-
EINLEITUNG
-
Die Vorrichtung kommt in tiefen Gewässern von mehreren hundert Metern zum Einsatz. Ein Offshore-Betrieb ist am wirtschaftlichsten, jedoch kann diese Vorrichtung auch in Bohrlöchern, Tavernen, oder ähnliches bis zu einer Wassertiefe von über 1,000 Metern zum Einsatz kommen.
-
NAME DER ERFINDUNG
-
Vorrichtung zur Erzeugung von Auftriebskräften in tiefen Gewässern mittels einer 2-stufigen Wärmepumpe.
-
TECHNISCHES GEBIET
-
- Regenerierbare Stromerzeugungsanlagen
-
STAND DER TECHNIK
-
Es ist nicht bekannt, ob derzeit Stromerzeugungsanlagen oder -systeme die eine Wärmepumpe zur Erzeugung von Auftriebskräften in tiefen Flüssigkeiten oder Gewässern existieren, welche die Druckdifferenzen und Temperaturschiede von Hochdruckkältemittel [wie z. B. R744 (CO2) kombiniert mit R503] nutzen.
-
DAS ZUGRUNDELIEGENDE PROBLEM
-
Um Auftriebskräfte in tiefen Gewässern erzeugen zu können, musste bisher mehr Energie aufgewendet werden, als dass Energie daraus gewonnen werden konnte. Wegen der physikalischen bzw. technischen Wirkungsgrade war eine regenerative Stromerzeugung mittel Auftriebskräften bisher nicht möglich. Gemäß den derzeitigen Bestrebungen regenerierbare Energie kostengünstig zu erzeugen, wird hier ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, die eine Wärmepumpe zur Schaffung von Druckdifferenzen beinhaltet. Aufgrund der Temperaturunterschiede in diversen Behältnissen wird ein Hochdruckgas (z. B. CO2) in einem Behälter aufgeheizt und abgekühlt, sodass die resultieren Druckunterschiede es ermöglichen Auftriebskräfte in tiefen Gewässern wirtschaftlich zu erzeugen.
-
PROBLEMLÖSUNG
-
Durch den Einsatz einer 2-stufigen Wärmepumpe in Kaskadenschaltung (z. B. R503 im Niederdruckkreislauf und R744 (CO2) im Hochdruckkreislauf), können physikalische Eigenschaften der Hochdruckkältemittel vorteilhaft angewendet werden, indem sowohl die Verdampfungs- als auch die Verflüssigungsenergie genutzt werden, um damit Druck- und Volumenunterschiede der Gase unter der Wasseroberfläche zu erzeugen und um Auftriebskräfte zu erhalten, die z. B. der Stromerzeugung dienen können.
-
ALLGEMEINE BESCHREIBUNG:
-
Diese Vorrichtung nutzt zum einen die Eigenschaft eines Hochdruckgases (wie z. B. CO2) bei geringen Temperaturschwankungen hohe Druckunterschiede zu erzielen und zum anderen die thermische Ausbeute einer Wärmepumpe, insbesondere die Nutzung der Verdichtungsendtemperatur als Wärmerückgewinnung. Hierbei werden überwiegend die Temperatur in Wassertiefen zum Kühlen des Gases und die Verflüssigungswärme der Wärmepumpe zum Erwärmen von Wasser, Glykol oder eine andere Flüssigkeit genutzt. Werden beide Temperaturbereiche kombiniert, um die benötigten Druckunterschiede zu erhalten, kann das Volumen, die Temperatur und der Druck des Gases genutzt werden, um Auftriebskräfte in tiefen Gewässern zu erzeugen.
-
Gemäß den physikalischen Gesetzen der Energieerhaltung handelt es sich hierbei vorwiegend um künstlich erzeugte Temperatur- und Druckunterschiede. Es wird sowohl die Energiezufuhr durch die Verdampfungsenergie, als auch die Energiezufuhr durch die Verflüssigungsenergie in einem physikalisch geschlossenem System eines linkslaufenden Carnot-Kreisprozesses (als Kältemaschine) genutzt.
-
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.
