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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Stromerzeugung.
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Aus dem Stand der Technik sind Pumpspeicherkraftwerke bekannt. Diese dienen der Speicherung von elektrischer Energie durch Hinaufpumpen von Wasser von einem niedrigen Niveau auf ein hohes Niveau. Dieses Wasser läßt man später wieder bergab fließen und erzeugt dabei mittels Turbinen und Generatoren elektrischen Strom.
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Pumpspeicherkraftwerke dienen in erster Linie dazu, Regelenergie für die in der Einspeisung schwankenden Energiequellen Windenergie und Solarenergie bereitzustellen. Durch eine immer stärkere Nutzung von Wind- und Solarenergie steigt der Bedarf an Pumpspeicherkraftwerken. Deren Errichtung ist jedoch an bestimmte örtliche Voraussetzungen geknüpft.
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Es wurde bereits vorgeschlagen, Pumpspeicherkraftwerke unterirdisch anzulegen. Die üblichen Nachteile eines Pumpspeicherkraftwerkes, insbesondere die Beeinträchtigung der oberirdischen Landschaft, treten dann nicht auf. Auch ist der bereitstellbare Höhenunterschied nicht von den oberirdischen Gegebenheiten abhängig. Die Realisierung unterirdischer Pumpspeicherkraftwerke wird jedoch oft durch ingenieurtechnische Probleme behindert, beispielsweise dem Betrieb der Pumpen im Erdinneren.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, auf energetisch besonders vorteilhafte Art und Weise Regelenergie bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. eine Vorrichtung nach Anspruch 4 gelöst.
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Danach wird zunächst das Wasser aus einem Speicherbecken durch ein Fallrohr geführt und zum Antrieb einer Wasserturbine mit Generator zur Stromerzeugung verwendet. Anschließend wird das Wasser in eine Tiefe geführt, in der es aufgrund der Umgebungstemperatur in Wasserdampf umgewandelt wird. Dieser Wasserdampf wird dann durch ein Steigrohr wieder nach oben geführt.
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Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterten Vorteile und Ausgestaltungen gelten sinngemäß auch für die erfindungsgemäße Vorrichtung und umgekehrt.
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Die Erfindung greift den grundsätzlichen Aufbau und die Funktionsweise eines herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerkes auf. Sie verbessert die Energiebilanz eines solchen Kraftwerkes jedoch dadurch, daß – anders als bei herkömmlichen Pumpspeicherkraftwerken – eine Pumpe zum Hinaufpumpen des Wassers nicht mehr erforderlich ist. Die Erfindung schlägt zu diesem Zweck vor, ein Kraftwerk im Erdinneren vorzusehen, in dem das zum Antrieb der Wasserturbinen verwendete Wasser so weit in das Erdinnere vordringt, daß es in einer bestimmten Tiefe aufgrund der Erwärmung des Wassers durch die höhere Umgebungstemperatur von selbst zur Umwandlung in Wasserdampf kommt. Dieser Wasserdampf wird dann wieder nach oben geleitet.
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Es erfolgt also kein Hinaufpumpen von Wasser mehr. Statt dessen steigt das durch Erdwärme in Wasserdampf umgewandelte Wasser von selbst nach oben. Für den Rücktransport des Wassers in das Speicherbecken entsteht somit kein zusätzlicher Energiebedarf. Der Betrieb einer Pumpe im Erdinneren ist nicht erforderlich. Es entfällt daher auch die Notwendigkeit, eine solche Pumpe mit Strom zu versorgen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist vorzugsweise derart ausgeführt, daß weder zum Anheben des Wassers, noch an anderer Stelle eine Pumpe oder eine andere energieverbrauchende Einrichtung zum Bewegen des Wassers notwendig ist.
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Ebenfalls entfällt die Notwendigkeit eines unterirdisch angeordneten Speicherbeckens. Üblicherweise sind lediglich eine Anzahl von Tiefbohrungen erforderlich, die das untere Niveau des Kraftwerks erreichen, sowie eine weniger tiefe Schachtbohrung, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird.
