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Die Erfindung betrifft ein Schwerkraft-Auftriebs-Aggregat zur Bereitstellung von mechanischer oder elektrischer Energie sowie optional zur Speicherung von mechanischer oder elektrischer Energie.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedenartige Lösungsansätze für energieumsetzende Vorrichtungen unter Verwendung der Schwerkraft bekannt.
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Zur Speicherung von elektrischer Energie in Form von potentieller Energie sind insbesondere Hubspeicherkraftwerke, welche Festkörper als Speichermasse nutzen, sowie Pumpspeicherkraftwerke, welche flüssiges Wasser als Speichermasse nutzen, bekannt.
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Daneben beschreibt die Druckschrift
DE 10 2011 012 261 A1 ein Tankspeicher-Kraftwerk als Alternative zu bekannten Pumpspeicherkraftwerken. Hierbei ist ein Tank mit einem Gewicht derart beschwert, dass dieser auch im entleerten Zustand auf dem Grund eines umgebenden Gewässers liegt. Der Tank wird abwechselnd mit Wasser gefüllt und entleert, wobei das Entleeren des Tanks in das umgebende Gewässer eine potenzielle Energie erzeugt, die bei dem Füllen des Tanks zurückgewonnen wird. Zu diesem Zweck ist eine Umkehrturbine vorgesehen, welche das Wasser aus dem Tank in das Gewässer pumpt und bei einem anschließenden Rückfluss des Wassers in den Tank den Generator zur Stromerzeugung antreibt.
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Des Weiteren offenbart die Druckschrift
DE 10 2011 107 267 A1 eine Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie mittels eines Speicherkraftwerks mit zumindest einer Speicherkammer zum Ein- und Ausspeichern eines Speichermediums, wobei eine Umwandlungseinrichtung die potentielle oder kinetische Energie des Speichermediums in elektrische Energie wandelt.
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Zur Erzeugung elektrischer Energie können die genannten Vorrichtungen jedoch nicht eingesetzt werden. Diesbezüglich beschreibt die Druckschrift
DE 42 44 441 A1 ein Gerät zur Energiegewinnung durch Wasserverdrängung. Das hierbei beschriebene Prinzip beruht darauf, dass ein in eine Flüssigkeit oder in ein Gas eingetauchter Körper einen Auftrieb oder Gewichtsverlust erfährt, der gleich dem Gewicht der von dem Körper verdrängten Flüssigkeits- oder Gasmenge ist. Diese Auftriebskraft soll vorliegend in mechanische oder elektrische Energie umgesetzt werden. Als Auftriebskörper soll hierbei ein Luftkissen genutzt werden.
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Weiterhin ist aus der Druckschrift
DE 10 2012 022 016 A1 ein Verfahren zur Transformation von Auftriebskräften in elektrische Energie bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Schwerkraft-Auftriebs-Aggregat aufzuzeigen, mittels dessen eine emissionsfreie Erzeugung von mechanischer Energie unter ausschließlicher Verwendung von Wasser als Ressource durchführbar ist und welches zudem kostengünstig bereitstellbar sowie betreibbar ist.
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Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Ein erfindungsgemäßes Schwerkraft-Auftriebs-Aggregat weist ein Behältnis, einen Hohlkolben, eine Zulaufleitung, eine Ablaufleitung, eine Umlaufleitung sowie eine Turbine auf.
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Das Behältnis weist eine zylindrische Grundform auf. Zudem weist es einen oberen sowie einen unteren Einlass auf. Erfindungsgemäß ist das Behältnis zumindest teilweise mit einem Umwälzwasser gefüllt.
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Der Hohlkolben ist axial beweglich in dem Behältnis angeordnet und ist mit einem Ballastwasser befüllbar. Sowohl bei dem Umwälzwasser als auch dem Ballastwasser handelt es sich vorliegend um Wasser, welches sich lediglich gemäß der unterschiedlichen Verwendung in dem Aggregat begrifflich voneinander unterscheidet.
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Das Ballastwasser ist mittels der Zulaufleitung, welche oberhalb des Behältnisses angeordnet ist, in den Hohlkolben einleitbar. Dabei wird das Ballastwasser in den Innenraum des Hohlkolbens eingelassen und verdrängt die vorhandene Luft, so dass sich das Gesamtgewicht des Hohlkolbens sowie seine resultierende Dichte während des Befüllvorgangs erhöht.
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Mittels der Ablaufleitung, welche unterhalb des Behältnisses angeordnet ist, ist das Ballastwasser aus dem Hohlkolben ableitbar, so dass sich das Gesamtgewicht und die Dichte des Hohlkolbens während des Entleerens verringert.