-
TECHNISCHE BESCHREIBUNG
-
Fig. 1:
-
Mindestens zwei sogenannte „Aufzugsschächte” (A1 & B1) werden in (See)Wasser getaucht und geflutet. Diese können, bzgl. des Korrosionsschutzes, oder dem Schutz vor Algenwuchs etc. u. U. auch mit entsalztem Wasser, oder einer anderen Flüssigkeit befüllt werden, falls an die Aufzugsschächte eine Außenhaut angebracht wird. Die Länge je Aufzugschacht kann bis zu mehreren hundert Metern betragen. Der Einsatzort kann Offshore, in tiefen Seen, oder z. B. in tiefen Bohrlöchern an Land sein.
-
Innerhalb der Aufzugsschächte befinden sich mindestens je ein oder mehrere vertikal aneinander angebrachte Auftriebszylinder (A2 bzw. B2), welche wechselseitig entweder mit einem Hochdruckgas (wie z. B. CO2), oder mit einer Flüssigkeit (z. B. Wasser, Öl etc.) befüllt werden, indem je ein optional innenliegender (Schwimm-)Kolben (A3 bzw. B3) im jeweiligen Auftriebszylinder aufgrund von Druckunterschieden auf und ab bewegt wird. Wird der Auftriebszylinder (A2 bzw. B2) am unteren Totpunkt des Aufzugsschachtes (A1 bzw. B1) mit CO2-Hochdruckgas befüllt, verlagert der Gasdruck (mit z. B. 140 bar) die eingeschlossene Flüssigkeit vom Behälter/A2 bzw. B2) in den Behälter (A5 bzw. B5). Hierbei wird der Druckunterschied, der aus der Höhe der geodätischen Flüssigkeitssäule zwischen beiden Behältern (A2 zu A5, bzw. B2 zu B5) resultiert, überwunden (z. B. bei 1.000 Metern Tiefe = 100,0 bar). Der Wärmetauscher (A38 bzw. B38) wird mit Umgebungswasser aus dem Wärmetauscher (C20) (mit z. B. 10°C) oder alternativ mit gekühltem Wasser oder Glykol (vom Niederdruckverdichter der CO2-Wärmepumpe) umströmt, sodass der Gasdruck des Kältemittels oberhalb des Schimmer-Kolbens (A6 bzw. B6) reduziert wird. Bei Einsatz von R503 beträgt dieser bei 10°C = 33,65 bar/Ü. Der Druck gemäß der Druckdifferenz aus obigen Beispiel (140 bar – 100 bar = 40,0 bar) verdichtet das Gas mit 40,0 bar – 33,65 bar = 6,35 bar. Wird die Saugleitung des ND-Verdichters zum Behälter (A5 bzw. B5) abgesperrt, wird das Gas im Wärmetauscher (A38 bzw. B38) verflüssigt und die Verflüssigungswärme wird an das Umgebungswasser (z. B. bei 10°C) abgeführt, bei nicht abgesperrter Saugleitung wird das Gas direkt aus dem Behälter (A2 bzw. B2) abgesaugt und die Verflüssigungsenergie der Wärmpumpe zugeführt. Die Entscheidung darüber welche Variante gewählt wird hängt von der benötigten Wärmemenge innerhalb der Wärmepumpe ab, um je nach Tiefe der Aufzugsschächte die benötigten Temperaturen und Drücke erzielen zu können, was über eine entsprechende Elektronik und Sensoren geregelt oder gesteuert werden kann.
-
Die Auftriebsbehälter (A2 und B2) bewegen sich gegenläufig innerhalb des zugehörigen Aufzugsschachtes (A1 bzw. B1). Deren umgekehrte Auftriebshübe werden über Zugseile und über eine Zahnradvorrichtung (oder ähnliches) miteinander verkoppelt, sodass die Auftriebskraft des einen Behälters den anderen Behälter nach unten zieht.
-
Die Auftriebskräfte werden auf je ein Getriebe zum Antrieb eines Generators und optional auf ein Getriebe zum Antrieb einer Hebelvorrichtung übertragen.
-
Der Wärmetauscher (C20) dient als zusätzlicher Verflüssiger der Wärmpumpe, um ggf. die Verflüssigungswärme an das Umgebungswasser abzugeben.
-
Fig. 2:
-
Darstellung der Vorderansicht der oberen Plattform inkl. der Komponenten, die in den nachfolgenden Figuren näher beschrieben werden.
-
Fig. 3:
-
Fließschema der Kälteverrohrung der 2-stufigen Wärmepumpe zur Veranschaulichung der Funktionsweise. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Verrohrung lediglich als Übersicht dient und beinhaltet deshalb nicht alle Bauteile einer gängigen CO2-Anlage. Die Verrohrung und die Verschaltung der Komponenten kann entsprechend dem Stand der Technik jederzeit geändert und angepasst werden.
