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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abscheidung eines bestimmten Bestandteils aus der Umgebungsluft, insbesondere zur Abscheidung von Kohlenstoffdioxid (CO2), und ein Windrad mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Für eine Vielzahl von Anwendungen in der Industrie werden Gase oder Gaszusammensetzungen wie beispielsweise Sauerstoff (O2), Stickstoff (N2) oder Kohlenstoffdioxid (CO2) benötigt. Eine mögliche Verwendung von CO2 stellt beispielsweise die Herstellung synthetischer Kraftstoffe dar. Da bei synthetischen Kraftstoffen die Menge an CO2 aus der Luft gebunden werden kann, welche bei der Verbrennung dieser Kraftstoffe wieder freigesetzt wird, sind synthetische Kraftstoffe CO2-neutral und stellen damit eine wichtige Stütze für nachhaltige Transport- und Mobilitätslösungen dar.
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Das erforderliche CO2 kann dabei entweder aus Punktquellen bei der Verbrennung fossiler Brennstoffe, bei Industrieprozessen sowie im Bergbau oder alternativ über das sogenannte Direct Air Capturing (DAC) direkt aus der Luft gewonnen werden. Da CO2 ist zu ca. 0,04 Vol% in der Luft enthalten ist, kann es über spezielle Filteranlagen aus der Umgebungsluft an jedem Ort der Welt abgeschieden werden und so nutzbar gemacht werden. Dieser Vorgang wird als Direct Air Capturing bezeichnet.
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1 zeigt eine schematische Abbildung einer dafür verwendeten Vorrichtung 20. Die die Vorrichtung 20 umgebende Umgebungsluft (Luft) gelangt über einen als Trichter geformten Lufteinlass 21 in die Vorrichtung 20 und über einen Luftauslass 23 wieder aus der Vorrichtung 20 heraus. Der Bereich zwischen dem Lufteinlass 21 und dem Luftauslass 23, in dem sich die Luft bewegen kann, wird im Rahmen dieser Anmeldung als Luftführungsabschnitt bezeichnet. In dem Luftführungsabschnitt zwischen Lufteinlass 21 und Luftauslass 23 ist ein Filter 22 vorgesehen, welcher dazu ausgebildet ist CO2 aus der durchgeführten Luft abzuscheiden. Das abgeschiedene CO2 wird dabei in 1 durch Punkte dargestellt. Das vom Filter 22 abgeschiedene CO2 kann über einen Regenerationsprozess des Filters 22 wieder freigesetzt und in einem Tank 24 gesammelt oder alternativ direkt über Rohrleitungen weitertransportiert und weiterverarbeitet werden. Für den Regenerationsprozess wird Wärme benötigt, welche zur Erhöhung der Nachhaltigkeit durch Abwärme eines industriellen Prozesses wie etwa der Herstellung von synthetischem Kraftstoff bereitgestellt werden kann.
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Aufgrund der geringen Konzentration von CO2 in der Umgebungsluft, wird ein hoher Volumenstrom benötigt, um entsprechende Mengen an CO2 aus der Umgebungsluft zu filtern. Um diesen Volumenstrom zu gewährleisten, werden gemäß dem Stand der Technik Ventilatoren eingesetzt, welche den Volumenstrom an Luft, der durch die Vorrichtung gelangt und dort gefiltert wird, erhöhen. Diese Ventilatoren werden mit elektrischem Strom betrieben, wodurch die Energiebilanz des Abscheidungsprozesses verschlechtert wird.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine im Vergleich zum Stand der Technik bessere Energieeffizienz für den Abscheidungsprozess von CO2 aufweist.
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Die Aufgabe wird dabei durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Abscheidung eines bestimmten Bestandteils aus der Umgebungsluft weist einen Lufteinlass und einen Luftauslass auf, wobei Lufteinlass und Luftauslass durch einen Luftführungsabschnitt fluidisch verbunden sind. Der Lufteinlass ist dazu ausgebildet Umgebungsluft in die Vorrichtung einzuleiten, während der Luftauslass dazu vorgesehen ist die durch die Vorrichtung geführte Luft wieder aus der Vorrichtung auszuleiten. Zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass ist ein Filter vorgesehen, welcher dazu ausgebildet ist, den bestimmten Bestandteil aus der Umgebungsluft abzuscheiden. Dabei wird jedes technische Element, welches zur Abscheidung, Filterung oder Extraktion eines in der Luft befindlichen Bestandteils oder einer Verunreinigung im Rahmen dieser Anmeldung als Filter bezeichnet. Erfindungsgemäß ist der Luftauslass oberhalb des Lufteinlasses angeordnet. Er ist somit in vertikaler Richtung weiter vom Boden, auf dem die Vorrichtung platziert ist, entfernt als der Lufteinlass.
