DE102009008093A1

DE102009008093A1 - Verfahren und Einrichtung zur biomassegestützten Abgas-, insbesondere CO2-Entsorgung

Info

Publication number: DE102009008093A1
Application number: DE200910008093
Authority: DE
Inventors: Hermann-Josef Wilhelm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: DE102009008093B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, sowie eine Einrichtung zur biomassegestützten Abgas-, insbesondere CO-Entsorgung, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 7. Um hierbei zu erreichen, dass die Menge an Biomasse maximiert und dadurch auch die Menge des verstoffwechselbaren COmaximiert werden kann, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass in einem Gewächshaus für Biomasse eine Einrichtung zur Erzeugung von Energie oder Energieträgern und/oder eine chemische Produktionseinrichtung integriert ist, derart, dass die Energie- oder Energieträger-Erzeugungseinrichtung und/oder die chemische Produktionseinrichtung die im Gewächshaus erzeugte Biomasse und die in der Einrichtung erzeugte CO-Menge und/oder die anfallende Wärmemenge in einem zumindest teilweise geschlossenen Stoff- und CO-Kreislauf im Gewächshaus verbleiben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, sowie eine Einrichtung zur biomassegestützten Abgas-, insbesondere CO₂-Entsorgung, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 7.
Im globalen Maßstab sollen mit so genannten Emissionsrechten CO₂-starke Emitenten verpflichtet werden, um eine Limitierung der Emission zu erreichen, und/oder andernorts wirksame CO₂-Senken oder Absorber für die biologische oder technologische Absorption von CO₂ zu vergüten. Im globalen Maßstab erhofft man sich daraus eine zumindest teilweise Kompensation von CO₂.
Bei dieser Betrachtung wird eine im globalen Maßstab erfasste Emissionsquelle, bspw. ein Kohlekraftwerk hinsichtlich der Klimarichtlinie von einer Energieerzeugungsquelle bspw. einem Windkraftwerk oder einem Biomassekraftwerk gegenkompensiert, welches CO₂-neutrale Energie erzeugt. In Summe soll dann der Anteil des erzeugten Stromes bis 2020 zu 25% aus regenerativer Energie gebildet werden.
Mit anderen Worten heisst dies, dass an einem Ort der Welt CO₂ produziert wird und von der Atmosphäre transportiert werden muss, damit dies andernorts wieder regeneriert, d. h. durch Biomasse wieder verstoffwechselt werden kann.
In globaler theoretischer Summe betrachtet ist dies richtig. Dennoch wird bei genauerer Betrachtung klar, dass die Atmosphäre das emittierte CO₂ transportieren muss. Die Atmosphäre wird also auch bei dieser kompensierten CO₂-Betrachtung belastet, d. h. zumindest für den Transport. Schon dies führt aber zu negativen Klimaeffekten.
Es sind Verfahren und Einrichtungen zur Einleitung von CO₂-haltigem Gas als Dünger in ein Pflanzenanbaufeld bekannt.
Dabei ist gezeigt worden, dass CO₂ durch Bodeneinleitung eine den Pflanzenwuchs enorm steigernde Wirkung hat. Auch die Luftdüngung in Gewächshäusern mit CO₂ oder CO₂-haltigem Gas ist bekannt, und hat die genannte wuchsfördernde Wirkung.
Ein weiterer Aspekt, ist dass die Düngemittelpreise tendenziell deutlich steigen. In Bezug auf den Anbau von Biomasse zur Energieerzeugung führen die steigenden Düngemittelpreise zu entsprechenden Kostensteigerungen, die den sogenannten Energieanbau von Biomassepflanzen verteuert.
Weiterhin ist aus der WO/2007/012313 ein Gewächshaus bekannt, in welchem mehrere Etagen vorgesehen sind. Dabei ist dort vorgeschlagen, dass in unteren Etagen sogenannte Anzuchtflächen vorgesehen sind, auf welchen Jungpflanzen angesetzt werden. Später erfolgt dann eine Umschichtung der angewachsenen Jungpflanzen auf höheren Etagen. In Bezug auf die Anzucht neuer Pflanzen mag dies vorteilhaft sein, aber für andere Anwendung ist dies ungeeignet, weil die Umbettung oder Umsetzung der Etagen einen hohen funktionellen aber auch energetischen Aufwand erfordert.
Solche bekannten Konzepte sind auf optimierte Wachstumsbedingungen in einem Gewächshaus appliziert. Dabei sind die einzelnen Vorgehensweisen aber unbrauchbar, wenn es darum geht im Endeffekt eine optimierte CO₂-Eliminierung zu erreichen.
Daher besteht ein Bedarf in der Konstruktion von Einrichtungen und dem Entwickeln von Verfahren, bei welchen die CO₂-verstoffwechselnde Biomasse möglichst effizient in einer zentralen Einrichtung dem aufgesammelten CO₂-haltigen Abgas zugeführt werden kann, oder umgekehrt. Dabei ist die Zielvorgabe zum einen eine hohe wirksame Energiemenge an Sonnenlicht einzufangen, welches die Photosynthese anschiebt, und andererseits aber auch große stoffwechselaktive Biomassemengen in teilweise oder ganz abgeschlossenen Systemen bergen zu können. Dies verlangt spezifische Gewächshauskonstruktionen, die speziell auf diesen Zweck hin konzipiert sein müssen.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung dahingehend weiter zu entwickeln, dass die Menge an Biomasse maximiert und dadurch auch die Menge des verstoffwechselbaren CO₂ maximiert werden kann.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.