-
Alle angegebenen Temperaturen und Drücke sind Richtwerte und variieren je nach der Tiefe der Vorrichtung, dem Einsatzbereich und den eingesetzten Kältemitteln. Es können auch andere Kältemittel (wie z. B. R744A (N2O) zum Einsatz kommen.
-
Die Anlage wird als Kaskadenschaltung mit Zwischenkühler gezeigt. Der ND-Kreislauf (Niederduck) wird z. B. mit dem Kältemittel R503, der HD-Kreislauf (Hochdruck) z. B. mit dem Kältemittel CO2 betrieben. Es kann u. U. aber auch eine Booster-Verschaltung (ohne Zwischenkühler) oder eine einstufige Anlage zum Einsatz kommen, falls nur ein einziges Kältemittel verwendet wird. Der ND-Verdichter (C1) saugt das Kältemittel R503 aus dem Behälter (A5 bzw. B5) mit z. B. ca. 34 bar = 10°C ab und verdichtet es in den Wärmetauscher (C7) auf den Druck von z. B. ca. 50 bar = ca. 28°C Verflüssigungstemperatur, wo die Energie an den HD-Kreislaufabgegeben wird. Parallel saugt der ND-Verdichter (C1) das Kältemittel R503 aus Wärmetauscher im Behälter (C9) ab. Werden tiefere Temperaturen im Kältespeicher (C9) benötigt, können entsprechende Saugdruck- und/oder Verdampfungsdruckregler (nicht dargestellt) eingesetzt werden. Das Kältemittel R503 wird im Zwischenkühler (C7) verflüssigt und im Sammler (C8) angestaut. Aus dem Sammler wird verflüssigtes R503 über ein Expansionsventil in den Wärmetauscher im Kältespeicher (C9) geleitet, wo es unter Aufnahme der Energie des Kühlmediums verdampft. Die Flüssigkeit (z. B. Wasser, Glykol oder ähnlich) im Kältespeicher (C9) wird auf z. B. 10°C oder tiefer gekühlt. Hierbei kommt über den Wärmetauscher (C22) auch eine freie Kühlung zum Einsatz.
-
Die HD-Verdichter (A21 und/oder B21, die von Elektromotoren und/oder von den optionalen Hebelvorrichtungen angetrieben werden), saugen das Kältemittel CO2 aus dem Zwischenkühler (C7) ab und verdichten es über den optionalen Ölabscheider (C5) in den oberen Wärmetauscher (C2a) im Wärmespeicher (C2), wo dem überhitzten CO2 die Verdichtungswärme (von z. B. 140 bis ca. 160°C) entzogen wird und in den unteren Wärmetauscher (C2b), wo es verflüssigt wird. Im Wärmespeicher findet hierbei eine Temperaturschichtung statt. Wird der Sollwert des Verflüssigungsdrucks überschritten, wird das CO2 in den Wärmetauscher (C20), der vom Umgebungswasser umspült wird, geleitet und dort unterhalb des kritischen Punktes von CO2 (also unterhalb von ca. 31°C) verflüssigt. Das verflüssigte CO2 wird über Rückschlagventile in die Sammler (A7 bzw. B7) geleitet, welche über innenliegende Heizschlangen beheizt oder gekühlt werden können. Aus den Sammlern entnommenes CO2 wird über Rückschlagventile und einem Expansionsventil in den Zwischenkühler (C7) entspannt, um das R503 des ND-Kreislaufes abzukühlen.
-
Befindet sich der Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) am unteren Totpunkt des Aufzugsschachtes (A1 bzw. B1) in einer Tiefe von z. B. 1.000 Metern, wird die CO2 Flüssigkeit im jeweiligen Sammer (A7 bzw. B7) von der Temperatur im Wärmespeicher (C2) auf den benötigten Druck erhitzt (auf z. B. 150 bar). Rückschlagventile an den Sammlern verhindern ein Zurückströmen des Kältemittels in den Verflüssiger. Die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit wird über ein Entspannungsventil in den jeweiligen Auftriebsbehälter (A2 bzw. A2) geleitet. Zeitgleich wird der Wärmetauscher (A4 bzw. B4) mit dem Medium aus dem Wärmetauscher (C2) erhitzt, sodass das CO2 die benötigte Verdampfungswärme aufnehmen kann. Der Druckverlust am Expansionsventil ist hierbei so gering wie möglich zu halten (z. B. 150 bar – 140 bar = 10 bar), jedoch muss dieser groß genug sein, um das CO2 verdampfen zu können.
