DE102016009266A1

DE102016009266A1 - Vorrichtung als Paternosterkraftwerk mittels Wärmepumpen

Info

Publication number: DE102016009266A1
Application number: DE102016009266.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: SEUFFERHELD, JORGE EDUARDO, DE
Priority date: 2016-01-31
Filing date: 2016-08-01
Publication date: 2017-08-03

Abstract

Um Auftriebskräfte in Gewässern erzeugen zu können, musste bisher mehr Energie aufgewendet werden, als die Energie daraus gewonnen werden konnte. Wegen der physikalischen bzw. technischen Wirkungsgrade war eine regenerative Stromerzeugung mittel Auftriebskräften bisher nicht möglich. Durch den Einsatz von Wärmepumpen, können physikalische Eigenschaften eines Hochdruckkältemittels (wie z. B. CO2) zu Nutze gemacht werden, indem sowohl die Verdampfungs- als auch die Verflüssigungsenergie einer Wärmepumpe genutzt werden, um damit Druck- und Volumenunterschiede des Gases unter der Wasseroberfläche zu erzeugen und Auftriebskräfte zu erhalten. Mehrere Wärmpumpeneinheiten werden in einen sogenannten Paternosteraufzug eingebaut, welcher über die Auftriebskräfte in Rotation versetzt wird. Die Vorrichtung kommt an Offshore-Plattformen, sowie in tiefen Bohrlöchern, oder in Tavernen zum Einsatz.