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In Außenbereichen (also nicht in geschlossenen Räumen) nimmt die Strömungsgeschwindigkeit einer Luftströmung mit zunehmendem Abstand vom Boden zu. Der vertikale Abstand zwischen Lufteinlass und Luftauslass ist dabei derart gewählt, dass bei der Verwendung der Vorrichtung im Außenbereich, die Strömungsgeschwindigkeit, der die Vorrichtung umströmenden Luft am Luftauslass der Vorrichtung größer ist als am Lufteinlass. Dadurch wird am Luftauslass eine Sogwirkung bzw. ein Kamineffekt erzielt, wodurch ein größerer Volumenstrom der Umgebungsluft durch die Vorrichtung geleitet wird. Somit kann rein durch die Ausnutzung der unterschiedlichen Strömungsgeschwindigkeiten der Umgebungsluft der Volumenstrom innerhalb der Vorrichtung deutlich erhöht werden ohne bzw. mit deutlich verringertem Einsatz von Ventilatoren oder ähnlichem. Auf diese Weise kann die Energieeffizienz einer Vorrichtung zur Abscheidung von Bestandteilen aus der Luft verbessert werden. Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen dem Lufteinlass und dem Luftauslass 10 m, besonders bevorzug mehr als 25 m.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung verläuft der Luftführungsabschnitt im Wesentlichen vertikal. Auf diese Weise kann eine direkte Verbindung zwischen Lufteinlass und Luftauslass und damit eine kompakte Bauweise der Vorrichtung sichergestellt werden.
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Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der der Luftauslass auf einer windabgeneigten Seite der Vorrichtung angeordnet ist. Die windabgeneigte Seite ist die Seite der Vorrichtung, die in entgegengesetzter Richtung zur Luftströmung zeigt. Bei einer horizontal verlaufenden Luftströmung ist der Luftauslass damit derart angeordnet, dass die aus dem Luftauslass strömende Luft ebenfalls horizontal und damit parallel zur Luftströmung der nicht durch die Vorrichtung verlaufenden Umgebungsluft verläuft. Dabei strömen beide Luftströme in die gleiche Richtung. Durch die parallele Anordnung der Luftströme und die gleiche Strömrichtung kann der Sogeffekt am Luftauslass und damit die Menge des durch die Vorrichtung geführten Luftvolumenstroms optimiert werden. Es ist jedoch ebenfalls eine Ausführungsform der Erfindung denkbar in der die Luft in vertikaler Richtung aus dem Luftauslass herausgeführt wird.
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Bevorzugt ist die Vorrichtung dazu ausgebildet CO2 aus der Umgebungsluft abzuscheiden, wobei der Filter eben zur Abscheidung von CO2 ausgebildet ist. Dennoch sind ebenfalls andere Ausführungsformen der Erfindung denkbar, in denen ein anderer Filter vorgesehen ist, um beispielsweise auch Schadstoffe, andere Verunreinigungen oder andere Bestandteile aus der Luft zu extrahieren bzw. abzuscheiden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Filter direkt in dem Lufteinlass integriert und befindet sich damit so weit wie möglich in Bodennähe. Dies vereinfacht den weiteren Prozess der Regeneration des Filters und der Sammlung des CO2 in einer dafür vorgesehenen Speichermöglichkeit.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Luftauslass drehbar an der Vorrichtung angeordnet und dazu ausgebildet sich an der ihn umgebenden Luftströmung auszurichten bzw. ausrichten zu lassen. Somit ist es dem Luftauslass möglich, sich bei drehender Windrichtung ebenfalls mitzudrehen und sich am umgebenden Luftstrom auszurichten, um somit den optimalen Wirkungsgrad hinsichtlich der Sogwirkung zu optimieren.
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Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Venturidüse um den Luftauslass herum angeordnet ist, welche dazu ausgebildet ist, einen den Luftauslass umströmenden Luftstrom zu beschleunigen. Durch die Beschleunigung der den Luftauslass umströmenden Luftströmung der Umgebungsluft wird der Sogeffekt weiter verstärkt, sodass der Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter erhöht werden kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Lufteinlass ein Filterelement auf, welches die in die Vorrichtung eingeleitete Luft säubert. Unter Säuberung der Luft ist dabei das Filtern der Luft von grobem Staub oder Ähnlichem zu verstehen. Bevorzugt sind auch noch weitere Filterelemente in Strömungsrichtung der in die Vorrichtung eingeführten Luft vor dem Filter zur Abscheidung des bestimmten Bestandteils positioniert. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich der Filter mit ungewünschten Verunreinigungen festsetzt.
