwerke<br />
<br />
<br />
Fallhöhe 25 – 50 m<br />
meist niedrige Talsperren<br />
Grund- bzw. Mittellastkraftwerke (Auslastung: 30-50%)<br />
<br />
Nutzung: Energiegewinnung, Trinkwasserversorgung,<br />
Hochwasserschutz<br />
5<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Wasserkraftwerkstypen: Einteilung (II)<br />
<br />
Hochdruckkraftwerke<br />
<br />
<br />
<br />
Fallhöhe über 250 m<br />
in Mittel- und Hochgebirgen zu finden<br />
große Wasserspeicher<br />
Spitzenlastkraftwerke (Auslastung:
Weitere Klassifizierungen<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Auslastung<br />
Grundlastkraftwerk<br />
Mittellastkraftwerk<br />
Spitzenlastkraftwerk<br />
Leistung<br />
Kleinwasserkraftanlagen (
Laufwasserkraftwerk: Aufbau<br />
<br />
meist in Flüssen<br />
<br />
Wasser läuft direkt<br />
über Turbine oder<br />
Wasserrad<br />
<br />
Kaplan -Turbine oder<br />
Francis - Turbine<br />
Abbildung 2<br />
8<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Einschub: Kavitation<br />
<br />
<br />
<br />
Bernoulli – Gleichung:<br />
p+ 1 2 ρ v2 +ρ⋅h⋅g= p ges<br />
=const.<br />
Hohlraumentstehung, wenn statischer Druck kleiner als<br />
Dampfdruck der Flüssigkeit<br />
p stat<br />
< p D<br />
Kondensation bei Druckanstieg<br />
Flüssigkeit schlägt mit hoher Geschwindigkeit auf Turbine<br />
Entstehende Drücke: 10 10 Pa bei Frequenzen von 2 kHz<br />
Materialzerstörung<br />
<br />
Kritische Geschwindigkeit:<br />
v krit =√ 2( p ges − p d )<br />
ρ<br />
Abhilfe: hohe äußere Drücke, dünne Schaufelprofile, kleine<br />
Anstellwinkel<br />
9<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Einschub: Kaplan - Turbine<br />
<br />
Eigenschaften:<br />
Wirkungsgrad 80 – 90%<br />
Leistung bis zu 180 MW<br />
Einsatz bei Fallhöhen bis<br />
80 m<br />
Anfällig gegen Kavitation<br />
Durchfluss einstellbar mit<br />
Leitschaufeln und Laufrad<br />
Abbildung 3<br />
Abbildung 4<br />
10<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Einschub: Kaplan - Rohrturbine<br />
<br />
Eigenschaften:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hoher Wirkungsgrad<br />
bei Volllast<br />
Leistung bis zu 75 MW<br />
Hohe<br />
Durchflussmenge<br />
Geringer Platzbedarf<br />
Fallhöhe bis 25 m<br />
Einfacher Ausbau des<br />
Leitapparates und des<br />
Laufrads<br />
11<br />
Abbildung 5<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Einschub: Francis – Turbine<br />
Eigenschaften:<br />
Hohe Leistung (bis 700 MW)<br />
Hohe Anfälligkeit bei<br />
Teillastbetrieb<br />
Fallhöhe: 15 - 700 m<br />
Große Durchflussmenge<br />
Robustes Laufrad (bis 150 t)<br />
Abbildung 6<br />
12<br />
Abbildung 7<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Laufwasserkraftwerk: Effizienzmerkmale<br />
Konstanter Wasserpegel<br />
Hauptanteil an Effizienz: Turbine<br />
P mech =η Turbine ⋅η Getriebe ⋅ρ⋅g⋅h⋅˙V<br />
P el =η Turbine ⋅η Getriebe ⋅η Generator ⋅ρ⋅g⋅h⋅˙V<br />
Staudamm oder Wehr erhöhen Effizienz und<br />
ermöglichen Steuerung<br />
Diffusor erhöht Wirkungsgrad<br />
Gefahr: erhöhte Kavitation<br />
13<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Laufwasserkraftwerk: Ökologische Aspekte<br />