Description

EINLEITUNG
Die Vorrichtung kommt in tiefen Gewässern von mehreren hundert Metern zum Einsatz. Idealerweise wäre eher ein Offshore-Betrieb am wirtschaftlichsten, jedoch kann diese Vorrichtung als Paternosteraufzug auch z. B. in Bohrlöchern, Tavernen, oder ähnliches zum Einsatz kommen. Bis zu einer Tiefe von ca. 700 Metern arbeiten die eingesetzten CO2-Wärmepumpen im subkritischen Bereich, ab ca. 700 Metern Tiefe arbeiten diese im transkritischen Bereich.
NAME DER ERFINDUNG
Vorrichtung als Paternosterkraftwerk mittels Wärmepumpen
TECHNISCHES GEBIET
Regenerative Energieerzeugung.
STAND DER TECHNIK
Es ist nicht bekannt, ob derzeit Wärmpumpen unter der Wasseroberfläche eingesetzt werden um Auftriebskräfte zu erzeugen, über die ein Generator angetrieben wird.
DAS ZUGRUNDELIEGENDE PROBLEM
Um Auftriebskräfte in Gewässern erzeugen zu können, musste bisher mehr Energie aufgewendet werden, als die Energie daraus gewonnen werden konnte. Wegen der physikalischen bzw. technischen Wirkungsgrade war eine regenerative Stromerzeugung mittel Auftriebskräften bisher nicht möglich.
PROBLEMLÖSUNG
Durch den Einsatz von Wärmepumpen, können physikalische Eigenschaften eines Hochdruckkältemittels (wie z. B. CO2) zu Nutze gemacht werden, indem sowohl die Verdampfungs- als auch die Verflüssigungsenergie einer Wärmepumpe genutzt werden, um damit Druck- und Volumenunterschiede des Gases unter der Wasseroberfläche zu erzeugen und Auftriebskräfte zu erhalten. Mehrere Wärmpumpeneinheiten werden in einen sogenannten Paternosteraufzug eingebaut, welcher über die Auftriebskräfte in Rotation versetzt wird. Die Rotationskraft wird auf einen Generator übertragen.
TECHNISCHE BESCHREIBUNG
Fig. 1
Funktionsweise der CO2-Wärmepumpe. Es kann auch ein anderes Hochdruckkältemittel [wie z. B. R744A (N2O)] zum Einsatz kommen. Alle Ventile und Regler können als Proportional-, Integral-, oder Differentialregler, direkt- oder pilotgesteuert ausgeführt werden. Alle Regler können mechanisch, oder über Druck- oder Temperaturtransmitter und einer Elektronik angesteuert werden. Die Antriebe aller automatisierten Ventile können entweder mechanisch, elektro-mechanisch, elektrisch, elektro-magnetisch, pneumatisch, hydraulisch, oder gleichwertig ausgeführt werden. Alle Wärmetauscher können als Rohrbündel-, als Platten-, als Micro-Channel-Wärmetauscher oder sonstigen bekannten Formen von Wärmetauschern ausgeführt werden.
A) Vorgang (Verfahren) während des Rücklaufes (R) des Paternosteraufzuges (siehe Fig. 3 und Fig. 4):
Der Schalter (22) schaltet den Verdichter (1) ein und die Umwälzpumpe (9) aus. Das Magnetventil (30) ist geöffnet und das Magnetventil (18) geschlossen.
Der Verdichter (1) saugt über einen Flüssigkeitsabscheider (23) das gasförmige CO2 aus dem Auftriebsbehälter (32) und verdichtet es über den Ölabscheider (2) der auch als Hochdruckbehälter wirkt in den Warmwasserboiler (3) mit innenliegendem Wärmetauscher (4), wo dem komprimierten CO2 die Hitze entzogen wird. Wird die Wassertemperatur im Boiler (3), bzw. der eingestellte Verdichtungsdruck erreicht, öffnet der Druckregler (7) den Durchfluss zum Wärmetauscher (8), hier als Rohrbündelschlange dargestellt, die vom Umgebungswasser innerhalb des Paternosteraufzuges und der Rotationsgeschwindigkeit desselben gekühlt wird, um das CO2 zu verflüssigen. Ist der Paternosteraufzug aufgrund des Korrosionsschutzes, oder zum Schutz vor Algenbildung, etc. ummantelt, muss die überschüssige Wärmemenge innerhalb des Paternosteraufzuges u. U. über eine Zusatzvorrichtung (nicht dargestellt) abgeführt werden.
Vom Wärmetauscher (4) und/oder dem Wärmetauscher (8) wird das CO2 über den Unterkühlerwärmetauscher (24), der vom Umgebungswasser innerhalb des Paternosteraufzuges und der Rotationsgeschwindigkeit desselben gekühlt wird, und dem Rückschlagventil (13) oder -klappe, dem Sammler (12) zugeführt, wo das verflüssigte CO2 angestaut wird.
Der Drucktransmitter (28) oder gleichwertig, erfasst den aktuellen Istwert des Wasserdruckes, d. h. der geodätischen Höhe in der sich die Wärmepumpe innerhalb des Paternosteraufzuges befindet und addiert einen zu definierenden Druck (z. B. 1,0 bar) auf. Die Summe aus Istwert und addiertem Wert ergibt den variablen Sollwert der Elektronik (27). Bei Sollwertunterschreitung am Drucktransmitter (29) wird der Verdichter (1) eingeschaltet, bei Sollwertüberschreitung abgeschaltet.
Am Überstromventil (6), das als automatisiertes Bypass-Ventil zwischen dem Druck- und dem Saugstutzen des Verdichters (1) wirkt, wird ein Differenzdruckdruck (von z. B. 2 bis 4 bar) eingestellt. Bei hohen Verdichtungsendtemperaturen ist darauf zu achten, dass Schmierstoffe nicht verbrennen. Unter Umständen sind Maßnahmen zu treffen um eine Verkohlung des Verdichter-Schmierstoffes zu verhindern.
Das CO2 wird somit während des Rücklaufes des Paternosteraufzuges kontinuierlich aus dem Auftriebsbehälter (32) abgesaugt und im Sammler angestaut. Der Auftrieb der Auftriebsbehälter sollte hierbei möglichst schnell abgebaut werden, um die Effizienz der Vorrichtung zu steigern.
B) Vorgang (Verfahren) während des Vorlaufes (V) des Paternosteraufzuges (siehe Fig. 3 und Fig. 4):
Der Schalter (22) schaltet den Verdichter (1) aus und die Umwälzpumpe (9) ein. Das Magnetventil (30) wird geschlossen und das Magnetventil (18) geöffnet.
Die Umwälzpumpe (9) pumpt das erwärmte Wasser (oder eine andere Flüssigkeit) aus dem Warmwasserboiler (3) über das Motorventil (42) in den Verdampfer (16) des Wärmetauschers (15) und/oder über das Motorventil (11) in die Heizschlange (12) im Sammler (14).
Der Sollwert am Temperaturtransmitter (20) entspricht der geodätischen Höhe der Wassersäule, d. h. der Gesamttiefe des Paternosteraufzuges in °C (CO2), zzgl. einem zu definierten Druck (z. B. 1,0 bar in °C), der ausreichend groß ist, um den Kolben (33) siehe 2 gegen den vorherrschenden Wasserdruck nach unten zu schieben.
Bei Sollwertunterschreitung wird das Motorventil (42) zum Verdampfer (15) hin geöffnet. Bei Sollwertüberschreitung wird das Motorventil (42) zum Verdampfer (15) hin geschlossen.
Der Sollwert am Temperaturtransmitter (31) entspricht mindestens dem technisch benötigten Öffnungs-Differenzdruck am Expansionsventil (17) und liegt somit oberhalb des Sollwertes des Temperaturtransmitters (20). Bei Sollwertunterschreitung wird das Motorventil (11) zum Wärmetauscher (12) im Sammler (14) hin geöffnet. Bei Sollwertüberschreitung wird das Motorventil (11) zum Wärmetauscher (12) im Sammler (14) hin geschlossen. Sind beide Motorventile (11 & 42) geschlossen, wird die Pumpe (9) abgeschaltet.
Das CO2 wird somit während des Vorlaufes (V) des Paternosteraufzuges kontinuierlich aus dem Sammler (14) in den Auftriebsbehälter (32) geleitet, um diesen mit gasförmigen CO2 zu füllen und um einen Auftrieb zu erzeugen.
Fig. 2
Darstellung des Auftriebsbehälters (32) mit innenliegenden Schwimmkolben (33) und optional (35). Zwischen den beiden Schwimmkolben kann optional eine Ölschicht, oder eine andere Flüssigkeitsschicht vorgesehen werden, die die Absorption von CO2 ins Umgebungswasser verhindern oder mindern soll.
Optional kann ein Schwimmerschalter (36), oder eine andere Technik zur Messung und Überwachung des CO2-Füllstandes im Auftriebsbehälter (32) angebaut werden. Auftriebsbehälter (32) und angebaute Wärmepumpe (wie in 1 beschrieben) ergeben eine Auftriebseinheit.
Fig. 3
Mehrere Auftriebseinheiten (wie in 1 & 2 beschrieben), werden in eine Umlauffördervorrichtung, wie z. B. einem sogenannten Paternosteraufzug (38) eingebaut. Im Vorlauf (V) sind die Auftriebsbehälter (32) mit CO2 gefüllt und die Schwimmkolben (33) sind nach unten geschoben. Im Rücklauf (R) sind die Auftriebsbehälter (32) entleert und die Schwimmkolben (33) werden vom Wasserdruck nach oben geschoben. Ein Bolzen (40) dient dazu den Kontaktschalter (22) im Rücklauf (R) umzulegen, um den Verdichter (1) einzuschalten und die Umwälzpumpe (9) auszuschalten. Ein Bolzen (41), siehe 4 dient dazu den Kontaktschalter (22) im Vorlauf (V) umzulegen, um den Verdichter (1) auszuschalten und die Umwälzpumpe (9) einzuschalten.
Die Rotationsenergie wird z. B. auf einen Generator (37), oder eine andere Vorrichtung übertragen.
Fig. 4
Darstellung des Paternosteraufzuges mit eingebauten Auftriebseinheiten und Generator (37). Der Paternosteraufzug kann optional mit einer Ummantelung (39), als Korrosionsschutz, oder zum Schutz vor Algenbefall etc. versehen werden. Die Tiefe der Vorrichtung kann mehrere hundert Meter betragen.
ERREICHTE VORTEILE
Durch den Einsatz der Wärmepumpen kann eine positive Energiebilanz erzielt werden, sodass die Erzeugung von regenerativer Energie mittels Auftriebskräften ermöglicht wird.

