DE102011115057A1 - Water treatment plant comprises processing device used for treatment of water, which is supplied to the processing device with a pressure in a desired pressure range, and a pressure stabilizer comprising energy converter - Google Patents

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Christoph Storm
Matthias Esser
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Abstract

Water treatment plant (10) comprises: at least one processing device (11) used for treatment of water, which is supplied to the processing device with a pressure in a desired pressure range; and at least one pressure stabilizer (12) comprising at least one energy converter (13) adapted to hydraulic energy of the water, which is at least partially converted into mechanical energy, when the pressure of the water exceeds an upper limit of desired pressure region and/or to apply additional hydraulic energy when the pressure falls below lower limit of desired pressure range for supplying water. Water treatment plant (10) comprises: at least one processing device (11) used for treatment of water, which is supplied to the processing device with a pressure in a desired pressure range; and at least one pressure stabilizer (12) comprising at least one energy converter (13) adapted to hydraulic energy of the water, which is at least partially converted into mechanical energy, when the pressure of the water exceeds an upper limit of the desired pressure region and/or to apply additional hydraulic energy when the pressure falls below a lower limit of the desired pressure range for supplying the water with pressure in desired pressure range to processing device. Independent claims are also included for: (1) a device (100) comprising at least one water treatment plant, at least one power generation unit having at least one generator driven a turbine and at least one feeding device for supplying water, where the generator is operated by at least some of the feed water and the water treatment plant is adapted for processing at least a portion of the feed water. The energy converter is interconnected between the feeding device and processing device and is mechanically and/or electrically coupled to the generator; and (2) operating the water treatment plant preferably in the device, comprising supplying the processing device with a pressure in the target pressure range by the energy converter, which converts the hydraulic energy of the water at least partly into mechanical energy.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasseraufbereitungsanlage, insbesondere eine Meerwasserentsalzungsanlage, eine Anordnung mit einer derartigen Wasseraufbereitungsanlage und einer Stromerzeugungseinrichtung sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren.The present invention relates to a water treatment plant, in particular a desalination plant, an arrangement with such a water treatment plant and a power generating device and a corresponding operating method.

Stand der TechnikState of the art

Die verfahrenstechnische Behandlung von Wasser – beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, die Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose – setzt einen im Wesentlichen konstanten Druck des eingespeisten Wassers voraus. Nach heutigem Stand der Technik ist beispielsweise bei der Umkehrosmose ein konstanter Druck erforderlich, weil die hierbei verwendeten Membranen zur Entsalzung nur sehr geringen Druckpulsationen Stand halten.The process engineering treatment of water - for example, but not exclusively, seawater desalination by reverse osmosis - requires a substantially constant pressure of the water fed in. According to the current state of the art, for example, in reverse osmosis, a constant pressure is required because the membranes used here for desalination hold only very low pressure pulsations.

Die Entsalzung von Meerwasser durch Umkehrosmose ist grundsätzlich bekannt. Bei der Umkehrosmose wird Meerwasser zur Überwindung des osmotischen Druckes unter hohem Druck durch eine geeignete semipermeable Membran gepresst, durch welche unter anderem die enthaltenen Salze zurückgehalten werden. Das zurückbleibende Konzentrat (Retentat) wird kontinuierlich abgeführt und durch frisches Meerwasser ersetzt.The desalination of seawater by reverse osmosis is basically known. In reverse osmosis seawater is pressed to overcome the osmotic pressure under high pressure through a suitable semi-permeable membrane, which, among other things, the retained salts are retained. The remaining concentrate (retentate) is continuously removed and replaced by fresh seawater.

Wenngleich die vorliegende Erfindung im Rahmen dieser Anmeldung überwiegend unter Bezugnahme auf die Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, dass die vorgeschlagenen Maßnahmen nicht hierauf beschränkt sind, sondern vielmehr in einer Vielzahl von entsprechenden Verfahren verwendet werden können, in welchen ein konstanter Druck des Wassers erforderlich ist.Although the present invention will be described in the context of this application primarily with reference to seawater desalination by reverse osmosis, it should be noted that the proposed measures are not limited thereto, but rather can be used in a variety of corresponding methods in which a constant pressure of the Water is required.

Auch mit Wellenenergiekonvertern gespeiste Meerwasserentsalzungsanlagen, die nach dem Prinzip der Umkehrosmose betrieben werden, sind grundsätzlich bekannt.Seawater desalination plants powered by wave energy converters and operated according to the principle of reverse osmosis are also known in principle.

Wellenenergiekonverter können auf hoher See oder in Küstennähe eingesetzt werden und unterscheiden sich unter anderem in der Art, in der die Energie der Wellenbewegung entnommen wird. So ist in diesem Zusammenhang die Verwendung von Schwimmkörpern bekannt, deren Hebe- und Senkbewegung entsprechend umgesetzt wird. Bei einem anderen Konzept wird am Meeresboden ein flächiges Widerstandselement angebracht, das durch die Wellenbewegung hin und her gekippt wird. Auch können Rotoren mit Auftriebsläufern verwendet werden, bei denen ein an den Auftriebsläufern erzeugtes Auftriebsmoment in eine Rotationsbewegung gewandelt wird. Eine Übersicht über Wellenenergiekraftwerke gibt beispielsweise G. Boyle, ”Renewable Energy”, 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004 .Wave energy converters can be deployed on the high seas or near the coast and differ, among other things, in the way in which the energy of the wave motion is extracted. Thus, the use of floats is known in this context, the lifting and lowering movement is implemented accordingly. In another concept, a planar resistance element is attached to the seabed, which is tilted by the wave motion back and forth. It is also possible to use rotors with buoyant rotors in which a buoyancy torque generated on the buoyancy rotors is converted into a rotational movement. An overview of wave energy power plants is for example G. Boyle, "Renewable Energy," 2nd Ed., Oxford University Press, Oxford 2004 ,

