DE102009024498A1 - Solarthermische Fernwärme mit Ferntransport in andere Klimazonen - Google Patents

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Abstract

Zur effizienteren Nutzung der Sonnenenergie für Wärmezwecke werden Sonnenkollektoren in sonnigen Gegenden aufgestellt. Das erwärmte Wasser wird vorzugsweise durch Pipelines für mehrere Millionen Verbraucher über hunderte Kilometer in sonnenarme Regionen transportiert, wobei die starke Abnahme des Strömungswiderstands mit zunehmendem Rohrdurchmesser ausgenutzt wird. Weitere Ausprägungen sehen u.a. eine kombinierte Nutzung derselben Pipeline für den Gas- und Wärmetransport, Kombinationen mit der Wasserentsalzung, der Stromerzeugung bzw. mit Wärmepumpen sowie den Transport des Warmwassers in Fahrzeugen und Systeme mit einfacher Rohrleitung vor.

Description

  • Aufgabenstellung und Stand der Technik
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Kosten der aktiven Nutzung von Solarwärme für die Energieversorgung zu vermindern. Weiterhin sind deren Einsatzmöglichkeiten zur Wärmebereitstellung (Beheizung und Warmwasser) sowie zur solaren Kühlung zu verbreitern, bzw. bei zu geringer Solareinstrahlung überhaupt erst zu ermöglichen. Motiviert wird dies durch die begrenzten fossilen Brennstoffvorräte und die Vermeidung von klimawirksamen Emissionen.
  • Die Nutzung der Solarenergie zu Wärmezwecken – vorrangig zur Gebäudebeheizung und zur Warmwasserbereitung – erfolgt durch passive wie durch aktive Verfahren, wobei letztere heute meist auf Sonnenkollektoren beruhen, die auf dem Dach eines einzigen versorgten Hauses montiert sind.
  • Im „European Large-Scale Solar Heating Network” wurde das größte „solare Nahwärmenetz” mit derzeit 19.000 qm Kollektorfläche errichtet (www.solarmarstal.dk). Bei der Speicherung der im Sommer gewonnener Wärme für die Wintermonate können bei derartigen Größenordnungen Skalenvorteile genutzt werden. Die „solare Fernwärmeeinbindung” in Graz, Linz und Wels bewegt sich 2008 in ähnlicher Größenordnung der Kollektorfläche.
  • Flachkollektoren erreichen auch in Mitteleuropa Betriebstemperaturen bis nahe 100 Grad, der Wirkungsgrad nimmt allerdings mit der Temperatur ab. Höhere Temperaturen können vorzugsweise mit konzentrierenden Solarsystemen erricht werden, die allerdings bei diffuser Strahlung nicht funktionieren.
  • Fernwärme wird meist in städtischen Zusammenhängen erzeugt und genutzt. Diskutiert wurden Wärmetransporte von Großkraftwerken zu Großstädten über einige zehn Kilometer.
  • Erdgas wird bereits seit längerem über weite Strecken durch Rohrleitungen transportiert, z. B. aus Wüstengegenden in Mittelasien nach Mitteleuropa.
  • Trinkwasser wird teilweise über hunderte Kilometer in aride Gegenden transportiert.
  • Für die Stromerzeugung wurden schon seit langem die Errichtung von großen Solarparks mit Solarzellen oder solarthermischen Kraftwerken in Wüstengegenden vorgeschlagen. Die elektrische Energie soll dann mittels Hochspannungs-Gleichstromübertragung oder nach Umwandlung mittels Wasserstoffhydrolyse zu den Verbrauchern gebracht werden, z. B. von der Sahara nach Europa. Ebenfalls vorgeschlagen wurde die thermochemische Umwandlung von Stoffen, z. B. von Ammoniak oder Zink.
  • Von Photovoltaiksystemen ist bekannt, dass die Aufstellung im Freiland meist kostengünstiger ist als dachmontierte Anlagen. Allerdings reduzieren die hohen Temperaturen in Wüstengegenden den Wirkungsgrad von Solarzellen. Für wie die solare Erzeugung höherer Temperaturen, wie in solarthermischen Kraftwerken, wird die Sonnenstrahlung konzentriert, was meist mit verspiegelten Parabolrinnen erfolgt, in deren Brennpunkt sich ein Absorberrohr mit einem Wärmeträgermedium befindet.
  • Physikalische Grundlagen und Erfindung
  • Der Strömungswiderstand in Rohrsystemen verhält sich umgekehrt proportional zur vierten Potenz des Rohrdurchmessers, die Oberfläche dagegen proportional zum Durchmesser, und der Querschnitt und der Durchfluss bei konstanter Geschwindigkeit sind proportional zum Quadrat des Durchmessers. Wasser weist einen geringen Strömungswiderstand bzw. eine hohe Fluidität auf und zugleich eine hohe spezifische Wärmekapazität.
  • Diese drei physikalischen Tatsachen kann man sich nun zunutze machen, um Wärme über große Entfernungen zu transportieren. Erfindungsgemäß sollen in Regionen mit guten Einstrahlungsverhältnissen Sonnenkollektoren errichtet werden, Wasser erwärmt und über große Rohrleitungen (Solarpipelines) in Regionen mit ungünstigeren Einstrahlungsverhältnissen transportiert werden. Anstelle des Wassers können prinzipiell auch andere Wärmeträgermedien verwendet werden, u. a. auch mit Flüssigkeit mitgerissene Feststoffe oder Behälter.
  • In der Regel müssen Transportstrecken von weit über tausend Kilometer überbrückt werden, um deutliche klimatische Unterschiede auszunutzen. Erste Überschlagsrechnungen haben jedoch ergeben, dass ein solches Rohrsystem bei Anschluss mehrerer Millionen Haushalte mit vernünftigen Kosten errichtet werden kann, und bei einem Rohrdurchmesser von weniger als zwei Meter mit vertretbaren Strömungswiderständen betrieben werden kann.
  • Verkürzt dargestellt, kann also mit einer extremen Größenordnung der Anschlussleistung der Nachteil einer extrem großen Transportentfernung aufgewogen werden. Der hauptsächliche Vorteil liegt in einer Verminderung der benötigten Kollektorfläche und der zugehörigen Grundstücksfläche von hunderten Quadratkilometern. Daneben bestehen bei Kollektorflächen in sonnig-warmen Regionen bessere Kombinationsmöglichkeiten mit einem Kühlungs-/Wärmepumpenbetrieb oder mit Meerwasserentsalzungsanlagen.
  • In der Regel wird es sich um einen Wäremetransport aus warmen Gegenden in kalte Gegenden handeln, so dass sich der Wirkungsgrad der Solarkollektoren bzw. die erzielbare Vorlauftemperatur zusätzlich erhöht, und das ggf. auch mit sehr einfachen Solarsystemen.
  • Beispielsweise könnten Solarparks für Westeuropa in der westlichen Sahara, für das östliche Mitteleuropa in Anatolien und für die nordöstlichen Staaten der USA im Südwesten des Landes entstehen.
  • In städtischen Regionen mit hoher Luftverschmutzung, in bergigen Gegenden oder an Küsten mit häufiger Nebelbildung können auch auf kleinerem Raum beträchtliche Unterschiede der solaren Einstrahlung und besonders des direkten (nicht diffusen) Strahlungsanteils vorliegen. Durch außerhalb der Stadtregionen angeordnete konzentrierende Systeme könnte deshalb eine höhere Vorlauftemperatur erreicht werden, wie sie gerade für Systeme zur solaren Kühlung wichtig ist.
  • Für die Beheizung mit Solarwärme mit Kollektoren muss bei Klimaverhältnisse mit wenig Einstrahlung im Winter fast der gesamte Bedarf für das Winterhalbjahr im Sommerhalbjahr eingespeichert werden und hat entsprechend große Speicher zur Folge.
  • Eine Solarpipeline könnte einen ganzjährig etwa konstanten Wärmefluss aufweisen, so dass etwa die Hälfte des winterlichen Wärmebedarfs auch im Winterhalbjahr geliefert würde, und nur für die andere Hälfte Speicher erforderlich würden. In der sonnenreichen Gegend sind die saisonalen Unterschiede der Einstrahlung vergleichsweise geringer, so dass ein konstanter Wärmeeintrag in die Pipeline mit weniger großen Speichern erreicht wird.
  • Wegen der hohen Kosten von Pipelinesystemen könnten isoliert gelegene Regionen mit gebrauchten Tankschiffen versorgt werden, die statt mit Rohöl mit heißem Wasser beladen werden. So könnte man z. B. Küstenstädte in Norwegen im Winter mit Solarwärme versorgen.
  • Verschiedene Ausprägungen
  • (Offene Systeme, Ansprüche 8, 10–11) Bestehende Fernwärmesysteme weisen üblicherweise ein zweites Rohr für den Rücklauf des Wassers auf, und auch eine Solarpipeline kann einen Rücklauf des bei den Wärmeverbrauchern abgekühlten Wassers beinhalten. Niedrige Investitionskosten könnten mit einem Einrohrsystem erreicht werden, ohne Rückführung des erwärmten Wassers zum Ausgangspunkt. Bei einer Solarpipeline sprechen die großen Entfernungen und entsprechend hohen Kosten für ein zweites Rohr verstärkt für Lösungen ohne Rücklauf, d. h. offene Systeme.
  • Wassermengen aus dem Rücklauf der Heizungen bewohnter Gebäude könnten u. a. in Treibhäusern abgesetzt werden, wobei sich Bewässerung und Beheizung ergänzen würden oder in Badeseen geführt werden. Werden die Restmengen als Abwasser in Flüsse oder ins Meer abgeführt, liegt der Wärmeeintrag im Jahresmittel in ähnlicher Größenordnung wie bei thermischen Grundlastkraftwerken mit Fernwärmeauskopplung.