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Der Betrieb dieses „Geothermischen Wasserfallkraftwerks” kann mit vergleichsweise geringen Wassermengen erfolgen. Dies gilt insbesondere dann, wenn mehrere Wasserturbinen nach Art einer Kaskade hintereinander angeordnet sind.
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Ein großer Vorteil der vorgeschlagenen Technologie besteht darin, daß das Kraftwerk innerhalb weniger Sekunden einsatzbereit ist. Es kann daher bei Bedarfsspitzen schnell gezielt ein- und ausgeschaltet werden und ist somit sehr gut als Ausgleichskraftwerk einsetzbar.
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Als primäre Energiequelle dient praktisch unerschöpfliche Erdwärme. Diese Erdwärme wird durch Umwandlung in potentielle Energie von Wasser gespeichert, wobei sich das Wasser als Speichermasse in dem Speicherbecken befindet, und nach Umwandlung dieser potentiellen Energie in elektrische Energie durch das Betreiben der Wasserturbinen mit diesem Wasser als elektrischer Strom in das Stromnetz eingespeist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung vereint in sich somit die Vorteile eines Erdwärmekraftwerks mit den Vorteilen eines Speicherkraftwerkes.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer einfachen Ausführung des Kraftwerks,
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2A eine schematische Darstellung einer Ausführung des Kraftwerks mit einer Wasserturbinenkaskade,
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2B eine schematische Darstellung von Details des Rohrsystems,
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3 eine schematische Darstellung von Details der Rückführung des Wasserdampfes.
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Sämtliche Figuren zeigen die Erfindung nicht maßstabsgerecht, dabei lediglich schematisch und nur mit ihren wesentlichen Bestandteilen. Gleiche Bezugszeichen entsprechen dabei Elementen gleicher oder vergleichbarer Funktion.
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Zunächst wird anhand von 1 das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Kraftwerks erläutert.
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Das Kraftwerk 1 bedient sich eines ober- oder unterirdisch angeordneten Speicherbeckens 2 für Wasser 3. Das Speicherbecken 2 muß kein Becken im eigentlichen Sinne sein. Bei dem Speicherbecken 2 kann es sich um einen beliebig ausgeführten Wasserspeicher handeln, beispielsweise in Gestalt eines Wassertankes. Das Speicherbecken 2 muß auch nicht künstlich hergestellt oder angelegt sein. Es kann sich dabei auch um einen natürlichen Speicherbehälter handeln, wie beispielsweise einen Teich oder einen See. Das Speicherbecken 2 kann ebenerdig, unterirdisch oder erhöht vorgesehen sein. Wegen der ohnehin vorhandenen Höhendifferenz zum unteren Niveau des Kraftwerks 1 ist eine erhöhte Anbringung des Speicherbeckens 2 jedoch nicht erforderlich. Eine ausreichende Höhendifferenz ist in jedem Fall gewährleistet.
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Das Kraftwerk 1 umfaßt eine unter der Erde angeordnete, durch das Wasser 3 antreibbare Wasserturbine 4 mit Generator 5 zur Stromerzeugung. Derartige Turbinen 4 sind in vielfältiger Ausführung aus dem Stand der Technik bekannt. Weitere Erläuterungen zu Aufbau und Funktion einer solchen Turbine 4 sind daher an dieser Stelle nicht erforderlich. Auch auf den Anschluß der Generatoren 5 an das Stromnetz und hierfür weiter notwendige Funktionsmodule, wie Transformatoren, Umrichter usw. wird an dieser Stelle nicht weiter eingegangen, da dies dem Fachmann allgemein bekannt ist.