und Probleme<br />
Nachteile:<br />
massive Eingriffe in die Umwelt be<strong>im</strong><br />
Bau<br />
Änderung der natürlichen<br />
Flussdynamik<br />
Vorteile:<br />
Schiffbarkeit von Flüssen<br />
regenerative Energie<br />
Verlandung bzw. Versandung<br />
konstante Energieproduktion<br />
Ausfall von Überflutungen<br />
Niedriger Nährstoffgehalt der Auen<br />
14<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Laufwasserkraftwerk: Entwicklung<br />
<br />
Neubau kaum möglich<br />
<br />
Weiterentwicklung der<br />
Stromboje (geringere<br />
ökologische<br />
Auswirkungen)<br />
<br />
Ersetzen und<br />
Modernisieren laufender<br />
Anlagen<br />
<br />
Verbesserung der Turbinen<br />
Abbildung 8<br />
15<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Speicherkraftwerk: Aufbau<br />
Abbildung 9<br />
16<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Speicherkraftwerk: Eigenschaften<br />
Natürlicher Zufluss<br />
Besitzt Ober- und Unterbecken (Stauseen)<br />
Wasserschloss<br />
Entweder Francis- oder Pelton- Turbine<br />
Energiespeicher<br />
Spitzenlastkraftwerk<br />
17<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Einschub: Pelton – Turbine (Aufbau)<br />
Freistrahl Hochdruckturbine<br />
Wassergeschwindigkeit:<br />
v=√2gh<br />
Mittelscheide teilt<br />
Schaufelräder in 2<br />
Becher<br />
Abbildung 10<br />
Mehrere Laufräder pro<br />
Achse<br />
Düsendurchmesser: A<br />
18<br />
Fabian Drechsler<br />
Abbildung 11<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Einschub: Pelton – Turbine<br />
(Funktionsweise I)<br />
Elastischer Stoß<br />
Tangentialer Wasseraufschlagauf Becher mit hoher<br />
Geschwindigkeit<br />
1<br />
2 mv 2 =m gh⇒ v=√2gh<br />
F =ṁ⋅v=ρ Av 2<br />
v umlauf<br />
=r⋅ω<br />
verminderte Kraft: F 1 =ṁ⋅(v−v umlauf )=ρ A(v 2 −v⋅v umlauf )<br />
Abschirmungsfaktor für Becher: F F1<br />
Einschub: Pelton – Turbine<br />
(Funktionsweise II)<br />
Öffnungswinkel der Becher >180°<br />
Panschverluste durch Wassernebel (höhere Reibung)<br />
Rückstoß der Becher:<br />
F 2<br />
=F F2<br />
⋅F 1<br />
=F F2<br />
F F1<br />
ρ A v(v−v umlauf<br />
)<br />
F ges<br />
=F 1<br />
+F 2<br />
=ρ A v(v−v umlauf<br />
)⋅(F F1<br />
+ F F1<br />
⋅F F2<br />
)<br />
M =F⋅r=ρ Av(v−v umlauf<br />
)⋅(F F1<br />
+F F1<br />
⋅F F2<br />
)⋅r<br />
P Pelton<br />
=F⋅v=M⋅ω=ρ Av(v−v umlauf<br />
)⋅(F F1<br />
+F F1<br />
⋅F F2<br />
)⋅v umlauf<br />
v<br />
Opt<strong>im</strong>ale Umlaufgeschwindigkeit: opt<strong>im</strong>al<br />
= v 2<br />
3<br />
Leistung Opt<strong>im</strong>alfall: P Pelton<br />
=ρ A( g⋅h)<br />
2 ⋅F F1<br />
(1+F F2<br />
)⋅ 1<br />
√2<br />
20<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Speicherkraftwerk: Effizienz und<br />
Entwicklung<br />
<br />
Effizienzaspekte<br />
<br />
<br />
<br />
Hohe Fallhöhe<br />
Hauptanteil bei Turbine<br />
Becherform ausschlaggebend<br />
3<br />
2<br />
P Stausee<br />
=ρ g h⋅˙V =ρ g h⋅A⋅v=√2 ρ A⋅(g⋅h)<br />
η Pelton<br />
=<br />
Leistung Peltonturbine<br />
Leistung Stausee<br />
= F F1 (1+F F2 )<br />
2<br />
<br />
Entwicklung<br />
<br />
<br />
<br />
Entwicklung zum Pumpspeicherkraftwerk<br />