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Der Hohlkolben weist somit in einem befüllten Zustand eine höhere Dichte als das Umwälzwasser auf, während er unbefüllt eine geringere Dichte als das Umwälzwasser aufweist. Vorzugsweise ist der Betrag der Differenz der Dichte des Hohlkolbens zur Dichte von Wasser in beiden Zuständen gleich.
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Die Umlaufleitung verbindet erfindungsgemäß den oberen und den unteren Einlass des Behältnisses und verläuft somit vorzugsweise im Wesentlichen vertikal. In der Umlaufleitung ist die Turbine angeordnet.
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Der Hohlkolben ist in einer oberen Endlage mit dem Ballastwasser aus der Zulaufleitung befüllbar, so dass dieser infolge der nun gegenüber dem Umwälzwasser erhöhten Dichte-absinkt. Während des Absinkens des befüllten Hohlkolbens in Richtung einer unteren Endlage ist das unterhalb des Hohlkolbens befindliche Umwälzwasser aus dem Behältnis über den unteren Einlass in die Umlaufleitung verdrängbar. Mittels der Umlaufleitung ist das Umwälzwasser nun von dem unteren Einlass in Richtung des oberen Einlasses beförderbar und oberhalb des Hohlkolbens erneut in das Behältnis einleitbar. Verdrängtes und rückgeführtes Volumen des Umwälzwassers sind gleich.
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Nach dem Erreichen der unteren Endlage ist das Ballastwasser aus dem Hohlkolben mittels der Ablaufleitung ableitbar, so dass der Hohlkolben infolge der nun gegenüber dem Umwälzwasser geringeren Dichte aufsteigt. Während des Aufsteigens des unbefüllten Hohlkolbens in die obere Endlage ist das oberhalb des Hohlkolbens befindliche Umwälzwasser aus dem Behältnis über den oberen Einlass in die Umlaufleitung verdrängbar. Mittels der Umlaufleitung ist das Umwälzwasser daraufhin von dem oberen Einlass in Richtung des unteren Einlasses beförderbar und unterhalb des Hohlkolbens erneut in das Behältnis einleitbar.
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Erfindungsgemäß ist mittels des in der Umlaufleitung beförderten Wassers die Turbine antreibbar. Die Turbine ist somit sowohl bei dem Absinken des befüllten Hohlkolbens in Richtung der unteren Endlage und der damit verbundenen aufwärtsgerichteten Strömung des Umwälzwasser als auch bei dem Aufsteigen des unbefüllten Hohlkolbens in Richtung der obere Endlage und der dabei vorliegenden abwärtsgerichteten Strömung des Umwälzwassers antreibbar.
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Dabei wird die kinetische Energie sowie die im Falle der abwärtsgerichteten Strömung vorhandene potentielle Energie des Umwälzwassers von der Turbine in eine mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Diese ist anschließend vorzugsweise mittels einer Welle an einen Generator zur Umwandlung in eine elektrische Energie übertragbar.
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Somit können folgende vier Betriebszustände vorliegen, die nach der Position und Bewegung des Hohlkolbens bezeichnet sind:
- - oberer Endlagenbetriebszustand,
- - Absinkbetriebszustand,
- - unterer Endlagenbetriebszustand und
- - Aufstiegsbetriebszustand.
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Das erfindungsgemäße Schwerkraft-Auftriebs-Aggregat weist inbesondere die nachfolgend genannten Vorteile auf.
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Ein wesentlicher Vorteil besteht darin, dass das erfindungsgemäße Schwerkraft-Auftriebs-Aggregat einen ressourcenschonenden Betrieb aufweist. Für die Funktion des Aggregats ist lediglich Wasser als Ressource erforderlich, wobei jedoch das Umwälzwasser innerhalb des Aggregats verbleibt. Das Ballastwasser, welches aus dem Hohlkolben in dessen unterer Endlage abgelassen wird, kann ebenfalls einer weiteren Verwendung zugeführt werden.
Als weiterer Vorteil ist damit verbunden, dass das Schwerkraft-Auftriebs-Aggregat emissionsfrei arbeitet.
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Von Vorteil ist zudem, dass das Aggregat aufgrund seiner konstruktiven Einfachheit und dem geringen gerätetechnischen Aufwand kostengünstig bereitstellbar ist. Daneben ist es aufgrund der genannten Funktionsweise kostengünstig betreibbar sowie wartungsarm.
