DE102016009823A1

DE102016009823A1 - Vorrichtung zur Erzeugung von Auftriebskräften in tiefen Gewässern mittels einer 2-stufigen Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102016009823A1
Application number: DE102016009823.6A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-05-14
Filing date: 2016-08-14
Publication date: 2017-11-16

Abstract

Bisher ging man davon aus, dass Auftriebskräfte in Gewässern nicht genutzt werden können, weil aufgrund der Wirkungsgrade der Energieverbrauch einer entsprechenden Vorrichtung größer wäre als der Energiegewinn. Es wird sowohl die Verdampfungs- als auch die Kondensationsenergie einer Wärmepumpe genutzt, um benötigte Temperatur- und Druckunterschiede in mit Gas befüllte Behälter (A2 & B2) zu erhalten, was zu einem Auftrieb der Behälter innerhalb eines Schachtes (A1 bzw. B1) führt. Wärmetauscher erwärmen oder kühlen das eingesetzte Gas, bzw. die Flüssigkeiten ab, um diese von einem Behälter (A2/B2) in den anderen Behälter (A5 bzw. B5) leiten zu können. Wegen der Nutzbarkeit der Energiebilanz einer Wärmepumpe, kann eine positive Energieausbeute erzielt werden. Die Vorrichtung kommt als Stromerzeugungsanlage offshore, in tiefen Seen, oder in Bohrlöchern an Land zum Einsatz.