Die wellenenergiebetriebene Meerwasserentsalzung erfolgt in der Regel in Wellenkraftwerken mit sogenannter zentraler Stromerzeugung. In derartigen Kraftwerken sind mehrere Wellenergiekonverter an ein gemeinsames Druckleitungsnetz angebunden. Die Wellenergiekonverter erzeugen jeweils nicht direkt elektrischen Strom, sondern saugen durch wellenenergiebetriebene Pumpen Meerwasser an und stellen dies mit entsprechendem Druck über Druckleitungen bereit. Das unter Druck stehende Meerwasser wird einer zentralen Stromerzeugungseinrichtung zugeführt und erst dort zur Stromerzeugung verwendet.The wave-powered seawater desalination is usually carried out in wave power plants with so-called central power generation. In such power plants several wave energy converters are connected to a common pressure line network. In each case, the wave energy converters do not generate electricity directly, but suck in seawater through wave-powered pumps and provide this with appropriate pressure via pressure lines. The pressurized seawater is supplied to a central power generating device and used there only for power generation.

In derartigen Wellenkraftwerken wird ein Systemdruck entweder – in sogenannten Konstantdrucksystemen – mittels einer entsprechenden Regelung über längere Zeiträume konstant gehalten oder variabel an den durch die Wellenergiekonverter bereitgestellten Volumenstrom angepasst. Nachteilig an einem Konstantdrucksystem ist, dass bei den in der Praxis auftretenden kurzfristigen Änderungen des Seegangs Einbußen in der Leistungsausbeute auftreten können.In such wave power plants, a system pressure either - in so-called constant pressure systems - kept constant by means of a corresponding control over long periods or variably adapted to the volume flow provided by the wave energy converter. A disadvantage of a constant pressure system is that losses in the power output can occur in the case of short-term changes in the seaway occurring in practice.

Da, wie erläutert, Umkehrosmoseeinrichtungen mit konstantem Druck betrieben werden müssen, sind sie bisher nicht direkt an Wellenkraftwerke mit variablem Druck koppelbar.Since, as explained, reverse osmosis devices must be operated at constant pressure, they have not been directly coupled to wave power plants with variable pressure.

Meerwasser mit Konstantdruck kann beispielsweise über einen meerwasserhydraulischen Speicher bereitgestellt werden, der mittels geeigneter Pumpen befüllt wird. Das dem Speicher unter entsprechendem Druck entnommene Wasser wird direkt in die Umkehrosmoseeinrichtung eingespeist (sogenannte direkt gespeiste Umkehrosmose). Der Druck muss dabei zumindest den für die Umkehrosmose erforderlichen Membrandruck (nämlich den osmotischen Druck des Meerwassers) erreichen. Erst ab einer bestimmten Wellenleistung kann daher ein entsprechender Umkehrosmoseprozess ablaufen. Konstantdrucksysteme weisen ferner, wie erwähnt, Nachteile im Absorptionsgrad, also der Leistungsausbeute aus den Wellen, auf.Seawater with constant pressure can be provided for example via a seawater hydraulic storage, which is filled by means of suitable pumps. The water taken from the tank under the appropriate pressure is fed directly into the reverse osmosis unit (so-called directly fed reverse osmosis). The pressure must reach at least the membrane pressure required for the reverse osmosis (namely the osmotic pressure of the seawater). Only from a certain wave power can therefore proceed a corresponding reverse osmosis process. Constant pressure systems also have, as mentioned, disadvantages in the degree of absorption, ie the power output from the waves on.

Ferner sind Wellenkraftwerke mit sogenannten mechanisch gekoppelten Umkehrosmoseeinrichtungen bekannt, bei denen der erforderliche hohe Druck mittels einer Hochdruckpumpe erzeugt wird. Die Hochdruckpumpe ist mechanisch mit der Welle einer Turbine gekoppelt, welche mit Meerwasser betrieben wird und einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Bei der mechanischen Kopplung entstehen jedoch einerseits Verluste an der mit dem Motor und dem Generator verbundenen Welle und andererseits bei der Wandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie in der Hochdruckpumpe. Furthermore, wave power plants with so-called mechanically coupled reverse osmosis devices are known in which the required high pressure is generated by means of a high-pressure pump. The high-pressure pump is mechanically coupled to the shaft of a turbine, which is operated with seawater and drives a generator for generating electricity. In the mechanical coupling, however, arise on the one hand losses to the shaft connected to the engine and the generator and on the other hand in the conversion of mechanical energy into hydraulic energy in the high-pressure pump.

