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EINLEITUNG
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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 zum Einsatz kommen, indem Auftriebskräfte in Wassertiefen von über 3,000 Metern erzeugt werden können.
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NAME DER ERFINDUNG
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Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mittels Auftriebskräften in tiefen Gewässern, die von einer Wärmepumpe und der Expansion von verflüssigtem CO2 erzeugt werden.
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TECHNISCHES GEBIET
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Regenerierbare Stromerzeugungsanlagen
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STAND DER TECHNIK
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Es ist nicht bekannt, ob derzeit Stromerzeugungsanlagen oder -systeme die eine Wärmepumpe zur Erzeugung von Auftriebskräften in sehr tiefen Flüssigkeiten oder Gewässern existieren, welche die spezifischen Druck- und Temperatureigenschaften von Hochdruckkältemitteln [wie z. B. R744 (CO2), R744A (N2O) etc.] im subkritischen und im transkritischen Bereich nutzen.
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DAS ZUGRUNDELIEGENDE PROBLEM
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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 deshalb bisher nicht möglich. Gemäß den derzeitigen Bestrebungen regenerierbare Energie kostengünstig zu erzeugen, wird hier eine Vorrichtung und ein Verfahren beschrieben, das eine Wärmepumpe zur Schaffung von Druckdifferenzen beinhaltet. Aufgrund der Temperaturunterschiede in diversen Behältnissen wird ein Hochdruckgas (z. B. CO2) in verschiedenen Behältern aufgeheizt und abgekühlt, sodass die resultieren Druckunterschiede es ermöglichen Auftriebskräfte in tiefen Gewässern wirtschaftlich zu erzeugen.
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PROBLEMLÖSUNG
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Durch den Einsatz einer Wärmepumpe zur Kühlung, Verflüssigung und Erwärmung eines Hochdruckkältemittels (wie z. B. CO2), können die physikalischen Eigenschaften dieser Kältemittel im subkritischen und im transkritischen Bereich vorteilhaft genutzt werden, um Druck- und Volumenunterschiede der Gase unter der Wasseroberfläche zu generieren und um dadurch Auftriebskräfte in sehr tiefen Gewässern zu erzeugen, die der Stromerzeugung dienen können.
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ALLGEMEINE BESCHREIBUNG:
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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.
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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 (gem. dem Kältekreislauf im log p-h-Mollier-Diagramm) genutzt, als auch die Eigenschaften von CO2 in einem physikalisch geschlossenem System eines rechtslaufenden Carnot-Kreisprozesses, d. h. das Verdichten und erhitzen von flüssigem CO2 mit anschließender Gasexpansion und Kondensation.
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Alle dargestellten Ventile können entweder direkt- oder pilotgesteuert ausgeführt, als auch mechanisch, oder über Druck- oder Temperaturtransmitter und einer Elektronik angesteuert werden. Die Antriebe aller automatisierten Ventile können des Weiteren mechanisch, elektro-mechanisch, elektrisch, elektro-magnetisch, pneumatisch, hydraulisch, oder gleichwertig ausgeführt werden. Alle dargestellten Wärmetauscher können als Rohrbündel-, als Platten-, als Micro-Channel-Wärmetauscher oder sonstigen bekannten Formen von Wärmetauschern ausgeführt werden.
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TECHNISCHE BESCHREIBUNG
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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, und/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.
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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 Wärmetauscher (A4 bzw. B4) des Auftriebszylinders (A2 bzw. B2) am unteren Totpunkt des Aufzugsschachtes (A1 bzw. B1) mit dem zugeführten Heizmedium beheizt, verdampft die zugeführte CO2-Flüssigkeit und dehnt sich unter hohem Druck aus. Der Gasdruck verlagert über den flexiblen Hydraulikschlauch (A37 bzw. B37) die eingeschlossene Flüssigkeit vom Behälter (A2 bzw. B2) in den Behälter (A5 bzw. B5). Hierbei wird der Druckunterschied, der aus der Höhe der geodätischen Höhe der Flüssigkeitssäule zwischen beiden Behältern (A2 zu A5, bzw. B2 zu B5) resultiert, überwunden (z. B. bei 1.000 Metern Tiefe = 100,0 bar), als auch der Saugdruck des Kältemittels im Behälter (A5 bzw. B5).