-
Befindet sich der Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) am oberen Totpunkt des Aufzugsschachtes (A1 bzw. B1) in einer Tiefe von z. B. 1,0 Meter, wird das gasförmige CO2 von den Verdichtern (A21 & B21) angesaugt. Hierbei wurde das Kältemittel vorher vom Wärmetauscher (A4 bzw. B4) auf ca. 10°C = 45 bar abgekühlt, sodass der Druck des Gases im Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) von z. B. 140 bar am unteren Totpunkt des Aufzugsschachtes auf z. B. 45 bar am oberen Totpunkt des Aufzugsschachtes reduziert wurde. Die Kühlung der Wärmetauscher (A4 bzw. B4) erfolgt über den Wärmetauscher (C22), bzw. über den Kältespeicher (C9).
-
Der ND-Verdichter arbeitet im obigen Beispiel mit dem Kältemittel R503 bei einer Saugtemperatur von 10°C = 33,65 bar und einer Verflüssigungstemperatur von ca. 28°C = 50 bar. Die/der ND-Verdichter arbeiten mit dem Kältemittel CO2 bei einer Saugtemperatur von 10°C = 45 bar und einem Verflüssigungsdruck von ca. 30°C = 71 bar. Die benötigte Verdichtungsendtemperatur des CO2, und somit die Temperatur im oberen Bereich des Wärmespeichers (C2) wird bei gleichbleibender Druckdifferenz an den HD-Verdichtern von der Temperatur des Sauggases am Eintritt der HD-Verdichter (A21 bzw. B21) beeinflusst, welche über den beheizbaren Flüssigkeitsabscheider (C6) reguliert werden kann. Die benötigte Wärmeenergie wird dem verdichteten R503 des ND-Verdichters entzogen.
-
Um einer Verbrennung bzw. einer Verkohlung der Schmierstoffe bei hohen Verdichtungsendtemperaturen vorzubeugen, werden bevorzugt HD-Verdichter ohne Ölschmierung eingesetzt.
-
Fig. 4:
-
Fließschema der Wasser- bzw. Glykol-Verrohrung (oder ein gleichwertiges Heiz- und Kühlmedium) der 2-stufigen Wärmepumpe zur Veranschaulichung der Funktionsweise. Es wird darauf hingewiesen, dass diese Verrohrung lediglich als Übersicht dient und beinhaltet deshalb nicht alle Bauteile einer gängigen Heiz- und/oder Kühlanlage. Die Verrohrung und die Verschaltung der Komponenten kann entsprechend dem Stand der Technik jederzeit geändert und angepasst werden.
-
Da hohe Temperaturen von > 160°C im oberen Bereich des Wärmespeichers (C2) erreicht werden, kann anstatt Wasser auch ein anderes Medium, wie z. B. Hydrauliköl eingesetzt werden. Bei Einsatz von Wasser muss das System unter dem Druck arbeiten, der benötigt wird, um eine Verdampfung zu verhindern.
-
Die Umwälzpumpe (C21) fördert das Heizmedium aus dem oberen Bereich des Wärmespeichers (C2) in das Verteilernetz und zirkuliert es zurück in den unteren Bereich des Wärmespeichers (C2). Ein Ausdehnungsbehälter (C18) gleicht Volumenänderungen aus. Je nach Temperaturanforderungen wird den Wärmetauschern (A7, B7, A4, B4, A38 und B38) wird über Mischbatterien (z. B. automatisierte 3-Wege Ventile) entweder heiße oder kalte Flüssigkeit (Wasser, Glykol oder Öl etc.) zugeführt.
-
Die Abkühlung der Flüssigkeit erfolgt entweder über den Wärmetauscher (C22), der die Wärmeenergie an das Umgebungswasser abgibt und/oder bei Bedarf über den Kältespeicher (C9), der zusätzlich vom ND-Kältekreislauf auf tiefere Temperaturen gekühlt werden kann. Temperatursensoren erfassen die Temperaturdifferenz zwischen Kältespeicher (C9) und Wärmetauscher (C22). Ist die Temperatur am Wärmetauscher (C22) tiefer oder gleich als die Temperatur im Kältespeicher (C9) wird ein 3-Wegeventil so eingeregelt, dass die Flüssigkeit über den Wärmetauscher (C22) zirkuliert, um eine freie Kühlung zu ermöglichen.