Es besteht daher der Bedarf nach einer verbesserten Nutzung der Wellenenergie für die Umkehrosmose in entsprechenden Anlagen.There is therefore a need for an improved use of wave energy for reverse osmosis in corresponding plants.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung eine Wasseraufbereitungsanlage, eine Anordnung mit einer derartigen Wasseraufbereitungsanlage und einer Stromerzeugungseinrichtung sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.Against this background, the present invention proposes a water treatment plant, an arrangement with such a water treatment plant and a power generating device and an associated operating method with the features of the independent claims. Preferred embodiments are the subject of the dependent claims and the following description.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen kommen in einer Wasseraufbereitungsanlage zum Einsatz, insbesondere in einer Meerwasserentsalzungsanlage, die mittels Umkehrosmose arbeitet. Eine derartige Anlage kann als Teil eines Wellenenergiekraftwerks mit einer entsprechenden Stromerzeugungseinrichtung mit einer Turbine und einem Generator ausgebildet sein. Ein derartiges Wellenkraftwerk verfügt, wie erwähnt, neben einer mittels Umkehrosmose arbeitenden Aufbereitungseinrichtung über wenigstens einen Wellenenergiekonverter zur Einspeisung von Meerwasser unter Druck, im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch allgemeiner als ”Einspeiseeinrichtung” bezeichnet. Wie zuvor erläutert, liefern Wellenenergiekonverter in derartigen Anlagen variable Volumenströme in Abhängigkeit vom jeweiligen Seegang, d. h. der jeweils ausnutzbaren Energie der Wellen. Da eine entsprechende Aufbereitungseinrichtung dem Fluss des eingespeisten Wassers einen definierten Widerstand entgegensetzt, resultieren aus unterschiedlichen Volumenströmen unterschiedliche Drücke. Diese dürfen jedoch insbesondere bei der Umkehrosmose aufgrund der dort verwendeten Membranen nur in geringem Umfang schwanken. Umkehrosmoseanlagen können die Möglichkeit bieten, z. B. mehrere Membranen bei Bedarf parallel zu schalten, wie unten erläutert. Hierdurch bleiben Druck und Fließgeschwindigkeit konstant, der Volumenstrom ändert sich jedoch. Die Leistung der Anlage ändert sich damit entsprechend.The measures proposed according to the invention are used in a water treatment plant, in particular in a seawater desalination plant which operates by means of reverse osmosis. Such a system may be formed as part of a wave energy power plant with a corresponding power generation device having a turbine and a generator. Such a wave power plant has, as mentioned, in addition to a working by reverse osmosis treatment device via at least one wave energy converter for feeding seawater under pressure, in the context of the present application also more generally referred to as "feeding device". As explained above, wave energy converters in such systems provide variable volume flows depending on the sea state, ie. H. each exploitable energy of the waves. Since a corresponding treatment device opposes a defined resistance to the flow of the water fed in, different pressures result from different volume flows. However, these may fluctuate only to a small extent, especially in reverse osmosis due to the membranes used there. Reverse osmosis systems can offer the possibility, for. B. several membranes as needed in parallel, as explained below. As a result, pressure and flow rate remain constant, but the flow rate changes. The performance of the system changes accordingly.

Daher wird vorgeschlagen, wenigstens eine Druckstabilisierungseinrichtung bereitzustellen, um einen Druck des durch die Einspeiseeinheit bereitgestellten Wassers zu stabilisieren.Therefore, it is proposed to provide at least one pressure stabilizing device to stabilize a pressure of the water provided by the feeding unit.

Unter ”Stabilisierung” eines Drucks sei dabei jegliche Einstellung verstanden, bei der der Druck verringert wird, wenn er einen Sollwert überschreitet und/oder der Druck erhöht wird, wenn er einen Sollwert unterschreitet. Der zulässige Schwankungsbereich entsprechender Drücke reicht beispielsweise von 30 bar bis 160 bar bei einem Solldruck von 80 bar (im Rahmen dieser Anmeldung als ”Solldruckbereich” bezeichnet). Die Drücke hängen vom Salzgehalt des genutzten Meerwassers ab. Der Druck muss in jedem Fall oberhalb des osmotischen Drucks liegen. Die obere Druckgrenze ist bauteilbedingt.By "stabilizing" a pressure is meant any adjustment in which the pressure is reduced when it exceeds a setpoint and / or the pressure is increased when it falls below a setpoint. The permissible range of corresponding pressures ranges, for example, from 30 bar to 160 bar at a target pressure of 80 bar (referred to in this application as "target pressure range"). The pressures depend on the salinity of the used seawater. The pressure must always be above the osmotic pressure. The upper pressure limit is due to the component.

Daher wird eine entsprechende Druckstabilisierungseinrichtung den Druck vor der Aufbereitungseinrichtung verringern, wenn dieser die genannte Obergrenze überschreitet, und den Druck erhöhen, wenn dieser die genannte Untergrenze unterschreitet.Therefore, a corresponding pressure stabilizing means will reduce the pressure before the conditioner when it exceeds said upper limit and increase the pressure when it falls below said lower limit.

Hierzu weist eine derartige Stabilisierungseinrichtung erfindungsgemäß einen Energiewandler auf, der dafür eingerichtet ist, entweder zur Druckverringerung hydraulische Energie des eingespeisten Wassers teilweise in mechanische Energie umzusetzen, oder das eingespeiste Wasser zur Druckerhöhung mit zusätzlicher hydraulischer Energie zu beaufschlagen. Vorteilhafterweise ist der Energiewandler als hydraulische Pumpe-Motor-Einheit ausgebildet. Der Energiewandler kann mechanisch, d. h. beispielsweise mittels einer Welle, mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt sein. Die Pumpe-Motor-Einheit wirkt dabei entweder als zusätzlicher Widerstand in der Flussstrecke des Wassers vor der Aufbereitungseinrichtung oder baut dort einen entsprechenden zusätzlichen Druck auf. Über die Pumpe-Motor-Einheit kann bei Kopplung mit dem Generator ein zusätzliches Generatormoment aus der hydraulischen Energie des eingespeisten Wassers generiert oder – bei motorischem Betrieb des Generators – ein motorisches Moment in hydraulische Energie zur Beaufschlagung des eingespeisten Wassers umgesetzt werden.For this purpose, such a stabilization device according to the invention an energy converter, which is adapted either to reduce the pressure hydraulic energy of the injected water partially convert into mechanical energy, or to pressurize the injected water to increase the pressure with additional hydraulic energy. Advantageously, the energy converter is designed as a hydraulic pump-motor unit. The energy converter can mechanically, d. H. For example, be coupled by means of a shaft with a generator for generating electricity. The pump-motor unit acts either as an additional resistance in the flow path of the water before the treatment device or builds there a corresponding additional pressure. When coupled to the generator, an additional generator torque can be generated from the hydraulic energy of the water fed in via the pump-motor unit, or - in the case of motor operation of the generator - a motor torque can be converted into hydraulic energy for acting on the supplied water.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise eine Meerwasserentsalzung auch in Anlagen, die keinen Konstantdruck bereitstellen. Hierdurch kann in entsprechenden Anlagen eine verbesserte Ausbeute der Wellenenergie erzielt werden. Insbesondere kann durch den vorgeschlagenen Energiewandler mechanische Leistung in Abhängigkeit von der seitens der Wellenenergiekonverter bereitgestellten hydraulischen Leistung zu- oder abgeführt werden. Im Gegensatz zur mechanisch gekoppelten Umkehrosmose, wie eingangs erläutert, benötigt das erfindungsgemäß vorgeschlagene System nur einen mechanischen Wandler zur Bereitstellung eines Konstantdrucks. Das System besitzt bereits den Druck des Wellenenergiekonverters, so dass nur noch ein Differenzdruck überbrückt werden muss. Es wird also lediglich hydraulische Leistung zugeführt oder entnommen. Die hydraulische Leistung muss nicht, wie im Stand der Technik (siehe unten 1), erst in mechanische Leistung und dann zurück in hydraulische Leistung gewandelt werden. The present invention makes it possible in a particularly advantageous manner, a desalination of seawater even in plants that do not provide constant pressure. As a result, an improved yield of wave energy can be achieved in corresponding plants. In particular, the proposed energy converter can supply or remove mechanical power as a function of the hydraulic power provided by the wave energy converter. In contrast to mechanically coupled reverse osmosis, as explained above, the system proposed according to the invention requires only one mechanical transducer to provide a constant pressure. The system already has the pressure of the wave energy converter so that only one differential pressure has to be bridged. So it is only supplied or removed hydraulic power. The hydraulic power does not have to be as in the prior art (see below 1 ), first into mechanical power and then back into hydraulic power.

