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BMU - Projekt: QuantAS-Off – Quantifizierung von Wassermassen - Transformationsprozessen in der Arkona See (Einfluß von Offshore-Windkraftanlagen)
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PROJEKT: Da der Transport schwerer und sauerstoffreicher Bodenströmungen aus der Nordsee einen wichtigen Prozess für das Ökosystem der Ostsee darstellt, soll in diesem Projekt der Einfluß von Offshore Windkraftanlagen auf den Wasseraustausch zwischen Nord und Ostsee untersucht werden.
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Die Hauptfragestellungen innerhalb dieses Projektes sind:- Wie stark werden dichte und sauerstoffreiche Bodenströmungen in der Arkona See durch Offshore Windkraftanlagen behindert oder vermischt?
- Welchen Einfluß hat die Transformation der Wassermassen auf die Strömung des sauerstoffreichen Nordseewassers hinsichtlich des Transportes in die weiter östlich und nordöstlich gelegene Beckenstruktur der Ostsee, wie z.B. das Bornholm Becken oder das Gotland Becken?
- Welche Vorschläge für eine Verteilung und Positionierung der Offshore Windkraftanlagen können aus dem gewonnenen Wissen gemacht werden?
Einleitung:
Diese vom BMU geförderte Projekt befasst sich mit der Sensitivität und ökologischen Rolle des Wasseraustausches zwischen Nord- und Ostsee (Bereich siehe Grafik 1), wobei besonderes Augenmerk auf den Einfluß von Offshore Windkraftanlagen gelegt wird.
Die Ergebnisse der natürlichen Variabilität und Vermischungsprozesse werden mit Hilfe detaillierter Feld- und Modellstudien innerhalb des Projektes QuantAS-Off sowie eines weiteren Projektes innerhalb des Projektclusters hergeleitet. Hier wurde bereits gezeigt, dass allein die Dynamik und physikalischen Prozesse des rein natürlichen, nicht durch künstliche Strukturen gestörten, Einstromes schweren und sauerstoffreichen Salzwassers deutlich komplexer sind als bisher angenommen.
Ergebnisse, die die Stärke der natürlichen Vermischung im hydrostatischen Model der westlichen Ostsee offenlegen, sind in der Grafik 2 dargestellt.
Grundsätzlich bestehen die Studien aus folgenden Teilbereichen (siehe Grafik 3):- Labormessungen am Strömungskanal (Universität Rostock)
- Numerische Simulationen auf der lokalen Skala (Universität Hannover)
- Feldmessungen in der Arkona See, insbesondere auch nahe Brückenpfeilern der Großen Belt Brücke (Insitut für Ostseeforschung Warnemünde)
- Numerische Simulationen auf der regionalen Skala (Institut für Ostseeforschung Warnemünde)
Aufgrund des gewonnen Wissens aller Teilbereiche soll eine Parameterisierung für die zusätzliche Vermischung dichten Bodenwassers durch zylinderartige Strukturen erarbeitet werden. Basierend auf den Modellierungsergebnissen der Universität Hannover konnten erste quantitative Aussagen der zusätzlichen Vermischung erhalten werden.
Die Parameterisierung für das regionale Modell des IOW basiert auf der Annahme des quadratischen Reibungsgesetzes. Nach erfolgreicher Kalibrierung durch das gewonnene Wissen der einzelnen Teilbereiche, soll die Parameterisiserung in das regionale hydrostratische Modell der westlichen Ostsee (Institut für Ostseeforschung Warnemünde) eingebaut werden. Da dieses Modell nicht die kleinen Skalen (Wirbelstrukturen hinter Zylindern) auflöst, ist die Kalibrierung des Modells mit erfolgter implementierter Parameterisierung eine der anspruchsvollen Aufgaben innerhalb des Projektes.
Über einen Simulationszeitraum von drei Jahren, wird die realistische Simulation dann qualitative und quantitative Aussagen über die zusätzliche Vermischung von Offshore Windkraftanlagen geben.
