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Die
Erfindung betrifft eine Fluss-Wasserkraftanlage mit einem unterschlächtigen
Wasserrad ohne das Anstauen von Wasser zu einer Staustufe. Hinsichtlich
ihrer Dimensionen und Leistungen wird sie als Kleinkraftwasseranlage
bezeichnet.
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Die
Energiegewinnung durch Wasserkraft erfolgt heute überwiegend
durch die Nutzung großer Stau- und Kraftwerksanlagenanlagen.
Lediglich dort, wo noch alte Wasserrechte bestehen, wird noch eine
geringe Anzahl von Fluss-Wasserkraftanlagen, wie Wassermühlen
mit oberschlächtigen Wasserrädern, betrieben.
Unterschlächtige Wasserräder wurden hauptsächlich
bei Schiffsmühlen verwendet. Der Betrieb der Schiffsmühlen
behinderte jedoch die Schifffahrt und wurde um 1900 eingestellt.
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Aus
der Literatur ist eine Anzahl von Lösungen mit unterschlächtigen
Wasserrädern bekannt, die auf Pontons oder anderen Auftriebskörpern
montiert sind. So beispielsweise aus den Druckschriften
DE 20 2008 011 923
U1 ,
DE 101
59 019 A1 und
DE
40 26 638 A1 . Die Vorteile, die mit dem Einsatz einer solchen
Schiffsmühle verbunden sind, bestehen unter anderem darin,
dass das Wasserrad auch bei unterschiedlichen Wasserständen
mit seinen Schaufeln immer gleich tief in das fließende
Wasser eintaucht und die gesamte Mühle bei Treibeis aus
dem Gefahrenbereich herausbewegt werden kann. Nachteilig ist es
jedoch beim Einsatz einer Schiffsmühle, dass es nicht oder
nur mit einem hohen Aufwand möglich ist, in den Wasserstrom
Leitelemente zur Erhöhung der Fließgeschwindigkeit
des Wassers einzubringen.
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Weiterhin
sind zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines auf einem Fundament
montierten Wasserrades mechanisch oder hydraulisch aufwändige
Einrichtungen zur Verstellung der Schaufeln des Wasserrades bzw.
der Wasserräder bekannt. So z. B. aus den Druckschriften
DE 349 529 und
DE 40 26 638 A1 .
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Ferner
sind aus der Druckschrift
DE
101 34 522 B4 Wasserräder bekannt, die mit einer
Vielzahl verstellbarer Schaufeln ausgerüstet sind, so dass
sie immer beim Eintauchen in das Wasser eine für die Drehbewegung
optimale Stellung einnehmen. Diese Lösungen sind technisch
sehr aufwändig und wartungsintensiv.
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Die
Schaufeln erreichen bei einer bestimmten Eintauchtiefe ihren optimalen
Wirkungsgrad. Ändert sich der Wasserstand, ist dies bei
Schiffsmühlen ohne Bedeutung, da der Körper einer
solchen Wasserkraftanlage auf dem Wasser schwimmt. Ist die Wasserkraftanlage
jedoch auf einem festen Fundament verankert, ist es zur Erzielung
eines hohen Wirkungsgrades erforderlich, das Schaufelrad in seiner
Höhe zu verstellen. Eine solche selbsttätig wirkende
Verstelleinrichtung ist aus der Druckschrift
DE 10 2005 033 383 A1 bekannt. Der
Tragrahmen, der das Schaufelrad aufnimmt, ist auf Pontons schwimmend
angeordnet und mittels Rollen in senkrechter Richtung an der Tragkonstruktion
der Wasserkraftanlage verschiebbar.
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Zur
Erleichterung dieser vertikalen Bewegung sind Gegengewichte vorgesehen.
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Weiterhin
ist es bekannt, vor allen bei Niedrigwasser zur Erhöhung
der Fließgeschwindigkeit im Bereich des Wasserrades Mittel
zum Leiten des Wasserstromes zu den Schaufeln vorzusehen. Dabei
wird das Wasser nicht nur seitlich eingeengt, sondern es werden
auch am Grund des Flusses Mittel zur Bildung einer höhenverstellbaren
Schwelle vorgesehen. Diese Schwelle kann im Bedarfsfall von unten
bis zu einem geringen Differenzmaß an die Schaufelblätter
heran geführt werden. So kann im Extremfall nahezu das
gesamte fließende Wasser für den Antrieb des Schaufelrades
genutzt werden. Eine solche verstellbare Einrichtung ist aus der
Druckschrift
DE 349 529 bekannt.