Neubau kaum möglich<br />
Untertagebau von Kraftwerken<br />
21<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Pumpspeicherkraftwerk: Prinzip<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Aufbau: analog Speicherkraftwerk<br />
Spitzenlastkraftwerk<br />
Kann überschüssige Energie aus dem Stromnetz nehmen<br />
Generator wird<br />
zu Motor bei<br />
Bedarf<br />
Zusätzlich<br />
abkuppelbare<br />
Pumpe<br />
22<br />
Abbildung 12<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Pumpspeicherkraftwerk: Effizienz- und<br />
Ökologische Aspekte<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Effizienzaspekte:<br />
70 – 85% Energierückgewinnung<br />
6% Übertragungsverluste durch Stromnetz<br />
Rentabilität strompreisabhängig (Merit – Order)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Ökologische Aspekte:<br />
erheblicher Eingriff in Ökologie und Landschaftsbild<br />
Gefahr durch Damm- und Rohrbrüche<br />
kein Ökosystem in den Staubecken<br />
23<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Pumpspeicherkraftwerk: Forschung und<br />
Entwicklung<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Forschung:<br />
Druckluftspeicher<br />
<br />
<br />
ADELE (Adiabate Druckluftspeicher für Elektrizitätsversorgung)<br />
in sehr früher Forschungsphase<br />
sog. chemische Speicher<br />
<br />
Wasserbrennstoffzellen<br />
Hohe Kosten<br />
Hohe Wirkungsgradverluste (nur noch 36%)<br />
Begrenzte Ladungszyklen<br />
Hoher Materialeinsatz<br />
Entwicklung:<br />
Ausbau und Erneuerung bestehender Anlagen<br />
Speicherkapazität bis 2020 um 2500 MW erhöhen<br />
24<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Gezeitenkraftwerk: Aufbau<br />
<br />
Ein oder zwei von Meeresbucht abgetrennte Staubecken<br />
<br />
Kaplan-Rohrturbinen <strong>im</strong> Staudamm<br />
Abbildung 13<br />
25<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Gezeitenkraftwerk: Funktionsweise<br />
Energieproduktion 4 mal täglich möglich<br />
Tidenhub liefert Wasserenergie<br />
Flut:<br />
Wasser fließt über Turbinen in den Stausee<br />
Ebbe:<br />
Wasser fließt aus dem Stausee oder<br />
Füllen des leeren Stausees mit überschüssiger Energie<br />
Turbinen treiben Generator an<br />
Zwei-Wege Kaplan-Rohrturbinen<br />
26<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Gezeitenkraftwerk: Probleme und<br />
ökologische Aspekte<br />
Probleme:<br />
kaum geeignete Buchten (100 Stück weltweit)<br />
Geringe Rentabilität<br />
kein konstanter Betrieb möglich<br />
starke Korrosion durch Salzwasser<br />
Ökologische Aspekte:<br />
Störung der Flora und Fauna in der Bucht<br />
12 Stundenzyklus wird <strong>im</strong> Staubecken verändert<br />
Behinderung von Wassertieren<br />
27<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Gezeitenkraftwerk: Effizienz und<br />
Entwicklung<br />
Effizienzaspekte:<br />
Höhenunterschied min. 5 m<br />
Max<strong>im</strong>aler Höhenunterschied: 18 m (Fundybay in<br />
Kanada)<br />
Wirkungsgrad wie Pumpspeicherkraftwerk<br />
Entwicklung:<br />
Keine Neubauten, wegen ökologischen Eingriffen<br />
nur sehr geringe Bedeutung für die Zukunft<br />