  • Weiterhin könnte eine Rücklauf nur auf einem Teil der Gesamtstrecke vorgesehen werden, z. B. zwischen der sonnenreichen Gegend und ersten Verbrauchsregionen, die einen Teil der Wärme abnehmen, und in denen auch genügend Wasser zur Verfügung steht. Die Weiterführung des übrigen Teils des Warmwassers über die übrige Strecke würde dann mit nur einem Rohr erfolgen und ggf. ohne Rücklauf.
  • Nachdem die Solarkollektoren grundsätzlich in trockenen Regionen liegen würden, sollte kein Süßwasser abtransportiert werden. Stattdessen bietet sich die Nutzung von Meerwasser an.
  • Möglich wäre zunächst die unmittelbare Nutzung von Salzwasser für den Wärmetransport in kühlere Regionen. Dies hätte beim Bau von Pipelines durch das Meer in größeren Wassertiefen einen weiteren Vorteil: Süßwasser hat eine geringere Dichte als Salzwasser, so dass der Innendruck einer mit Süßwasser gefüllten Pipeline in größerer Wassertiefe entsprechend dem Dichteunterschied des Wassers niedriger ist als der vom Meerwasser ausgeübte Außendruck. Bei Verwendung von Meerwasser besteht lediglich der durch die höhere Temperatur verursachte Dichteunterschied, also ist die Druckdifferenz geringer.
  • Bei Transport von erhitztem Salzwasser könnte dieses in das Meer zurückgeleitet werden, nachdem der größere Teil der Wärme in Wärmetauschern abgegeben wurde; anders als in Ballastwassertanks bestünde wegen der starken Erwärmung kaum die Gefahr des Einschleppens von fremder Organismen.
  • Das zur Wasserversorgung der Solarpipeline verwendete Meerwasser könnte stattdessen unter Nutzung der Solarwärme entsalzt werden. Für solare Meerwasserentsalzungsanlagen gibt es mehrere bekannte Bauformen, die meist auf einer Destillation des Wassers beruhen. Im allgemeinen besteht eine wichtige Konstruktionsaufgabe darin, den Energiebedarf für das auf Siedetemperatur zu bringende Wasser möglichst niedrig zu halten, was u. a. durch mehrfache Wärmeübertragung mit Wärmetauschern gelingt. Wenn ohnehin eine Vorlauftemperatur von mindestens 100 Grad Celsius angestrebt wird, wäre ein Sieden des Wassers ohne größeren energetischen Zusatzaufwand möglich. Auch der Aufwand für Wärmetauscher, die eine möglichst mehrmalige Nutzung eines auf höherem Temperaturniveau eingebrachten Wärmestroms bewirken, könnte zugunsten einfacherer Systeme begrenzt werden.
  • Dabei könnte die Meerwasserentsalzung in einiger Entfernung von dem Solarpark entlang der zurückzulegenden Strecke mit Hilfe der aus der Solarpipeline zugeführten Wärme erfolgen, wobei sich deren Temperaturniveau reduzieren würde.
  • (Kombination mit Entsalzungsanlage, Anspruch 12) Sinnvoll wäre aber auch eine Kombination einer Meerwasser-Entsalzungsanlage zur Trinkwassergewinnung mit einer Solarpipeline: Vorzugsweise würde die mit Temperaturen von über 100 Grad solar eingespeiste Wärme zur Destillation genutzt werden. Bekannte Verfahren wie die mehrstufige Entspannungsverdampfung bzw. die Mehrfacheffektverdampfung beruhen darauf, dass mit Wärmetauschern eine Mehrfachnutzung der Wärme zur Destillation und Trinkwassergewinnung bewirkt wird.
  • Damit reduziert sich aber stufenweise die am Ausgang des Wärmetauschers auf der erwärmten Seite zur Verfügung stehende Temperatur. Bei den üblichen, lediglich zur Trinkwassergewinnung genutzten Anlagen bleibt am Ende eine der Solareinspeisung entsprechende Restwärme ungenutzt bzw. muss dem Trinkwasser für die weitere Verwendung noch entzogen werden.
    • a) Weist das Solarpipeline-System einen Rücklauf des abgekühlten Wassers aus den kühleren Regionen auf, und ist jenes kühler als das aus der Entsalzungsanlage entströmende Wasser, kann mit einem einfachen Wärmetauscher das gewonnene Trinkwassers bzw. die mit Salz angereicherte Lauge (bzw. Sole, Konzentrat) aus der Trinkwassergewinnung abgekühlt und der Wasserrücklauf der Solarpipeline mit dieser aus der Trinkwassergewinnung stammenden Wärme vorerwärmt werden.
    • b) Bei einem Solarpipeline-System ohne Rücklauf könnte das in die Pipeline einzuspeisende, salzfreie Wasser aus Meerwasser erzeugt werden. Anders als in Anlagen zur Trinkwassergewinnung würde das kondensierte Süßwasser dann aber nicht in weiteren Trinkwasserkühlern weiter abgekühlt werden, sondern soll ja als heißes Wärmetransportmedium dienen. Nachdem dann nur der Rücklauf der Lauge aus den Entspannern und damit eine geringere Wassermenge für die Vorerwärmung des zufließenden Salzwasser ausreicht, würde hier eine größere Wärmezufuhr auf mittlerem Temperaturniveau erforderlich als bei der Meerwasserentsalzung zur Trinkwassergewinnung. Dies und die Wärme der abfließenden Lauge kann man sich durch zusätzliche Wärmeüberträger, vorzugsweise mit zusätzlichem Einsatz von Wärmepumpen, zu Nutze machen.
    • c) Allgemeiner formuliert, soll durch die Kombination von Solarwärmegewinnung und Süßwassererzeugung die Exergie besser genutzt werden, die sich aus dem Unterschied zwischen den Temperaturen des Solarkollektors und den übrigen Wasserströmen (der i. d. R. weniger heiße Vorlauf der Solarpipeline, auf der kühleren Seite der Rücklauf der Solarpipeline, Zufluss von Meerwasser, das in Trinkwasser und die ins Meer zurückgeführte Lauge) ergibt.
  • Die Konstruktion einer Kombianlage zur Solarwärme- und Trinkwassergewinnung und eine möglichst günstige Übertragung der Wärme in mehreren Stufen, unter Nutzung unterschiedlicher Druck-/Temperaturniveaus für die Destilliervorgänge und ggf. unter Einbeziehung von Solarkollektoren verschiedener Bauart mit unterschiedlichen Vorlauftemperaturen, vorzugsweise unter Einbeziehung von (Absorptions-)Wärmepumpen, ist dann eine anspruchsvolle ingenieurtechnische Konstruktionsaufgabe, die zwar von den bisherigen Bauweisen abweicht, aber ohne besondere erfinderische Ansprüche entwickelt werden kann.
    • d) Das Verfahren der Entsalzung mit einer Membrandestillation beruht auf einer Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf (Meerwasser) und dem Verdampferkanal (konzentrierte Lauge). bzw. dem Destillatkanal (rückkondensiertes Destillat). Im Zusammenhang mit einer Solarpipeline mit niedriger Rücklauftemperatur kann dem Verdampfer- bzw. Destillatkanal nun auf mäßigem Temperaturniveau (z. B. 40–50°) Wärme entzogen und dem Heizsystem zugeführt werden. Auf der heißen Seite des Umlaufs der Membrandestillation würde entsprechend zusätzliche Wärme zugeführt werden. Dies ergibt eine größere Temperaturdifferenz des Verdampferkanals zum Vorlauf der Membrandestillation, im Vergleich zu einer Auslegung mit geringerem Wärmeumsatz, und hätte damit eine verstärkte Destillatproduktion zur Folge.
  • (Kombination mit Stromerzeugung, Anspruch 13, 14) In solarthermischen Parabolrinnen-Kraftwerken wird ein Wärmeträger-Medium in der konzentrierten Sonneneinstrahlung bis auf etwa 400°C erhitzt. Am Ort solcher Kraftwerke besteht meist kein größerer Wärmebedarf. Eine solarthermische Kraft-Wärme-Kopplung ist damit praktisch nur mit einem Ferntransport der Wärme in kühlere Regionen zu erreichen.
  • Während heute für solarthermische Parabolrinnen-Kraftwerke ein elektrischer Wirkungsgrad bis etwa 20% angegebenen wird, würde sich dieser durch die Wärmenutzung reduzieren, weil dann zusätzlich die Temperaturen in der Solarpipeline das System bestimmen würden, anstelle eines auf die stromerzeugende Dampfturbine hin optimierten Kühlsystems. Die Stromerzeugung könnte zunächst als sinnvolles Nebenprodukt der Wärmegewinnung verstanden werden.
  • Weiterhin könnte je nach stromseitigem Bedarf die untere Temperatur des Dampfturbinenkreislaufes angepasst werden: Wird viel elektrische Leistung benötigt bzw. sind die Spotmarktpreise für elektrische Energie hoch, erfolgt die Kühlung mit relativ kühlem Wasser aus dem Rücklauf der Solarpipeline, um einen möglichst hohen elektrischen Wirkungsgrad zu erzielen. Das in begrenztem Maße erwärmte Wasser wird dann zwischengespeichert. Wird weniger Strom benötigt, wird das vorerwärmte Wasser auf die Vorlauftemperatur der Pipeline gebracht, wobei der elektrische Wirkungsgrad geringer wird. Bei geringerem Strombedarf bzw. hohem solarem Eintrag kann auch eine Erwärmung auf ein Temperaturniveau oberhalb der Vorlauftemperatur der Pipeline erfolgen, die dann durch Mischung mit kühleren Wassermengen erreicht wird.
  • Weiterhin könnte die elektrische Anlage nicht für die maximal mögliche Wärmeleistung der Solarkollektoren ausgelegt werden. Das Kraftwerk würde dann z. B. in den Mittagsstunden überschüssige Wärme mit höherer Temperatur für das Pipelinesystem einspeichern, während bei mittlerer Sonneneinstrahlung die Abwärme nur auf niedrigerem Temperaturniveau genutzt werden könnte, um die volle Stromerzeugung aufrecht zu erhalten, und schließlich bei schwacher bzw. diffuser Sonnenstrahlung keine Stromerzeugung mehr möglich wäre, die Temperatur aber für die reine Wärmenutzung noch ausreichend wäre.