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Der Wärmetauscher (A38 bzw. B38) wird dabei mit Umgebungswasser aus dem Wärmetauscher (C20) (mit z. B. 10°C) oder alternativ mit gekühltem Wasser oder Thermo-Öl (aus einem Kältespeicher) umströmt, sodass der Gasdruck des Kältemittels oberhalb des Schimmer-Kolbens (A6 bzw. B6) reduziert wird. Das Sauggas wird bei geöffnetem Magnetventil von einem Kälteverdichter (L1a bzw. L1b, 4) aus dem Behälter (A5 bzw. B5) abgesaugt.
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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.
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Die Auftriebskräfte werden auf je ein Getriebe zum Antrieb eines Generators und optional auf ein Getriebe zum Antrieb einer Hebelvorrichtung übertragen, welche den Antrieb der Verdichter unterstützt.
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Der Wärmetauscher (L2) dient als zusätzlicher Verflüssiger der Wärmpumpe, um ggf. die überschüssige Verflüssigungswärme an das Umgebungswasser abzugeben.
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Die Aufzugsschächte (A1 und B1) können wasserseitig unten und/oder oben miteinander verbunden werden (nicht dargestellt), sodass der Auftriebsbehälter (A2) das verdrängte Wasser während seiner Aufwärtsbewegung in den Aufzugschacht (B1) drückt und der Auftriebsbehälter (B2) das verdrängte Wasser während seiner Abwärtsbewegung in den Aufzugschacht (A1) drückt und umgekehrt, um dadurch die Wasserwiderstände zu reduzieren.
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2:
Darstellung der Vorderansicht der oberen Plattform inkl. der Komponenten, die in den nachfolgenden Figuren näher beschrieben werden.
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3:
Schematische Darstellung des Kältemittelkreislaufes und des CO2 Kreislaufes im log p-h-Diagramm zur Veranschaulichung der Funktionsweise. Es wird darauf hingewiesen, dass die Zeichnung lediglich zum Verständnis der Anlagenfunktion gedacht ist. Sie beinhaltet deshalb auch nicht alle Komponenten konventioneller CO2-Anlagen etc.
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Die Verrohrung und die Verschaltung der Komponenten können entsprechend dem Stand der Technik jederzeit geändert und angepasst werden.
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Die Hydraulikpumpe (H1) verdichtet verflüssigtes Kältemittel (z. B. CO2) aus dem Sammler [10] auf einen höheren Flüssigkeitsdruck [11a] im subkritischen CO2-Bereich unterhalb des kritischen Punktes von 31°C, sodass das CO2 zunächst nicht verdampft. Das flüssige, verdichtete CO2 wird über flexible Hydraulikschläuche in die Tiefe der Vorrichtung geleitet, wo das flüssige CO2 an Druck zunimmt [11b]. Da sich der Hydraulikschlauch in kaltem Umgebungswasser von ca. +4°C bis +10°C innerhalb des Aufzugschachtes (A1 bzw. B2) befindet, wird das flüssige CO2 gekühlt. Wegen der geodätischen Höhe der CO2-Flüssigkeitsäule nimmt der CO-Druck im unteren Bereich des Aufzugsschachtes gem. seinem spezifischen Gewicht zu [11b]. D. h.: verdichtet die Pumpe (H1) das CO2 um eine Druckdifferenz von 40 bar [11a], beträgt der überschlägige CO2-Differenzdruck in einer Anlagentiefe von 1.000 Metern durch den Druckgewinn ca. 140 bar [11b]. (zur Vereinfachung wurde die Dichte von Wasser angesetzt). Bei einer Anlagentiefe von 2.000 Metern = 240 bar, bei 3.000 Metern = 340 bar etc., sodass der Energieverbrauch der Pumpe (H1) unabhängig von der Anlagentiefe ist.
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Im Gegenstrom-Wärmetauscher (H5) wird das Heizmedium (z. B. thermisches Öl, Wasser unter Druck etc.) von der Kondensationswärme der Verdichter (L1a & L1b) erhitzt. Hierbei sollte im theoretischen Idealfall die Verdichtungsendtemperatur der Verdichter möglichst annähernd der Endtemperatur des CO2 Gases nach dessen Erwärmung [12] entsprechen. Die durch die Kondensation des Kältemittels im Verflüssiger (H5) erhaltene Enthalpie-Differenz [1] – [3], entspricht oder ist größer als die Enthalpie-Differenz [12] – [11], die für die Erwärmung des CO2s im Wärmetauscher (A4 bzw. B4) benötigt wird.