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Ferner kann das Schwerkraft-Auftriebs-Aggregat durch veränderte Abmessungen des Behältnisses und des Hohlkolbens oder durch Mehrbehälterausbildungen zur Ausfüllung der Totpunktbetriebszustände an verschiedene Einsatzzwecke angepasst werden und somit verschieden hohe Energiebedarfe abdecken. Als Mehrbehälterausbildung wird verstanden, dass mehrere Einheiten vorhanden sind, wobei jede Einheit ein Behältnis mit Hohlkolben und allen weiteren Baukomponenten aufweist. Die Einheiten werden parallel aber phasenversetzt betrieben, so dass sich in dem Zeitpunkt, in dem sich ein Hohlkolben einer ersten Einheit in einem oberen oder unteren Endlagenbetriebszustand befindet und damit keine Energie abgeben kann, sich ein Hohlkolben einer anderen Einheit in einem Absinkbetriebszustand oder Aufstiegsbetriebszustand befindet.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist das Schwerkraft-Auftriebs-Aggregat lösbare Fixierungsmittel auf, mittels welchen der Hohlkolben in der oberen Endlage und unteren Endlage relativ zu dem Behältnis fixierbar ist.
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Somit kann der Hohlkolben während des Einleitens von Ballastwasser und während des Ableitens von Ballastwasser in der oberen bzw. unteren Endlage gehalten werden, bis der Hohlkolben vollständig befüllt oder entleert ist. Folglich wird verhindert, dass der Hohlkolben mit einer Teilbefüllung abzusinken oder aufzusteigen beginnt. Da die Fixierungsmittel lösbar ausgebildet sind, kann der Hohlkolben nach dem Abschluss der Befüllung die obere und nach dem Abschluss der Entleerung die untere Endlage verlassen. Die Fixierungsmittel können vorliegend einklappbar, einschwenkbar oder auf andere Weise beweglich ausgestaltet sein.
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Einen weiteren Vorteil bildet diese Weiterbildung insofern, dass der Hohlkolben in der jeweiligen Endlage fixiert belassen werden kann, so dass bei einem Bedarf praktisch verzögerungsfrei eine Energieerzeugung abrufbar ist
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass das Schwerkraft-Auftriebs-Aggregat einen Generator aufweist, welcher mit der Turbine mechanisch gekoppelt ist.
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Vorzugsweise ist die Turbine über eine drehbare Welle mit dem Generator verbunden, so dass die von der Turbine bereitgestellte mechanische Rotationsenergie an den Generator übertragbar ist und von diesem in eine elektrische Energie umwandelbar ist. Die elektrische Energie kann anschließend in das Stromnetz eingespeist werden oder an einen elektrischen Verbraucher abgegeben werden.
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Gemäß einer nächsten bevorzugten Weiterbildung ist der Generator als Motorgenerator und die Turbine als Pumpturbine ausgebildet. In einem alternativen Betriebsmodus ist der Generator somit als Motor und die Turbine als Pumpe betreibbar.
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Im Motorbetrieb ist die Pumpturbine von dem Motorgenerator antreibbar, wobei von dem Motorgenerator eine aus einer externen Quelle bereitgestellte elektrische Energie in mechanische Energie umwandelbar und der Pumpturbine bereitstellbar ist. Im Pumpbetrieb kann diese eine Strömung des Umwälzwassers innerhalb der Umlaufleitung hervorrufen, welche wiederum eine axiale Bewegung des Hohlkolbens bewirkt.
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Somit kann elektrische Energie, welche dem Schwerkraft-Auftriebs-Aggregat zugeführt wird, in Form von potentieller Energie gespeichert werden. Die im Motor- und Pumpbetrieb gespeicherte potentielle Energie kann anschließend im Turbinen- und Generatorbetrieb erneut in elektrische Energie umgewandelt werden und in das Stromnetz eingespeist werden. Insbesondere bei Erzeugungsspitzen, wie sie bei der Energiegewinnung aus regenerativen Quellen wie Solarenergie und Windenergie auftreten, kann somit eine vorübergehende Speicherung und anschließend erneute Bereitstellung von elektrischer Energie erfolgen.
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Der Vorteil der Weiterbildung besteht darin, dass das Auftriebs-Schwerkraft-Aggregat mit gleicher gerätetechnischer Ausrüstung sowohl zur Energieerzeugung als auch zur Energiespeicherung verwandt werden kann.
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Die Erfindung wird als Ausführungsbeispiel anhand von
- 1 Vertikale Schnittansicht eines Schwerkraft-Auftriebs-Aggregats im oberen Endlagenbetriebszustand
- 2 Vertikale Schnittansicht eines Schwerkraft-Auftriebs-Aggregats im unteren Endlagenbetriebszustand
näher erläutert.
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1 und 2 zeigen eine vertikale Schnittansicht eines Ausführungsbeispiel des Schwerkraft-Auftriebs-Aggregats. Dieses weist ein zylindrisches Behältnis 1 auf, in welchem ein axial beweglicher Hohlkolben 2 angeordnet ist. An der Oberseite des Behältnisses 1 schließt sich eine Zulaufleitung 3 an, während sich an der Unterseite eine Ablaufleitung 4 befindet.