Im Hinblick auf eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art ist die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 7 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist hierbei, in einem Großgewächshaus für Biomasse eine Einrichtung zur Erzeugung von Energie oder Energieeträgern und/oder eine chemische Produktionseinrichtung zu integrieren, derart, dass die Energie- oder Energieträger-Erzeugungseinrichtung und/oder die chemische Produktionseinrichtung die im Gewächshaus erzeugte Biomasse und die in der Einrichtung erzeugte CO₂-Menge und/oder die anfallende Wärmemenge in einem zumindest teilweise geschlossenen Kreislauf im Gewächshaus verbleibt.
Mit anderen Worten resultiert dies in eine von einem Gewächshaus umgebene somit praktisch eingehauste Bioethanolanlage und/oder eine chemische Produktionsanlage etc. Thermische Energie wird dabei NICHT vergeudet und ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Energie- und Masseströme werden durch die logistische Nähe von einzutragender Biomasse optimiert.
In Summe entsteht ein geschlossener Energie- und Massetrom-Haushalt.
Es wird eine maximierte zusammengehaltene Energiedichte sowohl thermisch als auch optisch optimiert erreicht. Dadurch wird eine direkte Kausalität zu optimierten Massenströmen von Biomasse erreicht. Daraus resultiert wiederum ein maximierter optimierter Output an Energie, Energieträgern und chemischen Substraten oder Produkten, bei gleichzeitiger CO₂-Neutralität des Prozesses.
In weiterer verfahrensgemäßer Ausgestaltung ist angegeben, dass innerhalb des Gewächshauses, welches hochbauend ausgestaltet ist, ein statisches turmförmiges Zentralelement angeordnet ist, durch welches das Gewächshaus nicht nur statisch belastbarer wird, sondern innerhalb des Gewächshauses eine selbsttätige durch Thermik betriebene Luftumwälzung stattfindet.
Weiterhin ist ausgestaltet, dass die Abwärme der innerhalb des Zentralementes integrierten Produktionseinrichtung (Bioethanol-, Biogas, Stromerzeugung, etc.) mit in den Aufwind innerhalb des Zentralelementes eingespeist wird. Damit addiert sich dieser Aufwindbeitrag zu dem der schon alleine durch den barometrischen Höhenunterschied entsteht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Produktionseinrichtung eine Biogaserzeugungsanlage ist, bei welcher das gesamte Biogas unter Druck im Wasser eingesprudelt wird, so dass sich das CO₂ in Wasser löst und zur CO₂-Düngung der Biomasse rückgeführt wird, und das so im Methangehalt aufkonzentrierte Biogas als Energieträger abgezogen wird.
Um eine optimale Nutzung des Gewächshauses unter dem Aspekt der Optimierung des Biomasseertrages sowie auch der Optimierung der CO₂-Bindung zu erreichen ist vorteilhaft ausgestaltet, dass das Gewächshaus in lichtschwache und lichtstarke Sektionen eingeteilt wird, und dass eine sektionsweise unterschiedliche Kunstlichtausleuchtung des Gewächshauses vorgenommen wird, derart, dass nur in ausgesuchten Sektionen Kunstlichtbetrieb und/oder Tag-Nacht-gesteuerter Kunstlichtbetrieb vorgenommen wird.
Weiterhin ist ausgestaltet, dass dem Gewächshaus außerhalb liegend oder stehend geschlossene, aber temporär öffenbare Behältnisse aus lichtdurchlässigem Wandmaterial beigeordnet sind, in welchen Biomasse eingebracht wird, und über einen CO₂-Anschluss, sowie einen Warmluft-/Warmwasseranschluß von außen CO₂ und Wärme oder Abwärme zugeführt wird, und dass die Behältnisse zeitweise zur Erntung der Biomasse geöffnet und/oder insgesamt abtransportiert werden.
Bei den Einsprudelungen von CO2 in Wasser können Konzentrationen von 0,03 bis 3 gramm CO₂ pro Liter eingesetzt werden. Der Oberwert von 3 gramm pro liter kann ggfs. in der Zukunft noch durch Neuzüchtungen überschritten werden.
Gegenstand der einrichtungsgemäßen Erfindung und damit Gegenstand des Patentanspruches 7 ist eine geeignete Gewächshauskonstruktion, um das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zu betreiben.
Dabei ist das Gewächshaus hochbauend, und mit einem statischen Zentralelement versehen, über welches eine etagenweise Anordnung der Pflanzungsetagen statisch ausgesteift ist, wobei der innere Hohlraum dieses als Säule ausgebildeten statischen Zentralelementes zur Aufnahme eines Bioethanolwerkes und/oder eines Biogaswerkes und/oder einer Biogasaufmethanisierungseinrichtung und/oder eines Pelletierwerkes etc. dient. Es ist auch denkbar eine Ölmühle zur mechanischen und/oder chemischen Gewinnung von Fettsäuren und/oder Ölen aus Biomasse zu integrieren.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die anfallende Abwärme der in das statische Zentralelement integrierten Anlage über Rohrleitungssysteme mit in das Gewächshaus einspeisbar ist, insbesondere zum Beheizen, der lichtärmeren inneren Zone des Gewächshauses.
Bei sämtlichen oben beschriebenen Anlagen fällt Abwärme an, die ansonsten ungenutzt in die Umwelt gelangt.
Zuweilen werden bei bekannten Gewächshäusern auch Wärmenachverstromungen vorgenommen. Hierbei ist jedoch zu beachten, dass die Nachverstromung von Niedertemperaturwärme einen Wirkungsgrad von typisch unter 10% aufweist.
Schon von diesem Standpunkt her ist die direkte Wärmenutzung im Gewächshaus, in ansonsten fremd zu beheizenden Zonen, oder zum Ganzjahresbetrieb, besonders deshalb so effizient, weil damit nicht gesondert geheizt werden muss. Damit steigt der Gesamtwirkungsgrad der gesamten Einrichtung in Bezug auf die bspw. ganzjährige Jahreszeitenunabhängige Erzeugung von Biomasse.