  • (Kraft-Kälte-Kopplung, Anspruch 34 bis 39) Die Kopplung mit einer Wärmepumpe, vorzugsweise einer Absorptionskältemaschine, kann den Wirkungsgrad der Energiegewinnung und den Nutzen weiter verbessern. Absorptionskältemaschinen beruhen auf einer Wärmezufuhr mit hohem Temperaturniveau zu dem Austreiber; diese könnte mit konzentrierenden Solarsystemen erreicht werden. Die zweite Wärmezufuhr einer Absorptionskältemaschine erfolgt in dem Verdampfer auf niedrigem Temperaturniveau. Dies kann in den heißen Regionen, in denen die Solarenergiegewinnung vorzugsweise stattfinden soll, zu Kühlzwecken (z. B. Fernkälte mit einer Zieltemperatur von 10°C) genutzt werden. Die Wärmeabfuhr von Absorptionskältemaschinen erfolgt an den zwei Kondensationspunkten des umlaufenden Kühlmittels auf mittleren Temperaturniveaus, und würde hier nun zur Aufwärmung des Wassers in der Solarpipeline genutzt werden. Im Vergleich zu heute üblichen Anwendungsfällen handelt es sich um höhere Temperaturniveaus, z. B. eine Wärmezufuhr von den Solarkollektoren mit über 200°C und ein Wärmeeintrag in die Pipeline mit über 100°C, so dass vorzugsweise auch andere Materialien zu Anwendung kämen. Die vom Verdampfer auf niedrigem Temperaturniveau entnommene Wärme könnte der Umgebung entnommen werden. Nachdem die sonnenreichen Gegenden, die als Standorte in Betracht kommen, häufig auch Kühllasten vorkommen, bietet sich auch eine Nutzung der Kälte für Klimatisierungsaufgaben an.
  • Auch mit einer Kompressor-betriebenen Kältemaschine bzw. Wärmepumpe könnten gleichzeitig Kälte und Wärme bereitgestellt werden, z. B. Kälte für Klimaanlagen in der heißen Region, und zum Ferntransport bestimmte Wärme für das anspruchsgemäße Heizsystem.
  • Für die Kälteerzeugung kommen verschiedene räumliche Situationen in Betracht:
    • a) Ein Freiland-Solarpark wird um die Wärmepumpe ergänzt; von dort führen dann getrennte Wärmetransportleitungen in die kalte Region wie auch Leitungen mit dem kühleren Medium in eine Stadtregion der sonnenreichen Zone.
    • b) Die solar angetriebene Kälteerzeugung erfolgt dezentral, d. h. vorzugsweise mit konzentrierenden Kollektoren auf den Dächern von zu kühlenden Gebäuden und mit zugehörigen Kältemaschinen. Diese nutzen den relativ kühlen Rückstrom der Solarpipeline zur Abkühlung und Kondensation des in der Wärmepumpe umlaufenden Mediums. Die so gewonnene „Abwärme” wird dann, ggf. nach Nacherhitzung mit heißerem Wasser aus einem reinen Solarpark, in kühlere Regionen transportiert, statt das Lokalklima mit weiteren Wärmelasten aufzuheizen. Auch die lauten Lüfter zur Kühlung der Klimaanlagen entfallen dann. Wenn zu bestimmten Zeiten örtlich kein Kühlbedarf besteht, kann die Solarwärme vollständig für die Wärmegewinnung genutzt werden. Soll in der sonnenreichen Zone je nach Jahreszeit sowohl gekühlt wie geheizt werden, können die dezentralen Kollektoren bzw. das Wärmeverteilsystem beide Aufgaben übernehmen.
    • c) In einer dritten Variante führen von dem beispielsweise in einer Wüste gelegenen Solarpark zunächst längere Leitungen mit einem heißen Wärmeträgermedium (z. B. 200°C) zu der im Bereich einer Stadt der warmen Klimazone gelegenen Energieübergabe- und Wärmepumpenstation, wo vielleicht schon ungünstigere Einstrahlungsverhältnisse herrschen oder der Platz für großräumige Solarfelder fehlt. Dort wird gleichzeitig Kalte für die Klimatisierung dieser Stadt erzeugt (z. B. mit 10°C Vorlauftemperatur) und gleichzeitig der in kältere Regionen führende Heizkreislauf (z. B. von 40° auf 130°C) angewärmt. Befindet sich eine derartige Energieübergabestation in Meeresnähe, könnte dort – außerhalb der Klimatisierungsperiode – günstig Meereswärme für die Wärmepumpe oder überschüssige Energie für die Trinkwassergewinnung genutzt werden. An kalten Tagen könnten die für die Fernkälte in diese Stadt führenden Leitungen ggf. stattdessen für Heizzwecke genutzt werden.
    • d) Theoretisch ebenfalls möglich wäre die Wärmegewinnung auf hohem Temperaturniveau in einem Solarpark im Freiland, Transport der Wärme zu Wärmepumpen im städtischen Raum, wo dann zusätzliche Wärme auf der Gebäudekühlung aufgenommen würde von wo dann Wärme auf mittlerem Temperaturniveau abtransportiert würde. Dies würde aber ein zusätzliches Verteilnetz auf hohem Temperaturniveau erfordern.
  • Die Aufwärmung des kühlen Rücklaufwassers kann auch in mehreren Temperaturstufen mit unterschiedlichen Verfahren gekoppelt werden. Beispielsweise könnte zunächst die Aufnahme von Restwarme aus der Wasserentsalzung erfolgen (z. B. Erwärmung von 40° auf 60°C), dann mit etwas höherem Temperaturniveau die Aufnahme von Wärme von Absorptionskältemaschinen, und schließlich ohne weitere Verfahrenskopplung die restliche Erwärmung auf die gewünschte Vorlauftemperatur.
  • (Kollektoren, Ansprüche 15–17) Die in Wüstengegenden höheren natürlichen Temperaturen ermöglichen es, eine bestimmte Zieltemperatur mit einfacheren Kollektor- oder Absorbersystemen zu erreichen. Möglich ist auch eine stufenweise Erwärmung mit mehreren Kollektortypen, beispielsweise einfache, mit einer isolierenden Unterlage auf dem Boden liegende Absorber oder auch Photovoltaikmodule für die Vorerwärmung, verglaste Flachkollektoren mit Ausrichtung zum mittleren Sonnenstand für mittlere Temperaturen, Vakuumkollektoren für höhere Temperaturen und schließlich konzentrierende Parabolrinnen, wenn noch höhere Temperaturen angestrebt werden.
  • An Stelle von der Sonne nachgeführten, verspiegelten Parabolrinnen, wie sie für die solarthermische Stromerzeugung verwendet werden, könnte für die Wärmeerzeugung bei Ost-West-ausgerichteten Parabolrinnen auf eine Nachführung verzichtet werden, Stattdessen könnten in Nähe des Brennpunktes mehrere Absorberrohre nebeneinander angeordnet werden, die je nach Sonnenstand die Sonnenstrahlung auffangen, ggf. könnte auch von der genauen Parabolform zu Gunsten einer einfacheren Herstellung abgewichen werden.
  • Möglich wäre auch eine zeitlich unterschiedliche Nutzung: Einfache Absorber würden nur in den wärmeren Monaten und nicht in den Morgenstunden genutzt werden, während zur Sonne ausgerichtete oder besser isolierte Systeme sich am Morgen schneller als einfache Absorber erwärmen und auch in den kälteren Monaten bzw. bei geringerer Einstrahlung genügende Temperaturniveaus erreichen, aber ggf. morgens nur zur Vorerwärmung genutzt werden. Pufferspeicher könnten eine ideale Abstimmung zwischen den Stufen ermöglichen.
  • Eine weitere zeitliche Kombinationsmöglichkeit besteht darin, eine bestimmte Kollektorfläche bzw. Parabolrinnenfläche zur Trinkwassergewinnung oder zur Stromerzeugung zu nutzen, wenn die Temperaturen zur Destillation bzw. zur Stromerzeugung ausreichend sind, sonst ausschließlich zur Wasserwärmung für die Solarpipeline bzw. zur Vorerwärmung des Wassers.
  • (Temperaturniveaus der Abnehmer, Anspruch 18) Die Fernwärmeverteilung könnte in zwei bzw. drei getrennte Temperaturebenen unterschieden werden, eine für Heizsysteme mit hoher Vorlauftemperatur (z. B. 90° Celsius) und mittlerer Rücklauftemperatur (z. B. 50°), eine mit mittlerer Vorlauftemperatur (z. B. dieselben 50°) und niedriger Rücklauftemperatur (z. B. 30°) und ggf. eine dritte mit hoher Vorlauftemperatur und niedriger Rücklauftemperatur. Dies könnte ggf. mit drei Rohrleitungen erreicht werden, von denen je eine ein hohes, ein mittleres bzw. ein niedriges Temperaturniveau aufweist. Je nach Auslegung des Heizsystems eines Gebäudes könnte dieses dann mit höherer oder mittlerer Vorlauftemperatur betrieben werden. In der Übergangszeit, wenn eine geringere Vorlauftemperatur für Heizzwecke ausreichend ist, könnte die Betriebstemperatur im Verteilnetz entsprechend abgesenkt werden, oder die angeschlossenen Verbraucher mischen sich eine niedrigere Vorlauftemperatur aus den beiden Fraktionen. Weiterhin könnte die höhere Vorlauftemperatur immer unverändert bleiben, um jederzeit eine lokale Warmwasserbereitung und Absorptionskühlanlagen betrieben zu können, und nur das mittlere Temperaturniveau und indirekt die Temperatur des kühleren Rücklaufs wird abgesenkt.