Einer Aufbereitungseinrichtung ist vorteilhafterweise ein weiterer Energiewandler nachgeschaltet, der zur Umwandlung verbleibender hydraulischer Leistung in mechanische Energie, und, bei Kopplung mit einem Generator, in elektrischen Strom vorgesehen ist. Bei Verwendung einer Umkehrosmoseeinrichtung ist ein derartiger weiterer Energiewandler im Retentatstrom angeordnet. Ferner kann in einer entsprechenden Wasseraufbereitungsanlage ein Pufferspeicher vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines hydraulischen Druckspeichers, der einen Ausgleich zumindest kurzzeitiger Druckschwankungen sicherstellt. Derart kann z. B. eine kontinuierliche Meerwasserentsalzung auch bei kurzzeitigen Flauten erfolgen. Auch eine Stromerzeugung mittels eines der Aufbereitungseinrichtung nachgeschalteten Energiewandlers ist bei Bereitstellung eines Pufferspeichers während kurzzeitiger Flauten möglich.A processing device is advantageously followed by a further energy converter, which is provided for converting remaining hydraulic power into mechanical energy, and, when coupled with a generator, into electrical power. When using a reverse osmosis device, such a further energy converter is arranged in the retentate stream. Further, in a corresponding water treatment plant, a buffer memory may be provided, for example in the form of a hydraulic pressure accumulator, which ensures a compensation of at least short-term pressure fluctuations. Such can z. B. a continuous seawater desalination even during brief lulls done. Power generation by means of an energy converter downstream of the processing device is also possible when a buffer store is provided during brief lulls.

Besonders vorteilhaft an den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen ist, wenn diese in einem Wellenkraftwerk mit zugeordneter Umkehrosmoseeinrichtung eingesetzt werden. Hierdurch können im Wellenkraftwerk die Nachteile von Konstantdrucksystemen vermieden werden, was zu einem deutlich verbesserten Absorptionsgrad des Wellenenergiekonverters führt. Lastspitzen können jeweils abgefangen und im Pufferspeicher einer Umkehrosmoseeinrichtung abgepuffert werden. Ein Betrieb des Umkehrosmoseprozess und/oder eine Stromerzeugung aus der gespeicherten Druckenergie des Meerwassers sind möglich.Particularly advantageous in the proposed measures according to the invention is when they are used in a wave power plant with associated reverse osmosis device. As a result, the disadvantages of constant pressure systems can be avoided in the wave power plant, which leads to a significantly improved degree of absorption of the wave energy converter. Load peaks can each be intercepted and buffered in the buffer memory of a reverse osmosis device. Operation of the reverse osmosis process and / or power generation from the stored pressure energy of the seawater are possible.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically with reference to an embodiment in the drawing and will be described in detail below with reference to the drawing.

Figurenbeschreibungfigure description

1 zeigt ein Wellenkraftwerk mit Meerwasserentsalzungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik in stark schematisierter Darstellung. 1 shows a wave power plant with seawater desalination device according to the prior art in a highly schematic representation.

2 zeigt ein Wellenkraftwerk mit Meerwasserentsalzungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in stark schematisierter Darstellung. 2 shows a wave power plant with seawater desalination device according to an embodiment of the invention in a highly schematic representation.

In 1 ist ein Wellenkraftwerk mit Meerwasserentsalzungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik mit seinen wesentlichen Komponenten stark schematisiert dargestellt.In 1 a wave power plant with seawater desalination device according to the prior art with its essential components is shown very schematically.

Das Wellenkraftwerk umfasst eine Wasseraufbereitungseinrichtung 11, z. B. in Form einer Umkehrosmoseeinrichtung mit einer ebenfalls stark schematisiert dargestellten semipermeablen Membran 11. Üblicherweise in derartigen Anlagen verwendete Umkehrosmoseeinrichtungen umfassen, wie dem Fachmann bekannt, kartuschenartige Anordnungen in Form von Membranstapeln. Mittels der Wasseraufbereitungseinrichtung 11 wird Süßwasser S erzeugt. Aufkonzentriertes Retentat wird abgeführt (nicht dargestellt).The wave power plant includes a water treatment facility 11 , z. B. in the form of a reverse osmosis device with a likewise highly schematically illustrated semipermeable membrane 11 , Reverse osmosis devices commonly used in such systems include, as known to those skilled in the art, cartridge-type assemblies in the form of membrane stacks. By means of the water treatment device 11 Freshwater S is produced. Concentrated retentate is removed (not shown).