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Das flüssige CO2 wird unter hohem Druck [11b] in den Wärmetauscher (A4 bzw. B4) geleitet und vom Heizmedium erhitzt, wobei das CO2 innerhalb des transkritischen Bereiches verdampft [12]. Der CO2-Druck schiebt den Kolben im Behälter (A2 bzw. B2) nach unten und verlagert das Wasser, oder eine andere Flüssigkeit aus dem Behälter (A2 bzw. B2) in den Behälter (A5 bzw. B5). Das verdampfte CO2 [14] wird dem Gaskühler (H2) zugeführt und heruntergekühlt bevor es vom Expansionsventil (H7) in den Wärmetauscher (C7) entspannt wird, wo es wieder vom Kältemittelreislauf verflüssigt [10] und anschließend von der Pumpe verdichtet wird [11].
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Der Verdichter (L1a bzw. L1b) saugt das Kältemittel aus dem Wärmetauscher (C7) ab [8] und verdichtet es in den Wärmespeicher (H5) [1]. Der Wärmtauscher (L17) überhitzt ggf. das Sauggas [9] und hebt die Verdichtungsendtemperatur des Verdichters (L1a bzw. L1b) an [1], falls eine höhere Temperatur im Wärmespeicher (H5) gefordert wird.
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Wird der Verflüssigungsdruck überschritten, kühlt der Wärmetauscher (L2) das Kältemittel weiter ab [5], indem es die Energiemenge an die Umgebung abgibt. Wird die Vorrichtung z. B. Offshore eingesetzt, kann Umgebungswasser mit < 10°C zur Kühlung eingesetzt werden.
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Das verflüssigte Kältemittel wird in einem Sammler angestaut und anschließend in den Verdampfer (C7) geleitet, indem es vom Expansionsventil (L15) entspannt wird [6]. Der Verdampfer (L7), mit Expansionsventil (L6) nimmt bei Bedarf weitere Energie aus dem Kältespeicher (C9) auf, welcher über einen weiteren Wärmetauscher (C22) mit dem Umgebungswasser verbunden ist. Ein optionaler Verdampfungsdruckregler dient dem Frostschutz, wenn z. B. Wasser als Kühlmedium eingesetzt wird.
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Das vom Verdichter (L1a bzw. L1b) verdichtete Kältemittel wird auch verwendet, um den Kolben im Zylinder (A5 bzw. B5) nach unten zu schieben und um dadurch das Wasser aus dem Behälter (A5 bzw. B5) in den Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) zu schieben, wenn sich dieser am oberen Totpunkt des Aufzugsschachtes (A1 bzw. B1) befindet. Der Druck des Kältemittels am Punkt [1] ist hierbei höher als der Gegendruck vom CO2 am Punkt [14] auf der Oberseite des Kolbens im Behälter (A2 bzw. B2).
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Im Kältekreislauf können verschiedene Kältemittel, wie z. B. CO2, R503, R404A etc. eingesetzt werden um die Enthalpie-, Druck- und Temperaturdifferenzen der Anlage möglichst zu optimieren.
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4:
Fließschema der Kälteverrohrung der 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.
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Alle angegebenen Temperaturen und Drücke sind Richtwerte und variieren je nach der Tiefe der Vorrichtung, dem Einsatzbereich und den eingesetzten Kältemitteln. Es könnten auch andere Hochdruckkältemittel (wie z. B. R744A (N2O o. ä.) zum Einsatz kommen. Der Kältekreislauf kann ebenfalls mit verschiedenen Kältemitteln, wie z. B. CO2, R503, R407C etc. betrieben werden. Eine hohe Verdichtungsendtemperatur ist bei der Auswahl vorteilhaft. Um die energetisch besten Bedingungen zu schaffen, kann auch die Wärmepumpe je nach eingesetzten Gasen und/oder Kältemitteln auch 2-stufig ausgeführt werden.
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Der Verdichter (L1a bzw. L1b) saugt das Kältemittel aus dem Behälter (A5 bzw. B5) ab [7], sobald der zugehörige Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) an seinem unteren Totpunkt im Aufzugsschacht (A1 bzw. B1) angekommen ist, und verdichtet es in den Wärmespeicher (H5, wo die Energie an das Heizmedium abgegeben wird, und/oder führt das verdichtete Gas dem Wärmetauscher (L2) zu, falls der benötigte Verflüssigungsdruck überschritten wird.