  • Die Flussrichtung auf der mittleren Temperaturebene würde dann je nach angeschlossenen Verbrauchern unterschiedlich sein (z. B. von den Verbrauchern weg in einem Gebiet mit ursprünglich als Schwerkraftheizung ausgelegten Heizsystemen in schlecht isolierten Gebäuden, zu den Verbrauchern hin in einem neuen Siedlungsgebiet mit Niedertemperaturauslegung). Sie könnte auch je nach Jahres- und Tageszeit wechseln (von den Verbrauchern weg bei starker Frost, wenn diese Wärme auf höherem Temperaturniveau aufnehmen, zu den Verbrauchern hin bei wenigen Heizgraden, wenn die niedrigere Vorlauftemperatur ausreicht.
  • Bei konventionellen Nah- und Fernwärmesystemen wird die Vorlauftemperatur meist dem aktuellen Wetter angepasst, und mit einer Absenkung der Vorlauftemperatur bei höheren Außentemperaturen kann auch der Wirkungsgrad der Stromerzeugung in Kraft-Wärme-Kopplung verbessert werden. Bei einer weiträumigen Solarwärmeversorgung wird eine bestmögliche Ausnutzung der Solarpipeline im Vordergrund stehen, die dazu vorzugsweise durchgängig mit der maximalen Auslegungstemperatur betrieben wird, die wiederum mit dem zulässigen Betriebsdruck der Pipeline zusammenhängt. Eine niedrige Rücklauftemperatur der angeschlossenen Wärmenutzer wird besonders wichtig, weil davon die zu transportierende Wassermenge abhängt und zusätzlich – im Falle eines offenen Systems ohne Rücklauf – die Restwärme ungenutzt bleibt und als Abwärme die Umwelt belastet.
  • Daher würde man wohl Wasser auf verschiedenen Temperaturniveaus speichern. Zum einen würde mit der Temperatur der Solarpipeline eingespeichert. Wasser einer bestimmten Temperatur, die zu einem Zeitpunkt als Rücklauftemperatur anfällt, kann zu einem anderen Zeitpunkt den Anforderungen an die Vorlauftemperatur genügen.
  • (Sicherheit, Anspruch 19) Bei Temperaturen von über 100 Grad ist ein erhöhter Druck erforderlich, um Wasser flüssig zu erhalten. Damit entsteht auch ein erhöhtes Risiko im Falle einer Leckage, weil das heiße Wasser nicht nur auslaufen, sondern mit beträchtlichem (Dampf-)Druck aus der Pipeline gedrückt würde. Die Pipeline könnte daher Ventile aufweisen, die sich bei zu geringem Druck in der Pipeline automatisch öffnen, da ein Druckabfall ein Indiz für eine Leckage darstellt. Solche Ventile könnten zum einen den durch Sieden entstandenen Wasserdampf entweichen lassen – Vorteil wäre die geringere Viskosität des Dampfes gegenüber flüssigem Wasser und damit das Entweichen eines größeren Volumens, zudem würde der Dampf in die Atmosphäre entweichen und weitere Luft nach oben reißen, was vermutlich die Verbrühungsgefahr abmindert. Ventile für den flüssigen Inhalt der Pipeline könnten vorzugsweise an den Tiefpunkten der Pipeline angeordnet werden, wo der hydrostatische Druck größer ist und damit eine schnellere Druckentlastung entsteht. Hier wäre allerdings mit dem Sieden eines Teils des mit über 100°C austretenden Wassers und mit Flurschäden durch den übrigen Wasserauftritt zu rechnen.
  • (Systemebenen, Jahresspeicher) Aus Kosten- und Sicherheitsgründen bietet sich eine deutliche Unterscheidung an zwischen Hauptleitungen der Solarpipeline mit höheren Temperaturen und andererseits einfacher ausgeführten Zweigleitungen mit geringem Druck und Betriebstemperaturen bis knapp unter 100 Grad.
  • Benötigt werden auch Wärmespeicher, die saisonale Unterschiede zwischen Wärmebedarf der Verbraucher und Energieeintrag der Solarkollektoren ausgleichen und glätten. Solche Wärmespeicher weisen beträchtliche Skalenvorteile auf. Damit bietet es sich an, die Wärmespeicher an relativ wenigen zentralen Punkten anzuordnen. Der Ort des Wärmespeichers kann zweckmäßigerweise mit der Trennung zwischen Hauptleitung und Zweigleitung und damit einhergehend unterschiedlichen Druck- und Temperaturniveaus gekoppelt werden.
  • Größere Wassermengen mit Temperaturen von über 100° können vorzugsweise in Aquifer-Speichern im Erdreich eingebracht werden, wo ein genügender Erddruck bzw. hydrostatischer Druck vorliegt, um bei diesem Temperaturniveau eine Dampfentstehung zu vermeiden. Bei Speicheraufgaben mit weniger als 100 Grad könnten dagegen wassergefüllte Behälter (Schichtspeichern) besser die Temperatur erhalten, weil kein Wärmeaustausch mit dem Gestein stattfindet; zudem kann dies bei Umgebungsdruck geschehen und eine gezielte Schichtspeicherung von Wassermengen unterschiedlichen Temperaturniveaus ist möglich. Vorzugsweise kann die Belieferung der Endverbraucher stets mit weniger als 100 Grad erfolgen, die Einspeicherung mit höherem Temperaturniveau aber dazu genutzt werden, mit geringerem in der Solarpipeline umgeschlagenem Wasservolumen die benötigte Wärmemenge zu transportieren und zu speichern.
  • (Gebirge, Ansprüche 20, 21) Im Gelände könnten Pumpen am Anstieg bzw. Kleinwasserkraftwerke im Gefälle zu einer Druckanpassung und zur Rückgewinnung der potentiellen Energie eingesetzt werden.
  • Befinden sich Verbraucher jenseits eines Gebirges, müsste ein beträchtlicher hydrostatischer Druck erzeugt werden, um das Wasser hoch zu pumpen. Stattdessen könnte eine Verdampferstation auf der einen Talseite angeordnet werden. Da die Verdampfungsenergie von Wasser bei Normalbedingungen deutlich größer ist als Wärmeaufnahme bei realistischen Wassertemperaturen, reicht die insgesamt übertragene Wärme bei realistischen Annahmen nur aus, um einen Teil des transportierten Wassers zu verdampfen. Dem zu verdampfenden Anteil muss also genügend Wärme des übrigen Anteils zugeführt werden. Diese nicht verdampfte Anteil könnte vor dem Gebirge zurückbleiben. Eine solche Aufteilung der Wärme des insgesamt zugeführten Wassers würde dann weitere Wärmeverbraucher „vor dem Gebirge” voraussetzen, die den übrigen Anteil des Wassers, das um die Verdampfungswärme des ersten Anteils abgekühlt wurde, abnehmen. Andererseits könnte die nicht verdampfte Wassermenge ebenfalls das Gebirge überwinden, wobei infolge der Abkühlung ein geringerer Innendruck in der Leitung vorhanden wäre, was insbesondere für dien Hochpunkt der Leitungsführung gelten könnte. Auf der Rückseite des Gebirges wäre dann eine Rekondensation denkbar. Ein solcher Phasenwechsel wäre leichter mit im Solarpark destilliertem Wasser zu verwirklichen. Eine Zufuhr von Mineralien, wie in Heizsystemen bei Verwendung von destilliertem Wasser üblicherweise erfolgt, würde dann erst später erfolgen.
  • (Kombinations-Pipeline Gas-Wasser, Ansprüche 22–24) Dieselbe Pipeline könnte zeitlich alternierend sowohl für den Transport von (Erd-)Gas wie von solar erwärmtem Heißwasser verwendet werden. Dabei könnte die Bedeutung des Erdgastransportes im Laufe der Jahre abnehmen und die Bedeutung der Solarwärme allmählich zunehmen. Die Wirtschaftlichkeit einer Gaspipeline unterliegt Risiken aus der Erschöpfung von Lagerstätten oder aus zunehmenden Klimaschutzanforderungen. Eine bereits in der Bauzeit für die Möglichkeit des Heißwassertransports vorbereitete Pipeline wäre davon weniger gefährdet. Bei manchen Projekten wie der Nabucco-Pipeline stimmen die Richtung der Gaslieferung und der potentiellen Wärmelieferung überein. Die Nord Stream Pipeline könnte dagegen später Wärme nach St. Petersburg transportieren, also entgegen der Richtung der ursprünglichen Gaslieferung.
  • Bei einem Wechsel vom Wasser- zum Erdgastransport soll möglichst wenig Feuchte in das Erdgas eingetragen werden. Daher ist eine möglichst weitgehende Entwässerung des Rohrsystems anzustreben. Bei Betriebstemperaturen, die hinreichend über 100 Grad liegen, und entsprechendem Überdruck in der Pipeline, kann dies mit folgender Abfolge erreicht werden:
    Zunächst wird der Druck in der wassergefüllten Pipeline in begrenztem Maße reduziert, so dass Wasser zu sieden beginnt. Dies passiert zuerst an Stellen mit geringerem Druck, also den Hochpunkten der Leitung. Dieser Wasserdampf soll nun das übrige, flüssige Wasser in Richtung von Entleerungsstellen der Pipeline drücken, wo Ventile zu entsprechenden Aufnahmebehältern geöffnet werden. Um der Pipeline möglichst wenig Verdampfungswärme zu entziehen, sollte in der Pipeline möglichst nur diejenige Wassermenge verdampfen, die benötigt wird, um das Volumen der Pipeline vollständig einzunehmen. Dazu soll der Dampf möglichst wenig an Restmengen von flüssigem Wasser in der Pipeline vorbeistreichen, sondern möglichst viel Wasser verdrängen.