Dass das statische Zentralelement sowie das Gewächshaus hochbauend ist hat die Wirkung, dass sowohl innerhalb des rohrförmigen Zentralelementes als auch an seiner Außenoberfläche, die innerhalb des Gewächshauses liegt, ein durch sowohl den barometrischen Höhenunterschied als auch durch die Zuführung thermischer Abwärmeenergie im Bodenbereich Aufwind erzeugt wird, der zu einer thermischen Durchmischung der CO₂-reichen zugeführten Abluft der im Zentralelement integrierten Anlage im Gewächshaus dient.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass oben im Gewächshaus, oder im Zentralelement im oberen Bereich Mittel zur Erzeugung elektrischer Energie aus Aufwind integriert sind, und dass über diesen Aufwindgenerator elektrische Energie erzeugt wird, zum Betrieb einer nächtliche LED-Beleuchtung, zur Maximierung der Photosynthesetätigkeit der Biomasse auch in Nachstunden, und/oder lichtarmen Tageszeiten.
Weiterhin ist vorteilhaft ausgestaltet, dass die Etagen im Gewächshaus mit flachen Wasserwannen ausgestattet sind, in denen starkwüchsige Biomassenpflanzen in Form von Wasser- oder Schwimmpflanzen angeordnet sind, und dass die Wannen in einem nach oben gebauten Gestell mit lichteinfallsbezogenen Zwischenräumen platziert sind, und dass die Statik dieses Gestells zusätzlich zu vertikalen Trägern auch horizontal durch Querverbinder am Zentralelement befestigt und statisch so abgefangen sind.
In weiterer Ausgestaltung ist angegeben, dass zumindest die dunkleren Innenbereichen mit Kunstlicht/LEDs beleuchtet werden, die vorzugsweise im Blitzbetrieb betreibbar sind. Bekanntermaßen genügt zur Aufrechterhaltung der Photosynthese auch der gepulste Blitzbetrieb, statt Dauerbetrieb der Beleuchtung.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass zumindest ein Teil der oberen lichtdurchlässigen Außenfassade mit optisch teildurchlässigen photovoltaischen Elementen versehen ist, derart, dass zumindest ein Teil der für die Photosynthese notwendigen Wellenlängenbereiche des Sonnenlichtes durchgelassen werden, während ein weiterer Teil des Sonnenlichtes in den photovoltaischen Zellen in Strom umgewandelt wird. So wird nicht nur elektriche Energie erzeugt, sondern die Spitze des Gewächshochhauses wird tags vor Überhitzung und nachts vor Frost gesichert.
In weiterer Ausgestaltung ist angegeben, dass das Gewächshaus pyramidal ausgestaltet ist, und das Zentralelement im Zentrum angeordnet ist und bis unter die Spitze der Pyramide oder bis kurz davor reicht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass das Gewächshaus als Großgewächshaus angelegt ist.
In Bezug auf die vorteilhaft verwendeten Pflanzen die eine extrem starkwüchsige Biomasse unter erhöhter CO₂ Zufuhr darstellen geben die Verwendungsansprüche eine Liste von Pflanzen wieder.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt:
1: Prinzipieller Aufbau eines pyramidalen Gewächshauses mit Stellagen
2: Prinzip selbsttätige Wärme- und CO₂-Umwälzung
3: Darstellung qualitativer konstruktiver Parameter des Aufwindturmes.
4: Perspektivische Darstellung mit zentrierter Positionierung des Aufwindturmes
5: Darstellung einer Ausgestaltung mit extern erweiterbarer Biomasseproduktionskapazität
Prinzipiell wird bei dieser Erfindung eine erfindungsgemäße Gewächshausgestaltung mit einem geschlossenen CO₂-Zyklus, einem Biomassezyklus, einem geschlossenen Wärmezyklus mit einer Energie- oder Energieträgererzeugungeinrichtung kombiniert. Entstehendes CO₂ wird entweder als Abgas wuchsfördernd direkt zugegeben, oder das Abgas wird druckgeladen in Wasser aufgesprudelt und im zirkulierenden Wasser innerhalb des Gewächshauses zur Wässerung der Pflanzen transportiert.
Dabei entgast das Wasser dann stetig wieder CO₂ in der Nähe der Pflanzen.
Grundsätzlich gilt auch für das oben Gesagte, dass bei druckaufgeladener Einleitung von CO₂ in Wasser also im wesentlichen in H₂O gelöste Kohlensäure, d. h. H₂CO₃ in Wasser entsteht. So wird das CO₂ bei der genannten Einleitung in Wasser unter Druck zu dieser genannten gelösten Kohlensäure.
Erfindungsgemäß wird zur Herstellung von kohlesäurereichem Wasser das Kohlendioxid aus ABGASEN verwendet, um damit dann die Düngung der Biomasse vorzunehmen.
Bei der Verwendung von Wasserlinsen aber auch der sogenannten Wasserhexe wird regelmäßig geerntet. Die Erntung erfolgt durch Kippung der Wannen und ein Abschütten nach unten.
Bei Wasserlinsen sind dies alle 5 bis 14 Tage.
Weiterhin vorteilhaft verwendbare Pflanzen sind weiter unter noch durch ihr botanisches Taxon klassifiziert und aufgelistet.