Ergebnisse zur natürlichen Vermischung:
- Feldmessungen
Messungen aus dem Frühjahr 2004 zeigten, dass dichte Bodenströmungen bevorzugt den Kanal nördlich Kriegers Flak (eine Untiefe von ~25m Tiefe westlich des Arkona Beckens, in Grafik 4 bezeichnet als KF) auf ihrem Weg in die Arkona See passieren. Ein Ergebnis, dass hypothetisch bereits vorher durch idealisierte numerische Simulationen gezeigt wurde. Weiterhin konnte mit Hilfe von Schiffsmessungen innerhalb der transversalen Struktur einer dichten Bodenströmung der starke Anteil der transversalen Prozesse an der Gesamtvermischung aufzeigt werden. Grafik 4 (Messungen vom November 2005) zeigt die komplexe transversale Struktur solch einer dichten Bodenströmung mit Hilfe des dekadischen Logarithmus der turbulenten Dissipation (Umwandlung kinetischer Energie in Wärme) in Watt/kg:
- Modellierung
Durch idealisierte Modellstudien sowie durch das regionale Modell des Instituts für Ostseeforschung konnten die Hauptwege der dichten Bodenströmungen sowie erste Ergebnisse zur natürlichen Vermischung (siehe Grafik 2.) während ihrer Ausbreitung gewonnen werden. Nach bereits erfolgreich beendeter Validation des Modells mit Pegel-, Stations- und Schiffsmessungen von Salz, Temperatur, Geschwindikeiten und Pegelständen, zeigen aktuelle Studien zur künstlichen Vermischung (Diskretisierungsfehler) des Modells einen hohen Anteil numerischer Vermischung. Detaillierte Studien in dieser Richtung werden gerade erarbeitet.
Grundsätzlich sind diese Studien zur natürlichen Vermischung in der westlichen Ostsee, die in diesem Ausmaß vorher noch nicht durchgeführt wurden, äußerst wichtig in diesem Projekt, da ein solides Verständnis der künstlichen Vermischung durch künstliche Strukturen selbstverständlich eines der natürlichen Prozesse vorrausetzt.
Schätzungen der künstlichen Vermischung durch zylinderartige Strukturen:- Labormessungen
Die Messungen an einer geschichten Strömung mit und ohne Zylinder wurden mit Hilfe der sogenannten LIF-Technik analysiert. Der meßtechnische und konstruktive Aufbau, der so in seiner Art einzigartig ist, hat zeigen können, dass für die bisher gewählten Konfigurationen keine signifikante Vermischung der Bodenströmung durch einen Zylinder auftritt. Die Ursache für geringe Vermischung liegt darin begründet, dass die direkt gemessenenen komplexen Wirbelstrukturen direkt hinter dem Zylinder und hauptsächlich am Boden zu finden sind. Somit kann dieser Effekt die Grenzschicht zwischen leichtem und schwerem Wasser nicht signifikant beeinflussen.
- Modellierung
Die Basis der lokalen Modellierung einer dichten Bodenströmung (den Verhältnissen der Ostsee angepasst) war die Modellierung mit Hilfe der RANS Gleichungen (Reynolds averaged Navier Stokes equations). Zum Vergleich der Ergebnisse mit den wirklichen Verhältnissen in der Ostsee wurden dimensionslose Größen wie die densimetrische Froudezahl Fr (beschreibt grundsätzlich die Stabilität der Strömung), die Zylinder Reynoldszahl Re sowie das Verhältnis der Strömungstiefe zum Durchmesser des Zylinders (zum Beschreiben des Strömungszustandes um den Zylinder) verwendet. Durch die Einführung der Coriolis Kraft wurde das Problem deutlich komplexer, so dass hauptsächlich Strömungen ohne Erdrotation betrachtet wurden. Vergleiche der räumlichen Strukturen mit und ohne Zylinder zeigten Vermischungskoeffizieten die ungefähr um zwei Größenordnungen größer waren für den Einfluß des Zylinders. Auch konnte gezeigt werden, dass der Einflußbereich des Zylinders ungefähr 20 mal dem Durchmesser entspricht. Zusätzlich erhöhte Vermischung wurde ebenfalls für den Bereich der Bugwelle aufgezeigt.