In-Flow Gezeitenkraftwerke (Turbinen <strong>im</strong> Wasser)<br />
Meeresströmungskraftwerke<br />
28<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Wellenkraftwerk: Typen<br />
Pneumatische Kammer<br />
Relativbewegung von Schw<strong>im</strong>mkörpern (Seeschlange)<br />
Rampe<br />
Ansteigender Grund in Küstennähe<br />
Bewegliche Platten, Tore oder Flossen<br />
29<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Wellenkraftwerk: Pneumatische Kammer (I)<br />
Nutzt kinetische<br />
Energie von Luft<br />
Kammer mit<br />
Meerverbunden<br />
Wells-Turbine<br />
Abbildung 14<br />
30<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Einschub: Wells – Turbine<br />
Benötigt keine<br />
Gleichrichtung durch<br />
Ventilklappen<br />
Wirkungsgrad: 40-70%<br />
Anfällig bei hohen<br />
Strömungsgeschwindigkeit<br />
en<br />
Fehlende<br />
Selbstanlauffähigkeit<br />
1. Rohrwände<br />
2. Achse<br />
3. Nabe<br />
4. Turbinenflügel<br />
5. Resultierende Kraft<br />
6. Rotationsrichtung<br />
7. Luftströmung<br />
Abbildung 15<br />
31<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Wellenkraftwerk: Pneumatische Kammer (II)<br />
Seit 2001 Anlage auf Islay (Schottland)<br />
enttäuschende Leistungsergebnisse (21 kW statt 500 kW)<br />
neue Anlage auf Farör-Inseln mit 800 MW<br />
Probleme:<br />
Schwankende Wellenenergie<br />
Zu hohe Energien bei Stürmen<br />
keine Kenntnisse von ökologischen Auswirkungen<br />
Lösungsansatz:<br />
Kopplung mehrerer Kraftwerke<br />
Kurzzeitergiespeicher (z.B. Schwungräder)<br />
32<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Wellenkraftwerk: Vergleich Poincare<br />
Maschine (I)<br />
Wellenkraftwerk funktioniert wie Poincare-Maschine auf<br />
makroskopischer Ebene<br />
Poincare-Maschine<br />
nutzt statistisch auftretende Fluktuationen<br />
Stempel werden durch Stöße <strong>im</strong> Gleichgewicht gehalten<br />
Arbeit wenn<br />
Stempel nach unten<br />
rutscht<br />
Atome geben<br />
Energie ab, die aus<br />
Bad<br />
zurückgewonnen<br />
Abbildung 16<br />
wird<br />
33<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Wellenkraftwerk: Vergleich Poincare<br />
Maschine (II)<br />
Problem:<br />
<br />
keine periodische Arbeit<br />
Fluktuationen und massive Stempel verhindern gerichtete<br />
Arbeitsübertragung<br />
Warum funktioniert Wellenkraftwerk trotzdem<br />
Wellen sind periodisch, nicht statistisch<br />
Viele Wassermoleküle<br />
Wells-Turbine nicht massiv wie Stempel<br />
34<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Vielen Dank für Eure Aufmerksamkeit<br />
35<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Abbildungsverzeichnis:<br />
1. http://www.luxist.de/luxist/wp-content/uploads/2007/08/niagara-falls4.jpg [29.6.<strong>2011</strong>]<br />
2. http://upload.wik<strong>im</strong>edia.org/wikipedia/commons/9/9b/Hydroelectric_dam_german.png<br />
3. www.hs-augsburg.de/~legoor/7.%20Semester/.../Laufwasserkraftwerke.ppt [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
4. www.hs-augsburg.de/~legoor/7.%20Semester/.../Laufwasserkraftwerke.ppt [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
