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EINLEITUNG
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Die Vorrichtung kommt in tiefen Gewässern von mehreren hundert Metern zum Einsatz. Idealerweise wäre eher ein Offshore-Betrieb am wirtschaftlichsten, jedoch kann diese Vorrichtung als Paternosteraufzug auch z. B. in Seen, Bohrlöchern, Tavernen, oder ähnliches zum Einsatz kommen.
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NAME DER ERFINDUNG
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- Vorrichtung als Paternosterkraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie mittels Wärmepumpen
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TECHNISCHES GEBIET
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- Regenerative Energieerzeugung.
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STAND DER TECHNIK
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Es ist nicht bekannt, ob derzeit Wärmpumpen unter der Wasseroberfläche eingesetzt werden um Auftriebskräfte zu erzeugen, über die ein Generator angetrieben wird.
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DAS ZUGRUNDELIEGENDE PROBLEM
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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.
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PROBLEMLÖSUNG
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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. Durch das Absenken eines mit flüssigem CO2 befüllten Behälters in die Wassertiefe wird der CO2 Druck vom subkritischen in den transkritischen Bereich erhöht, ohne dabei zusätzliche Energie aufwenden zu müssen. Das anschließende Aufheizen dehnt das CO2 aus, wobei das Gasvolumen des Behälters vergrößert wird. Mehrere Wärmpumpeneinheiten werden in eine Umlaufvorrichtung, deren Wirkungsweise einem Paternosteraufzug unter der Wasseroberfläche gleicht, eingebaut. Die Auftriebskräfte versetzten die Umlaufvorrichtung in Rotation. Die Kräfte werden auf einen Generator zur Stromgewinnung übertragen.
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TECHNISCHE BESCHREIBUNG
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Fig. 1
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Funktionsweise der CO2-Wärmepumpe. Es kann auch ein anderes Hochdruckkältemittel [wie z. B. R744A (N2O)] zum Einsatz kommen. Alle Ventile und Regler können direkt- oder pilotgesteuert ausgeführt 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.
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A) Verfahren während des Rücklaufes (R) des Paternosteraufzuges (siehe Fig. 3 und Fig. 4):
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Der Schalter (22) schaltet die Umwälzpumpe-Kühlen (44) ein und die Umwälzpumpe-Heizen (9) aus. Das Magnetventil (18) wird geöffnet, um den Behälter (16) mit flüssigem CO2 aus dem Sammler (14) zu befüllen. Eine optionale Hydraulikpumpe (12) fördert das flüssige CO2 aus dem Behälter (16) in den Behälter (31) und hebt den Flüssigkeitsdruck an. Nach der Befüllung wird das Magnetventil (18) geschlossen. Mit Zeitverzögerung, und/oder bei Erreichen der Kühlwassertemperatur im Wärmetauscher (45), der vom Wärmetauscher (43) mit der Umwälzpumpe (44) gekühlt wird, wird das Magnetventil (30) geöffnet und der Verdichter (1) eingeschaltet. Der Wärmetauscher (43) wird vom Umgebungswasser innerhalb des Paternosteraufzuges und der Rotationsgeschwindigkeit desselben gekühlt.
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Das unter Druck stehende, gasförmige CO2 aus dem Auftriebsbehälter (32) wird vom Expansionsventil (17) in den Flüssigkeitsabscheider (23) entspannt.
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Um dem System zusätzliche Energie zuzuführen, wird im Kühler (5), der von der Umwälzpumpe (44) umspült wird, die Verdampfungsenergie aus dem Umgebungswasser aufgenommen. Ein Verdampfungsdruckregler verhindert, bei niedrigen Saugdrücken des Verdichters (1), ggf. das Einfrieren des Kühlmediums, falls z. B. Wasser eingesetzt werden sollte.
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Zeitgleich werden die beiden CO2-Behälter (15 & 31) von der Umwälzpumpe (44) gekühlt, um den Druck zu reduzieren.
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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) in den Wärmetauscher (4) des Heizspeichers (3), wo dem komprimierten CO2 die Hitze entzogen wird. Im Heizspeicher (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.
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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, dem Sammler (14) zugeführt, in dem das verflüssigte CO2 angestaut wird. Das optionale Ventil (25) kann ggf. als Sammlerdruckregler eingesetzt werden.
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Das ebenfalls optionale Überstromventil (6) wirkt als automatisiertes Bypass-Ventil zwischen dem Druck- und dem Saugstutzen des Verdichters (1).
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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.
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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.
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B) Verfahren während des Vorlaufes (V) des Paternosteraufzuges (siehe auch Fig. 3 und Fig. 4):
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Der Schalter (22) schaltet den Verdichter (1) und die Umwälzpumpe-Kühlen (44) aus. Das Magnetventil (30) wird geschlossen und das Magnetventil (27) wird geöffnet. Die Umwälzpumpe (9) pumpt das heiße Wasser (oder eine andere Flüssigkeit), aus dem (isolierten) Heizspeicher (3) über das Motorventil (11), oder alternativ ein Magnetventil oder gleichwertig in den Behälter (31). Ein optionaler Temperaturtransmitter (13) kann ggf. die Temperatur im Behälter regeln. Bei geschlossenem Ventil (11) schaltet die Pumpe (9) ab.
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Das CO2 wird somit im Vorlauf (V) des Paternosteraufzuges im Behälter (31) verdampft. Durch die Ausdehnung vom CO2 im Auftriebsbehälter (32) wird ein Auftrieb erzeugt der den Paternosteraufzug in Rotation versetzt.
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Fig. 2
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Darstellung der Kreisprozesse im log p = h = Diagramm. Der Verdichter (1) saugt das zuvor vom Expansionsventil (17) entspannte und vom Wärmetauscher (45) gekühlte CO2 aus dem Auftriebsbehälter (32) ab und verdichtet es in den Wärmetauscher (4) im Heizspeicher (5). Danach wird das CO2 im optionalen Kühler (24) unterkühlt. Der Behälter (31) wird ebenfalls gekühlt. Die optionale Hydraulikpumpe (12) erhöht den CO2 Druck bevor es in den Auftriebsbehälter (32) geleitet wird. Da die Wärmepumpen mit den Auftriebsbehältern im Rücklauf (R) des Paternosteraufzuges in die Tiefe transportiert werden, nimmt der Wasserdruck auf der Unterseite des Schwimmerkolbens (35) stetig, entsprechend der geodätischen Höhe der Wassersäule zu, sodass dieser Wasserdruck auf das flüssige CO2 im Behälter (31) wirkt. Das CO2 befindet sich ab einer Tiefe von über 74 Metern im transkritischen Bereich. Der Wärmetauscher (31) erwärmt nun das CO2, welches sich im Auftriebsbehälter (32) ausdehnt.
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Fig. 3
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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.
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Optional kann ein Schwimmerschalter (36), oder eine andere Technik zur Messung und Überwachung des CO2-Füllstandes im Auftriebsbehälter (32) angebaut werden.
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Auftriebsbehälter (32) und angebaute Wärmepumpe (wie in 1 beschrieben) ergeben eine Auftriebseinheit.
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4
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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.
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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.
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Die Rotationsenergie wird z. B. auf einen Generator (37), oder eine andere Vorrichtung übertragen.
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Fig. 5
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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.
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ERREICHTE VORTEILE
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Durch den Einsatz der Wärmepumpen kann eine positive Energiebilanz erzielt werden, sodass die Erzeugung von regenerativer Energie mittels Auftriebskräften ermöglicht wird.