Weitere Untersuchungen mit Einfluß der Erdrotation (Coriolis Kraft) konnten zeigen, dass die Vermischungsraten in diesem Fall sogar um den Faktor 5 steigen. Trotz aufwendiger Untersuchungen der Umströmung eines Zylinders mit einem geschichteten Fluid, ist die Analyse gerade mit zusätzlicher Betrachtung der Erdrotation leider noch weit davon entfernt eine allgemeine Aussage treffen zu können.
- Feldmessungen
Da momentan keine Offshore Windkraftanlagen in der Ostsee zu finden sind die bis in die Hauptpfade der Bodenströmungen hineinragen, wurden alternativ Messungen an den Brückenpfeilern der Großen Belt Brücke durchgeführt. Dort wurden Temperatur- und Salzgehaltsmessungen parallel zur Brücke stromauf- und stromabwärts (~500m Abstand zur Bücke) aufgenommen. Hier hat sich gezeigt, dass die Schichtung auf der stromaufwärts gelegenen Seite der Brücke geringer horizontaler Variablilät unterliegt – ganz im Unterschied zu den gemessenen vertikalen Schnitten auf der stromabwärts gelegenen Seite der Brücke. Hier zeigten die horizontalen Schnitte Strukturen in der Salzgehaltsverteilung, die exakt dem Abstand der Brückenpfeiler enstsprechen. Diese Messungen sollen als Grundlage für die spätere Kalibrierung des numerischen Modells (mit der implementierten Parameterisierung künstlicher Vermischung durch zylindrische Strukturen, basierend auf dem quadratischen Reibungsgesetz) dienen.
Erste Zusammenfassung
Grundsätzlich lässt sich zusammenfassen, dass Offshore Windkraftanlagen, die nicht direkt innerhalb die dichten Bodenströmungen gebaut werden, sehr wahrscheinlich keinen signifikaten Einfuß auf die Vermischungsraten haben werden. Grundsätzliche Bedenken können hingegen für den Fall angenommen werden, wenn viele Windkraftanlagen direkt in die beschriebenen Dichteströmungen hineinragen, wobei hier ebenfalls der Abstand zwischen den einzelnen Anlagen sowie deren Bauweise in Bodennähe entscheidend ist.
In jedem Falle steht bezüglich der abschießenden Bewertung der Verhältnisse in der westlichen Ostsee (Vergleich mit/ohne Offshore Windkraftanlagen) die Analyse der zusammenfassenden Ergebnisse des regionalen Modells des Instituts für Ostseeforschung noch aus.
Partner:
- Baltic Sea Research Institute Warnemunde at the University of Rostock (IOW, Koordinator)
- University of Rostock, Institute of Maritime Systems and Fluid Engineering (MST, Partner)
- University of Hannover, Fluid Mechanics Institute (FMI, Partner)
- Institute of Oceanology, Polish Aademy of Sciences, Poland (IOPAS, Untervertrag)
- In-situ Wassermesstechnik Dr. Hartmut Prandke, Deutschland (ISW, Untervertrag)
Projektdetails:
Projektlaufzeit: September 2004 - August 2009
Fördersumme für IOW: 358.607 Euro
Projektträger: PtJ Jülich - GB EEN (FKZ: 0329957)
Projektwebseite: www.io-warnemuende.de/quantas
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Grafik 1
Grafik 2
Grafik 3
Grafik 4
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Öffentlich finanzierte Forschungsprojekte 
für Projekte
io-warnemuende.de