-
Die Umwälzpumpe (C3) fördert das Kühlmedium aus dem unteren Bereich des Kältespeichers (C9) in das Verteilernetz und zirkuliert es zurück in den oberen Bereich des Kältespeichers (C9). Ein Ausdehnungsbehälter (C4) gleicht Volumenänderungen aus.
-
Individuelle Umwälzpumpen versorgen die Heiz-/Kühlkreise der jeweiligen Wärmetauscher.
-
Der vertikal bewegliche Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) ist an seinem unteren Bereich über einen flexiblen Hydraulikschlauch (A37 bzw. B37) mit dem unteren Bereich des fix montierten, nicht beweglichen Behälters (A5 bzw. B5) verbunden, um die eingeschlossene Flüssigkeit von einem Behälter in den anderen leiten zu können.
-
Dieser Hydraulikschlauch wird im Aufzugsschacht (A1 bzw. B1) U-förmig eingelassen und seine Länge beträgt mindestens der Gesamtlänge des Aufzugsschachtes.
-
Gleiches gilt für die flexible Verrohrung der Wärmetauscher (A4 und B4), die vorzugsweise direkt auf den Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) montiert werden und sich demnach gemeinsam vertikal im Aufzugsschacht nach oben und unten bewegen. Um die thermischen Verluste zu minimieren, sollten diese Hydraulikschläuche eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, bzw. u. U. isoliert werden.
-
Fig. 5:
-
Fließschema der elektronischen/elektrischen Verschaltung der Vorrichtung zur Veranschaulichung der Funktionsweise. Es wird darauf hingewiesen, dass diese 5 lediglich zur Übersicht dient und beinhaltet deshalb nicht alle Bauteile einer gängigen elektrischen und/oder elektronischen Steuer- und Regelanlage. Die Verschaltung der Komponenten kann entsprechend dem Stand der Technik jederzeit geändert und angepasst werden.
-
Der Drucksensor (D5 bzw. E5) erfasst die geodätische Höhe der Flüssigkeitssäule am unteren Totpunkt des Aufzugsschachtes (A1 bzw. B1) in bar, die der umgerechneten Temperatur in °C des Kältemittels CO2 entspricht. Dieser Wert ist die Vorgabe für den Sollwert des Temperatursensors (C27) am Wärmespeicher (C2) zzgl. den benötigten Druckdifferenzen z. B. für die Entspannung von flüssigem CO2 in den Behälter (A1 bzw. B2). Wird der Sollwert am Temperatursensor (C27) unterschritten, öffnet das Magnetventil den Eintritt von R503 in den Wärmetauscher des Flüssigkeitsabscheiders (C6), sodass dieser beheizt und die Verdichtungsendtemperatur der HD-Verdichter (A21 und/oder B21) angehoben wird. Die Leistungsreglung der HD-Verdichter (A21 und/oder B21) erfolgt idealerweise über die Abschaltung von Zylindern unter Verwendung einer Saugdruckregelung oder gleichwertig (nicht dargestellt).
-
Der Temperatursensor (D6) erfasst den Istwert im Kältespeicher (C9) und der Temperatursensor (C25) erfasst den Istwert am Wärmetauscher (C22). Ist die Temperatur am Wärmetauscher (C22) gleich oder niedriger als der Istwert im Kältespeicher, öffnet das 3-Wege Ventil den Zulauf zum Wärmetauscher (C22), um eine freie Kühlung zu ermöglichen. Wird der Sollwert im Kältespeicher überschritten, öffnet das Magnetventil den Zugang von R505 zum Expansionsventil am Wärmetauscher im Kältespeicher, um diesen zu kühlen. Durch den Druckanstieg in der Saugleitung wird der ND-Verdichter (C1) angesteuert. Parallel hierzu öffnet das Magnetventil den Zugang von CO2 zum Expansionsventil am Zwischenkühler (C7), um diesen zu kühlen.
