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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Energieübertragungseinrichtung zur Übertragung von Energie, die an einem Erzeugungsort als elektrische Primärenergie bereitgestellt wird und an einem vom Erzeugungsort räumlich entfernten Verbrauchsort als elektrische Sekundärenergie nutzbar gemacht werden soll.
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Stand der Technik
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Es ist allgemein bekannt, dass der Erzeugungsort und der Verbrauchsort von Energie regelmäßig räumlich auseinander fallen. Die in Industrieländern weitest verbreitete und flexibelste Form von Energie ist die elektrische Energie. Am Erzeugungsort, typischerweise in einem Atom-, Wasser-, Gas-, Kohle- oder Windkraftwerk wird eine jeweils kraftwerktypische Ursprungsenergie in elektrische Primärenergie umgewandelt, was allgemein, jedoch physikalisch inkorrekt als deren Erzeugung bezeichnet wird. Am Verbrauchsort, typischerweise einem Haushalt oder einer Industrieanlage, wird elektrische Energie, die hier als Sekundärenergie bezeichnet wird, in Nutzenergie, beispielsweise Wärme-, Licht- oder Bewegungsenergie umgewandelt, was allgemein, jedoch physikalisch inkorrekt als Verbrauch bezeichnet wird. Zwischen dem Erzeugungsort und dem Verbrauchsort bedarf es einer Energieübertragung. Üblicherweise finden hierzu elektrische Verteilernetze Anwendung, in die eingangsseitig die elektrische Primärenergie eingespeist und aus denen ausgangsseitig die elektrische Sekundärenergie entnommen wird. Die begriffliche Unterscheidung zwischen Primär- und Sekundärenergie, die im Vorgriff auf die vorliegende Erfindung eingeführt wurde, impliziert im Zusammenhang mit dem hier diskutierten Stand der Technik keinen physikalischen Unterschied.
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Die Verteilung von Energie über elektrische Verteilernetze ist in mehrfacher Hinsicht nachteilig. Zum einen zerstören die dafür benötigten Hochspannungsleitungen das Landschaftsbild; zum anderen stößt der sogenannte Elektrosmog, der die Hochspannungstrassen umgeben soll, bei Teilen der Bevölkerung auf Ablehnung. Beide Probleme verschärfen sich durch den Ausbau der Windkraft, durch den die die räumliche Ungleichverteilung von Erzeugungs- und Verbrauchsorten verstärkt wird. Die zur Energieverteilung benötigten, elektrischen Verteilernetze werden entsprechend größer und aufwendiger, womit sich die vorgenannten Probleme verschärfen.
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Ein weiterer Nachteil der elektrischen Verteilernetze ist ihr großer Rohstoffbedarf und zudem ihr Materialcharakter als schwer oder gar nicht recycelbares Verbundmaterial.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Energieübertragungssystem zur Verfügung zu stellen, welches ohne Zerstörung des Landschaftsbildes und ökologisch nachhaltig Energie zwischen Erzeugungs- und Verbrauchsort zu übertragen vermag.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass
- - an einem Einspeiseort eine erste Turbine angeordnet ist,
- - an einem vom Einspeiseort räumlich entfernten Entnahmeort eine zweite Turbine angeordnet ist und
- - der Einspeiseort und der Entnahmeort mittels eines mit einer Transportflüssigkeit gefüllten Ringkanals, in welchen die erste und die zweite Turbine in hydrodynamischer Wechselwirkung mit der Transportflüssigkeit integriert sind, miteinander verbunden sind,
wobei die erste Turbine mittels der vom Erzeugungsort elektrisch leitend zum Einspeiseort übertragenen Primärenergie motorisch betreibbar ist, um die Primärenergie in Strömungsenergie der Transportflüssigkeit umzuwandeln,
und wobei die mit dem Verbrauchsort elektrisch leitend verbundene, zweite Turbine generatorisch betreibbar ist, um die Strömungsenergie der Transportflüssigkeit in die Sekundärenergie umzuwandeln.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Der Kerngedanke der Erfindung liegt darin, die elektrische Energie nicht als solche vom Erzeugungs- zum Verbrauchsort zu transportieren, sondern die erzeugte elektrische Primärenergie zunächst in der Nähe des Erzeugungsortes, nämlich am Einspeiseort, in hydrodynamische Strömungsenergie umzuwandeln, sie als solche in quasi unsichtbarer und ökologisch nachhaltiger Weise zu transportieren und sodann in der Nähe des Verbrauchsortes, nämlich am Entnahmeort in elektrische Energie, nämlich in die Sekundärenergie, rückzuwandeln. Die vergleichsweise kurzen Wege vom Erzeugungsort zum Einspeiseort bzw. vom Entnahmeort zum Verbrauchsort können über herkömmliche, elektrisch leitende Verteilernetze, insbesondere unterirdisch, überbrückt werden.