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Die Wasserturbine 4 ist mit dem Speicherbecken 2 über eine Verbindungsleitung verbunden. Diese Verbindungsleitung umfaßt ein zumindest teilweise unterirdisch verlaufendes, als Druckaufbaurohr 7 dienendes Fallrohr. An die Wasserturbine 4 schließt sich ein als Führungsrohr 8 dienendes Fallrohr zum Führen des Wassers 3 in eine Tiefe 9 an, in der das Wasser 3 aufgrund der Umgebungstemperatur in Wasserdampf 10 umgewandelt wird. Das Führungsrohr 8 ist am tiefsten Punkt des Kraftwerks 1 mit einem Steigrohr 11 verbunden, welches wieder nach oben führt, vorzugsweise bis an die Erdoberfläche 12.
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Die verwendeten Rohre (Fallrohre 7, 8 und Steigrohr 11) sind vorzugsweise vertikal angeordnet. Sie können aber auch schräg mit ausreichender Schräge verlaufen. Bei den Fall- und Steigrohren 7, 8, 11 handelt es sich nicht zwingend um Rohre im Sinne einer Rohrleitung. Die Fall- und Steigrohre 7, 8, 11 können auch als beliebig anders ausgeführte Leitungen für das Wasser 3 ausgeführt sein, beispielsweise als Schächte (vertikal) oder Stollen (geneigt). Die Form des Querschnittes spielt hier keine Rolle.
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Zum Betrieb des Kraftwerks wird dem Speicherbecken 2 Wasser 3 entnommen. Zu diesem Zweck wird eine definierte Menge Wasser 3 aus dem Speicherbecken 2 in das Druckaufbaurohr 7 abgelassen. Hierzu dient ein oberes Ventil 13, welches oberhalb des Druckaufbaurohres 7 am Ende eines von dem Speicherbecken 2 abgehenden Zuleitungsrohres 6, das Teil der Verbindungsleitung ist, vorgesehen ist. Das Wasser 3 fällt bzw. fließt – je nach Lage des Druckaufbaurohrs 7 – aufgrund der Schwerkraft bis zu einem oberhalb der Wasserturbine 4 angeordneten Sperrventil 14. Bei geschlossenem Sperrventil 14 wird der sich über dem Sperrventil 14 befindende Abschnitt 15 des Druckaufbaurohres 7 durch das nachströmende Wasser bis zu einem definierten Wasserpegel 16, der sich unterhalb des oberen Ventils 13 befindet, befüllt.
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Das in dem Druckaufbaurohr 7 aufgestaute Wasser 3 strömt nach dem Öffnen des Sperrventils 14 durch die sich anschließende Wasserturbine 4. Der Druck, mit dem das Wasser 3 durch die Turbine 4 strömt, ist von der Höhe der Wassersäule 15 in dem Druckaufbaurohr 7 abhängig. Diese kann mehrere hundert Meter betragen.
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Das aus der Turbine 4 austretende Wasser 3 wird in dem Führungsrohr 8 in eine Tiefe von typischerweise mehreren tausend Metern geführt und erreicht dort ein unteres Sperrventil 17. Dieses untere Ventil 17 ist in einer Tiefe angeordnet, bei der das sich in einem Abschnitt 20 des Führungsrohres 8 über dem Ventil 17 bis zu einem Wasserpegel 18 aufstauende Wasser 3 aufgrund der Umgebungstemperatur des Gesteins bereits bis kurz unterhalb der Siedetemperatur von Wasser erwärmt, ohne diese jedoch zu erreichen.
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Bei dem unteren Ventil 17 handelt es sich um ein temperaturabhängiges Regelventil. Es ist während der Aufwärmehase geschlossen und wird nach einer festgelegten ausreichenden Erwärmung der aufgestauten Wassermenge geöffnet, beispielsweise bei dem Erreichen einer Temperatur von T1 = 95°C. Das so bereits vorgewärmte Wasser 3 wird in dem Führungsrohr 8 zu dem unteren Niveau 9 des Kraftwerks 1, dem tiefsten Punkt des Rohrsystems geführt, an dem das Wasser 3 durch die nochmals höhere Umgebungstemperatur bei Erreichen seiner Siedetemperatur in Wasserdampf 10 umgewandelt wird. Die Temperatur beträgt hier beispielsweise T2 = 150°C. In dem sich daran anschließenden Steigrohr 11 steigt der Wasserdampf 10 selbsttätig nach oben, ohne daß es hierzu einer Pumpe oder dergleichen bedarf.