Claims

Verfahren zur Erzeugung von Auftriebskräften mittels einer Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungs- und Verflüssigungsenergie einer Wärmepumpe genutzt wird, um Auftriebskräfte zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kältemittel verdichtet wird und die Verdichtungsenergie genutzt wird, um die Drücke in einem Verdampfer und in einem Sammler zu beeinflussen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Kältemittel in einen Auftriebsbehälter geleitet wird, um dessen Volumen unter der Wasseroberfläche zu vergrößern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmepumpen mit Auftriebsbehältern in eine Umlaufvorrichtung, wie z. B. einem Paternosteraufzug, eingebaut werden, um diese Vorrichtung mittels der Auftriebskraft in Rotation zu versetzen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungswärme eines Kältemittels mittels der Auftriebsgeschwindigkeit eines Paternosteraufzuges, der sich in einer Flüssigkeit bewegt, an dieselbe Flüssigkeit abgegeben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umlaufvorrichtung, wie z. B. ein Paternosteraufzug unter der Wasseroberfläche von tiefen Gewässern zum Einsatz kommt, um über Auftriebskräfte Energie zu produzieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Verdichtungsenergie einer Wärmepumpe erwärmtes Wasser, oder eine andere Flüssigkeit, in den Verdampfer derselben Wärmepumpe geleitet wird, um den Verdampfungsdruck anzuheben.
Vorrichtung zur Erzeugung von Auftriebskräften mittels einer Wärmepumpe, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe an einen Auftriebsbehälter (32) angebaut ist, der in Flüssigkeit getaucht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Auftriebseinheiten, die jeweils aus einer Wärmepumpe mit Auftriebsbehälter bestehen, in eine Umlaufvorrichtung, wie z. B. einen Paternosteraufzug, der in eine Flüssigkeit getaucht ist, montiert sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass an eine Wärmepumpe, die komplett in eine Flüssigkeit getaucht ist, ein Verdampfer (15) mit innenliegendem Wärmetauscher (16) und ein Sammler (14) mit innenliegendem Wärmetauscher (12) angebaut sind, die jeweils mit der Energie der Wärmerückgewinnungseinheit (3) beaufschlagt sind.