1 zeigt ein erstes prinzipielles Ausgestaltungsbeispiel. Die Abgase einer Abgas-, bzw. Industrieanlage 1 werden nicht durch den Schornstein geschickt, sondern zunächst durch einen Gaswäscher 2. Sodann wird das CO₂-haltige Abgas in einen Druckspeicher 3 gegeben, bei dem unter Druck, von etwa 1 bis 10 Bar Wasser mit zugegeben wird, so dass sich Kohlensäure in Wasser bildet. Dabei wird der Anteil CO₂ von 0,05 bis 0,5 Gramm pro Liter Wasser eingestellt, weil diese Wertespanne optimal düngt und gleichzeitig eine Übersäuerung der Biomasse ausschließt.
Sodann wird das aus Abgas gewonnene kohlensäurehaltige Wasser über ein Rohrleitungssystem 6 in die besagten Wannen 5 geleitet. Dabei wird der Füllstand so kontrolliert, dass immer nur soviel Wasser nachgeführt wird, wie verbraucht wird, verdampft und ggfs. von der Pflanze verstoffwechselt wird. Die Wannen sind dabei in einem teilangeschlossenen System angeordnet, welches aus einer lichtdurchlässigen Wandung 4 besteht. Dieses System ist dabei wie hier bspw. pyramidal ausgestaltet, so dass eine optimale lichteinwirkende Oberfläche für die besagte Photosynthese entsteht. Gleichzeitig wird auch noch kohlensäurehaltiges Wasser innerhalb dieses System entspannt, so dass Kohlensäure wieder als CO₂ ausgast (weil diese Vorgang reversibel ist) und innerhalb dieses mit Biomasse gefüllten Raumes auch zusätzlich CO₂ Luftdünger angeboten wird. Die Wannen 5 sind hierbei bspw. kippbar, so dass wenn diese Oberfläche bspw. mit Wasserlinsen sich schlüssig gebildet hat, dieselben durch Kippung teilweise abgeschüttet werden. Hierzu ist im Boden der Wannen 5 jeweils ein Lichtsensor angeordnet, der dann nahezu vollständig abgedunkelt wird, wenn die Oberfläche vollständig zugewachsen ist und geerntet werden muss.
Unten ist eine Fördereinrichtung, so dass die abgeschütteten Wasserlinsen automatisch gesammelt und zur Weiterverabreitung herausgefördert werden können.
Oben am pyramidalen Körper, der das teilabgeschlossene System darstellt, ist eine Ablassklappe 8 oder ein Ablassventil angeordnet, damit überschüssiges Gas, d. h. auch durch Photosynthese gebildeter Sauerstoff oben abgeführt werden kann.
Nun wird die abgaserzeugende und die Biomasse wieder nutzende Produktionsanlage (in gestrichelter Umrahmung) in das Gewächshaus integriert. Die bauliche Integration erfolgt dabei aber nunmehr mit dem statisch austeifenden Zentralelement. Hierzu zeigt die nächste Figur unter anderem die Integration der besagten Produktionseinrichtung direkt in das turmförmige Zentralement des Gewächshauses. Dabei findet eine Ankopplung an einen geschlossenen Wärme-, CO₂-, Stoff(Biomasse)-kreislauf statt, der die minimalsten Transportwege erzeugt, und außerdem auch eine durch gemeinsamen Wärmekreislauf zwischen Produktionsanlage und Gewächshaus bewirkte enorme Energieeffizienz herbeiführt. Somit verwertet die integrierte Produktionsanlage die erzeugte Biomasse direkt an Ort und Stelle, wobei Abfälle wieder rückgedüngt und vor allem das erzeugte CO₂ wieder zurückgeführt wird. In einer Ausführung kann damit eine sich selbst antreibende aus Sonnenlicht gespeiste Energieerzeugungseinrichtung entstehen, die von der Biomasseerzeugung und Erntung bis hin zur Stromgewinnung völlig CO₂-neutral ist.
2 macht die integrative Lösung deutlicher, in Bezug auf das sowohl statische Zentralement 15, welches gleichzeitig eine Produktionsanlage 1, 17 zur Verwertung der erzeugten Biomasse integrativ enthält, als auch die passive Wärme- und CO₂-Umpumpungswirkung durch den erzeugten Aufwind.
Die Energiebeiträge zum Aufwind sind:

1. E(ΔP_bar): Energie aus Druckunterschied durch barometrischen Höhenunterschied,
2. E(ΔW): Energie aus Abwärme aus der Produktionsanlage im Turm,
3. E(ΔP_therm): Energie aus Druckunterschied aus dem Druck kalter komprimierter Luft am Boden aus dem kühlen Inneren des Gewächshausturms UND dem Druck der expandierten heissen Luft an der Spitze des Gewächshauses.

So dass sich die Gesamtenergie im Aufwind ergibt zu Eges = E(ΔPbar) + E(ΔW) + E(ΔPtherm)
Mit dem Aufwind mitgerissen wird das CO₂, das von der im turmförmigen Zentralelement integrierten Produktionsanlage emittiert wird. Dieses wird mit in die dadurch bewirkte gesamte Umwälzung von Luft integriert. Der dadurch höhere Gehalt an CO₂ wirkt in der eingangs beschriebenen Weise extrem wuchsfördernd auf die Biomasse.
Gleichzeitig erfolgt bei dieser Konzeption gegenüber bekannten Konzeptionen keine Aufkonzentrierung von CO₂ am Standort einer solchen Einrichtung, weil hier nicht mehr CO₂ ins Gewächshaus eingeleitet wird, als eine Produktionsanlage ansonsten ohne das erfindungsgemäße Gewächshaus ohnehin an diesem Standort in die Umgebung einbringen würde. Die Produktionsanlage wird CO₂-mäßig also fortwährend entschadet. Dies neben dem enormen Effekt der Zusammenlegung des Wärmekreislaufes zwischen Produktionsanlage und Gewächshaus.