Der Wasseraufbereitungseinrichtung 11 wird mittels einer Hochdruckpumpe 26 über eine Leitung 97 angesaugtes Meerwasser A unter Hochdruck zugeführt. Der Druck wird mittels einer nicht dargestellten Pumpenregelung eingestellt. Die Hochdruckpumpe 26 wird von einem Motor 25 angetrieben. Der Motor seinerseits ist mittels einer Welle 24 mit einer Turbine 21, beispielsweise einer Pelton-Turbine, gekoppelt. Die Turbine 21 beaufschlagt neben dem Motor 25 auch einen Generator 22 mit einem entsprechenden Moment, der entsprechend Strom erzeugt.The water treatment device 11 is by means of a high pressure pump 26 over a line 97 sucked seawater A supplied under high pressure. The pressure is adjusted by means of a pump control, not shown. The high pressure pump 26 is from a motor 25 driven. The motor in turn is by means of a shaft 24 with a turbine 21 , For example, a Pelton turbine coupled. The turbine 21 charged next to the engine 25 also a generator 22 with a corresponding moment that generates electricity accordingly.

Die Turbine 21 wird mittels Wasser A' betrieben, das über wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30, im vorliegenden Fall wenigstens einen Wellenenergiekonverter, über eine Leitung 98 unter Druck der Turbine 21 zugeführt und als Abwasser W abgeführt wird.The turbine 21 is operated by means of water A ', via at least one feed device 30 , in the present case at least one wave energy converter, via a line 98 under pressure of the turbine 21 supplied and discharged as wastewater W.

Es ist bekannt (jedoch nicht dargestellt), zur Unterstützung der Hochdruckpumpe einen Drucktauscher einzusetzen, der den Druck des Retentats nutzt. It is known (but not shown) to use a pressure exchanger which uses the pressure of the retentate to assist the high-pressure pump.

Wie aus der Darstellung der 1 für den Fachmann unmittelbar ersichtlich, muss zur Erzeugung des Hochdrucks mittels der Hochdruckpumpe 26, und damit für eine Entsalzung mittels der Wasseraufbereitungseinrichtung 11, stets ein Turbinenmoment zunächst in ein mechanisches Moment der Welle 24 gewandelt werden, und zwar unabhängig davon, ob gegebenenfalls bereits Wasser A' über die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 mit entsprechendem Druck bereitgestellt wird. Das Moment der Welle 24 muss anschließend erneut mittels der Hochdruckpumpe 26 in hydraulische Leistung umgesetzt werden. Entsprechende Verluste an den jeweiligen Komponenten sind dabei unvermeidlich.As from the representation of 1 For the skilled person immediately apparent, must to generate the high pressure by means of the high-pressure pump 26 , and thus for desalination by means of the water treatment device 11 , always a turbine moment first in a mechanical moment of the shaft 24 be converted, regardless of whether possibly already water A 'on the at least one feed device 30 provided with appropriate pressure. The moment of the wave 24 must then again by means of the high-pressure pump 26 be implemented in hydraulic power. Corresponding losses of the respective components are unavoidable.

In 2 ist ein Wellenkraftwerk mit Meerwasserentsalzungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung stark schematisiert dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.In 2 a wave power plant with seawater desalination device according to an embodiment of the invention is shown in a highly schematic and total with 100 designated.

Die entsprechende Anordnung 100 umfasst eine Wasseraufbereitungsanlage 10 und eine dieser zugeordneten Stromerzeugungseinrichtung 20. Ferner ist wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 vorgesehen, mittels welcher Wasser A in die Wasseraufbereitungsanlage 10 eingespeist werden kann. Die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 kann insbesondere wenigstens einen Wellenenergiekonverter, wie oben erläutert, umfassen. Wie bereits oben erläutert, wird durch die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 Wasser mit variablem Druck in die Wasseraufbereitungsanlage 10 eingespeist.The appropriate arrangement 100 includes a water treatment plant 10 and one of these associated power generating device 20 , Furthermore, at least one feed device 30 provided by means of which water A in the water treatment plant 10 can be fed. The at least one feed device 30 may in particular comprise at least one wave energy converter, as explained above. As already explained above, by the at least one feed device 30 Water with variable pressure in the water treatment plant 10 fed.

Auch hier ist eine, z. B. als Umkehrosmoseeinrichtung ausgebildete Aufbereitungseinrichtung 11 vorgesehen, die eine entsprechende Membran 11' aufweist und zur Aufbereitung eingespeisten Wassers A eingerichtet ist. Hierbei kann eine Verschaltung der Module innerhalb der Aufbereitungseinrichtung 11 erfolgen. Durch die Steuerung der Parallelschaltung mehrerer Module, z. B. der verwendeten Aktivkohlefilter, von Ultrafiltrationseinrichtungen und von Umkehrosmosemembranen, können Druck und Fließgeschwindigkeit gleichgehalten werden, während der Volumenstrom, durch äußere Einflüsse bedingt, schwankt. Zur Bereitstellung eines konstanten Drucks für die Aufbereitungseinrichtung 11 ist hier eine einen Energiewandler in Form einer Pumpe-Motor-Einheit 13 aufweisende Stabilisierungseinrichtung 12 vorgesehen, die dafür eingerichtet ist, einen Druck des eingespeisten Wassers A auf den erforderlichen Eingangsdruck der Aufbereitungseinrichtung 11 einzustellen.Again, one, z. B. formed as a reverse osmosis device processing device 11 provided that a corresponding membrane 11 ' has and is set up for processing fed water A. In this case, an interconnection of the modules within the processing device 11 respectively. By controlling the parallel connection of several modules, eg. As the activated carbon filter used, ultrafiltration equipment and reverse osmosis membranes, pressure and flow rate can be kept equal, while the flow rate, due to external influences fluctuates. To provide a constant pressure for the treatment device 11 Here is an energy converter in the form of a pump-motor unit 13 having stabilizing device 12 provided, which is adapted to a pressure of the fed water A to the required input pressure of the treatment device 11 adjust.