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Anhand der 2A und 2B wird nachfolgend eine Ausführung mit mehreren Wasserturbinen 4, 4' beschrieben.
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Beispielhaft ist eine Ausführung mit zwei Turbinen 4, 4' dargestellt. Die Anzahl der Turbinen 4, 4' ist jedoch nicht auf zwei beschränkt. Es können, in Abhängigkeit von der geplanten Tiefe 9 des Kraftwerks 1 insgesamt und in Abhängigkeit von den vorgesehenen Fallhöhen 15 oberhalb der einzelnen Turbinen 4, 4', eine Vielzahl von Turbinen 4, 4' hintereinander nach Art einer Kaskade angeordnet sein. Auch können einzeln oder kaskadiert angeordnete Wasserturbinen 4 parallel zueinander vorgesehen sein, so daß aus einem einzigen Speicherbecken 2 mehrere Fall-Linien gespeist werden (in 2A nicht dargestellt).
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Die in 2A abgebildete Ausführungsform entspricht zunächst der bereits im Zusammenhang mit 1 erläuterten Variante. Jedoch schließt sich an eine erste Wasserturbine 4 nicht das Führungsrohr 8, sondern ein zweites Druckaufbaurohr 7' an, welches die erste Turbine 4 mit einer weiteren, unterhalb der ersten Turbine 4 angeordneten zweiten (oder n-ten) Turbine 4' verbindet.
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Nachdem das Wasser 3 die erste Turbine 4 verlassen hat, fällt es in dem Druckaufbaurohr 7' weiter, bis es an einem nächsten Sperrventil 14' oberhalb der zweiten (oder n-ten) Turbine 4' erneut aufgehalten wird. Der Abschnitt (in 2A ohne Bezugszeichen) des Druckaufbaurohrs 7' zwischen diesem weiteren, zweiten (oder n-ten) Sperrventil 14' und der zuvor durchströmten Turbine 4 wird erneut mit Wasser 3 gefüllt, bis der gewünschte Wasserpegel 16' erreicht ist. Anschließend wird das Ventil 14' geöffnet und das Wasser 3 strömt gegebenenfalls durch die sich anschließende nächste Turbine (nicht dargestellt) usw. Die letzte Wasserturbine 4' ist dann wieder mit dem Führungsrohr 8 verbunden, welche das Wasser 3 zu dem unteren Ventil 17 führt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn auf der Druckaufbau- oder Fallstrecke – also zwischen dem oberhalb der ersten, obersten Wasserturbine 4 angestrebten Wasserpegel 16' einerseits und der untersten Wasserturbine 4' andererseits – parallel zu dem Druckaufbaurohr 7 ein zweites, als Ausweichrohr 19 dienendes Fallrohr vorgesehen ist, das sich zumindest an einer Stelle 21, vorzugsweise unterhalb der untersten Wasserturbine 4', mit dem Druckaufbaurohr 7 oder dem Führungsrohr 8 verbindet, beispielsweise in dieses einmündet.
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Es können dann, wie in 2B illustriert, geeignete, d. h. mit ausreichender Schräge versehene Verbindungsleitungen 22 zwischen den Druckaufbaurohren 7 und dem Ausweichrohr 19 vorgesehen sein, die in Fall- bzw. Fließrichtung 23 gesehen jeweils vor den Wasserturbinen 4, 4' von den Druckaufbaurohren 7 abzweigen und mit Hilfe geeigneter Mittel (nicht abgebildet) gezielt geöffnet und wieder verschlossen werden können, um Wasser 3 aus den Druckaufbaurohren 7 in das Ausweichrohr 19 umzuleiten, welches sich später mit dem Führungsrohr 8 verbindet.