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Der
im Schutzanspruch 1 offenbarten Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
eine stationäre Fluss-Wasserkraftanlage mit einem unterschlächtigen
Wasserrad zu schaffen, die eine Alternative zur Nutzung der Energie
von fließendem Wasser darstellt und im Aufbau technisch
einfach gestaltet ist. Dieses Problem wird mit einer Wasserkraftanlage
gelöst, die nach den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 aufgebaut
ist. Das sind:
- • ein auf einem Betonfundament
befestigter Tragrahmen mit einer rechten und einer linken Hälfte,
- • einem zwischen beiden Tragrahmenhälften
angeordnete Schaufelrad,
- • einer rechten und linken Lagerung für das
Schaufelrad, die an der jeweiligen Tragrahmenhälfte durch
einen Spindeltrieb höhenverstellbar ist,
- • einem auf der einen Seite der Welle des Schaufelrades
angeschlossenen Getriebe,
- • einem an das Getriebe angeschlossenen Generator,
- • einem auf der anderen Seite der Welle des Schaufelrades
angeordnetem Gegengewicht,
- • einem Strömungskeil, der so breit wie das
Schaufelrad und unter der in der tiefsten Stellung befindlichen Schaufel
beiderseits gemeinsam mit der höhenverstellbaren Lagerung
des Schaufelrades beweglich ist.
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Mit
einer solchen Anordnung des Schaufelrades kann ein hoher Wirkungsgrad
der Wasserkraftanlage erreicht werden.
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Vorteilhafte
Ausbildungen von Einzelheiten sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Mit
einer so ausgebildeten Wasserkraftanlage ist ein Aufstauen der Flüsse
nicht erforderlich. Ebenso wird der Flusslauf in keiner Weise behindert.
Für den Einsatz einer solchen Wasserkraftanlage bieten
sich Einsatzorte an, welche von Natur aus eine ideale Strömungsgeschwindigkeit
aufweisen.
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Mit
der Erfindung wird eine einfache Fluss-Wasserkraftanlage geschaffen,
die leicht montierbar und demontierbar ist. Die Anlage ist eine
kostengünstige Alternative zur Energiegewinnung durch bekannte
Großanlagen.
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Die
erfindungsgemäße Anlage ist umweltfreundlich und
greift nur in geringem Maße in die natürlichen Flussläufe
ein. Es ist auch möglich, die Anlage anstelle auf Betonfundamenten
auf Pontos zu montieren und so in einfacher Weise den Standort zu
wechseln bzw. auszuwählen.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile des Erfindungsgegenstandes ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung und den dazugehörenden
Zeichnungen, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
dargestellt ist.
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Es
zeigen:
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1 eine
Fluss-Wasserkraftanlage in einer Seitenansicht,
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2 eine
Fluss-Wasserkraftanlage in der Vorderansicht und
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3 eine
Fluss-Wasserkraftanlage in der Draufsicht.
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Diese,
in den Zeichnungen dargestellte Wasserkraftanlage. ist eine stationäre
Fluss-Wasserkraftanlage.
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Sie
besteht nach den 1 bis 3 aus dem
Schaufelrad 1, das beiderseits von der auf den Fundamenten 3 verankerten
Tragkonstruktion 2 aufgenommen wird. Das Schaufelrad 1 besteht
aus der Welle 10 und den mittels der Speichen 11 an
der Welle 10 befestigten Schaufeln 12. Dieses
Schaufelrad 1 ist als Oktaeder in Stahlleichtbauweise ausgeführt.
Dies ist jedoch keine Bedingung, es kann auch mit einer davon abweichenden
Anzahl der Schaufeln 12 ausgeführt werden. Als
Welle 10 des Schaufelrades 1 wird ein Hochdruckrohr
in standardisierter Ausführung verwendet, dessen Durchmesser
so gewählt wird, dass am Umfang die acht Stutzen für
die Aufnahme der Speichen 11 Platz finden. Die Stutzen
werden angeschweißt.
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Die
Verbindung mit den Speichen 11 erfolgt über Zapfen.
Als Speichen 11 werden ebenfalls Rohre in standardisierter
Ausführung verwendet. An den Enden werden die Schaufeln 12 mittels
Steckverbindungen aufgesteckt und verschraubt. Die Speichen 11 werden
mit den Rohrverbindern verschraubt. Diese Verbindungselemente sind
für die Erfindung nicht wesentlich und werden deshalb in
den Zeichnungen nicht näher dargestellt. Die gesamte Anlage
ist so konzipiert, dass sie in Einzelteilen günstig montiert,
demontiert und transportiert werden kann. Dies ist vor allem für
den Transport zum Verzinken und zum vorgesehenen Standort wichtig.