Wasser A wird hierzu mittels der wenigstens einen Einspeiseeinrichtung 30 über eine Druckleitung 1 unter Druck eingespeist. Ein Teil des Wassers A wird über eine weitere Leitung 2 der Pumpe-Motor-Einheit 13 zugeführt. Die Pumpe-Motor-Einheit 13 arbeitet entsprechend dem Druck des über die weitere Leitung 2 zugeführten Wassers A. Die Kopplung der Pumpe-Motor-Einheit 13 kann auch elektrisch erfolgen. Bei dieser Art der Verschaltung ist die Verlustleistung gegebenenfalls geringfügig höher, dafür ist die Leistungsaufteilung sehr viel variabler.Water A is for this purpose by means of at least one feed device 30 via a pressure line 1 fed in under pressure. Part of the water A is over another line 2 the pump-motor unit 13 fed. The pump-motor unit 13 works according to the pressure of the over the further line 2 supplied water A. The coupling of the pump-motor unit 13 can also be done electrically. With this type of interconnection, the power loss may be slightly higher, but the power distribution is much more variable.

Für den Fall, dass der Druck des durch die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 eingespeisten Wassers A größer ist als der für die Aufbereitungseinrichtung 11 erforderliche Druck, wird überschüssige hydraulische Leistung in mechanische Leistung umgesetzt und kann über eine Generatorwelle 24 in einen Generator 22 eingeleitet werden. Auf diese Weise können hydraulische Leistungsspitzen, wie sie durch die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 bereitgestellt werden, abgefangen und für die Stromproduktion verwendet werden. Ist der Druck des durch die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 eingespeisten Wassers A geringer als der für die Aufbereitungseinrichtung 11 erforderliche Druck, ist es möglich, dem elektrischen Netz zusätzliche Leistung zu entnehmen, den Generator 22 motorisch zu betreiben, und auf diese Weise einen Umkehrosmoseprozess aufrecht zu erhalten.In the event that the pressure of the at least one feed device 30 fed water A is greater than that for the treatment device 11 required pressure, excess hydraulic power is converted into mechanical power and can be transmitted through a generator shaft 24 into a generator 22 be initiated. In this way, hydraulic power peaks, as through the at least one feed device 30 be deployed, intercepted and used for power production. Is the pressure of the at least one feed device 30 fed water A less than that for the treatment device 11 required pressure, it is possible to take additional power from the electrical network, the generator 22 To operate motor, and in this way to maintain a reverse osmosis process.

Unabhängig davon, ob mittels der Pumpe-Motor-Einheit 13 Leistung entnommen oder zugeführt wird, gelangt das Wasser A über eine Leitung 3 zu der Aufbereitungseinrichtung 11 und wird dort entsprechend aufbereitet. Aufbereitetes Süßwasser S kann der Anlage entnommen werden, aufkonzentriertes Retentat kann über eine Leitung 4 abgeführt werden.Regardless of whether by means of the pump-motor unit 13 Power is removed or supplied, the water A passes through a pipe 3 to the processing device 11 and is processed there accordingly. Treated fresh water S can be taken from the plant, concentrated retentate can be sent via a pipe 4 be dissipated.

Ein stromabwärtig der Aufbereitungseinrichtung 11 in der Leitung 4 vorliegender Retentatdruck, allgemeiner ein Druck des Abwassers einer entsprechenden Aufbereitungseinrichtung 11, kann dazu genutzt werden, mittels eines weiteren Energiewandlers 23, beispielsweise eines entsprechenden Hydraulikmotors, Energie rückzugewinnen. Auch der weitere Energiewandler 23 kann mit der Generatorwelle 24 gekoppelt werden.A downstream of the treatment device 11 in the pipe 4 present retentate pressure, more generally, a pressure of the waste water of a corresponding treatment device 11 , can be used to, by means of another energy converter 23 , For example, a corresponding hydraulic motor to recover energy. Also the other energy converter 23 can with the generator shaft 24 be coupled.

Eine ebenfalls mit dem Generator 22 gekoppelte Turbine 21, z. B. eine Peltonturbine, wird in einen sogenannten Primärkreislauf mittels einer Leitung 6 von der wenigstens einen Einspeiseeinrichtung 30 ebenfalls mit Wasser A gespeist und betrieben. One too with the generator 22 coupled turbine 21 , z. B. a Pelton turbine, is in a so-called primary circuit by means of a line 6 from the at least one feed device 30 also fed and operated with water A.

Ein oder mehrere Pufferspeicher 14, 40 können vorgesehen sein und dienen als Kapazität(en) innerhalb des bzw. der Netze bzw. Kreisläufe. Ein erster Pufferspeicher 14 ist dabei als Kapazität innerhalb des Konstantdrucknetzes, also des zur Versorgung der Aufbereitungseinrichtung 11 vorgesehenen Netzes, bereitgestellt. Durch diesen wird ermöglicht, im Falle eines kurzfristigen Absinkens der hydraulischen Leistung, z. B. eines Wellenenergiekonverters in der wenigstens einen Einspeiseeinrichtung 30, eine entsprechende Turbine weiterhin durch ein Retentat der Aufbereitungseinrichtung 11 zur Stromerzeugung betreiben zu können. Der Pufferspeicher 14 dient damit als Kapazität für auftretende Druckschwankungen. Der Energiewandler 13 nutzt den in der Druckleitung 1 anstehenden, z. B. von einem Wellenenergiekonverter erzeugten Druck, falls vorhanden, und transformiert diesen auf den für die Aufbereitungseinrichtung 11 erforderlichen Druck oder Druckbereich.One or more buffers 14 . 40 may be provided and serve as capacity (s) within the network (s). A first buffer memory 14 is in this case as capacity within the constant pressure network, that is to supply the processing device 11 provided network. This allows, in the case of a short-term sinking of the hydraulic power, z. B. a wave energy converter in the at least one feed device 30 , A corresponding turbine further by a retentate of the treatment device 11 to operate power generation. The cache 14 thus serves as a capacity for occurring pressure fluctuations. The energy converter 13 uses the in the pressure line 1 upcoming, z. B. generated by a wave energy converter pressure, if any, and transforms it to that for the processing device 11 required pressure or pressure range.