  • In einem zweiten Schritt wird ein Teil des in die Aufnahmebehälter herausgedrückten Wassers durch Druckreduzierung zum Sieden gebracht. Infolge der Verdampfungswärme ist der so entstandene Wasserdampf kühler als das Wasser in der Pipeline war, so dass ein anderer, flüssig gebliebener Teil des Wassers aus der Pipeline genutzt werden kann, diesen Dampf durch Wärmetauscher zu erwärmen. Nach einer ersten Druckreduzierung in der Pipeline wird dieser heiße Dampf dort eingeleitet und erwärmt dort noch vorhandene Restwassermengen, die somit ebenfalls in die Dampfphase übergehen. Schließlich wird der Druck in der Pipeline weiter reduziert, so dass der Siedepunkt nun deutlich unter die Wandtemperatur der Pipeline fällt; damit verdampft auch die restliche Feuchtigkeit. Je nach Anforderungen an die Reinheit des Erdgases kann auch ein Unterdruck angelegt werden. Diese Entleerung muss mit einem genügenden Tempo vor sich gehen, damit sich die Pipeline nicht zu sehr abkühlt, was die Verdampfung des Restwassers erschweren würde.
  • Beim Befüllen der Pipeline mit Wasser könnte an Hochpunkten der Leitung Gas zurückbleiben; dort kann ein Ventil angeordnet werden, das nur Gas (und kein Wasser) durchlässt, durch welches das Gas in eine Nebenleitung geführt wird, die es entweder zu einem mindestens gleich hoch gelegenen Punkt entlang der Strecke führt, wo das Gas wieder der Hauptpipeline zugeführt wird, oder zu anderer Stelle. An den Tiefpunkten der Leitung könnten entsprechend Nebenleitungen zum Fortführen des Wassers angeordnet werden. Diese könnten ggf. als Horizontalbohrungen mit geringerem Durchmesser Hügel unterqueren, die von der übrigen Pipeline überquert werden, dann könnte das Wasser i der Nebenleitung im Gefälle abfließen. Eine Entleerungsleitung könnte aber auch an Tiefpunkten beginnen und dann entlang der Pipeline über das Gelände geführt werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Innendruck in der Hauptpipeline ausreichend ist, um den Forttransport anzutreiben, und die Entleerungsleitung in einem hinreichend kühleren Bereich der Wärmedämmung am Rand der Hauptleitung verlegt wird, so dass dort keine Dampfbildung auftritt.
  • (Richtungswechsel des Wassers, Anspruch 9) Auch eine Solarpipeline mit nur einem Rohr kann mit Rücklauf des abgekühlten Wassers betrieben werden, wenn ein Richtungswechsel des Wasserflusses stattfindet. Entlang der gesamten Strecke werden sich in der Regel mehrere Abnehmer befinden, die jeweils auch eigene Warmwasserspeicher aufweisen, die z. B. zur Versorgung von Großstädten dienen. Vor einem Richtungswechsel sei die Pipeline mit auf die Vorlauftemperatur erhitztem Wasser gefüllt. Nach der Umkehr der Strömungsrichtung wird bei den Wärmeabnehmern erkaltetes Wasser in die Pipeline gepumpt. Das noch in der Pipeline vorhandene heiße Wasser kurz vor dem entferntesten Abnehmer muss dann aber nicht die gesamte Strecke bis zum Solarpark zurückgepumpt werden. Vielmehr wird es bei dem nächsten Abnahmepunkt entnommen und dort dem Speicher für warmes Vorlaufwasser zugeführt. Diese Zuführung von Warmwasser in den Speicher hält also noch nach der Strömungsumkehr einige Zeit an. Entsprechend geschieht es in den anderen Abschnitten. Die Strömungsgeschwindigkeit während des beginnenden Rücklaufs und der Zeitpunkt, bis zu dem ein Abschnitt mit kühlerem Wasser gefüllt ist, muss dabei nicht überall gleich sein. Während auf diese Weise der Wärmegehalt des jeweils ein Stück zurückgepumpten Wassers weitgehend genutzt werden kann, wirkt sich das Wärmespeichervermögen der Pipeline(-wand) selbst ungünstig aus.
  • Insgesamt könnte mit einem Drei-Phasen-Betrieb zunächst Erdgas, dann kaltes Wasser in Gegenrichtung, dann warmes Wasser zu den Wärmeabnehmern transportiert werden, daran würde eine Entleerung mittels Verdampfung anschließen, um wieder Erdgas zu befördern. Das Kaltwasser würde wenig Dampf an das zu verdrängende Erdgas abgeben, nach dem Warmwassertransport wäre dagegen eine bestmögliche Entfeuchtung der Pipeline gewährleistet. Ebenfalls denkbar wäre ein Vier-Phasen-Betrieb in der Abfolge Erdgas-Warmwasser-Kaltwasser-Warmwasser-Erdgas, wenn Warmwasser und Erdgas dieselbe Transportrichtung aufweisen.
  • (Zusätzliches Wärmeträgermedium, Anspruch 25) Manche Materialien weisen in einem bestimmten Temperaturbereich eine erhöhte Wärmekapazität auf, weil sich doch ein Phasenwechsel vollzieht. Auch mit thermochemischen Umwandlungsprozessen kann eine hohe effektive Wärmekapazität erreicht werden. Dies macht man sich mit latenten Wärmespeichern zu Nutze. Solche Materialien könnten von dem übrigen Wärmeträgermedium – vorzugsweise Wasser – mittransportiert werden. Beispielsweise könnte geeignete Wachse in feste, kugelförmige Umhüllungen eingebettet werden, und so nach dem Erschmelzen am Ort der Wärmegewinnung dem in der Solarpipeline beförderten Wasser zugegeben werden. In den Verbrauchsregionen würden diese Kugeln dann auf geringerem Temperaturniveau die so gespeicherte Wärme wieder abgeben, z. B. an den übrigen Inhalt eines Jahreswärmespeicher. Die Kugeln könnten auch aus dem Wasserstrom ausgesiebt werden. Sie könnten sodann in an sich bekannter Weise zu Wärmeabnehmern transportiert werden, für die sich ein Anschluss an ein Fernwärme-Rohrsystem nicht lohnt. Der Betrieb würde damit früheren Haushalts-Eisschränken ähneln, die ohne eigene Kühlung waren und mit Eisblöcken beliefert worden sind.
  • (Längenausgleich, Ansprüche 27 bis 31) Rohre zum Transport heißer Medien weisen häufig Kompensatoren in Form U-förmiger bzw. Omega-(Ω-)förmiger Dehnschenkel auf, mit denen die Wärmeausdehnung der Rohre – bei Stahlrohren oft 2 bis 3 Millimeter je Meter Rohrlänge – aufgefangen wird. Die sonst bei Erwärmung entstehende Längenausdehnung bzw. Stauchung der Rohre wird damit in eine Biegung umgewandelt. Die erfindungsgemäße Rohrleitung wird aber einen sehr großen Durchmesser haben, und damit besonders steif und schwer zu biegen sein. Zudem erfolgen bei U-förmigen Dehnschenkeln Änderungen der Fließrichtung und der Rohrform im Bereich von drei Biegestellen – erst eine Biegung um 90° von der ursprünglichen Leitungsrichtung weg und in eine senkrecht dazu stehende Gerade, dann eine Biegung um insgesamt 180°, um mit einer weiteren Geraden wieder zum ursprünglichen Leitungsverlauf zurückzukommen, dann wieder eine Biegung um 90° in Leitungsrichtung. Zusätzliche Strömungswiderstände entstehen nun aber weniger durch die Richtungsänderung als solche, sondern durch einen (mehrfachen) Wechsel zwischen einem geradlinigen und einem gebogenen Streckenverlauf.
  • Anstelle eines U-förmigen Verlaufs könnten Dehnschenkel einen liegenden, bogenförmigen Verlauf aufweisen. Nachdem eine exakte Kreisbahn um eine z. B. senkrechte Achse wieder zum ursprünglichen Verlauf der Leitung zurückführen würde, müsste stattdessen ein spiralförmiger Verlauf gewählt werden, bei dem der vorherige Leitungsabschnitt entweder über- oder unterquert wird. Da für die Verbiegbarkeit einer solchen „Ausdehnungs-Spirale” der erreichte Abstand von der ursprünglichen Achsrichtung sehr stark maßgeblich ist, würde sie vorzugsweise mit nur einem Umlauf und mit einer „Ganghöhe” knapp oberhalb des Leitungsdurchmessers ausgeführt werden.
  • Entsprechend der benötigten Abmessungen, mit denen eine zur Aufnahme der Wärmeausdehnung genügende Verbiegung dieser Schleife erreicht wird, zur kann sich ein beträchtlicher Durchmesser und damit Platzbedarf ergeben.
  • Der Ausgleich der Wärmeausdehnung könnte aber auch durch einen Schraubenfederförmigen Verlauf der Leitung erreicht werden, bei dem die Schraubenachse in Leitungsrichtung der Leitung verläuft. Die Leitung würde sich dabei um einen gedachten Zylinder (53) wickeln, dessen Achse vorzugsweise um seinen Radius gegenüber der ursprünglichen Längsachse der Rohrleitung versetzt wäre. Der Leitungsverlauf auf dieser Zylinderoberfläche könnte dabei mit einer schwachen Biegung beginnen, bis allmählich eine stärkere Biegung und damit eine geringere Ganghöhe des Schraubenverlaufs erreicht wird. Der Hintergrund dieser Bauweise ist, dass nun der Durchmesser des Bogens bzw. der Spirale weniger stark die Fähigkeit zur Längenausdehnung bestimmt als bei dem zuvor beschriebenen Bogen. Eine solche Spirale könnte also mit relativ kleinem Durchmesser der Spirale ausgeführt werden – was beispielsweise beim fünffachen des Rohrdurchmessers immer noch etliche Meter Durchmesser ergäbe – und für einen ausreichenden Ausgleichseffekt mit mehreren Windungen ausgeführt werden. Dieses Vorgehen ist im Prinzip von Schraubenfedern bekannt, nicht aber bei Fernwärmeleitungen. Da eine weitere Windung den Strömungswiderstand nicht mehr so sehr erhöhen würde wie die erstmalige Umleitung des Rohrs aus der geraden in die gebogene Form, waren bevorzugt nur wenige solcher Ausgleichsbereiche zu installieren, die aber jeweils eine größere Windungszahl aufweisen.
