Projekt Freistrahlanlagen im Banter See Wilhelmshaven

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Projektleitung: Prof. Dr.-Ing. P. Lücking

verfasst:         30.01.2007

Veranlassung, technisch-biologische Wirkungsweise

Das vermehrte Auftreten von toxischen Cyanobakterien (Blaualgen) im Banter See bei bestimmten Sommerwetterlagen führt alljährlich zu Badeverboten. Ein Zurückdrängen der Blaualgen scheint mit verschiedenen Maßnahmen möglich zu sein:
- Sanierung durch Unterbindung der Nährstoffzufuhr (Phosphatelimination).
- Restaurierung durch strömungstechnische Maßnahmen zur Durchmischung (Destratifikation) und Sauerstoffzufuhr für einen ausgeglichenen Haushalt.
Eine ausführliche Diskussion des derzeitigen den Banter See betreffenden Kenntnisstands ist mit der Bestandsaufnahme vom Oktober 2006 /1/ vorgelegt worden.

Das Institut für Energie-, Verfahrens- und Umwelttechnik (EVU) der Fachhochschule in Wilhelmshaven propagiert als strömungstechnisches Verfahren zur Seen - Restaurierung den Freistrahl /2/. Der Freistrahl ist in der Lage, seinen anfangs geförderten Volumenstrom unterwegs zu vervielfachen, indem benachbarte Fluidbereiche durch turbulente Reibung mitgezogen werden, und damit großräumige Bewegungen im Fluidvolumen in Gang zu setzen. Er soll, in einem See eingesetzt, eine eventuelle sommerliche Temperatur - Schichtung gar nicht erst entstehen lassen (Destratifikation) und damit den Wind in die Lage versetzen, als hauptsächliche treibende Kraft das gesamte Seevolumen umzuwälzen. Diese Umwälzung würde sonst nur auf die warme oberflächennahe Schicht begrenzt sein.
Die direkt oder indirekt vom Freistrahl hervorgerufene Umwälzung bringt warmes und sauerstoffreiches oberflächennahes Wasser in die Tiefe, wo für aerobe Zersetzungsprozesse ein großer Sauerstoffbedarf besteht. Dieser kann bei starker Temperatur - Schichtung und mangelnder Umwälzung nicht gedeckt werden, so dass es in der Tiefe zu einer erheblichen Abnahme des Sauerstoffgehalts kommen kann. Eine ausreichende Sauerstoffversorgung behindert die Freisetzung von Phosphaten aus dem Sediment (Rückdüngung). Sie fördert ferner die Artenvielfalt relativ zu den Algen, die keinen freien Sauerstoff benötigen.
Die Durchmischung des Wasserkörpers und seine mangelnde Ruhe beeinflussen die Konkurrenz zwischen den Algen und den Cyanobakterien zugunsten der Algen:
Die Algen erhalten ebenfalls Auftrieb in die hellere Oberflächennähe, auf die sie mehr angewiesen sind als die schattentoleranten Cyanobakterien. Die Cyanobakterien sind darüber hinaus in der Lage, selbst ihren Auftrieb zu steuern, damit in hellere Schichten aufzusteigen und der Konkurrenz das Licht abzudecken. Die Sichttiefe wird generell verbessert.

Im Sommerhalbjahr 2006 wurde seitens EVU ein Versuch mit einem Freistrahl - Apparat im Accumer See durchgeführt, der vergleichbare Blaualgen - Probleme hat. Eine gewisse positive Veränderung machte sich schon im ersten Jahr bemerkbar (Destratifikation, erhöhter Sauerstoffgehalt in der Tiefe), allerdings muss betont werden, dass es sich um eine Maßnahme handelt, die über mehrere Jahre durchgeführt werden muss, weil das biologische System mit einer großen Verzögerung reagiert. Erst dann können ggf. Änderungen aufgrund des Freistrahls vor allem unabhängig von den jährlichen Wetterunterschieden nachgewiesen werden. Das Wetter übt natürlich einen entscheidenden Einfluss auf das biologische Geschehen im See aus. Der Versuchsapparat diente nicht zuletzt dem Nachweis der technischen Machbarkeit und dem Sammeln von Betriebserfahrung. Ein ausführlicher Bericht findet sich in /1/. Der Versuch wurde mit regelmäßigen Gewässerparameter-Messungen vom Forschungszentrums Terramare begleitet /3/.

Strömungstechnische Anforderungen

Der Banter See hat eine Fläche von ca. 1,15 Mio m2 und damit bei einer mittleren Wassertiefe von 10 m ein Volumen von ca. 11,5 Mio m3. Er liegt lang gestreckt etwa in West - Ost - Richtung und weist bei einer Engstelle in der Mitte eine deutliche Zweiteilung auf (s. Abb.). Diese topographische Gegebenheit legt den Einsatz von zwei Freistrahl - Apparaten nahe.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Die Festlegung des geförderten Volumenstroms Q einer Anlage richtet sich nach dem Seevolumen V:
Q = V / T, wobei T der theoretischen Zeit entspricht, in der das Seevolumen einmal vom Freistrahl - Propeller gefördert worden ist. Diese Zeit beträgt bei der Einzelanlage im Accumer See etwa 3.500 Stunden (V = 1,97 Mio m3, Q = 560 m3/h). Nach den Betriebserfahrungen im Sommer 2006 erscheint dieser Wert zu hoch, d.h. der realisierte Volumenstrom zu niedrig. Eine vergleichbare Umwälzanlage ("Solar Bee" /4/ mit anderem Mischungsprinzip) geht von etwa 1.650 Stunden aus.
Für den Banter See sind die folgenden Größen zugrunde- bzw. festgelegt worden:

Seevolumen

11,5 Mio m3

Theoretische Umwälzzeit

1.600 h

Gesamtvolumenstrom beider Apparate

120 m3/min

Volumenstrom eines Apparates

60 m3/min = 1 m3/s

Der Volumenstrom eines Freistrahls wird von einem Propeller mit großem Durchmesser gefördert, da bei der großen Reichweite eines Freistrahls nur eine kleine Anfangsgeschwindigkeit notwendig ist und die Antriebsleistung des Propellers mit der dritten Potenz dieser Geschwindigkeit wächst. Rechnerische Untersuchungen lassen einen Durchmesser von D = 1,3 m als optimal erscheinen.
Die notwendige Strömungsleistung für den Freistrahl erfordert ein Mehrfaches an elektrischer Antriebsleistung aufgrund eines mäßigen zu erwartenden Wirkungsgrads. Gegenüber der Accumer Anlage wird aber durch konstruktive Verbesserungen eine deutliche Steigerung erwartet. Die Propeller - Drehzahl ergibt sich abhängig von seiner Schaufelsteigung (z.B. 10%).
Die folgende Tabelle zeigt die Verhältnisse für verschiedene Anfangsgeschwindigkeiten bzw. Volumenströme. Freistrahl - Berechnungen ergeben die verbleibenden Strömungsgeschwindigkeiten im Strahlzentrum nach z.B. 15 oder 20 m Lauflänge. 15 m lang ist etwa der Weg zum Seegrund bei 10 m Wassertiefe und einer Strahlneigung von 45 Grad. 20 m lang ist der Weg bei 30 Grad Strahlneigung.

Durchmesser D [m]

1,3

1,3

1,3

1,3

1,3

Anfangsgeschwindigkeit co [m/s]

0,50

0,75

1,00

1,25

1,50

Volumenstrom Q [m3/s]

0,66

1,00

1,33

1,66

1,99

Strömungsleistung Pfl [kW]

0,08

0,28

0,66

1,30

2,24

Antriebsleistung Pel [kW] bei eta = 0,15

0,55

1,87

4,42

8,64

14,93

Antriebsleistung Pel [kW] bei eta = 0,25

0,33

1,12

2,65

5,18

8,96

Drehzahl [rpm] bei phi = 0,1

73

110

147

184

220

c15 [m/s]

0,28

0,43

0,57

0,71

0,85

c20 [m/s]

0,21

0,32

0,43

0,53

0,64

Der elektrische Antrieb muss so dimensioniert werden, dass u.a. wegen des unsicheren Wirkungsgrads eine Leistungssteigerung über eine Drehzahlerhöhung relativ zum rechnerischen Auslegungspunkt möglich ist.
Die beiden Freistrahl - Apparate werden in WSW - Richtung ausgerichtet, als Kompromiss zwischen der vorherrschenden SW - Windrichtung und der Längsrichtung des Sees. Sie arbeiten auf diese Weise gegen die Windrichtung und den damit verbundenen Rücktransport oberflächennaher Wasserschichten.
Die Apparate sollen etwa ½ Jahr von Mitte April bis Mitte Oktober betrieben werden. Sie werden elektrisch angetrieben.

Konstruktion

Aufbau und prinzipielle Antriebsart werden von der Anlagenkonstruktion für den Accumer See übernommen. Bewährt haben sich dort die Stahlrahmenkonstruktion mit vier quaderförmigen Styrodur - Schwimmkörpern, der Montagegalgen, Propeller und Gehäuse sowie der elektrische Anschluss. Problematisch war der Riemenantrieb, der für den Banter See von einem Direktantrieb ersetzt wird. Ferner bekommt das Propellergehäuse eine strömungsgünstige Einlaufkontur. Beide Neuerungen werden die Leistungsverluste reduzieren.

CAD-Modelle
 

Bant1                                                                     Bant2

Literatur

/1/ Liebezeit, G., Engel, S., Lücking, P.. Banter See Bestandsaufnahme Oktober 2006
/2/ Michele, J., Michele, V. (2002). The Free Jet as a Means to Improve Water Quality: Destratification and Oxygen Enrichment, Limnologica 32, 329-337
/3/ Jin, H. (2006). Einfluss der aktiven Durchmischung von Seen auf das Wachstum toxischer Cyanobakterien. Diplomarbeit Carl von Ossietzky-Universität Oldenburg, pp. 129
/4/ http://www.solarbee.com

30.01.2007, Lü

AnhangGröße
BS_Bericht_2008.pdf1.25 MB
BS_Bericht_2009.pdf2.3 MB
BS_Bericht_2010.pdf892.72 KB
BS_Bericht_2011.pdf2.04 MB
free-jet.pdf8.01 MB