Hierbei sind aber physikalische Gegebenheiten zu berücksichtigen. Interessanterweise ergibt sich aber daraus eine reproduzierbare Anweisung zur konstruktiven Dimensionierung des Aufwindturms in Form des zugleich statisch genutzten Zentralelementes.
Dabei handelt es sich um relative konstruktive Zusammenhänge, d. h. Höhe des Turms in Bezug auf seinen Durchmesser, sowie der Durchmesser insbesondere der Austrittsöffnung 19 des Turms 15 oben in Bezug auf die verbleibende umliegende Querschnittsfläche im Gewächshaus auf der Höhe der Turmaustrittsöffnung.
In diesem Zusammenhang spielen alle dem Aufwind zuträglichen Energieanteile eine Rolle.
Hierzu sind auch weitere konstruktive Verhältnisse, wie sie in 3 ersichtlich sind wichtig.
3 stellt nochmals den Gewächshausturm in Seitenansicht in Form einer Pyramide dar. Darin ist das zentrale Austeifungselement als Turm 15 zentral platziert. Durch der Höhenunterschied h1 entsteht eine erster Anteil zum Aufwind, der sich aus dem barometrischen Höhenunterschied ergibt.
Dieser ist: ΔPbar = ϛ·g·h1

ϛ: = Dichte
g: = Erdbeschleunigung
h1: = Höhe vom Boden bis zur Austrittsöffnung des Turmes

In nullter Näherung wird zunächst nur eine statische Betrachtung vorgenommen, und keine strömungsdynamische.
Da die Spitze des Gewächshauses Sonnenstrahlung ausgesetzt ist, und weil warme Luft ohnehin leichter ist und aufsteigt, kommt es oben zu einer enormen Hitzebildung.
Ferner kann durch den Aufwind im Gewächshaus ein Staudruck oben entstehen, der dem Aufwind im Turm entgegenstehen kann.
Um den Aufwind dennoch aufrecht zu erhalten, muss das sich in Draufsicht ergebende Flächenverhältnis F1 zu F2 für diesen möglicherweise durch heiße Standorte wie Wüsten etc. so sein, dass die Querschnittsfläche an der Austrittsöffnung F2 des Turmes kleiner, oder deutlich kleiner ist als die umgebende Querschnittsfläche F1 des inneren Gewächshauses, auf genau diesem Höhenniveau.
D. h. F1 > F2
Dies gibt damit klar an, wie die Konstruktion in Bezug auf Höhe h2 des Gewächshauses und Höhe des innenliegenden Turmes unter Berücksichtung der Flankenwinkel des pyramidalen Gewächshauses und dem Durchmesser des Turmes. Diese Betrachtung darf qualitativ sein.
Ist beispielsweise der Abwärmebeitrag der Produktionsanlage überwiegend, dann bleibt die Umwälzung schon dadurch in Betrieb und die Beziehung F1 > F2 dann nichtn zwingend. Dies muß bei der Konzeption berücksichtigt werden.
Doch selbst bei einem im Inneren zwischen Turmspitze und Boden sich einstellenden stationären thermischen Zustand in Bezug auf die umgewälzte Sonnenwärme, wird der Turm innen immer noch den Anteil der stetigen Abwärme der im Turm integrierten Produktionsanlqage beitragen, der die so bewirkte Umluftwirkung durch den Temperaturgradienten aufrecht erhält.
Dies gilt dabei nicht nur für die Betrachtung, den kontraproduktiven Staudruck an der Spitze der Pyramide nicht überwiegen zu lassen.
Dabei steht die durch die oben angegebene barometrische Höhenformel erzielte Aufwindgröße als quasi motorische Einheit im Vordergund, so dass die Höhe h1 maximal sein soll, aber unter Vermeidung eines zu großen Staudruckes oben. Durch eine Verstellbarkeit der Höhe des Turmes und damit der Lage der Austrittsöffnung zur Querschnittfläche in der Pyramide, könnte dies sogar einstellbar sein. Dazu brauch die Spitze des Turmes nur teleskopierbar ausgestaltet zu sein.
Zum barometrischen Anteil zum Aufwind kommt auch der Abwärmeeinfluss der im Turm integrierten Produktionanlage hinzu. Dies deshalb, weil diese wohl überwiegend im unteren Teil platziert ist, dort wo kalte, oder deutlich kältere Luft eingespeist, angesaugt wird. Die Einspeisung von zum Teil 50 bis 100°C heisser Abluft, zusammmen mit ausgestoßenem CO₂ bewirkt in einer maximal nur 15 bis 18 Grad Celsius warmen Umgebung einen enormen energetischen Beitrag zum Aufwind. Dieser strömt also gemeinsam mit CO₂-haltigem Abgas aus der obigen Austrittsöffnung des Turmes aus und wälzt sich von oben nach unten wieder um. Dies weil an der Spitzes des Gewächshauses außerhalb des Turmes keine summativen Aufwindkomponenten vorliegen. So wälzt sich die warme Luft an der Spitze des Gewächshauses wieder neben dem Turm nach unten um, vor allem, weil von unten die kalte Luft wieder nachströmt und durch den beständigen Aufwind wieder kalt angesaugt wird. Diese automatische thermische Umwälzung führt im Gewächshaus zu einer Anheizung auch der kalten Bereiche im Inneren des Gewächshauses.
Weiterhin kann die sich leicht aufheizende Spitze des pyramidalen Gewächshauses mit sogenannten optisch teildurchlässigen Photovoltaikelementen 18 bedeckt sein, entweder vom bekannten krisallinen Typ oder vom Typ neuer Kunststoffsolarzellen sein, wie sie vom Zermike Institute of advanced materials entwickelt wurde. Dies hat den Vorteil, dass die sich leicht aufheizende Spitze thermisch teilabgeschirmt wird, und somit aus dem abgeschirmten Teil des Spektrums dann noch Strom gewonnen wird. Dieser Strom kann sodann in Akkumulatoren gepuffert/gespeichert werden, und für den nächstlichen Betrieb des Gewächshauses im Sinne der Aufrechterhaltung der Photosynthese eingesetzt werden.