5. www.hs-augsburg.de/~legoor/7.%20Semester/.../Laufwasserkraftwerke.ppt [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
6. http://de.academic.ru/pictures/dewiki/83/Sanxia_Runner04_300.jpg [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
7. www.hs-augsburg.de/~legoor/7.%20Semester/.../Laufwasserkraftwerke.ppt [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
8. http://www.bilek.at/<strong>im</strong>ages_dynamisch/Strom-Boje%202.JPG [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
9. http://www.kreiswerke-main-kinzig.de/ContentFiles/Internet/Images/direkt_energie_wasserkraft1.jpg [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
10. http://www.bdew.de/internet.nsf/id/DE_Schaubilder/$file/pelton-turbine.jpg [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
11. http://www.cink-hydro-energy.com/galerie/turbiny/galerie/pelton/pel8_big.jpg [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
12. http://www.brennstoffzellen-heiztechnik.de/wasserkraft-hauptmenue/pumpspeicherkraftwerk-infos-daten.html<br />
[01.07.<strong>2011</strong>]<br />
13. http://hanfkultur.com/gallery/gezeitenkraftwerk.jpg [04.07.<strong>2011</strong>]<br />
14. http://de.wikipedia.org/w/index.phptitle=Datei:Wellenkraftwerk.JPG&filet<strong>im</strong>estamp=20050128155444 [04.07.<strong>2011</strong>]<br />
15. http://de.wikipedia.org/w/index.phptitle=Datei:Wells_turbine_de.svg&filet<strong>im</strong>estamp=20100127010721 [04.07.<strong>2011</strong>]<br />
16. nach: Reineker, Schulz, Schulz : Theoretische <strong>Physik</strong> V, Wiley-Vch, 1.Auflage, 2010 S. 330<br />
36<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Quellenverzeichnis:<br />
Internet:<br />
1. www.hs-augsburg.de/~legoor/7.%20Semester/.../Laufwasserkraftwerke.ppt [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
2. http://de.wikipedia.org/wiki/Wasserturbine [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
3. http://de.wikipedia.org/wiki/Pelton-Turbine [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
4. http://www.enbw.com/content/de/der_konzern/_media/pdf/ausbaupumpspeicher/Infobroschuere_Pumpspeicher.pdf<br />
[01.07.<strong>2011</strong>]<br />
5. http://www.energien-erneuerbar.de/wasserkraft.html [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
6. www.hs-augsburg.de/~legoor/7.%20Semester/.../Laufwasserkraftwerke.ppt [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
7. http://de.wikipedia.org/wiki/Gezeitenkraftwerk [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
8. http://de.wikipedia.org/wiki/Pumpspeicherkraftwerk [01.07.<strong>2011</strong>]<br />
9. http://de.wikipedia.org/wiki/Wellenkraftwerk [04.07.<strong>2011</strong>]<br />
10. http://de.wikipedia.org/wiki/Laufwasserkraftwerk [04.07.<strong>2011</strong>]<br />
11. http://de.wikipedia.org/wiki/Wells-Turbine [05.07.<strong>2011</strong>]<br />
12. http://www.pa.msu.edu/~bauer/Energie/PDFs/Wasserkraftwerke.pdf [05.07.<strong>2011</strong>]<br />
Bücher:<br />
1. Reineker, Schulz, Schulz : Theoretische <strong>Physik</strong> V, Wiley-Vch, 1.Auflage, 2010<br />
2. Bührke,Wengenmayr, Erneuerbare Energien<br />
37<br />
Fabian Drechsler<br />
07.07.<strong>2011</strong>
Change language