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Die
Drehrichtung des Schaufelrades 1 ist durch den Pfeil 28 gekennzeichnet.
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Die
Welle 10 des Schaufelrades 1 wird beiderseits
durch je ein Lager 4 aufgenommen. Diese Lager 4 sind
auf einer Trag- und Höhenverstellvorrichtung 5 befestigt.
Diese Trag- und Höhenverstellvorrichtung 5 wird in
schwerer Stahlbauweise ausgeführt. Sie besteht jeweils
aus einem Rahmen 50, der in einer im Fundament 3 verankerten
senkrechten Führung 51 und Gewindespindeln 52 höhenverstellbar
ist. Jeder der beiden Rahmen 50 wird außen mit
Spindelmuttern 54 versehen. Diese Spindelmuttern 54 werden
durch eine Traverse 55 miteinander verbunden und stehen
mit den senkrecht angeordneten Gewindespindeln 52 in funktioneller
Verbindung. Zum Heben und Senken des Schaufelrades 1 wird
der Rahmen 50 mittels Gewindespindeln 52, welche
von Elektromotoren 53 angetrieben werden, bewegt. Die Höhenverstellung
erfolgt in Abhängigkeit vom veränderlichen Wasserpegel 6.
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Auf
der einen Seite sind an der Welle 10 des Schaufelrades 1 ein
Getriebe 7 und ein Generator 8 zur Stromerzeugung
angeschlossen. Sie werden beiderseits von einem Hilfsrahmen 9 aufgenommen.
Diese Hilfsrahmen 9 wird von dem auf der betreffenden Seite
befindlichen Rahmen 50 der Trag- und Höhenverstellvorrichtung 5 aufgenommen.
Diese Hilfsrahmen 9 nehmen zusätzlich über
Mitnehmer 20 einen unteren Strömungskeil 21 auf.
Dieser Strömungskeil 21 ist so breit wie die Schaufeln 12 ausgebildet
und parallel zu diesem zur Vermeidung von Leistungsverlusten in
einem möglichst geringen Abstand angeordnet. Dadurch wird
die Strömung des Flusslaufes zur Erhöhung des
Wirkungsgrades zusätzlich von unten in die Richtung der
Schaufeln 12 geleitet.
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An
der anderen Seite der Welle 10 ist dem Getriebe 7 und
dem Generator 8 gegenüberliegend zum Balanceausgleich
ein Gegengewicht 22 angeflanscht.
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Das
Fundament 3, das die gesamte Anlage trägt, bildet
gleichzeitig die Einfassung des Strömungskanals 29.
Um alle Energie des Wassers möglichst effektiv zu nutzen,
kommt es auf eine hohe Passgenauigkeit zwischen den Schaufeln 12 und
der Betoneinfassung durch das Fundament 3 an. Auf der Seite
des zuströmenden Wassers ist das Fundament 3 in
der Draufsicht trichterförmig verlängert und leitet
so zur weiteren Erhöhung des Wirkungsgrades der Anlage
einen breiten Wasserstrom auf die geringere Breite des Strömungskanals 29.
Am Ausgang des Strömungskanals 29 wird das Fundament 3 ebenfalls
verlängert. Es wird in der Draufsicht nach außen
verbreitert. Diese Verlängerungen des Fundaments 3 entgegen
und in Strömungsrichtung werden als Wasserleitmauern 23, 24 bezeichnet.
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Zum
Schutz vor Hochwasser werden diese Wasserleitmauern 23, 24 mit
Flutkanälen 25 versehen, welche bei Hochwasser
geöffnet werden können, so dass das überflüssige
Wasser an dem Schaufelrad 1 vorbeigeleitet wird. Dies geschieht
automatisch in Abhängigkeit des Wasserpegels 6 durch
eine elektronische Steuerung der Flutschieber durch einen elektromechanischen
Antrieb. Das Öffnen der Flutkanäle 25 ist
jedoch erst erforderlich, wenn das Schaufelrad 1 durch
die Trag- und Höhenverstellvorrichtung 5 nicht
weiter angehoben werden kann.
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Der
Verstellbereich der Trag- und Höhenverstellvorrichtung 5 ist
jedoch so ausgelegt, dass bei überwiegend vorhandenen Strömungsverhältnissen
das Heben und Senken des Schaufelrades 1 gegenüber
dem Pegelstand 6 des Flusses auf die gewünschte
Höhe möglich ist.