Ein weiterer Pufferspeicher 40 dient zur Abpufferung von Schwankungen in dem die Turbine 21 versorgenden Leitungssystem.Another buffer 40 serves to buffer fluctuations in the turbine 21 supplying piping system.

Die jeweils verwendeten hydraulischen Einheiten können Verstelleinheiten und/oder als Konstanteinheiten ausgeführt sein. Eine Drehzahl einer als Verstelleinheit ausgebildeten Turbine 21, z. B. einer Freistrahlturbine, kann dabei beispielsweise über einen nachgeschalteten Frequenzumrichter veränderbar sein. Zwischen der Stabilisierungseinrichtung 12 und einem oder mehreren Energiewandlern 13, 23 kann bzw. können beispielsweise Schwungmassen in Form von Schwungrädern zur Glättung von Drehmomentspitzen vorgesehen sein. Zwischen dem Energiewandler 23, der zur Umwandlung der hydraulischen Energie des Retentats aus der Aufbereitungseinrichtung 11 verwendet wird, und der Turbine 21 kann eine Kupplung vorgesehen sein. Ein Pufferspeicher 40 kann als Pulsationsdämpfer vorgesehen sein, um kurzzeitige Druckspitzen zu mindern. Die Aufbereitungseinrichtung 11 kann auch überbrückt und ein Energiewandler 21, 23 direkt mit ein einem Pufferspeicher gespeicherten Wasser betrieben werden, wodurch eine Stromerzeugung auch bei kurzfristigen Flauten sichergestellt ist.The hydraulic units used in each case can be adjustment units and / or designed as constant units. A rotational speed of a turbine designed as an adjusting unit 21 , z. As a free-jet turbine, it can be changed, for example, via a downstream frequency converter. Between the stabilizer 12 and one or more energy converters 13 . 23 For example, flywheels in the form of flywheels may be provided for smoothing torque peaks. Between the energy converter 23 for converting the hydraulic energy of the retentate from the treatment device 11 is used, and the turbine 21 a coupling can be provided. A cache 40 can be provided as a pulsation damper to reduce short-term pressure peaks. The processing device 11 can also be bridged and an energy converter 21 . 23 operated directly with a buffer storage water, whereby a power generation is ensured even in short-term lulls.

In der nachfolgenden Tabelle sind weitere Möglichkeiten zur Erzeugung des erforderlichen Drucks für die Aufbereitungseinrichtung (”Erzeugung Speisedruck”), die Nutzung eines Drucks im Retentat (”Nutzung Retentat”), also der oben erläuterten Leitung 4 stromabwärtig der Aufbereitungseinrichtung, die Anbindung und die Nutzung einer Leistung im Primärkreis (”Nutzung Primärkreis”), also der Leitung 6, angegeben. Mit ”Zu- und Abfuhr Pmech” bzw. ”Abfuhr Pmech” ist die Art der Zufuhr und/oder Entnahme der hydraulischen Leistung, also der Umsetzung in die mechanische Leistung bzw. aus dieser, angegeben, mit n eine Drehzahl bezeichnet.In the table below are other ways to generate the required pressure for the treatment device ("generating feed pressure"), the use of a pressure in the retentate ("use retentate"), so the above-mentioned line 4 downstream of the treatment device, the connection and the use of a power in the primary circuit ("primary circuit use"), ie the line 6 , stated. With "supply and discharge P mech " or "discharge P mech " is the type of supply and / or removal of the hydraulic power, ie the implementation in the mechanical performance or from this, indicated, with n denotes a speed.

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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • G. Boyle, ”Renewable Energy”, 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004 [0006] G. Boyle, "Renewable Energy", 2nd ed., Oxford University Press, Oxford 2004 [0006]

Claims (11)