Description

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 z. B. 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 deshalb 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 verschiedenen Behältern 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 Regler können sowohl als Proportional-, Integral-, und/oder als auch als Differentialregler etc. und Ventile können 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
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 Wärmetauscher (A4 bzw. B4) des Auftriebszylinders (A2 bzw. B2) am unteren Totpunkt des Aufzugsschachtes (A1 bzw. B1) mit dem zugeführten Heizmedium beheizt, verdampft das zuvor am oberen Totpunkt des Auftriebszylinders (A2 bzw. B2) zugeführte CO2-Hochdruckgas und dehnt sich aus. Der Gasdruck (von z. B. 140 bar bei 1.000 Metern Tiefe) verlagert 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) von z. B. ca. 34 bar bei t0 = 10°C mit R503.
Der Wärmetauscher (A38 bzw. B38) wird dabei 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 den Druckdifferenzen aus obigen Beispiel (140 bar – 100 bar – ca. 34,0 bar = 6,0 bar) überwindet zusätzliche Druckverluste in den Rohrleitungen und in den Einbauteilen. Das Sauggas wird mit einem Saugdruck von 10°C bei geöffnetem Magnetventil vom ND-Verdichter (C1) aus dem Behälter (A5 bzw. B5) abgesaugt.
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.
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.
2: Darstellung der Vorderansicht der oberen Plattform inkl. der Komponenten, die in den nachfolgenden Figuren näher beschrieben werden.
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 o. ä.) zum Einsatz kommen.
Die Anlage wird als Kaskadenschaltung mit Zwischenkühler gezeigt. Der ND-Kreislauf (Niederduck) wird z. B. mit dem Kältemittel R503 oder einem anderem Gas, 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. Um die energetisch besten Bedingungen zu schaffen, kann auch die Wärmepumpe je nach eingesetzten Gasen und/oder Kältemitteln auch 3- oder 4-stufig etc. ausgeführt werden.
Der ND-Verdichter (C1) saugt das Kältemittel R503 aus dem Behälter (A5 bzw. B5) mit z. B. ca. 34 bar = 10°C ab, sobald der zugehörige Auftriebsbehälter (A1 bzw. B2) an seinem unteren Totpunkt im Aufzugsschacht (A1 bzw. B1) angekommen ist, und verdichtet das R503 in den Wärmetauscher (C7) auf den Druck von z. B. ca. 50 bar = ca. 28°C Verflüssigungstemperatur, wo die Energie an den HD-Kreislauf abgegeben wird, und/oder führt das verdichtete Gas dem Wärmetauscher im Flüssigkeitsabscheiders (C6) zu, um das Sauggas des HD-Kreislaufes zu erwärmen.
Bei Bedarf saugt der ND-Verdichter (C1) das Kältemittel R503 ebenfalls aus dem 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) 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) und aus dem Auftriebsbehälter (A1 bzw. B2) ab, sobald diese ihren oberen Totpunkt im Auszugsschacht (A1 bzw. B1) erreicht haben und verdichten es über den optionalen Ölabscheider (C5) in den oberen Wärmetauscher (C2a) im Wärmespeicher (C2), wo dem überhitzten CO2 die Verdichtungswärme entzogen wird und anschließend in den unteren Wärmetauscher (C2b), wo es u. U. verflüssigt wird. Im Wärmespeicher (C2) findet hierbei eine Temperaturschichtung statt. Alternativ kann auch ein Gaskühler zur Wärmerückgewinnung zum Einsatz kommen. Wird der Sollwert des Verflüssigungsdrucks überschritten, wird das CO2 über ein Druckregler (C10) oder gleichwertig in den Wärmetauscher (C20), der vom Umgebungswasser umspült wird, geleitet und dort unterhalb des kritischen Punktes von CO2 (also subkritisch unterhalb von ca. 31°C) verflüssigt. Das verflüssigte CO2 wird über Rückschlagventile in den Sammler (A7 bzw. B7) geleitet, welcher mit Hilfe einer innenliegenden Heizschlange auf z. B. 10°C gekühlt werden kann. Bei Bedarf wird der mit Flüssigkeit befüllte Sammer (A7 bzw. B7) anschließend beheizt, sobald flüssiges CO2 in den Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) geleitet wird, um den CO2-Druck entsprechend den Anforderungen zu erhöhen.
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 oberen Totpunkt des Aufzugsschachtes (A1 bzw. B1) in einer geringen Wassertiefe, wird zunächst der Wärmetauscher (A4 bzw. B4) gekühlt und das Magnetventil der Saugleitung geöffnet, um das zuvor verdampfte CO2 abzusaugen. Anschließend wird das Magnetventil der Kältemittel-Flüssigkeitsleitung am Wärmetauscher (A4 bzw. B4) geöffnet, um ihn mit der benötigten Menge an flüssigem CO2 zu befüllen. Der Wärmetauscher wird weiterhin vom Kühlmedium auf z. B. 10°C gekühlt, um ein Verdampfen des CO2s zu verhindern.
Erreicht der Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) seinen unteren Totpunkt im Aufzugsschacht (A1 bzw. B1) in einer Tiefe von beispielsweise 1.000 Metern, wird der Wärmetauscher (A4 bzw. B4) mit dem Heizmedium aus dem Wärmespeicher (C2) auf die benötigte Temperatur erhitzt um die eingeschlossene CO2 Flüssigkeit zu verdampfen. Durch die Verdampfung des flüssigen CO2s im Wärmetauscher (A4 bzw. B4) dehnt sich das Gas unter Aufnahme der Wärmeenergie in den Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) aus und verdrängt das Umgebungswasser, indem die Schwimmerkolben (A3a & A3b bzw. B3a & B3b) nach unten gedrückt werden.
Erreicht der Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) seinen oberen Totpunkt im Aufzugsschacht (A1 bzw. B1), wird zunächst der Wärmetauscher (A4 bzw. B4) auf z. B. 10°C = 45 bar (CO2) abgekühlt, sodass die Temperatur des Gases im Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) reduziert wird. Das Expansionsventil (A29) reduziert das Gas von z. B. 140 bar (resultierend aus dem Druck am unteren Totpunkt des Aufzugsschachtes) auf z. B. 45 bar (resultierend aus dem Saugdruck des HD-Verdichters. Anschließend wird das CO2 von den Verdichtern (A21 & B21) abgesaugt. Ein Flüssigkeitsniveauregler (D8 bzw. E8), alternativ auch ein Schwimmerschalter o. ä. begrenzt den Flüssigkeitsstand der Flüssigkeit im Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2).