-
Erreicht der Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) seinen unteren Totpunkt im Aufzugsschacht (A1 bzw. B1) wird der Endschalter (D4 bzw. E4) mechanisch betätigt. Das Magnetventil am Wärmetauscher (A4 bzw. B4) öffnet über das Expansionsventil den Zufluss von CO2 in den Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2). Das Magnetventil in der Saugleitung des Behälters (A5 bzw. B5) wird ebenfalls geöffnet. Der ND-Verdichter (C1) saugt das R503 aus dem Behälter (A5 bzw. B5) ab.
-
Der Sollwert des Temperatursensors (D2 bzw. E2) am Sammler (A7 bzw. B7) ist um die technisch benötigte Druckdifferenz am Expansionsventil höher, als der Istwert des Temperatursensors (D7 bzw. E7) am Wärmetauscher (A4 bzw. B4). Wird der Sollwert unterschritten, öffnet das 3-Wegeventil (A10) den Zulauf von heißer Flüssigkeit in den Wärmetauscher innerhalb des Sammlers, sodass der Druck des flüssigen CO2s erhöht wird.
-
Erreicht der Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) seinen oberen Totpunkt im Aufzugsschacht (A1 bzw. B1) wird der Endschalter (D3 bzw. E3) mechanisch betätigt. Das Magnetventil am Wärmetauscher (A38 bzw. B38) öffnet den Zugang von verdichtetem R503 aus dem ND-Kreislauf der Wärmepumpe zum Behälter (A5 bzw. B5). Zeitgleich wird das CO2 im Wärmetauscher (A4 bzw. B4) abgekühlt und das Magnetventil am Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) zur Saugseite der HD-Verdichter (A21 bzw. B21) geöffnet. Das R503 drückt mit dem Verflüssigungsdruck (z. B. 50 bar bei ca. 28°C) die Flüssigkeit aus dem Behälter (A5 bzw. B5) in den Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2), wo ein CO2 Saugdruck von ca. 34 bar bei 10°C vorherrscht.
-
Fig. 6:
-
Die Auftriebskraft des einen Auftriebszylinders (z. B. A2) wird über Zahnräder (A23 & B23) umgekehrt auf den benachbarten Auftriebszylinder (z. B. B2) übertagen, sodass dieser nach unten gezogen wird, und umgekehrt.
-
Die Hebelvorrichtung, die in der Ölförderindustrie auch als Tiefenpumpe bekannt ist, besteht aus einem Grundrahmen (A14), Hebelarme mit Gewichte (A16), dem Kopfteil (A17) und Gegengewicht (A18). Das Gewicht (A16) wurde von der Auftriebskraft über das Getriebe (A13) gegen den Uhrzeigersinn hochgezogen. Fällt dieses aufgrund der Gravitation gegen den Uhrzeigersinn nach unten, wird der Hebelarm verlängert und das Gegengewicht (A18) wird nach oben gezogen. Diese Zugkraft wird über eine Zahnstange (A22, 8) auf den HD-Gasverdichter (A21) übertragen.
-
Die Hebelvorrichtung könnte auch umgekehrt, also mit einer Drehung der Gewichte (A16) im Uhrzeigersinn betrieben werden. Hierzu werden die jeweiligen Gewichte entsprechend bestimmt und die Zahnstange (A22) wurde am Verdichter (A21) drückend anstatt ziehend funktionieren.
-
Fig. 7:
-
Detail des Antriebzahnrads (A15) an der Hebelvorrichtung (A14 bzw. B14) zum Anheben der Gewichte (A16) über das Getriebe (A13). Das Antriebszahnrad besteht aus dem äußeren, mit Zähnen bestückten Ring zur Aufnahme einer Antriebskette und der inneren Leerlaufkupplung, die auch als Fahrradantrieb bekannt ist.
-
Die Auftriebskraft des entsprechenden Auftriebszylinders wirkt über etwas mehr als einen halben Drehwinkel (ca. 190°), danach läuft der Auftriebszylinder (A2 bzw. B2) im Aufzugsschacht wieder nach unten. Während der Auftriebszylinder nach unten läuft bleibt das Getriebe (A13) und somit das Antriebszahnrad (A15) stehen. Das Gewicht fällt nun durch die Gravitation nach unten, wobei sich der innere Ring mit der Achse der Hebelvorrichtung mitbewegt, der gezahnte Außenring jedoch stehenbleibt.
-
Die gleiche Technik kommt beim Generator (A20) und beim Verdichter (A21) wie in 8 beschrieben zur Anwendung.