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Zur erfindungsgemäßen Umsetzung dieses Kerngedankens ist vorgesehen, zwischen dem Einspeise- und dem Entnahmeort einen Ringkanal zu installieren, d.h. einen Kanal, der eine geschlossene Kreisströmung zulässt. Dieser Ringkanal, der bevorzugt röhrenartig geschlossen ausgebildet ist, ist mit einer Transportflüssigkeit gefüllt. Bevorzugt wird hierzu Wasser, insbesondere Meereswasser verwendet. Am Einspeiseort ist eine Turbine in den Ringkanal integriert. Vorzugsweise handelt es sich um eine axial durchströmte Turbine, die motorisch, insbesondere elektromotorisch betreibbar ist. Sie wird mit der vom Erzeugungsort elektrisch leitend herangeführten Primärenergie gespeist. Der motorische Betrieb der ersten Turbine setzt die Transportflüssigkeit im Ringkanal in Bewegung, nämlich in die vorerwähnte geschlossene Kreisströmung. Am Entnahmeort ist eine umgekehrt orientierte, zweite Turbine in den Ringkanal integriert, die an dieser Stelle generatorisch, d.h. zur Erzeugung der elektrischen Sekundärenergie, betreibbar ist.
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Grundsätzlich denkbar ist zwar die Ausbildung des Ringkanals als offene Rinne. Dies würde jedoch eine Niveaugleichheit sämtlicher Punkte des Ringkanals erforderlich machen, sodass topografische Hindernisse nicht überwindbar wären. Zudem würde die Verdunstung zu einem erheblichen Energieverlust führen. Auch würde eine offene Rinne einen gravierenden Eingriff in die Landschaft und die durchschnittenen Ökosysteme bedeuten. Es wird daher bevorzugt, den Ringkanal röhrenartig geschlossen auszubilden. Ein solcher Kanal lässt sich unterirdisch und/oder unterseeisch verlegen. Bei vollständiger Füllung des Röhrensystems ließen sich auch Höhenunterschiede ohne weiteres überwinden.
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Günstigerweise weist der Ringkanal eine aus Glas oder Keramik gefertigte Kanalwandung auf. Derartige Materialien sind aus abundant vorhandenen Ausgangsstoffen herstellbar und können bei Bruch oder nach Austausch durch mechanische Zerkleinerung in ökologisch unbedenkliche Sande oder Kiese umgebildet werden.
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Die entsprechenden Rohrelemente lassen sich durch Gummimanschetten, die bevorzugt aus recycelten Altreifen gefertigt sind, miteinander verbinden. Insbesondere können flüssigkeits- und druckfeste Verbindungen durch Verklebung oder Verschweißung erzielt werden.
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Der Begriff des Ringkanals ist vorliegend weit zu verstehen und ist nicht auf einen einsträngigen und/oder geometrisch kreisförmigen Kanal beschränkt. Charakteristisch für den hier verwendeten Begriff ist lediglich, dass eine geschlossene Strömung der Transportflüssigkeit ermöglicht wird. Der Ringkanal kann mehrsträngig ausgebildet und/oder mit vorzugsweise abschottbaren Teilschleifen versehen sein.
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Bei einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von ersten und/oder zweiten Turbinen in einer Mehrzahl von Schleifen des Ringkanals angeordnet sind. Mit anderen Worten wird ein komplexes Ringkanalsystem vorgeschlagen, welches mehrere Einspeise- und/oder mehrere Entnahmeorte aufweist. Dies erlaubt die dezentrale Ein- und Auskopplung in das bzw. aus dem Übertragungssystem, was die Anzahl und Größe der elektrischen Verteilernetze zu den Erzeugungs- und Verbrauchsorten deutlich reduziert.
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Um auf wechselnde Konstellationen lokalen Energieangebots einerseits und lokalen Energiebedarfs andererseits flexibel eingehen zu können, ist bevorzugt vorgesehen, dass der Ringkanal steuerbare Strömungsleitmittel zum selektiven Leiten der strömenden Transportflüssigkeit durch seine Schleifen aufweist. Hierzu können insbesondere elektrisch ansteuerbare Klappenventile Einsatz finden.
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Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: eine grob schematische Darstellung des erfindungsgemäßem Energieübertragungssystems sowie
- 2: eine schematische Detaildarstellung einer bevorzugten Röhrenverbindung für das Energieübertragungssystem von 1.
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Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Energieübertragungssystems 10. Dieses dient bei der dargestellten Ausführungsform zur Übertragung von Energie, welche an einem Erzeugungsort 12, dargestellt durch eine Windkraftanlage 14, als elektrische Primärenergie bereitgestellt wird und an mehreren Verbrauchsorten 16, dargestellt als Privathaushalte 18 und Industrieanlagen 20, als elektrische Sekundärenergie genutzt werden soll.