  • Das Leitungssystem steht in bevorzugter Bauweise unter hohem Druck, um ein Sieden des Wassers zu vermeiden. In gerader Strecke verbindet die kreisrunde Bauform die Aufgabe der Druckhaltung in bester Weise mit der Aufgabe eines möglichst niedrigen Strömungswiderstands. Eine Bauform, die den Längenausgleich mit der Druckhaltung verbindet, muss aber nicht zugleich auch eine strömungstechnisch günstige Bauform sein. Die beiden Aufgaben können dann getrennt werden, wobei ein umschließender Teil für die Druckhaltung sorgt, während ein innerer Teil für die Führung des Wasserstroms sorgt.
  • Bei Ausgleichsstellen im Abstand von einem bis einigen Kilometer entstehen Längsbewegungen der Leitung von einem bis einigen Meter. Bei einer ruhenden bzw. im Boden vergrabenen Leitung wäre dies schwer zu verwirklichen. Bei einer hängenden Leitung ergeben sich diese Längsbewegungen ganz zwanglos zusammen mit einer Neigung der Aufhängung.
  • Aufwändiger erscheint eine schwimmende oder eigentlich schwebende Verlegung der Leitung, wobei die gedämmte Leitung von einem zweiten wassergefüllten Rohr umgeben wäre, in dem aber größere Temperaturschwankungen vermieden werden. Auch dies würde praktisch reibungsfreie Bewegungen der Leitung in Längsrichtung ermöglichen, wie sie aus der Wärmeausdehnung der Leitung resultieren. Dabei sollte darauf geachtet werden, dass das Gewicht der gedämmten Leitung in etwa dem Gewicht des verdrängten Wassers im äußeren Rohr entspricht. Nachdem die warme innere Leitung ebenfalls wassergefüllt ist, wäre das niedrige spezifische Gewicht der Wärmedämmung in erster Linie durch das höhere spezifische Gewicht des (Stahl-)Rohrs auszugleichen, ggf. ergänzt um zusätzliche Ballaststoffe. Die Wärmedämmung müsste dann außerdem wasserabweisend sein. Bei dieser Bauweise könnte das Wasser im Außenrohr zudem die von der Wärmedämmung nicht zurückgehaltene Abwärme der Leitung abführen. Damit würde ein Wärmestau vermieden, der bei Verlegung im Boden sonst ggf. durch parallel verlegte Kühlrohre vermieden werden müsste. Das äußere Rohr wäre druckfrei bzw. nur durch den hydrostatischen Druck im Geländeverlauf belastet. Eine Rückführung des abgekühlten Wassers in einer äußeren Rohrleitung erscheint allerdings nicht zweckmäßig.
  • Die Leitung könnte in vorerwärmten Zustand verschweißt werden, jedenfalls beim abschließenden Zusammenfügen längerer Abschnitte. Bei einer Vorerwärmung auf die maximale spätere Betriebstemperatur würden bei Abkühlung nur Zugspannungen entstehen. Zugspannungen bewirken bei einer geradlinigen Leitung weniger Verbeulungsneigung als stauchende Kräfte. Das könnte gerade bei einem hängenden Leitungsverlauf ohne seitliche Führung der Leitung von Bedeutung sein. Außerdem könnte bei geringeren Temperaturen der Innendruck gesenkt werden, so dass die Leitung entweder dem vollen Innendruck widerstehen muss oder bei niedrigen Innentemperaturen den vollen Zugspannungen, nie aber beiden zugleich. Bei einer Vorerwärmung auf eine weniger hohe Temperatur könnten sich Stauchungen und Zugbelastung der Leitung je nach Temperatur abwechseln, die Stauchungen waren dann aber schwacher als bei Verschweißung in kaltem und in auch nicht mechanisch gestrecktem Zustand.
  • (Tankwagen, Anspruch 6) Auch heißes Wasser könnte über kürzere Strecken von Punkten des Fernwärmesystems zu Einzelhaushalten beliefert werden. Beispielsweise könnten freistehende Einfamilienhäuser Speichertanks mit einigen hundert Litern bis wenigen Kubikmetern Fassungsvermögen erhalten – möglicherweise umgebaute Heizöltanks – und im Abstand von einigen Tagen bis einigen Wochen von Heißwassertankwagen beliefert werden. Wenn die entsprechenden Siedlungen mit Befüllstationen ausgestattet ist, die sich zum Beispiel im Abstand von wenigen hundert Meters zu den Wohnhäusern befinden, und die Tankwagen nacheinander Häuser derselben Siedlung anfahren, kämmt ein solches Versorgungssystem mit einem vertretbaren Umfang an Fahrtstrecken der Tankwagen aus. Die entsprechenden Tanks könnten z. B. als Solarspeicher für Wärme dienen, die in den Sommermonaten auf Hausdächern der sonnenarmen Zone gewonnen wird, und die die aus sonnigen Regionen antransportierte Wärme ergänzen würde.
  • (Tankschiffe, Anspruch 5) Außer in Pipelines kann der Transport des heißen Wassers über größere Entfernungen auch in Tankschiffen erfolgen. Überraschenderweise ergibt dies ein noch vertretbares Verhältnis zwischen Energiebedarf für den Schiffsantrieb und Energieinhalt der Ladung, wenn das Schiff nicht zu schnell bewegt wird.
  • Kostengünstig verfügbar sein könnten dabei insbesondere als „Einhüllentanker” gebaute Tankschiffe, die nicht mehr zum Öltransport genutzt werden dürfen, aber mit mäßigem Aufwand mit einer Wärmedämmung und ggf. inneren Hülle versehen werden können, und deren Sicherheit für ein sauberes Transportgut noch ausreichend wäre. In einem Schiff könnte auch ein latenter Wärmespeicher befördert werden, der den Phasenübergang fest – flüssig nutzt.
  • Im Vergleich etwa zum Erdöltransport, der häufig mit Tankern erfolgt, kann warmes Wasser mit seinen wesentlich besseren Fließeigenschaften weitaus günstiger über Pipelines transportiert werden, was den Nachteil der geringeren Energiedichte ausreichend ausgleicht. Die Lösung mit Tankern könnte aber zur Überbrückung mäßiger Entfernungen zwischen einer Solarpipeline und isoliert gelegenen Küstenstädten bzw. Inseln und für ein Demonstrationsprojekt des weiträumigen Wärmetransports in Betracht kommen.
  • Abbildungen
  • 1 zeigt eine symbolische Karte Westeuropas. Die abendliche Sonne 1 scheint auf einen rinnenformigen Kollektor 2 im südlichen Spanien, über den ein erster Speicher 3 erwärmt wird. Von dort verläuft eine Solarpipeline 4 zu zwei weiteren Speichern 5, 6 in der Nähe von Verbrauchskonzentrationen in Westeuropa, hier im Bereich von London und Paris durch zwei Heizkörper 7, 8 symbolisiert. Der erste Speicher 3 in Erzeugungsnähe gleicht Schwankungen der Wärmegewinnung im Jahresverlauf aus, die Speicher 5, 6 in Verbrauchernähe gleichen Schwankungen des Verbrauchs aus,
  • 2 behandelt eine abwechselnd für den Gas- und Wassertransport verwendete Leitung. Sie zeigt einen Abschnitt einer Solarpipeline 21 mit zwei Hochpunkten 22, 24 bei der Überquerung von Hügeln und zwei Tiefpunkten 23, 25 in Tälern. Gezeigt wird der Vorgang beim Entleeren des Wassers in der Pipeline, um diese für den Gastransport vorzubereiten: Am Punkt 25 befindet sich ein Speicher 26, in den das Heißwasser durch ein Ventil 27 bei einem Entleeren der Leitung hineinfließen soll, um die Pipeline anschließend zum Gastransport zu nutzen. Aus dem Abschnitt 30 ist das flüssige Wasser bereits in den Speicher abgelassen worden, das Volumen ist vorübergehend mit Wasserdampf gefüllt. Im Bereich 28 liegt ebenfalls nur noch Dampf vor. Entsprechend dem unterschiedlichen Wasserstand an beiden Seiten des mit flüssigem Wasser gefüllten Bereichs 29 ist der Druck im Dampfvolumen 28 höher als im Dampfvolumen 30. Würde nun weiteres Wasser aus dem Bereich 31 in den Speicher abgelassen werden, würde zu einer Druckabnahme auch im Bereich 30 führen, mit der Folge, das auch der Dampf im Bereich 28 weiter nach rechts drücken würde. Dies würde dazu führen, dass der nachdrückende Dampf durch den wassergefüllten Bereich 29 hindurch perlen würde, er würde jedenfalls nicht das Wasser im Bereich 29 über den Punkt 32 hinweg in Richtung der Entleerungsstelle beim Speicherbehälter 26 drücken. Daher wird an diesem Tiefpunkt ein Ventil 33 angeordnet, das zu einer Entleerungsleitung 34 führt, die entlang der eigentlichen Solarpipeline 21 verläuft. In Nähe des Hochpunktes 24 ist auch in der Entleerungspipeline der hydrostatische Druck geringer als an den Tiefpunkten, bei genügend niedriger Temperatur in der Entleerungspipeline besteht jedoch keine Gefahr des Verdampfens. So kann der Wasserstand im Bereich 29 allmählich gemäß der Pfeilrichtung 35 absinken, indem diese Wassermenge über ein weiteres Ventil 36 ebenfalls in den Speicher 26 entleert wird, oder in einen anderen Speicher. Die Druckdifferenz zwischen den Dampfvolumina in den Bereichen 28 und 30 sorgt dabei für den Antrieb der Wasserbewegung in der Entleerungspipeline, kann aber auch durch eine aktive Pumpe oder unterstützt werden. Soweit der Speicher 26 niedriger liegt als der Tiefpunkt 23 bzw. das Ventil 33, kann sich der Wasserstrom in der Entleerungsleitung auch noch fortsetzen, nachdem das Wasser im Tiefpunkt 23 weitgehend ausgelaufen ist und sich die beiden Dampfvolumina 28 und 30 verbunden haben, womit auch keine antreibende Druckdifferenz mehr besteht. Ein Schließen des Ventils 27 bei geöffneten Ventilen 33 und 37 und eine Druckminderung im Speicher 26 kann dies unterstützen. Nachdem das flüssige Wasser bestmöglich entleert worden ist, wird auch der Dampf in der Pipeline durch Ventile abgelassen, wobei er zum Zwecke der Nutzung des Wärmegehalts möglichst in Behälter mit weniger warmen Wasser geführt wird, und somit zum Kondensieren gebracht wird. Bei ursprünglichen Pipelinetemperaturen von deutlich über 100 Grad Celsius, die sich durch den Entladevorgang nicht wesentlich abgekühlt haben, kann gleichzeitig Wasser in verbliebenen Pfützen in der Pipeline verdampfen. Ggf. kann auch ein Unterdruck in der Pipeline erzeugt werden und die Entleerung verbessern.