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Das Behältnis 1 weist einen oberen Einlass 7 und einen unteren Einlass 8 auf und ist vorliegend mit einem Umwälzwasser gefüllt. Der Hohlkolben 2 ist mit einem Ballastwasser befüllbar, wobei das Ballastwasser mittels der Zulaufleitung 3 in den Hohlkolben 2 einleitbar ist. Mittels der Ablaufleitung 4 kann die Ableitung des Ballastwassers aus dem Hohlkolben 2 erfolgen.
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Der obere und untere Einlass 7, 8 sind vorliegend mittels einer Umlaufleitung 5 verbunden, in welcher eine Turbine 6 angeordnet ist.
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Die vorgesehene Funktionsweise des erfindungsgemäßen Schwerkraft-Auftriebs-Aggregats ist nachfolgend erläutert.
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Der Hohlkolben 2 wird in einer oberen Endlage, welche der in 1 dargestellten oberen Position des Hohlkolbens 2 entspricht, mit Ballastwasser aus der Zulaufleitung 3 befüllt. Die Befüllung ist abgeschlossen, wenn der Innenraum des Hohlkolbens 2 vollständig mit dem Ballastwasser gefüllt ist und die zuvor vorhandene Luft verdrängt wurde.
Erfindungsgemäß weist der vollständig befüllte Hohlkolben 2 eine höhere Dichte als das in dem Behältnis 1 befindliche Umwälzwasser auf, während er unbefüllt eine geringere Dichte als das Umwälzwasser aufweist.
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Daher beginnt der befüllte Hohlkolben 2 in Richtung einer unteren Endlage, welche der in 2 dargestellten unteren Position des Hohlkolbens 2 entspricht, abzusinken. Wie die Bewegungspfeile in der Umlaufleitung 2 in 1 zeigen, wird während des Absinkens das unterhalb des Hohlkolbens 2 befindliche Umwälzwasser aus dem Behältnis 1 über den unteren Einlass 8 in die Umlaufleitung 5 verdrängt. Innerhalb der Umlaufleitung 5 wird das Umwälzwasser von dem unteren Einlass 8 in Richtung des oberen Einlasses 7 befördert und oberhalb des Hohlkolbens 2 erneut in das Behältnis 1 eingeleitet.
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Im Ausführungsbeispiel liegt der Hohlkolben 2 an der Innenwandung des Behältnisses an, so dass der oberhalb des Hohlkolbens 2 befindliche Behältnisabschnitt von dem unterhalb des Hohlkolbens befindlichen Behältnisabschnitt 2 stets abgedichtet ist und ein Übertritt des Umwälzwassers verhindert wird.
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Nachdem, wie in 2 dargestellt, der Hohlkolben 2 seine untere Endlage erreicht hat und sich kein Umwälzwasser mehr unterhalb des Hohlkolbens 2 befindet, wird mit der Ableitung des Ballastwassers begonnen. Dieses wird mittels der Ablaufleitung 4 aus dem Aggregat abgeführt und kann einer weiteren Verwendung zugeführt werden und dabei beispielsweise erneut der Zulaufleitung 3 zugeführt werden.
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Der vollständig entleerte Hohlkolben 2 beginnt nun infolge seiner gegenüber dem Umwälzwasser geringeren Dichte in Richtung der oberen Endlage aufzusteigen. Wie die Bewegungspfeile in der Umlaufleitung 5 im 2 zeigen, wird während des Aufsteigens das oberhalb des Hohlkolbens 2 befindliche Umwälzwasser aus dem Behältnis 1 über den oberen Einlass 7 in die Umlaufleitung 5 verdrängt. In der Umlaufleitung 5 wird das Umwälzwasser daraufhin von dem oberen Einlass 7 in Richtung des unteren Einlasses befördert und unterhalb des Hohlkolbens 2 erneut in das Behältnis 1 eingeleitet.
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Nachfolgend ist die beschriebene Abfolge von Betriebszuständen wiederholt durchführbar.
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Sowohl bei dem Absinken als auch bei dem Aufsteigen des Hohlkolbens wird die innerhalb der Umlaufleitung 5 befindliche Turbine durch das strömende Umwälzwasser angetrieben.
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Dabei wird die Strömungsenergie des Umwälzwassers in eine mechanische Rotationsenergie umgewandelt. Diese wird im Ausführungsbeispiel über eine Welle an einen Generator (in 1 und 2 nicht dargestellt) übertragen, welcher die mechanische Rotationsenergie in eine elektrische Energie umwandelt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Behältnis
- 2
- Hohlkolben
- 3
- Zulaufleitung
- 4
- Ablaufleitung
- 5
- Umlaufleitung
- 6
- Turbine
- 7
- oberer Einlass
- 8
- unterer Einlass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011012261 A1 [0004]
- DE 102011107267 A1 [0005]
- DE 4244441 A1 [0006]
- DE 102012022016 A1 [0007]