So können auch tagsüber lichtärmere Bereiche dieses Gewächshauses beleuchtet werden.
In sehr sonnenintensiven Regionen kann diese Einrichtung zum Kühlen vor Überhitzung und zugleich zur elektrischen Energieerzeugung auch ganz mit diesen teildurchlässigen photovoltaischen Zellen bedeckt sein.
Beispielweise kann sogar die geschlossenen Außenhaut der Einrichtung, in diesem Fall der Pyramide aus diesen photovoltaischen Elementen gebildet werden.
Bei der obenen beschriebenen selbsttätigen Wärmeumwälzung wird vorausgesetzt, dass die strömungstechnische Eintrittsöffnung am Boden des Turms, oder nahe der Boden des Turm ist und die Austrittsöffnung 19 in einer höhe h1 liegt, die kleiner ist als die Höhe h2 des Gewächshauses. Durch die Ebene A-B ist ein Schnitt gelegt, der in der markierten Kreislinie in Draufsicht dargestellt ist.
Der Schnitt ist genau auf der Höhe der oberen Austrittsöffung des Turmes gelegt.
Dies oben genannten Energiebeiträge werden durch die Gestalt des Zentralelementes und die Höhe des Gewächshauses summiert, und ergeben eine selbstmotorische passive Umwälzung von Kalt- und Heißluft.
Dies löst auf effiziente Weise das Problem, dass es bei Gewächshochhäusern oben extrem heiss ist, und unten im lichtarmen Bereich extrem kalt ist. Bekanntermaßen erfolgt eine Kompensation bei bekannten Gewächshaustypen durch Fremdheizung, die Energie kostet. Dieses System benötigt keine Fremdheizung und keine Energie, wobei dieses erfindungsgemäße System die Spitze kühlt während sie den Boden und das Innere durch Umwälzung aufwärmt. Das Klima auch in dieser normalerweise kritischen Bauweise ist in diesem Gewächshaus gleichmäßig, und zwar ohne Energieeinsatz.
2 weist ein weiteres Detail auf. Das Gewächshaus verfügt bodenseitig, d. h. in diesem Beispiel quasi als Keller eine Bodeneinsenkung 14 auf, in welcher zusätzlich zu den Stellagen im oberen Bereich gezielt Wasserpflanzen angebaut werden können. Zur aktive abgasbezogenen CO2-Düngung kann auch diese durch Einsprudelung von Abgas in Wasser erfolgen. Dies kann druckentspannt erfolgen, oder unter Druck und Bildung von Kohlensäure.
So wie auch in den zu 1 beschriebenen Stellagen, d. h. den auf diesen angeordneten Wannen mit den Wasser- oder Schwimmpflanzen.
Es ist ratsam, im besagten Bodenbereich
Schwachlichtpflanzen einzusetzen.
Insgesamt könne auch Landpflanzen in freien Bereichen mit hinzugenommen werden. Herzu eigenen sich wegen des hohen CO2-Verstoffwechselungsgrades alle C4-Pflanzen. Aber auch C3 und insbesondere CAM-Pflanzen sind deshalb von Vorteil weil diese nachaktive CO₂-Atmer sind.
Eine weitere Alternative ist, den eingesenkten Bodenbereich 14 hermetisch abzuschließen, derart dass diese als Fermenter einer im Gewächshaus sogleich mit integrierten Biogasanlage ist. Dabei würden die Stellagen oberhalb des Fermenters die Biomasse liefern, die unten sogleich im Fermenter zur Biogaserzeugung verwendet wird. Dabei wäre innerhalb des Turmes die dort integrierte Produktionsanlage eine Aufmethanisierungsanlage, um aus dem Biogas mit ca. 50% Methangehalt sogleich ortsnah den Methangehalt auf 96 oder 98%, und damit auf Erdgaseinspeisequalität zu bringen. Eine Aufmethanisierungsanlage erzeugt im Abgas ebenso CO₂ und Wärme, die aber in das Gewächshaus innerhalb des Aufwindturmes wieder eingespeist werden kann.
Auch diese systemische Ausgestaltung liefert CO₂-neutrale Energie aus Sonnenkraft und Biomasse. So kann insbesondere die Bodenwanne auch für eine zusätzliche Anzucht von tierischer Biomasse verwendet werden, wie Fische, Krebse, Schalentiere, Algen, aber auch Bakterien und Hefen.
Insgesamt ist eine solche Beiordnung von tierischer Biomasse dann sinnvoll, wenn im geschlossenen Stoffzyklus bspw. bei der Biogaserzeugung Reste anfallen die nicht als Düngestoff von Pflanzen verstoffwechselt werden können, wohl aber von den genannten Tieren. Die gewährleistet in diesem System eine letzendliche vollständige Stoffverwertung einerseits, aber auch eine Erzeugung von hochwertigen Eiweißen und Fettsäuren andererseits.
Innerhalb des Gewächshauses können außer Wasserwannen auch Hydrokulturanpflanzungen vorgenommen werden, die auf die gleiche Weise mit CO₂-haltigem Abgas gedüngt werden.
4 zeigt eine perspektivische Ansicht, bei welcher sichtbar wird, dass das turmfömige statische Zentralelement 15, welches zugleich als aufwindkraftbetriebene Umwälzpumpe für Wärme und CO₂ dient, zentral im pyramidalen Gewächshaus 13 steht.