  • 3 zeigt dieselbe Pipeline im Zeitpunkt des Wechsels vom Gas- zum Wassertransport während der Wiederbefüllung mit Wasser, das zunächst aus dem Speicher 26 eingepumpt wird. Vom der Tiefpunkt 25 her ist das Wasser bereits bis zum Hochpunkt 24 gestiegen und rinnt nun darüber hinweg in Richtung des Tiefpunktes 23. Sobald sich dieser Tiefpunkt genügend gefüllt hat, kann das Gasvolumen 28 sich nicht mehr entgegen der Zuflussrichtung des Wassers wegströmen. Daher wird an den Hochpunkten 22, 24 der Solarpipeline nun eine weitere Entleerungsleitung 37 mit weiteren Ventilen angeschlossen, durch die das Gas abfließen und damit das Wasser nachfließen kann. Es wird vorteilhaft sein, zu diesem Zeitpunkt zunächst kühles Wasser einzufüllen, damit der Dampfdruck gering bleibt und weniger Wasserdampf das Gas verunreinigt. Außerdem entstehen dann weniger thermische Spannungen in der Pipeline, wenn sie erst anschließend mit warmer werdendem Wasser befüllt wird, bis die volle Betriebstemperatur und Förderleistung erreicht wird.
  • 4 verdeutlicht den Richtungswechsel des Wassertransports zeigt den Strömungsfluss in einer Solarpipeline mit drei Abschnitten zwischen dem Solarpark 40 und drei Verbrauchsgebieten 41, 42, 43. In der Ausgangsituation liegt in allen drei Rohrabschnitten eine Fließbewegung 44, 45, 46 des heißen Wassers in Richtung der Verbraucher vor (4a), wobei bei allen Verbrauchsgebieten Teilmengen entnommen werden. Nach Umkehr der Fließrichtung wird in den drei Verbrauchsgebieten nun abgekühltes (Rücklauf-)Wasser in die Pipeline eingespeist, das in 4b durch die Fließbewegungen 47, 48, 49 repräsentiert wird. In Teilen der Pipeline befindet sich zunächst noch heißes Wasser, das nun ebenfalls eine gegenläufige Fließbewegung 50, 51, 52 ausführt. Das heiße Wasser 51, 52 aus den beiden weiter vom Solarpark entfernteren Rohrabschnitten wird nun aber bei den Verbrauchern 42, 43 aus der Solarpipeline abgezweigt und dort einer Nutzung zugeführt. Die Fließbewegung 50 führt dagegen zum Ausgangsort beim Solarpark zurück. Dieser Teil des heißen Wassers muss also dort gespeichert werden, zusammen mit dem am Solarpark neu erwärmten Wasser, bis nach der nächsten Umkehrung der Fließrichtung wieder Wärme zu den Verbrauchern transportiert wird.
  • 5 zeigt einen spiralförmigen, Schraubenfeder-ähnlichen Pipelineabschnitt. Dünn dargestellt ist die zylindrische Mantelfläche 53, die dem übrigen Pipelineverlauf folgt. Die aus dem Bereich 54 geradlinig ankommende Pipeline wird im Bereich 55 allmählich in eine engere Spiralform im Bereich 56 umgelenkt, anschließend im Bereich 57 wieder allmählich gestreckt und begradigt. Durch die nur allmähliche Biegungsänderung bliebt der Strömungswiderstand trotz der insgesamt starken Verdrehung der Fließrichtung gering. In den angrenzenden Bereichen ist die Leitung an Portalen 58 an Seilen 59 hängend befestigt und kann sich damit leicht entsprechend der Wärmeausdehnung in Längsrichtung bewegen.
  • 6 zeigt ein Wärme- und Kälteversorgungssystem mit dem heißen Vorlauf 61 aus der sonnenreichen Region (links) in die kalte Region (rechts) und dem kühleren Rücklauf 62.
  • 64, 65 und 66 sind Wärmeabnehmer in der kälteren Region, wobei 64 in der Abbildung direkt an dem Vorlauf 61 und Rücklauf 62 angeschlossen ist. Wärmespeicher, Druckminderer. Mischer zur Minderung der Temperatur des ersten Vorlaufs und Verteilungsleitungen sind nicht dargestellt. 65 vertritt die Verbraucher mit Heizsystemen mit hoher Auslegungstemperatur, deren noch relativ warmer Rücklauf zu einen Rohrsystem 63 mit mittlerem Temperaturniveau führt. Wärmeabnehmer 66 besitzt ein Heizsystem mit niedriger Auslegungstemperatur, welches das Rohrsystem 63 als Vorlauf nutzt und das Wasser an den noch kühleren Rücklauf 62 abgibt, von wo es wieder die Reise in die sonnigere Weltregion im linken Bildteil antritt.
  • Dort sind in je drei Bereichen Sonnenkollektoren 67, 68, 69, Wärmepumpen 70, 71, 72 und zu kühlende Gebäude 73, 74, 75 dargestellt.
  • Das großflächige Feld mit Sonnenkollektoren 67 versorgt die großindustrielle Wärmepumpenstation 70 über die z. B. mit Thermoöl gefüllten Leitungen 76, 77 mit Wärme auf hohem Temperaturniveau. Die Wärmepumpenstation 70 gibt Wärme an den Heizungsvorlauf 61 ab, deren Energie sie teilweise dem Kühlumlauf 78, 79 entnommen hat, und die im übrigen aus den Sonnenkollektoren 67 stammt. Die Leitung 78 mit einer kühlen Flüssigkeit als Wärmeträgermedium (z. B. 10°C) versorgt hier direkt das Gebäude 73, aus dem die Flüssigkeit über die Leitung 79 erwärmt (z. B. auf 20°C) zurückfließt. Bei der kühlen Flüssigkeit wird es sich bei einer zentralen Wärmepumpe vorzugsweise um Wasser handeln, weil ein Umlauf des eigentlichen Kältemittels der Wärmepumpe höhere Materialkosten und vor allem Leckagegefahren zur Folge hätte
  • In kleinerem Maßstab funktioniert das System 68, 71, 74 in ähnlicher Weise, nur dass sich hier die Solarkollektoren 68 auf dem Dach des zu kühlenden Gebäudes 73 befinden und eine dezentrale Wärmepumpe 71 antreiben. Vorteil ist die Möglichkeit der direkten Ümströmung des kalten Verdampfers der Wärmepumpe mit der Luftzufuhr des zu kühlenden Gebäudes.
  • Im Bereich der Gebäudes 75 ist in ähnlicher Weise eine dezentrale Kühlung mit Hilfe des dezentralen Solarkollektors 69 verwirklicht worden. Hier wird allerdings ein Teil des noch relativ kühlen Rückflusses aus dem Gebäude 73 als Zulauf genutzt. Damit verbessert sich der Wirkungsgrad der Kühlung in der Wärmepumpe 72, es wird weniger antreibende Energie aus dem Kollektorfeld 69 benötigt und ein gesondertes Rohrsystem von dem Rücklauf 62 zur Wärmepumpe 72 ist nicht erforderlich. Im Falle von Kompressorgetriebenen Wärmepumpen an den Stellen 71 bzw. 72 ersetzt deren Stromversorgung die thermischen Sonnenkollektoren 68 und 69.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (39)

  1. Verfahren zur Wärmeversorgung mit Solarenergie, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Klimazone die Einstrahlung der Sonne (1) zur Erwärmung eines Wärmeträgermediums genutzt wird, das zu Wärmeabnehmern in wenigstens einer Region mit ungünstigeren Besonnungsverhältnissen transportiert wird und dort Wärme an Wärmenutzer (7, 8) abgibt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmetransportsystem (4) eine Distanz von mindestens 1000 km überbrückt und mindestens 1 Million Wohneinheiten angeschlossen sind.
  3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferntransport der Wärme nach direkter oder indirekter Wärmeübertragung mit einem anderen Wärmeträgermedium erfolgt, vorzugsweise mit Wasser, als die erstmalige Aufnahme der Sonneneinstrahlung.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die jahreszeitlichen Schwankungen von Sonneneinstrahlung und Wärmebedarf mit Speichern (3, 4) ausgeglichen werden, wobei durch geeignete Anordnung und Ansteuerung eine Vergleichmäßigung des Wärmetransports in dem Transportsystem erreicht wird.
  5. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport des Wärmeträgermediums wenigstens abschnittsweise mit Tankschiffen erfolgt.
  6. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport des Wärmeträgermediums wenigstens abschnittsweise mit Tankwagen erfolgt.
  7. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport des Wärmeträgermediums wenigstens abschnittsweise mit einem Rohrleitungspaar mit Hinleitung und Rückleitung erfolgt.
  8. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport des Wärmeträgermediums wenigstens abschnittsweise mit einer Rohrleitung ohne Rückleitung erfolgt.
