DE102016009633A1

DE102016009633A1 - Vorrichtung als Paternosterkraftwerk mittels Wärmepumpen

Info

Publication number: DE102016009633A1
Application number: DE102016009633.0A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: SEUFFERHELD, JORGE EDUARDO, DE
Priority date: 2016-02-17
Filing date: 2016-08-10
Publication date: 2017-08-17

Abstract

Um Auftriebskräfte in Gewissem 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 Meter zum Einsatz. Idealerweise wäre eher ein Offshore-Betrieb am wirtschaftlichsten, jedoch kann diese Vorrichtung als Paternosteraufzug auch z. B. in Seen, Bohrlöchern, Tavernen, oder ähnliches zum Einsatz kommen.
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
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 die Umwälzpumpe-Kühlen (44) ein und die Umwälzpumpe-Heizen (9) aus. Das Magnetventil (18) wird geschlossen. Nach einer Zeitverzögerung, und/oder bei Erreichen der Kühlwassertemperatur im Wärmetauscher (45), der vom Wärmetauscher (43) und der Umwälzpumpe (44) gekühlt wird, wird das Magnetventil (34) geöffnet und der Verdichter (1) eingeschaltet.
Der Wärmetauscher (43) wird vom Umgebungswasser innerhalb des Paternosteraufzuges und der Rotationsgeschwindigkeit desselben gekühlt.
Der Verdichter (1) saugt über den Kühler (45) und den 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 innenliegenden Wärmetauschern (4), wo dem komprimierten CO2 die Hitze entzogen wird. Im Warmwasserboiler (3) soll eine Temperaturschichtung erfolgen, wobei im oberen Bereich möglichst heiße Temperaturen erreicht werden sollen. Wird der am Eintrittsdruckregler (7) eingestellte Verdichtungsdruck überschritten, öffnet dieser den CO2-Durchfluss zum Wärmetauscher (8), der ebenfalls vom Umgebungswasser im Paternosteraufzug und der Rotationsgeschwindigkeit gekühlt wird, um das CO2 subkritisch zu verflüssigen. Ist der Paternosteraufzug aufgrund des Korrosionsschutzes, oder zum Schutz vor Algenbildung, etc. ummantelt, wird die Verflüssigungsenergie innerhalb des Paternosteraufzuges u. U. über eine Zusatzvorrichtung (nicht dargestellt) abgeführt.
Vom Wärmetauscher (4) und/oder dem Wärmetauscher (8) wird das CO2 über den zusätzlichen, optionalen Wärmetauscher (24) als Unterkühler, der ebenfalls 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. Das optionale Ventil (25) kann ggf. als Sammlerdruckregler eingesetzt werden.
Das ebenfalls optionale Überstromventil (6) wirkt als automatisiertes Bypass-Ventil zwischen dem Druck- und dem Saugstutzen des Verdichters (1).
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, oder es werden Verdichter ohne Ölschmierung eingesetzt.
Das gasförmige CO2 wird somit im Rücklauf (R) des Paternosteraufzuges aus dem Auftriebsbehälter (32) abgesaugt und im Sammler (14) angestaut, welcher vom Wärmetauscher (43) gekühlt wird.
B) Vorgang (Verfahren) während des Vorlaufes (V) des Paternosteraufzuges (siehe auch Fig. 3 und Fig. 4):
Der Schalter (22) schaltet den Verdichter (1) und die Umwälzpumpe-Kühlen (44) aus. Das Magnetventil (30) wird geschlossen und das Magnetventil (18) geöffnet. Der zuvor vom Wärmetauscher (43) heruntergekühlte Verdampfer (16) nimmt nun eine definierte Menge an flüssigem Kältemittel auf. Um die Druckdifferenz zwischen Verdampfer (15) und Sammler (14) zu erhöhen, kann die Temperatur im Sammler (14), über den innenliegenden Wärmetauscher (12) erwärmt werden, indem das Motorventil (11) den Zulauf von Warmwasser öffnet, bis der gewünschte Sollwert (31) erreicht ist. Nach dem Füllvorgang schließt das Magnetventil (18). Das Rückschlagventil (18) verhindert den Rückfluss von CO2.
Die Umwälzpumpe (9) pumpt nun das erwärmte (bzw. heiße) Wasser (oder eine andere Flüssigkeit), aus dem (isolierten) Warmwasserboiler (3) über das Motorventil (42) in den Verdampfer (16) mit innenliegendem Wärmetauscher (15).
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, 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. Sind beide Motorventile (11 & 42) geschlossen, wird die Pumpe (9) ggf. abgeschaltet oder leistungsgeregelt.
Das CO2 wird somit im Vorlauf (V) des Paternosteraufzuges im Verdampfer (15) verdampft und überhitzt und durch die Ausdehnung in den Auftriebsbehälter (32) geleitet der einen Auftrieb erzeugt und den Paternosteraufzug in Rotation versetzt.
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.
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.
Der Bolzen (40) dient dazu den Kontaktschalter (22) im Rücklauf (R) umzulegen, um z. B. wie unter 1 beschrieben den Verdichter (1) einzuschalten und die Pumpe (9) auszuschalten. Der Bolzen (41), siehe 4 dient dazu den Kontaktschalter (22) im Vorlauf (V) wieder in seine Ausgangslage umzulegen, um somit z. B. den Verdichter (1) auszuschalten und die Umwälzpumpe (9) einzuschalten etc.
Die Rotationsenergie wird z. B. auf einen Generator (37), oder eine andere Vorrichtung übertragen.
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.