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Bei Bedarf saugt der Verdichter (L1a bzw. L1b) das Kältemittel ebenfalls aus dem Wärmetauscher (L7) im Kältespeicher (C9) ab, um Wärmeenergie vom Kühlmedium zu erhalten. Das flüssige Kältemittel wird dem Sammler (L10) entnommen und über das Expansionsventil (L15) in den Wärmetauscher (C7) verdampft. Bei Bedarf wird flüssiges Kältemittel vom Expansionsventil (L6) in den Wärmetauscher (L7) im Kältespeicher geleitet, wo es unter Aufnahme der Energie des Kühlmediums verdampft. Die Flüssigkeit (z. B. Wasser, thermisches Öl oder ähnlich) im Kältespeicher (C9) wird gekühlt. Hierbei wird über den Wärmetauscher (C22, 6) je nach den Betriebsbedingungen entweder Energie vom Umgebungswasser zugeführt, oder über eine freie Kühlung, Energie an das Umgebungswasser abgeführt. Die Verdichter (L1a bzw. L1b), können von Elektromotoren und/oder von den optionalen Hebelvorrichtungen angetrieben werden. Die Verdichter (L1a bzw. L1b) saugen das Kältemittel aus dem Behälter (A5 bzw. B5) ab, sobald die zugehörigen Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) ihren unteren Totpunkt im Auszugsschacht (A1 bzw. B1) erreicht haben und verdichten es über den optionalen Ölabscheider (L8) in den oberen Wärmetauscher im Wärmespeicher (H5), wo dem überhitzten Kältemittel die Verdichtungswarme entzogen wird und anschließend in die übrigen Wärmetauscher im Wärmespeicher (H5), wo es u. U. verflüssigt wird. Im Wärmespeicher (H5) findet hierbei eine Temperaturschichtung statt. Alternativ kann auch ein Gaskühler zur Wärmerückgewinnung zum Einsatz kommen. Wird der Sollwert des Verflüssigungsdrucks überschritten, wird das Kältemittel über ein Druckregler (L3) oder gleichwertig in den Wärmetauscher (L2), der vom Umgebungswasser umspült wird, geleitet und dort verflüssigt. Das verflüssigte Kältemittel wird über ein Rückschlagventil in den Sammler (L10) geleitet.
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Um einer Verbrennung bzw. einer Verkohlung der Schmierstoffe bei hohen Verdichtungsendtemperaturen vorzubeugen, werden bevorzugt HD-Verdichter ohne Ölschmierung eingesetzt.
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5:
Befindet sich der Auftriebsbehälter (B2) am oberen Totpunkt im Aufzugsschacht (B1) in einer geringen Wassertiefe, werden die beiden Magnetventile in den Druckleitungen [12] & [14] geschlossen. Zunächst wird der Wärmetauscher (B4, 10) vom Kühlmedium aus dem Kältespeicher (C9) gekühlt und dann wird zeitverzögert das Magnetventil in der Leitung [13] zum Wärmetauscher (C7) nach dem Entspannungsventil (H7) geöffnet, um das zuvor in der Wassertiefe verdampfte CO2 abzusaugen. Das Expansionsventil (H7) entspannt das dampfförmige, transkritische CO2 in den Wärmetauscher (C7), wo es im subkritischen Bereich verflüssigt wird.
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Zeitgleich werden am benachbarten Wärmtauscher (A4) am Behälter (A2) am unteren Totpunkt des Aufzugschachtes (A1) die Magnetventile der Druckleitungen [12] & [14] geöffnet und der Wärmetauscher (A4) wird vom Heizmedium aus dem Speicher (H5) aufgeheizt. Das CO2 wird verdampft und dehnt sich aus. Der Behälter (A2) erhält eine Auftriebskraft, mit der er u. a. den benachbarten Behälter (B2) im Aufzugsschacht (B1) nach unten zieht.
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Anschließend wird der Prozess umgekehrt, sodass der Behälter (B2) am unteren Totpunkt im Aufzugsschacht (B1) mit CO2 und der Behälter (A2) am oberen Totpunkt des Aufzugsschachtes (A2) mit Wasser befüllt wird.
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Durch die Erwärmung von flüssigem CO2 im Wärmetauscher (A4 bzw. B4) verdampft es, dehnt sich aus und verdrängt das Wasser aus dem Behälter (A1 bzw. B1) in den Behälter (A5 bzw. B5), indem die Kolben (A3a & A3b bzw. B3a & B3b, 10) nach unten gedrückt werden.