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Die
spezifische Ausbildung einer solchen Flusswasserkraftanlage wird
in sehr starkem Maße von den real vorhandenen Einsatzbedingungen
bestimmt. Deshalb werden im folgenden die wichtigsten dieser Bedingungen
angegeben und ihre Auswirkungen auf die Ausbildung auf die Flusswasserkraftanlage
im Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Für
die Strömungsgeschwindigkeit des Flusses werden 2 m/s und
eine Flussbreite von 16 m zugrunde gelegt. Zur Erhöhung
der Strömungsgeschwindigkeit auf 4 m/s wird der Fluss mittels
gegenüberliegenden Wasserleitmauern 23, 24,
welche gleichzeitig als Fundament 3 zur Aufnahme der gesamten
Konstruktion dient, auf 8 m eingeengt. Hierzu werden die Enden im
45° Winkel abgeknickt und nach 3 etwa 2
m in die Uferböschung hineingebaut. Auf der Wassereintrittsseite
werden die Wasserleitmauern 23, 24 gebogen ausgeführt.
Somit werden die gesamten Wassermassen des Flusses ungehindert dem
Schaufelrad 1 zugeführt.
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An
der Austrittsseite werden die Wasserleitmauern 23, 24 unmittelbar
am Ende des Strömungskanals 29 in abgeknickter
Linienführung ausgeführt, damit das Wasser, nachdem
es seine Kraft abgegeben hat, sich ungehindert ausdehnen und abfließen
kann.
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Vor
Eintritt des Wassers in den Flutkanal 29 wird es durch
einen Rechen 26 geführt, welcher die Aufgabe hat,
Fremdkörper von der Anlage fernzuhalten. Diese können
von einem zeichnerisch nicht dargestellten Laufsteg entfernt werden.
Dieser Rechen 26 ist zur Anpassung an den jeweiligen Wasserstand
zusammen mit der Trag- und Höhenverstellvorrichtung 5 heb-
und senkbar. Bei Bedarf, z. B. bei Treibeis, kann er aus dem Wasser
heraus bewegt werden.
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Das
Fundament 3 besteht aus Beton und wird entsprechend der
aufzunehmenden Kräfte ausgeführt. Der Strömungskeil 21 der
Anlage nach 1 dient zur weiteren Erhöhung
des Wirkungsgrades. Dadurch dass er zusammen mit der Trag- und Höhenverstellvorrichtung 5 bewegt
wird, besteht zu den Schaufeln 12 immer der gleiche Abstand.
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Das
nunmehr auf eine Geschwindigkeit von 4 m/s gebrachte Wasser trifft
auf das Schaufelrad 1, welches im Ausführungsbeispiel
einen Durchmesser von 10 m und eine Breite von 8 m aufweist. An
dem Schaufelrad 1 sind acht Schaufeln 12 in den Maßen
0,8 × 8 m angeordnet. Zur weiteren Erhöhung des
Wirkungsgrades sind diese Schaufeln 12 wannenförmig
ausgebildet.
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Mit
einer so ausgebildeten Fluss-Wasserkraftanlage kann ein hoher Wirkungsgrad
bei der Energiegewinnung erreicht werden. Unterschiedliche Wasserstände
und Strömungsgeschwindigkeiten können in einem bestimmten
Bereich nahezu kompensiert werden. Der gesamte Aufbau gestattet
eine vollautomatische Regelung der gesamten Anlage.
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Durch
den einfachen konstruktiven Aufbau, die niedrigen Projektierungs-
und Herstellungskosten, den hohen Wirkungsgrad der Anlage und die
geringen Betriebskosten wird ein kurzer Amortisationszeitraum erreicht.
An Hand von Berechnungen wird im Folgenden nachgewiesen, dass durch
die mit der Wasserkraftanlage eingesparten Stromkosten bereits nach
1½ Jahren die Aufwand für die Projektierung, die
Herstellung, den Aufbau und die Inbetriebnahme der gesamten Anlage
decken.
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Dies
wird durch die folgende Berechnung belegt:
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1. Berechnung der Leistungsfähigkeit
der Anlage
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- – Flussbreite: 16 m = 2 s/m
- – Einzwängung auf 8 m: 8 m = 4 s/m
- – Einzwängung durch den Strömungskeil 21:
6,4 m2 = 8,5 m/s
- – Drehzahl bei Strömungsgeschwindigkeit des
Wassers von 8,5 m/s = 16,26 U/min.