  9. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Transport des Wärmeträgermediums wenigstens abschnittsweise mit einer einfachen Rohrleitung erfolgt, in der das Wärmeträgermedium zeitlich abwechselnd zum Zwecke des Wärmetransports in Richtung der Wärmeabnehmer und unter Rückführung des Wärmeträgermediums in entgegengesetzter Richtung transportiert wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Wärmeträgermedium um Meerwasser handelt.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Wärmeträgermedium um Süßwasser handelt, das aus Meerwasser gewonnen wird, wobei die mit Hilfe der Sonneinstrahlung gewonnene Wärme mit geeigneten Wärmetauschern dazu genutzt wird, das Meerwasser zu entsalzen.
  12. Verfahren zur kombinierten Trinkwassergewinnung aus Meerwasser und zur Wärmegewinnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – mit Hilfe der Sonneneinstrahlung gewonnene Wärme dafür genutzt wird, Meerwasser zu destillieren und dabei zu entsalzen, – wenigstens einem Teil des so erzeugten und zur Wasserversorgung genutzten Süßwassers bzw. des verbleibenden Salzwasser-Konzentrats dann aber ein Teil der Wärme mittels geeigneter Wärmetauscher entzogen wird, und – die dermaßen dem Süßwasser bzw. dem Salzwasser-Konzentrat entzogene Wärme einem Wärmetransportsystem nach einem der vorherigen Ansprüche zugeführt wird.
  13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kraft-Wärme-Kopplung der Wärmegewinnung mit Stromerzeugung, bei der mit Hilfe der Sonneneinstrahlung gewonnene Wärme dafür genutzt wird, einen thermodynamischen Kreislauf zur Stromerzeugung anzutreiben, zu dessen Kühlung der Rücklauf eines Wärmeträgermediums aus einer weniger sonnigen Region genutzt wird, womit zugleich Wärme von der kühlen Seite dieses thermodynamischen Kreislauf dem Wärmetransportsystem zugeführt wird.
  14. Verfahren zur Kraft-Wärme-Kopplung nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Umfang der Stromerzeugung und damit zusammenhängend das Temperaturniveau des Kühlwassers vor und nach Erwärmung sowie der Umfang der Wärmeabgabe an das Kühlwasser in Abhängigkeit von Strombedarf und Sonneneinstrahlung gesteuert wird, vorzugsweise verbunden mit einer Speicherung des Kühlwassers auf verschiedenen Temperaturniveaus und Zuführung bzw. Abführung des Kühlwassers von bzw. zu den entsprechenden Speichern.
  15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium nacheinander oder zeitlich abwechselnd mittels unterschiedlicher Systeme zur Aufnahme der Sonneneinstrahlung erwärmt wird, die jeweils für unterschiedliche Temperaturniveaus vorgesehen sind; vorzugsweise in der Abfolge von Systemen mit zunehmender Wärmeisolierung und Konzentrationswirkung der Sonneneinstrahlung.
  16. Verfahren zur Kühlung von Photovoltaikanlagen in sonnenreichen Klimazonen, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemäß einem vorherigen Ansprüche in einer sonnenärmeren Region abgekühltes Wärmeträgermedium von den Photovoltaikanlagen erwärmt wird, vorzugsweise vor weiteren Erwärmungsstufen.
  17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein konzentrierendes System mit Spiegeln verwendet wird, bei dem auf eine dem Sonnenstand folgende Nachführung der Spiegel oder der die Wärme aufnehmenden Rohrleitungen verzichtet wird, und stattdessen mehrere Wärmeaufnehmer in dem Bereich angeordnet werden, in dem je nach Sonnenstand eine Konzentration der Sonnenstrahlung stattfindet, welche dann je nach Sonnenstand für die Durchleitung eines Wärmeträgermediums und die Entnahme von Wärme ausgewählt werden.
  18. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu einem Zeitpunkt die Wärmeabgabe an unterschiedliche Wärmeabnehmer in der sonnenärmeren Region auf mehreren Temperaturniveaus erfolgt, wobei vorzugsweise der Rücklauf von einem Teil der Wärmeabnehmer als Vorlauf für einen anderen Teil der Wärmeabnehmer verwendet wird.
  19. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohrleitung Ventile enthält, die sich bei einem Druckabfall in der Leitung öffnen und somit den Austritt des Wärmeträgermediums an einer etwaigen Bruchstelle mindern.
  20. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium vor dem höchsten Punkt einer größeren Erhebung im Leitungsverlauf wenigstens teilweise verdampft wird, um den zur Überwindung der Erhebung benötigten Druck bzw. die Druckanhebung vor der Erhebung zu mindern.
  21. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass nur ein Teil des zugeführten Wärmeträgermediums verdampft wird, wobei dem übrigen Teil Wärme entzogen wird, und der übrige Teil des Wärmeträgermediums ohne Verdampfung anderen Wärmeabnehmern zugeführt wird.
  22. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe Rohrleitung dazu verwendet wird, abwechselnd ein flüssiges Wärmeträgermediums und ein Gas, vorzugsweise einen Brennstoff, zu transportieren.
  23. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass bei wechselnder Neigungsrichtung des Leitungsverlaufs der Wechsel zwischen dem Gastransport und dem Transport eines flüssigen Wärmeträgermediums dadurch erleichtert wird, dass an Tiefpunkten (23, 25) bzw. an Hochpunkten (22, 24) des Leitungsverlaufs Abzweigungen zu gesonderten Entleerungsleitungen (34 bzw. 37) vorgesehen werden, durch die die aus der Leitung zu entfernende Wärmeträgerflüssigkeit (beim Wechsel zum Gastransport) bzw. das Gas (bei Wechsel zum Flüssigkeitstransport) über die Hochpunkte bzw. Tiefpunkte des Leitungsverlaufs hinweg transportiert werden kann.
  24. Verfahren nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wechsel vom Flüssigkeitstransport zum Gastransport zunächst die Flüssigkeit bestmöglich abgepumpt wird, sodann der Druck im Leitungsverlauf gesenkt wird, um mit Hilfe der in der Leitung vorhandenen Restwärme die in der Leitung verbliebenen Flüssigkeitsreste zu verdampfen, die dann ebenfalls aus der Leitung abgelassen werden.
  25. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem als Wärmeträgermedium eine Flüssigkeit eingesetzt wird, vorzugsweise Wasser, in der mit oder ohne besondere Umhüllung ein weiteres Wärmeträgermedium mitgerissen wird, vorzugsweise ein Material, das zwischen Vorlauf- und Rücklauftemperatur seinen Aggregatzustand wechselt und damit eine höhere Wärmekapazität aufweist oder einen thermochemisch umgewandelten Stoff.
  26. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das mitgerissene Wärmeträgermedium an einer Stelle des Leitungsverlaufs von dem Wasser abgesondert wird, und sodann auf gesonderten Wegen Wärmeverbrauchern zugeführt wird.
  27. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Leitung wenigstens einen spiralförmigen Abschnitt zum Zwecke des Ausgleichs der von Temperaturänderungen bewirkten Längenänderungen der Leitung aufweist.
  28. Vorrichtung nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der spiralförmige Abschnitt um eine ungefähr zylinderförmige Mantelfläche verläuft, deren Achse ungefähr in der Richtung der anschließenden Pipelineabschnitte verläuft.
  29. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem sich in wenigstens einem zum Ausgleich von Längenänderungen vorgesehenen Abschnitt die Leitung in zwei Teile aufteilt, nämlich einen inneren Teil der Leitung, der unmittelbar mit dem strömenden Medium in Kontakt steht und dessen Bewegungsrichtung leitet und dabei eine für den Strömungsverlauf günstigere Form aufweist, und einen weiteren diesem umschließenden Teil, der im wesentlichen den Leitungsdruck gegen die Umgebung aufrecht erhält.
  30. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Leitung wenigstens teilweise hängend verlegt wird, um durch die Aufhängung Bewegungen der Leitung in Längsrichtung zu erleichtern, die aus der Wärmeausdehnung der Leitung resultieren].
  31. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, bei der die das Wärmeträgermedium führende Leitung wenigstens teilweise schwimmend bzw. in Flüssigkeit schwebend verlegt wird, vorzugsweise innerhalb eines weiteren, wassergefüllten Rohres.
  32. Verfahren zur Errichtung einer Leitung, die für eines der vorherigen Verfahren eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verschweißen von Leitungsabschnitten nahegelegene Leitungsabschnitte erwärmt werden, um eine weitere Längenausdehnung bei Betriebstemperatur und davon ausgehende Stauchungen zu begrenzen.
  33. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem neben der Sonneneinstrahlung andere Energieträger als Wärmequelle eingesetzt werden.
  34. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Wärmeträgers durch Wärmepumpen bzw. Kältemaschinen unterstützt wird.
  35. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Absorptionswärmepumpe eingesetzt wird, die den Wärmeeintrag aus Solarkollektoren nutzt, um der kühleren Umgebung (Luft, Wasser, Boden) Wärmeenergie zu entziehen und dem in die sonnenärmeren Regionen transportierten Wärmetransportmedium zuzuführen, dessen Temperatur zwischen der höheren Temperatur der Solarkollektoren und der niedrigeren Temperatur der genutzten Umgebungsmedien liegt.
  36. Verfahren nach einem der beiden vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Wärmepumpe gleichzeitig Kühlzwecken dient, vorzugsweise der Kühlung von Gebäuden.
  37. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass Solarkollektoren und Wärmepumpen in der Nähe von Kühllasten angeordnet werden und die Wärme gesammelt und von dort abgeführt wird.
  38. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmepumpen in einem Solarpark angeordnet werden, von dem einerseits Kühlleitungen, andererseits Wärmetransportleitungen wegführen.
  39. Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass ein heißes Wärmetransportmedium von einem Solarpark über eine Strecke von mindestens mehreren Kilometer zu Wärmepumpen transportiert wird, die näher zu Kühllasten angeordnet werden, und dass von dort der Wärmetransport in die kühleren Regionen über Wärmetransportleitungen mit weniger hohem Temperaturniveau erfolgt.
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