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6:
Fließschema der Wasser- bzw. Thermo-Öl-Verrohrung (oder ein gleichwertiges Heiz- und Kühlmedium) der 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.
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Da, je nach Anlagentiefe und benötigte Drücke, hohe Temperaturen im oberen Bereich des Wärmespeichers (H5) erreicht werden, kann anstatt Wasser auch ein anderes Medium, wie z. B. Thermo-Öl eingesetzt werden. Wird Wasser verwendet, muss das System unter dem entsprechenden Druck arbeiten, um eine Verdampfung zu verhindern.
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Die Umwälzpumpe (C21) fördert das Heizmedium aus dem oberen Bereich des Wärmespeichers (H5) in das Verteilernetz und zirkuliert es zurück in den unteren Bereich des Wärmespeichers (H5). Ein Ausdehnungsbehälter (C18) gleicht Volumenänderungen aus. Je nach Temperaturanforderungen wird den Wärmetauschern (A4, B4, A38 und B38) wird über Mischbatterien (z. B. automatisierte 3-Wege Ventile) entweder heiße oder kalte Flüssigkeit (Wasser, oder Öl etc.) zugeführt.
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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 Kältekreislauf gekühlt wird. Temperatursensoren erfassen die Temperaturdifferenz zwischen Kältespeicher (C9) und dem Wärmetauscher (C22). Ist die Temperatur am Wärmetauscher (C22) geringer oder gleich der Temperatur im Kältespeicher (C9) wird ein 3-Wegeventil (C16) so eingeregelt, dass die Flüssigkeit über den Wärmetauscher (C22) zirkuliert, um eine freie Kühlung zu erzielen. Wird eine höhere Temperatur im Wärmespeicher (H5) benötigt, wird er Kältespeicher verwendet, um über die Verdampfungsenergie der Kälteanlage, Energie aus dem Umgebungswasser zu gewinnen. Die Ansteuerung des 3-Wegeventils (C16) wird entsprecht umgekehrt.
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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.
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Individuelle Umwälzpumpen versorgen die Heiz-/Kühlkreise der jeweiligen Wärmetauscher.
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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.
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Dieser Hydraulikschlauch wird im Aufzugsschacht (A1 bzw. B1) z. B. U-förmig eingelassen und seine Länge beträgt mindestens der Gesamtlänge des Aufzugsschachtes.
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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 die Hydraulikschläuche des Kühl- und Heizmediums eine schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, bzw. u. U. isoliert werden.
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7:
Die Auftriebskraft des einen Auftriebszylinders (z. B. A2) wird über Zahnräder (A23 & B23) in umgekehrter Weise auf den benachbarten Auftriebszylinder (z. B. B2) übertagen, sodass dieser nach unten gezogen wird, und umgekehrt.
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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) und ist optional zum zusätzlichen Antrieb der Verdichter vorgesehen. Das Gewicht (A16) wird 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.
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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 (L1a) drückend anstatt ziehend funktionieren. Gleiches gilt für alle mit „B” gekennzeichneten Bauteile der Hebelvorrichtung (B14), inkl. dem Verdichter (L1b)
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8:
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.
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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 (L1a) wie in der nächsten 9 beschrieben zur Anwendung.
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Das kleinere Zahnrad am Eintritt der Getriebe (A13 & A19) wird ebenfalls mit einer entsprechenden Leerlaufkupplung ausgestattet (nicht dargestellt).
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Gleiches gilt immer für die entsprechend mit „B” bezeichneten Bauteile.
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9:
Detail des Antriebzahnräder (A23 & A24) wie unter 8 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.
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Der Verdichter (L1a) 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 (L1a) wird nicht angetrieben. Dieses Verfahren findet u. a. bei Fahrrädern Anwendung. Alternativ kann auch eine andere Technik eingesetzt werden, um oben Beschriebenes zu erzielen.
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Oben Gesagtes gilt für die entsprechend zu „B” gehörigen Bauteile.
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10:
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, 8) 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.
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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.
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11:
Darstellung der Vorderansicht einiger Komponenten mit zugehöriger Nummerierung.
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12:
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.
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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.
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13:
Draufsicht (Vogelperspektive) vom oberen Bereich der Plattform inkl. der zugehörigen Nummerierung einiger Bauteile.
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14 & 15:
Linke und rechte Seitenansicht der Plattform.