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Das erfindungsgemäße Windrad weist einen Turm und eine oben am Turm befestigte Gondel mit einem Rotor auf, wobei in dem Windrad eine erfindungsgemäße Vorrichtung derart integriert ist, dass der Luftführungsabschnitt innerhalb des Turms angeordnet ist. Die Integration der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Windrad hat zum einen den Vorteil, dass die strukturgebenden Elemente des Windrads genutzt werden können, um den erforderlichen vertikalen Abstand zwischen Lufteinlass und Luftauslass sicherzustellen. Zum anderen kann die zur Regeneration des Filters benötigte Energie direkt durch das Windrad bereitgestellt werden. Der Turm eines Windrads ist üblicherweise in ein Fundament eingespannt, wobei im Rahmen dieser Anmeldung unter dem Begriff „Turm“ auch Masten verstanden werden, welche nicht in ein Fundament eingegossen sind und gegebenenfalls Abspannungen für die Stabilisierung benötigen. Der Begriff „Turm“ deckt somit jegliche turmartige Anordnung des Windrads ab, der die Gondel vom Boden beabstandet.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Windrads ist der Luftauslass auf einer windabgeneigten Seite der Gondel des Windrads angeordnet und wobei insbesondere die Gondel des Windrads drehbar auf dem Turm angeordnet ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Gondel immer so an die sie umgebende Luftströmung ausgerichtet ist, dass am Luftauslass eine maximale Sogwirkung erzeugt werden kann.
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Im Folgenden werden vorteilhafte Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren näher erläutert. Sie zeigen:
- 1 zeigt eine Vorrichtung 20 zur Abscheidung von CO2 aus der Umgebungsluft gemäß einer Ausführungsform des Stands der Technik
- 2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 in einem erfindungsgemäßen Windrad 10
- 3 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 in einem erfindungsgemäßen Windrad 10
- 4 zeigt eine Detailansicht einer Gondel 12 eines erfindungsgemäßen Windrads 10
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1 wurde bereits im Zuge der Erläuterungen zum Stand der Technik näher beschrieben, weshalb auf eine erneute Beschreibung an dieser Stelle verzichtet wird.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20, welche in einem erfindungsgemäßen Windrad 10 integriert ist. Das Windrad 10 weist einen Turm 11 auf, der ein Gondel 12 mit einem Rotor 13 trägt. Die Gondel 12 ist drehbar auf dem Turm 11 befestigt und wird so ausgerichtet, dass der Rotor 13 optimal vom Wind, also der die Gondel 12 umgebenden Luftströmung, angeblasen wird. Dies ist dann der Fall, wenn der Wind direkt frontal auf den Rotor 13 steht, also in Zeichenebene der 2 genau von links kommt.
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Die Vorrichtung 20 weist einen Lufteinlass 21 auf, welcher am Fuß des Turms 11, also direkt in Bodennähe angeordnet ist. Ausgehend vom Lufteinlass 21 wird die dort eingezogene Umgebungsluft durch einen Filter 22 geleitet, der in diesem Ausführungsbeispiel dazu ausgebildet ist, das in der Luft enthaltene CO2 abzuscheiden und im Filter 22 zu sammeln. Der Filter 22 ist dabei in unmittelbarer Nähe zum Lufteinlass 21 angeordnet. Damit der Filter 22 sich nicht mit Staub oder anderen gröberen Verunreinigungen vollsetzt, weist der Lufteinlass 21 ein gröberes Filterelement auf, welches Feststoffe aus der Luft filtert.
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Die Luft wird im Anschluss an den Filter 22, wie in 2 durch die entsprechenden Pfeile dargestellt, durch einen Luftführungsabschnitt in Richtung eines Luftauslasses 23 geleitet. Der Luftführungsabschnitt wird dabei durch den Turm 11 des Windrads definiert. Dabei kann offenbleiben, ob die Luft in einem innerhalb des Turms 11 angeordneten Schlauch o.ä. geführt wird oder der Turm 11 an sich luftdicht ausgeführt ist und die Luft führt. Der Luftauslass 23 befindet sich auf der Rückseite, also der dem Rotor 13 gegenüberliegenden Seite, der Gondel 12 und damit deutlich oberhalb des Lufteinlasses 21. Da die Gondel 12 wie oben ausgeführt stets an der Strömungsrichtung des die Gondel 12 umströmenden Luftstroms ausrichtet, kann sichergestellt werden, dass sich der Luftauslass 23 immer auf der windabgeneigten Seite der Gondel 12 und damit der Vorrichtung 20 insgesamt befindet.