Die Kühlung der Wärmetauscher (A4 bzw. B4) erfolgt über den Wärmetauscher (C22), bzw. über den Kältespeicher (C9).
Nach dem Absaugen des gasförmigen CO2s aus dem Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2), öffnet das Magnetventil der Flüssigkeitsleitung und befüllt den auf z. B. 10°C gekühlten Wärmetauscher (A4 bzw. B4) mit flüssigem, erwärmten CO2 unter einem etwas höherem Druck.
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 HD-Verdichter arbeiten mit dem Kältemittel CO2 bei einer Saugtemperatur von 10°C = 45 bar und einem Verflüssigungsdruck von max. 30°C = 71 bar, oder weniger. 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.
4: Fließschema der Wasser- bzw. Glykol-Verrohung (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 Verrohung und die Verschaltung der Komponenten kann entsprechend dem Stand der Technik jederzeit geändert und angepasst werden.
Da, je nach Anlagentiefe und benötigte Drücke, hohe Temperaturen im oberen Bereich des Wärmespeichers (C2) erreicht werden, kann anstatt Wasser auch ein anderes Medium, wie z. B. Thermo-Öl eingesetzt werden. Wird Wasser verwendet, 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) geringer oder gleich der Temperatur im Kältespeicher (C9) wird ein 3-Wegeventil so eingeregelt, dass die Flüssigkeit über den Wärmetauscher (C22) zirkuliert, um eine freie Kühlung zu erzielen.
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) z. B. 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.
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 optionale 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. Alternativ kann dieser Druck auch manuell programmiert werden. Dieser Wert ist die Vorgabe für den Sollwert des Temperatursensors (D7 bzw. E7) am Wärmetauscher (A4 bzw. B4) zzgl. dem Saugdruck am ND-Verdichter (C1) und gibt somit die Temperatur vor, die für die Ausdehnung von flüssigem CO2 in den Behälter (A2 bzw. B2) benötigt wird.
Wird der Sollwert des Temperatursensors (D7 bzw. E7) am Wärmetauscher (A4 bzw. B4) unterschritten, während sich der Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) am unteren Totpunkt (D4 bzw. E4) im Aufzugschacht (A1 bzw. B1) befindet, öffnet das 3-Wege-Ventil (A4b, 10) den Zulauf von heißer Flüssigkeit aus dem Wärmespeicher (C2) in den Wärmetauscher (A4 bzw. B4), um die CO2 Temperatur zu erhöhen.
Wird der Sollwert des Temperatursensors (C27) am Wärmespeicher (C2) 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 und das Magnetventil in der Saugleitung des Behälters (A5 bzw. B5) wird 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 benötigte Druckdifferenz höher, als der Istwert des Temperatursensors (D7 bzw. E7) am Wärmetauscher (A4 bzw. B4) im gekühlten Zustand an dessen oberen Totpunkt (D3 bzw. E3), um das flüssige CO2 während der Zuführung in den Wärmetauscher (A4 bzw. B4) um den Flüssigkeitsdruck, der dem Druck des Sauggases des ND-Verdichters entspricht, zu erhöhen. Wird der Sollwert unterschritten, öffnet das 3-Wegeventil (A10 bzw. B10) 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.
Die Flüssigkeitsniveauregler (D8 bzw. E8), alternativ auch Schwimmerschalter oder eine gleichwertige Vorrichtung, überwacht und begrenzt den Flüssigkeitsstand der Flüssigkeit im Auftriebszylinder (A2 bzw. B2), indem z. B. das Magnetventil an der Saugleitung der HD-Verdichter in Abhängigkeit zu dito geöffnet und geschlossen wird.
Erreicht der Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) seinen unteren Totpunkt im Aufzugsschacht (A1 bzw. B1) wird der Endschalter (D4 bzw. E4) mechanisch betätigt. Das 3-Wegeventil (A38b bzw. B38b, 10) öffnet den Zugang von Kühlmedium aus dem Kältespeicher (C9) zum Wärmetauscher (A38 bzw. B38).
6: 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.
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 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.
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.
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 lauft 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.
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.
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.
10: Darstellung der Vorderansicht einiger Komponenten mit zugehöriger Nummerierung.
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.
12: Draufsicht (Vogelperspektive) vom oberen Bereich der Plattform, auf der die Bauteile montiert werden. Ansonsten wie unter 10 beschrieben.
13: Draufsicht (Vogelperspektive) vom oberen Bereich der Plattform inkl. der zugehörigen Nummerierung der Bauteile. Ansonsten wie unter 12 beschrieben.
14 & 15: Linke und rechte Seitenansicht der Plattform.
16: Schematische Darstellung der Kreisprozesse im log p-h-Diagramm. Die Drucksteigerung eines Hochdruckkältemittels (z. B. R744, oder R744A etc.) aus dem subkritischen in den transkritischen Bereich im Auftriebsbehälter (A2 bzw. B2) ergibt sich zum einen durch das Erwärmen der Sammler und zum anderen durch das Absenken der Behälter in die Wassertiefe der Anlage. D. h., die geodätische Höhe der Flüssigkeitssäule zwischen den Behältern (A2 & A5 bzw. B2 & B5), zzgl. dem Druck oberhalb des Kolbens (A6/B6) im Behälter (A5 bzw. B5) wirkt auf das flüssige CO2, welches verdichtet wird, während der Auftriebsbehälter in die Tiefe gezogen wird.
In der Wassertiefe wird das verflüssigte CO2 im Wärmetauscher (A4 bzw. B4) erhitzt und geht innerhalb des transkritischen Bereichs vom flüssigen in den gasförmigen Zustand über. Am oberen Totpunkt des Auftriebsbehälters (A1 bzw. B2) wird das CO2 zunächst im Wärmetauscher (A4 bzw. B4) gekühlt und anschließend im Expansionsventil (A29) in den Flüssigkeitsabscheider des HD-Verdichters (A21 bzw. B21) entspannt, oder umgekehrt.