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Sind darüber hinaus geeignete Verbindungsleitungen 24 von dem Ausweichrohr 19 zurück zu den Druckaufbaurohren 7 vorgesehen, die in Fall- bzw. Fließrichtung 23 gesehen jeweils hinter den Wasserturbinen 4, 4' in die Druckaufbaurohre 7 einmünden und mit Hilfe geeigneter Mittel (nicht abgebildet) gezielt geöffnet und wieder verschlossen werden können, um Wasser 3 aus dem Ausweichrohr 19 zurück in die Druckaufbaurohre 7 zu leiten, ist ein gezieltes Ableiten und Umleiten von Wasser 3 zu den einzelnen Wasserturbinen 4, 4' möglich.
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Der Betrieb des Kraftwerks 1 kann dann bereits während dessen Bauzeit erfolgen. Auch muß der Betrieb bei einem Ausfall einer Wasserturbine 4 oder bei Wartungs- bzw. Reparaturarbeiten an den Turbinen 4, Generatoren 5 usw. nicht eingestellt werden. Darüber hinaus kann auf diese Art und Weise, falls erforderlich, zusätzliches Wasser 3 zum Auffüllen einzelner Druckaufbaurohrabschnitte 15 eingeleitet werden. Dieses zusätzliche Wasser 3 kann aus dem Speicherbecken 2 oder, wenn das Ausgleichsrohr 19 bis an die Erdoberfläche 12 oder bis zu einer anderen geeigneten Wasserquelle führt, von anderswoher bezogen werden. Das Ausweichrohr 19 kann in diesem Fall auch als alternativer Zuführweg für sämtliches Wasser 3 verwendet werden, wenn ein Bezug von Wasser 3 aus dem Speicherbecken 2 zeitweise oder dauerhaft nicht möglich ist.
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Typischerweise werden für den Bau des Kraftwerks 1 in der Nähe des Wasserbeckens 2 zwei Bohrungen 25, 26 vertikal in die Tiefe gebohrt. Die Bohrungen 25, 26 verlaufen parallel zueinander und verbinden sich im Bereich der gewünschten Endtiefe, die das untere Niveau 9 des Kraftwerks 1 definiert. Dies ist eine Tiefe, in der die Gesteinstemperatur deutlich über der Siedetemperatur des Wasser 3 liegt. Die eine Bohrung 25 dient dabei zur Aufnahme des Ausweichrohres 19 bzw. des Führungsrohres B. Die anderen Bohrung 26 dient zur Aufnahme des Steigrohres 11.
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In der Nähe dieser Bohrungen 25, 26 wird ein Schacht 27 in die Tiefe getrieben. Der Schacht 27 dient zur Aufnahme des Druckaufbaurohres 7, der Wasserturbinen 4, 4' sowie der an die Wasserturbinen 4, 4' angeschlossenen Elektrogeneratoren 5. Der Schacht 27 ist an seinem Grund 28 mit der einen Bohrung 25 verbunden, um die Anbindung des Führungsrohres 8 an das Ausgleichsrohr 19 herzustellen.
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Die Anzahl und Ausführung der Bohrungen 25, 26 bzw. des Schachtes 27 oder der Schächte kann variieren. So ist es in einer nicht abgebildeten Variante beispielsweise möglich, das Fall- und das Steigrohr 7, 8, 11 bei entsprechender thermischer Isolierung in einer gemeinsamen Bohrung anzuordnen, das Fallrohr zumindest insoweit es als Führungsrohr 8 zwischen der in dem Schacht 27 angeordneten letzten Wasserturbine 4' und dem unteren Niveau 9 dient. Auch können in einer ebenfalls nicht abgebildeten Variante alle Rohre 7, 8, 11, 19 zumindest bis zu einer bestimmten Tiefe, beispielsweise bis zur letzten vorgesehen Wasserturbine 4', in einem gemeinsamen Schacht 27 verlaufen, von dem aus dann zwei Bohrungen oder eine gemeinsame Bohrung zu dem unteren Niveau 9 geführt werden.