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Üblicherweise nimmt die Geschwindigkeit der Luftströmung mit zunehmendem Abstand vom Boden deutlich zu, weshalb auch Windräder mit immer höheren Türmen geplant werden. Durch die die Gondel 12 umströmende Luftströmung, welche also schneller ist als die den Lufteinlass 21 umströmende Luftströmung, wird an dem Luftauslass 23 eine Sogwirkung erzeugt. Durch diese Sogwirkung, die auch als Kamineffekt bezeichnet wird, wird am Lufteinlass 21 Luft angesaugt und durch den Luftführungsabschnitt und damit den Filter 22 geleitet. Die Wirkung der Sogwirkung ist somit mit der Wirkung eines Ventilators vergleichbar, der einen Luftstrom durch den Luftführungsabschnitt beschleunigt. Je schneller die Strömungsgeschwindigkeit der die Gondel 12 umströmenden Luftströmung, desto stärker ist der Effekt und desto mehr Luft kann durch den Filter 22 gefiltert werden. Weiterhin wird durch den Druckunterschied aufgrund der Höhendifferenz zwischen Gondel 12 und Lufteinlass 21 die Sogwirkung weiter verstärkt. Folglich muss zur Erhöhung des Volumenstroms der durch die Vorrichtung 20 zu filternden Luft keine oder erheblich weniger zusätzliche Energie aufgewendet werden.
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Auf diese Weise können für die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 bereits in optimaler Weise die strukturgebenden Elemente des Windrads 10, insbesondere durch den Turm 11 und die drehbare Gondel 12, genutzt werden, wodurch eine einfach umzusetzende Lösung für die Vorrichtung 20 geschaffen wird. Weiterhin kann vorzugsweise die durch das Windrad 20 bereitgestellt elektrische Energie für den Regenerationsprozess des Filters 22 genutzt werden. Dies hat insbesondere vor dem Hintergrund der Speicher- und Transportproblematik von elektrischer Energie große Vorteile. Durch die unmittelbare Verwendung der durch das Windrad erzeugten elektrischen Energie muss diese nicht lange gespeichert oder transportiert werden, wobei beide Vorgänge mit Energieverlusten einhergehen.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 in einem erfindungsgemäßen Windrad 10. Diese entspricht dabei in weiten Teilen der in 2 gezeigten und oben beschriebenen Ausführungsform. Daher soll an dieser Stelle lediglich auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen eingegangen werden. In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist der Lufteinlass 21 direkt in den Turm 11 des Windrads 10 integriert. Dabei kann der Lufteinlass 21 Umgebungsluft aus jeder radialen Richtung in den Turm 11 und damit in den Luftführungsabschnitt einsaugen. Damit kann das Einsaugen der Luft unabhängig von der Richtung der Luftströmung auf Höhe des Lufteinlasses 21 erfolgen, da die Luft von allen Seiten des Turms 11 gleich angesaugt werden kann. Bei der Ausführungsform in 2 hingegen kann es bei einer Strömungsrichtung von in Zeichnungsebene rechts dazu kommen, dass auch am Lufteinlass 21 durch die dort herrschende Luftströmung eine Sogwirkung erzeugt wird. Durch die höhere Geschwindigkeit der Luftströmung am Luftauslass 23 im Vergleich zum Lufteinlass 21 ist zwar die Funktion der Vorrichtung 22 gewährleistet, allerdings mit einem geringeren Wirkungsgrad als bei einer Strömungsrichtung von in Zeichenebene links. Dieser Nachteil kann durch die radial symmetrische Anordnung des Lufteinlasses 21 gemäß der in 3 gezeigten Ausführungsform verhindert werden.
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4 zeigt eine Detailansicht einer Gondel 12 eines erfindungsgemäßen Windrads 10, in welche eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 integriert ist. Die hier dargestellte Ausführungsform entspricht dabei im Wesentlichen der in 3 gezeigten Ausführungsform, weshalb an dieser Stelle lediglich auf die Unterschiede eingegangen werden soll.
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Zur weiteren Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit der den Luftauslass 23 umströmenden Luftströmung, weist die Gondel 12 auf Ihrer windabgeneigten Seite um den Luftauslass 23 herum eine extra Verkleidung auf, wobei die umströmende Luftströmung zwischen Gondel 12 und Verkleidung strömen kann. Die Verkleidung ist dabei als Venturidüse 24 ausgebildet, wodurch die zwischen Verkleidung und Gondel 12 durchströmende Luftströmung weiter beschleunigt wird. Durch diese Beschleunigung wird die Sogwirkung am Luftauslass 23 weiter verstärkt, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung 20 weiter erhöht werden kann.
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Die Verkleidung verengt dabei den von der die Gondel 12 umgebenden Luftströmung zu passierenden Strömungsquerschnitt. Durch diese Verengung wird die Luftströmung beschleunigt und die Sogwirkung, bzw. der Unterdruck am Luftauslass 23 erhöht.