Claims

Verfahren zur Stromerzeugung mittels einer Wärmepumpe in tiefen Gewässern, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines linkslaufenden Carnot-Kreisprozess (Kälteanlage) Auftriebskräfte in tiefen Gewässern erzeugt und genutzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energie zur Abkühlung und/oder Verflüssigung eines Gases in einem linkslaufenden Carnot-Kreisprozess (Kälteanlage) genutzt wird, um den Gasdruck des gleichen Kreisprozesses in einem Behältnis, das sich unter einer Flüssigkeitsoberfläche befindet zu erhöhen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein 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 zwei Auftriebsbehälter, die sich in unterschiedlichen mit einer Flüssigkeit gefluteten Aufzugsschächte befinden, über eine Vorrichtung so miteinander verbunden sind, dass die Auftriebskraft des einen Behälters den anderen Behälter nach unten zieht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Behältnis vertikal in einem mit Flüssigkeit befüllten Schacht oder Rohr bewegt wird, und das Behältnis im oberen Bereich des Schachtes mit einer Flüssigkeit, und im unteren Bereich des Schachtes mit einem Gas befüllt wird, indem die Druckunterschiede einer Wärmepumpe genutzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftriebsenergie eines Behältnisses genutzt wird, um die Gewichte einer Hebelvorrichtung anzuheben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewichtskraft, bzw. die Gravitationsenergie einer Hebelvorrichtung genutzt wird, um einen Gasverdichter, oder eine Druckerhöhungsmaschine anzutreiben.
Vorrichtung zur Stromerzeugung mittels einer Wärmepumpe in tiefen Gewässern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Auftriebsbehältnis (A2) vertikal beweglich in einem mit Flüssigkeit befüllten Schacht oder Rohr (A1) gelagert ist und dass eine Wärmepumpe an einen Auftriebsbehälter (32) angebaut ist, der in Flüssigkeit getaucht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfteil einer Hebelvorrichtung (A17) über ein Gegengewicht (A18) und ein Gestänge (A22) mit einem Gasverdichter (A21) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein konventioneller Niederdruck-Verdichter (C1) einer 2-stufigen Wärmepumpe mit einem oder mit zwei parallel geschaltete Hochdruck-Verdichter (A21 & B21) verrohrt ist, deren mechanischer Antrieb mittels einer Hebelvorrichtung (A14) erfolgt.