Dies muss aber nicht pyramidal sein, sondern kann auch ein gerader Turm mit gleichförmig quadratischem, dreieckigem, oder runden Querschnitt sein.
Ein weiterer Doppelnutzen ist, wie oben bereits beschrieben, die statische Ausstützung eines hockbauenden Gewächshauses, bei welchem hohe Gewichtskräfte durch die Vielzahl der Wasserwannen und der Pflanzenmassen/Biomassen statisch abzufangen sind, und andererseits innerhalb dieses Turmes der Raum zur Integration einer Produktionsanlage in allen beschriebenen Beispielen dient.
Als vorteilhaft sowohl in Bezug auf die Statik des Bauwerkes als auch auf die günstige Strömung ist der Fuß des statischen Zentralementes 15 sich nach unten bspw. gemäß einer Parabelfuktion folgend verbreiternd.
5 ziegt eine weitere Ausgestaltung, bei welcher mobile Container 20, vorzugsweise aber nicht ausschließlich in preiswerter zylindrischer Bauform verwendet werden können, deren Wandung aus lichtdurchlässigem Material besteht. Die Lichtdurchlässigkeit betrifft denjenigen Spektralbereich, der für die Photosynthese wichtig ist.
Diese Container 20 sind mit Wasser und Wasserpflanzen gefüllt, und können einer Einrichtung wie oben beschrieben noch zusätzlich beigeordnet werden. Sind diese Behältnisse/Container dann vollständig mit Biomasse, d. h. mit Wasserpflanzen vollgewachsen, so können diese abtransportiert werden, um ggfs. andernorts geöffnet um entleert zu werden. Dabei sind diese Container 20 mit einem CO₂-Anschluß 21 versehen, durch welchen dieser, und die darin enthaltenen Pflanzen mit dem CO₂-Emitenten im Gewächshaus 13 zusätzlich versorgt werden. Das CO₂ oder das CO₂-haltige Abgas kann dabei gasförmig oder in Wasser unter Druck eingesprudelt eingespeist werden. Ein weiterer Anschluß 22 versorgt den Container mit anfallender Abwärme, die auch in Verbindung mit einer stetigen Wassernachführung mit temperiertem Wasser oder Abwasser gespeist werden kann.
Ferner ist der Container mit einem Druckablass 23 mit Überdruckventil ausgestattet, um bspw. Sauerstoff oder nicht verstoffwechseltes CO₂-Luftgemisch ablassen zu können. Mit Hilfe dieser Container können logistische Konzepte mit kombiniert werden, bspw. die Vermehrung und den Abtransport von Biomasse für die chemische Industrie. Nur zur Entnahme der so gewachsenen Wasserpflanzen werden diese Container geöffnet. Ein Grundbestand von Wasserpflanzen verbleibt im Container, damit diese wieder nachwachsen können. Hierzu wird der entleerte Container wieder zurück in die Nahe der besagten Einrichtung gebracht, bis dieser wieder vollgewuchert ist und zur Erntung ansteht.
Die Beerntung der Container kann, wie wahlweise auch im Gewächshaus durch Absaugung der Biomasse mit oder ohne Wasser erfolgen. Darüber hinaus können die Container mit einer eigenen Kunstlichtbeleuchtung ausgestattet sein, bspw. durch LEDs.
Diese können entweder über einen elektrischen Anschluss von außen mit elektrischer Energie versorgt sein, oder eine eigene autarke Energieversorgung durch bspw. eigene photovoltaische Elemente an der Außenwandung haben.

1: Abgasanlage/Produktionsanlage
2: Gaswäscher
3: Druckspeicher
4: Licht-/UV-licht-durchlässige Wandung
5: Pflanzenwannen
6: Wasser mit Kohlensäure
7: Fördereinrichtung für Biomasse
8: Ablassklappe/-ventil
13: Gewächshaus (Pyramide) mit Wandung
14: Bodenwanne
15: statisches turmförmiges Zentralelement
16: Stellagen/Pflanzwannen mit Wasser + Wasserpflanzen
17: integrierte Produktionslanlage (1)
18: optisch teildurchlässige Photovoltaikelemente
19: obere Öffnung des statischen Zentralelementes
20: Silos, Tanks (Behältnisse) mit Wasserpflanzen
21: CO₂-Anschluß
22: Warmwasseranschluss
23: Ablassventil
24: Elektrischer Anschluss
A-B: Querschnitt durch Gewächshaus 13 auf der Höhe der Austrittsöffnung 19 des turmförmigen Zentralelementes 15

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2007/012313 [0009]

Claims

Verfahren zur biologischen und okologisch verträglichen Umsetzung von CO₂ in Kohlenstoff und Sauerstoff, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gewächshaus für Biomasse eine Einrichtung zur Erzeugung von Energie oder Energieeträgern und/oder eine chemische Produktionseinrichtung integriert ist, derart, dass die Energie- oder Energieträger-Erzeugungseinrichtung und/oder die chemische Produktionseinrichtung die im Gewächshaus erzeugte Biomasse und die in der Einrichtung erzeugte CO₂-Menge und/oder die anfallende Wärmemenge in einem zumindest teilweise geschlossenen Stoff- und CO₂-Kreislauf im Gewächshaus verbleiben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gewächshauses, welches hochbauend ausgestaltet ist, ein statisches turmförmiges Zentralelement angeordnet ist, durch welches innerhalb des Gewächshauses eine selbsttätige durch Thermik betriebene Luftumwälzung stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme der innerhalb des Zentralementes integrierten Produktionseinrichtung (Bioethanol-, Biogas, Stromerzeugung, etc.) mit in den Aufwind innerhalb des Zentralelementes eingespeist wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Produktionseinrichtung eine Biogaserzeugungsanlage ist, bei welcher das gesamte Biogas unter Druck im Wasser eingesprudelt wird, so dass sich das CO₂ in Wasser löst und zur CO₂-Düngung der Biomasse rückgeführt wird, und das so im Methangehalt aufkonzentrierte Biogas als Energieträger abgezogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewächshaus in lichtschwache und lichtstarke Sektionen eingeteilt wird, und dass eine sektionsweise unterschiedliche Kunstlichtausleuchtung des Gewächshauses vorgenommen wird, derart, dass nur in ausgesuchten Sektionen Kunstlichtbetrieb und/oder Tag-Nacht-gesteuerter Kunstlichtbetrieb vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gewächshaus außerhalb liegend oder stehend geschlossene, aber temporär öffenbare Behältnisse aus lichtdurchlässigem Wandmaterial beigeordnet sind, in welchen Biomasse eingebracht wird, und über einen CO2-Anschluss, sowie einen Warmluft-/Warmwasseranschluß von außen CO₂ und Wärme oder Abwärme zugeführt wird, und dass die Behältnisse zeitweise zur Erntung der Biomasse geöffnet und/oder insgesamt abtransportiert werden.