-
Das kleinere Zahnrad am Eintritt der Getriebe (A13 & A19) wird ebenfalls mit einer entsprechenden Leerlaufkupplung ausgestattet (nicht dargestellt). Gleiches gilt immer für die entsprechend mit „B” bezeichneten Bauteile.
-
Fig. 8:
-
Detail des Antriebzahnräder (A23 & A24) wie unter 7 beschrieben. Da der Antrieb des Getriebes nur während der Auftriebsphase der Auftriebszylinder erfolgt, stehen die Zahnräder während dem Senken der Auftriebszylinder im Aufzugsschacht still. Um ein Rückwärtslaufen des Generators zu verhindern wird eine Leerlaufkupplung eingesetzt.
-
Der Verdichter (A21) wird nur vom Aufwärtshub der Zahnstange (A22) angetrieben. Hierbei rastet die Kupplung des Zahnrades (A24) ein. Beim Abwärtshub der Zahnstange (A22) wird die Leerlaufkupplung entlastet und der Verdichter (A21) wird nicht angetrieben. Dieses Verfahren findet u. a. bei Fahrrädern Anwendung. Alternativ kann auch eine andere Technik eingesetzt werden, um oben Beschriebenes zu erzielen. Oben Gesagtes gilt für die entsprechend zu „B” gehörigen Bauteile.
-
Fig. 9:
-
Die Auftriebskraft des mit Gas befüllten Zylinders (A2) wird auf ein Umlenkrad (A12) übertragen, das über einen Ketten- oder Keilriemenantrieb oder gleichwertig mit einem Getriebe (A13) verbunden ist. Das Getriebe setzt den Hub des Auftriebszylinders (A2), der mehrere hundert Meter betragen kann, auf etwas mehr als eine halbe Drehbewegung (ca. 190°) des Antriebsrads (A15) der Hebelvorrichtung (A14, 6) um, um dessen Gewichte (A16) anzuheben. Die Auftriebskraft treibt zeitgleich das Getriebe (A19) an, welches einen Stromgenerator (A20) antreibt. Die Vorrichtung kann auch ohne Getriebe (A13), sowie ohne Hebelvorrichtung (A14) und dessen Bauteile betrieben werden.
-
Die Behälter (A2, B2, A5 und B5) können mit Gasglocken, die in eine Flüssigkeit getaucht sind verglichen werden, sodass physikalisch auf die Schwimmerkolben (A3, B3, A6 und B6) verzichtet werden könnte, da das von oben zugeführte Gas die Flüssigkeit in der Gasglocke nach unten drückt. Technisch soll jedoch eine Absorption der Kältemittel CO2 bzw. R503 in das Wasser vermieden werden. Auch die Feuchtigkeit soll aus dem Wärmepumpenkreislauf ferngehalten werden. Hierzu können zwei Schwimmerkolben (A3a und A3b) mit einer flüssigen Zwischenschicht aus z. B. Öl zur Anwendung kommen, welche die Absorption der Kältemittel und das Eindringen von Feuchtigkeit in den Wärmepumpenkreislauf weitgehend verhindern oder mindern soll. Alternativ können auch andere Techniken zur Anwendung kommen.
-
Fig. 10:
-
Darstellung der Vorderansicht einiger Komponenten mit zugehöriger Nummerierung.
-
Fig. 11:
-
Draufsicht (Vogelperspektive) vom unteren Bereich der Plattform (C19), auf der die Bauteile montiert werden. Diese kann sowohl auf bestehenden oder neuen Offshore-Plattformen, oder auf schwimmenden Plattformen auf Seeoberflächen oder über Bohrlöchern an Land montiert werden.
-
Die Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) werden über Leiträder (A27 bzw. B27) innerhalb des Aufzugsschachtes (A1 bzw. B1) geführt, die eine vertikale Bewegung möglichst reibungsfrei ermöglichen sollen.
-
Fig. 12:
-
Draufsicht (Vogelperspektive) vom oberen Bereich der Plattform, auf der die Bauteile montiert werden. Ansonsten wie unter 10 beschrieben.
-
Fig. 13:
-
Draufsicht (Vogelperspektive) vom oberen Bereich der Plattform inkl. der zugehörigen Nummerierung der Bauteile. Ansonsten wie unter 12 beschrieben.
-
Fig. 14 & Fig. 15:
-
Linke und rechte Seitenansicht der Plattform.
