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Aufgabenstellung und Stand
der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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Fernwärme
wird meist in städtischen Zusammenhängen erzeugt
und genutzt. Diskutiert wurden Wärmetransporte von Großkraftwerken
zu Großstädten über einige zehn Kilometer.
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Erdgas
wird bereits seit längerem über weite Strecken
durch Rohrleitungen transportiert, z. B. aus Wüstengegenden
in Mittelasien nach Mitteleuropa.
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Trinkwasser
wird teilweise über hunderte Kilometer in aride Gegenden
transportiert.
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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.
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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.
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Physikalische Grundlagen und
Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Verschiedene Ausprägungen
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(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.
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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.
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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.
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Nachdem
die Solarkollektoren grundsätzlich in trockenen Regionen
liegen würden, sollte kein Süßwasser
abtransportiert werden. Stattdessen bietet sich die Nutzung von
Meerwasser an.
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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.
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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.
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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.
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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.
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(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.
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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.
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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.
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(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.
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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.
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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.
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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.
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(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.
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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.
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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.
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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.
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(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.
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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.
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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.
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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.
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(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.
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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.
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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.
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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.
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(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.
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(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.
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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.
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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.
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(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.
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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.
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(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.
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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.
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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.
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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.
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(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.
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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.
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(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.
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(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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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(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.
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(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.
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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.
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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.
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Abbildungen
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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,
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Dort
sind in je drei Bereichen Sonnenkollektoren 67, 68, 69,
Wärmepumpen 70, 71, 72 und zu kühlende
Gebäude 73, 74, 75 dargestellt.
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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
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - www.solarmarstal.dk [0003]