Einrichtung zur biologischen Umsetzung von CO₂ in Kohlenstoff und Sauerstoff, zur Durchführung des Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewächshaus (13) hochbauend, und mit einem statischen Zentralelement (15) versehen ist, über welches eine etagenweise Anordnung von Pflanzungsetagen (16) statisch abgestützt und das Gewächshaus damit ausgesteift ist, wobei der innere Hohlraum dieses als Säule ausgebildeten statischen Zentralelementes (15) zur integrierten Aufnahme eines Bioethanolwerkes (17) und/oder eines Biogaswerkes (17) und/oder einer Biogasaufmethanisierungseinrichtung (17) und/oder eines Pelletierwerkes (17) dient.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im statischen Zentralelement wahlweise auch eine Ölmühle integriert ist.
Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im statischen Zentralelement (15) eine Stromerzeugungseinrichtung integriert ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Etagen im Gewächshaus mit flachen Wasserwannen (16) ausgestattet sind, in denen starkwüchsige Biomassenpflanzen in Form von Wasser- oder Schwimmpflanzen angeordnet sind, und dass die Wannen (16) in einem nach oben gebauten Gestell mit lichteinfallsbezogenen Zwischenräumen platziert sind, und dass die Statik dieses Gestells zusätzlich zu vertikalen Stützen auch horizontal durch Querverbinder am Zentralelement befestigt und statisch so abgefangen sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die dunkleren Innenbereichen mit Kunstlicht/LEDs beleuchtet werden, die vorzugsweise im Blitzbetrieb betreibbar sind.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralelement (15) zum einen zur statischen Aussteifung des Gewächshauses dient, und die vertikalen Kräfte durch darin bepflanzte Etagen durch Auflageträger vertikal abgefangen werden, und das Zentralement (15) als selbsttätige passive Aufwindturbine wirkt, die kalte Luft von unten ansaugend, nach oben zur warmen Spitze des Gewächshauses getrieben wird, von wo aus sie durch den sich aufbauenden Druck als Warmluft im Austausch wieder nach unten gedrückt wird.
Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass am Boden bzw. unterhalb des Bodens ein in den Boden eingelassene zusätzliche Wasserwanne (14) vorgesehen ist, in welcher reine Wasserpflanzen eingesetzt sind, und dass diese Wasserwanne (14) vom oben ablaufenden warmen Wasser gespeist/beheizt wird.
Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Wanne (14) hermetisch ansonsten abgeschlossen ist und lediglich mit Wasser-/Warmwasser-Zu- und Ablauf, einem CO2-Einspeisunganschluss und einem druckgesteuerten Gasablass versehen ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der obere Bereich des Gewächshauses mit teiltransparenten photovoltaischen Elementen (18) versehen ist, sowie einem Akkumulator zur Speicherung der elektrischen Energie und Speisung der Kunstlichtbeleuchtung.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dem Gewächshaus außerhalb desselben mobile Wuchscontainer mit Biomasse beiordenbar sind, die mit einem eigenen CO2-Anschluss und/oder einem Wärmeanschluß, und/oder einem elektrischen Anschluß zur Versorgung oder Steuerung einer integrierten Kunstlichteinrichtung ausgestattet ist.
Verwendung von Wasserpflanzen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und der Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, aus der botanischen Gruppe der aufschwimmenden Wasserpflanzen Lemna (Familie der Wasserlinsen) und/oder Eichhornia crassipes (Wasserhyazinthe) und/oder Pistia stratiotes (Wassersalat) und/oder Hydrocharis morsus ranae (Froschbiss) und/oder Stratiotes aliodes (Krebsschere) und/oder Azolla careoliniana (Feenmoos) und/oder Salviania auriculata (kleiner Büschelfarn) und/oder Limnobium lavigatum (kleiner Froschbiss) und/oder Salviania oblongifolia (langblättriger Büschelfarn) und/oder Hygroryza aristata Schwimmgras und/oder Trapa natans (Wassernuss) und/oder Neptunia plena (Wassermimosen) und/oder Riccia fluitans (Teichlebermoos) und/oder Callitriche hermaphroditica (Wasserstern).
Verwendung von Wasserpflanzen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und der Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dass zusätzlich flutende, d. h. nicht aufschwimmende Wasserpflanzen verwendet werden.
Verwendung von tierischer Biomasse zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und der Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 16, indem in Wasserbehältnissen Fische und/oder Schalentiere, und/oder Hefen und/oder Bakterien eingebracht sind und in den Verwertungsstoffzyklus des gewächshauses mit eingebunden sind.