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Hierzu wird die Primärenergie über ein nicht im Detail dargestelltes elektrisches Verteilernetz 22 zu einem Einspeiseort 24 geleitet, an welchem eine erste Turbine 26 angeordnet ist. Bei der dargestellten Ausführungsform sind aus Redundanzgründen zwei erste Turbinen 26 vorgesehen, worauf weiter unten noch näher einzugehen sein wird.
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Die Verbrauchsorte 16 sind ebenfalls über ein nicht näher im Detail dargestelltes elektrisches Verteilernetz 22 an unterschiedliche Entnahmeorte 28 angeschlossen, an denen sich jeweils eine zweite Turbine 30 befindet.
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Der Einspeiseort 24 und die Entnahmeorte 28 sind über ein mit Wasser als Transportflüssigkeit gefülltes Röhrensystem 32 miteinander verbunden, wobei die ersten Turbinen 26 und die zweiten Turbinen 30 in umgekehrter Anordnung in das Röhrensystem 32 integriert sind. Eine der ersten Turbinen 26 (die obere in 1) wird motorisch betrieben und dabei von der elektrischen Primärenergie gespeist. Sie setzt die in dem Röhrensystem 32 eingeschlossene Transportflüssigkeit in Bewegung, sodass sich eine Kreisströmung im oberen Teilkreis des in 1 gezeigten, zwei Teilkreise umfassenden Röhrensystems 32 einstellt. Der in 1 untere Teilkreis des Röhrensystems 32 ist durch schaltbare Ventile 34 abgeschottet und daher im beschriebenen Zustand inaktiv.
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Die erzeugte Kreisströmung durchströmt insbesondere die Entnahmeorte 28, an welchen sie die dort positionierten zweiten Turbinen 30 in rotative Bewegung versetzt. Die zweiten Turbinen 30 werden dabei generatorisch betrieben, sodass die Strömungsenergie des als der Transportflüssigkeit in elektrische Energie, insbesondere in die oben genannte elektrische Sekundärenergie umgewandelt wird, die alsdann über die elektrischen Verteilernetze 22 zu den Verbrauchsorten 16 geleitet wird.
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Wie erwähnt, umfasst bei der dargestellten Ausführungsform das Röhrensystem 32 zwei Teilkreise. Sollte im oberen Teilkreis ein Leck entstehen oder die in 1 oben dargestellte erste Turbine 26 defekt oder aus Wartungsgründen abgeschaltet sein, kann durch Umschalten der Ventile 34 der in 1 untere Teilkreis aktiviert werden, wobei die Primärenergie dann auf die in 1 untere erste Turbine 26 geleitet wird. Der Fachmann wird verstehen, dass die scheinbare räumliche Entfernung zwischen den beiden ersten Turbinen 26 lediglich der schematischen Darstellung von 1 geschuldet ist. Die Teilkreise sollten in der Praxis so gelegt sein, dass sich die beiden ersten Turbinen 26 in räumlicher Nähe zueinander befinden, was auch durch die strichpunktierte Darstellung eines einzigen, beide erste Turbinen 26 umfassenden Einspeiseortes 24 in 1 angedeutet ist. Anderseits wird der Fachmann ebenso verstehen, dass es ohne weiteres möglich ist, mehrere Einspeiseorte in räumlicher Entfernung und in Verbindung zu unterschiedlichen Erzeugungsorten 12 vorzusehen. Hierzu kann das Röhrensystem 10 eine komplexe Struktur aus Schleifen und Teilkreisen aufweisen, deren bedarfsgerechte Nutzung bzw. Abschottung durch die geeignete Ansteuerung entsprechender Ventile 34 gewährt werden kann.
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Die Röhren 321, aus welchen das Röhrensystem 32 aufgebaut ist, sind vorzugsweise aus Glas, alternativ bevorzugt aus Keramik gefertigt. Als Transportflüssigkeit wird, wie oben erwähnt, bevorzugt Wasser, insbesondere Meereswasser verwendet. Die einzelnen Röhren 321 sind bevorzugt mittels elastischer Manschetten 322 miteinander verbunden. Diese Manschetten können bevorzugt aus Altreifen-Gummi gefertigt sein und durch Aufschweißen oder Aufkleben mit den Rohren 321 stoffschlüssig verbunden sein.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Energieübertragungssystem
- 12
- Erzeugungsort
- 14
- Windkraftanlage
- 16
- Verbrauchsort
- 18
- Privathaushalt
- 20
- Industrieanlage
- 22
- elektrisches Verteilernetz
- 24
- Einspeiseort
- 26
- erste Turbine
- 28
- Entnahmeort
- 30
- zweite Turbine
- 32
- Röhrensystem
- 321
- Rohr von 32
- 322
- Manschette vom 32
- 34
- Ventil