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Anhand von 3 wird abschließend die Rückführung des Wasserdampfes 10 näher betrachtet.
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Da das Volumen des Wasserdampfes 10 sehr viel größer als das Volumen des flüssigen Wassers 3 ist, muß der Rohrdurchmesser des Steigrohres 11 entsprechend angepaßt sein. Bei einem geringen Rohrdurchmesser kann die große Geschwindigkeit, mit der sich der Wasserdampf 10 in Steigrichtung 30 durch das Steigrohr 11 bewegt, genutzt werden, um mit dem dann anstehenden Dampfdruck eine Dampfturbine 29 anzutreiben. An diese Dampfturbine 29 kann, ebenso wie an die in der Fall-Linie angeordneten Wasserturbinen 4, 4', ein Generator 5 zur Stromerzeugung angeschlossen sein. Mit anderen Worten kann in der Steig-Linie zusätzlich ein Dampfkraftwerk vorgesehen sein.
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Der mit hoher Temperatur an der Erdoberfläche 12 ankommende Wasserdampf 10 kann darüber hinaus auch auf andere Art und Weise energetisch genutzt werden. So kann der Wasserdampf 10 unter Abgabe von Wärme an einen Heizwärmekreislauf in einem Kondensator (Wärmetauscher) 31 verflüssigt werden. Wenn nötig, erfolgt anschließend eine weitere Kühlung in einem Kühlturm 32. Alternativ kann auch der Wasserdampf 10 selbst als Wärmeträger in einer Dampfheizung Verwendung finden (nicht dargestellt).
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Nach der energetischen Nutzung des Wasserdampfes 10 durch die Dampfturbine 29 und/oder den Kondensator 31 oder dergleichen wird das abgekühlte Wasser 3 über eine Rückführleitung 33 wieder in das Speicherbecken 2 eingeleitet. Hier kann es weiter abkühlen und erneut dem Kraftwerk 1 zur Nutzung zugeführt werden. Sofern dies die energetische Nutzung des nach oben strömenden Wasserdampfes 10 zuläßt, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung vorzugsweise als in sich geschlossener Kreislauf ausgebildet.
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Insbesondere dann, wenn ein solcher geschlossener Kreislauf vorliegt, kann anstelle von Wasser 3 auch eine andere geeignete Flüssigkeit zum Betrieb des Kraftwerks 1 verwendet werden. Durch Wahl der geeigneten Flüssigkeit kann beispielsweise die Siedetemperatur dieser Flüssigkeit und damit die erforderliche maximale Arbeitstiefe (Bohrtiefe), also das untere Niveau 9 des Kraftwerks 1, verändert werden. Die Siedetemperatur und damit die Bautiefe kann auch dadurch variiert werden, daß dem Wasser siedetemperaturverändernde Bestandteile zugegeben werden.
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Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den Zeichnungen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln, als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftwerk
- 2
- Speicherbecken
- 3
- Wasser
- 4
- Wasserturbine
- 5
- Generator
- 6
- Zuleitungsrohr
- 7
- Fallrohr (Druckaufbaurohr)
- 8
- Fallrohr (Führungsrohr)
- 9
- unteres Niveau
- 10
- Wasserdampf
- 11
- Steigrohr
- 12
- Erdoberfläche
- 13
- oberes Ventil
- 14
- Sperrventil
- 15
- Stauabschnitt
- 16
- Wasserpegel
- 17
- unteres Ventil
- 18
- Wasserpegel
- 19
- Ausweichrohr
- 20
- Stauabschnitt
- 21
- Verbindungsstelle
- 22
- Verbindungsleitung
- 23
- Fließrichtung
- 24
- Verbindungsleitung
- 25
- Bohrung
- 26
- Bohrung
- 27
- Schacht
- 28
- Grund
- 29
- Dampfturbine
- 30
- Steigrichtung
- 31
- Kondensator
- 32
- Kühlturm
- 33
- Rückführleitung