Wasseraufbereitungsanlage (10) mit wenigstens einer Aufbereitungseinrichtung (11), die zur Aufbereitung von Wasser (A), das der Aufbereitungseinrichtung (11) mit einem Druck in einem Solldruckbereich zugeführt wird, eingerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasseraufbereitungsanlage (10) wenigstens eine Druckstabilisierungseinrichtung (12) mit wenigstens einem Energiewandler (13) aufweist, der dafür eingerichtet ist, hydraulische Energie des Wassers (A) zumindest teilweise in mechanische Energie umzusetzen, wenn der Druck des Wassers (A) eine Obergrenze des Solldruckbereichs überschreitet und/oder dieses mit zusätzlicher hydraulischer Energie zu beaufschlagen, wenn der Druck eine Untergrenze des Solldruckbereichs unterschreitet, um der Aufbereitungseinheit (11) das Wasser (A) mit einem Druck in dem Solldruckbereich zuzuführen.Water treatment plant ( 10 ) with at least one processing device ( 11 ) for the treatment of water (A), that of the treatment facility ( 11 ) is supplied with a pressure in a desired pressure range is set up, characterized in that the water treatment plant ( 10 ) at least one pressure stabilization device ( 12 ) with at least one energy converter ( 13 ), which is adapted to at least partially convert hydraulic energy of the water (A) into mechanical energy when the pressure of the water (A) exceeds an upper limit of the target pressure range and / or to pressurize it with additional hydraulic energy when the pressure Lower limit of the target pressure range falls below the processing unit ( 11 ) to supply the water (A) with a pressure in the target pressure range. Wasseraufbereitungsanlage (10) nach Anspruch 1, bei der der wenigstens eine Energiewandler (13) als hydraulische Pumpe-Motor-Einheit ausgebildet ist.Water treatment plant ( 10 ) according to claim 1, wherein the at least one energy converter ( 13 ) is designed as a hydraulic pump-motor unit. Wasseraufbereitungsanlage (10) nach Anspruch 1 oder 2, bei der die wenigstens eine Aufbereitungseinrichtung (11) als Umkehrosmoseeinrichtung ausgebildet ist.Water treatment plant ( 10 ) according to claim 1 or 2, wherein the at least one processing device ( 11 ) is designed as a reverse osmosis device. Wasseraufbereitungsanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, die zur Aufbereitung von Wasser (A) mit einem Druck in einem Solldruckbereich von 30 bis 160 bar eingerichtet ist.Water treatment plant ( 10 ) according to one of the preceding claims, which is adapted for the treatment of water (A) with a pressure in a desired pressure range of 30 to 160 bar. Anordnung (100) mit wenigstens einer Wasseraufbereitungsanlage (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wenigstens einer Stromerzeugungseinrichtung (20) mit wenigstens einem mit einer Turbine (21) betriebenen Generator (22) und wenigstens einer Einspeiseeinrichtung (30) zur Einspeisung von Wasser (A), wobei der Generator (22) mittels wenigstens eines Teils des eingespeisten Wassers (A) betreibbar und die Wasseraufbereitungsanlage (10) zur Aufbereitung wenigstens eines Teils des eingespeisten Wassers (A) eingerichtet ist, wobei der Energiewandler (13) zwischen die Einspeiseeinrichtung (30) und die Aufbereitungseinrichtung (11) zwischengeschaltet und mechanisch und/oder elektrisch mit dem Generator (22) koppelbar ist.Arrangement ( 100 ) with at least one water treatment plant ( 10 ) according to one of the preceding claims, at least one power generating device ( 20 ) with at least one with a turbine ( 21 ) operated generator ( 22 ) and at least one feed device ( 30 ) for feeding water (A), wherein the generator ( 22 ) by means of at least a portion of the injected water (A) operable and the water treatment plant ( 10 ) is arranged for the treatment of at least part of the supplied water (A), wherein the energy converter ( 13 ) between the feeding device ( 30 ) and the processing device ( 11 ) and mechanically and / or electrically connected to the generator ( 22 ) can be coupled. Anordnung (100) nach Anspruch 5, bei der wenigstens eine Einspeiseeinrichtung (30) wenigstens einen Wellenenergiekonverter aufweist.Arrangement ( 100 ) according to claim 5, wherein at least one feed device ( 30 ) has at least one wave energy converter. Anordnung (100) nach einem der Anspruch 5 oder 6, bei der wenigstens ein weiterer, der Aufbereitungseinrichtung (11) nachgeschalteter Energiewandler (23) zur Umsetzung hydraulischer Energie des Wassers (A) in mechanische Energie vorgesehen ist.Arrangement ( 100 ) according to one of claims 5 or 6, wherein at least one further, the processing device ( 11 ) downstream energy converter ( 23 ) is provided for converting hydraulic energy of the water (A) into mechanical energy. Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, die wenigstens einen Pufferspeicher (14, 40) für eingespeistes Wasser (A) aufweist.Arrangement ( 100 ) according to one of claims 5 to 7, comprising at least one buffer memory ( 14 . 40 ) for fed water (A). Anordnung (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, die als Wellenenergiekraftwerk mit Meerwasserentsalzungsanlage ausgebildet ist.Arrangement ( 100 ) according to one of claims 5 to 8, which is designed as a wave energy power plant with seawater desalination plant. Verfahren (100) zum Betrieb einer Wasseraufbereitungsanlage (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, insbesondere in einer Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem Wasser (A) der Aufbereitungseinrichtung (11) mit einem Druck in einem Solldruckbereich zugeführt wird, indem mittels des Energiewandlers (13) hydraulische Energie des Wassers (A) zumindest teilweise in mechanische Energie umgesetzt wird, wenn ein Druck des Wassers (A) eine Obergrenze des Solldruckbereichs überschreitet, und/oder dieses mit hydraulischer Energie beaufschlagt wird, wenn der Druck eine Untergrenze des Solldruckbereichs unterschreitet.Procedure ( 100 ) for operating a water treatment plant ( 10 ) according to one of claims 1 to 5, in particular in an arrangement according to one of claims 6 to 9, in which water (A) of the treatment device ( 11 ) is supplied with a pressure in a desired pressure range by means of the energy converter ( 13 ) Hydraulic energy of the water (A) is at least partially converted into mechanical energy when a pressure of the water (A) exceeds an upper limit of the target pressure range, and / or this is acted upon by hydraulic energy, when the pressure falls below a lower limit of the target pressure range. Verfahren (100), insbesondere nach Anspruch 10, zum Stabilisieren eines Fluiddrucks mittels eines Energiewandlers (13) in Form einer Pumpe-Motor-Einheit, bei dem bei Überschreiten eines Solldrucks hydraulische Energie des Fluids wenigstens teilweise in mechanische Leistung umgewandelt wird und bei Unterschreiten eines Solldrucks das Fluid mit hydraulischer Leistung beaufschlagt wird.Procedure ( 100 ), in particular according to claim 10, for stabilizing a fluid pressure by means of an energy converter ( 13 ) in the form of a pump-motor unit, in which hydraulic energy of the fluid is at least partially converted into mechanical power when a desired pressure is exceeded, and when the hydraulic pressure drops below a desired pressure, the fluid is subjected to hydraulic power.
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