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Hieraus
resultiert:
N1 = ½mv2 : t
N1 = 4t·64
: 1
N 1 256 kW
N2 = N1·r
N2 = 256·0,35
N 2 = 89,60 kW
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Planetengetriebe:
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- 16,26 U/min. × 115 = 244 U/min. = 14 Polpaare der
Innenpolmaschine = 50 Hz
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Drehmoment:
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- Kraft × Kraftarm = Last × Lastweg
- 19 × 89 kW = 1.691
kW
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2. Kosten-Nutzen-Berechnung
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2.1 Vergütung für Strom
nach dem Erneuerbare-Energie-Gesetz vom 01.08.2004
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- Vergütung für Strom aus Wasserkraft, Anlagen
bis 5 MW: 6,65 Ct/kWh
- Für die erfindungsgemäße Anlage mit
1.691 kW erhält man: 0,0665 EUR/kWh × 1.691 kW
= 112,45 EUR/h × 24 h = 2.698,-- × 365 Tage = 986.075,-- EUR/Jahr
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Ergebnis:
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Mit
der erfindungsgemäßen Fluss-Wasserkraftanlage
kann pro Jahr eine Menge Strom produziert werden, die mit einem
Betrag von 986.075 EUR vergütet wird.
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2.2. Beispiel für den Stromverbrauch
einer Gemeinde mit 10.000 Haushalten
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- Geschätzter Durchschnittsverbrauch eines Haushalts:
3.283 kWh × 10.000 Haushalte = 32,83 Mio. kWh
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Eine
erfindungsgemäße Anlage mit einer Leistungsfähigkeit
von 1.691 kW liefert im Jahr: 1.691 kW × 24
h/Tag × 365 Tage/Jahr = 14,81 Mio kWh/Jahr
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Ergebnis:
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Zur
Stromerzeugung von 32,83 Mio. kW/Jahr für eine Gemeinde
mit 10.000 Haushalten werden rechnerisch 2,2 dieser Fluss-Wasserkraftanlagen
nach dem Ausführungsbeispiel benötigt.
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2.3. Berücksichtigung der Herstellungskosten
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Die
Herstellungskosten incl. der Ingenieurleistungen werden mit etwa
1,5 Mio. EUR pro Anlage angenommen.
- – die
Einnahmen aus Vergütung für Strom: 0,985 Mio.
EUR/Jahr
- – Festlegung des Amortisationszeitraumes: 1,5 Jahre
- – Veranschlagte Rendite: 66%
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2.4. Einnahmen und Ausgaben der angenommenen
Gemeinde mit 10.000 Haushalten
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- Einnahmen aus Stromverkauf: 0,20 EUR × kWh × 32,83
Mio. kWh = 6,566 Mio. EUR
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Kosten-Nutzen-Berechnung
bei einer Gewinnmarge der Gemeinde von 10%, d. h.
- – Einkauf
Strom; 5,90 Mio. EUR
- – Verkauf Strom: 6,57 Mio. EUR
- – Gewinn: 0,67 Mio. EUR
- – Anschaffung von 2 Fluss-Wasserkraftanlagen: 3,0 Mio.
EUR
- – Einnahmen aus 2 Fluss-Wasserkraftanlagen: 1,97 Mio.
EUR/Jahr
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Damit
werden die festgelegte Amortisation von 1,5 Jahren und die veranschlagte
Rendite von 66% erreicht.
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Neben
den beim Einsatz einer Wasserkraftanlage auftretenden allgemeinen
Vorteile, die darin bestehen darin, dass
- • keine
natürliche Ressourcen verbraucht werden,
- • keine Emission von Schadstoffen eintritt,
- • keine Abwärme entsteht und
- • solche Anlage einen hohen Wirkungsgrad von etwa 90%
aufweisen,
sind bei dem Einsatz einer erfindungsgemäßen
Fluss-Wasserkraftanlage insbesondere noch folgende spezifischen
Vorteile hervorzuheben: - • Die Anschaffungskosten
einer solchen Anlage sind gering,
- • für die Anlage kann eine lange Lebensdauer
zugrunde gelegt werden,
- • es entstehen niedrige Betriebskosten aufgrund geringer
Aufwendungen an Wartung und durch die automatisierte Bedienung,
- • durch das Vermeiden von Staustufen treten nur geringe Änderungen
der Fließgeschwindigkeiten des Wassers im Bereich der Anlage
auf und
- • in dem am Strömungskanal der Anlage vorbei
fließenden Wasser können sich im Fluss lebende
Tiere Fluss auf oder ab gefahrlos am Schaufelrad 1 vorbei
bewegen.
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- 1
- Schaufelrad
- 10
- Welle
- 11
- Speiche
- 12
- Schaufel
- 13
- Speichenverbinder
- 2
- Tragkonstruktion
- 3
- Fundament
- 4
- Lager
- 5
- Trag-
und Höhenverstellvorrichtung
- 50
- Rahmen
- 51
- Führung
- 52
- Gewindespindel
- 53
- Elektromotor
- 54
- Spindelmutter
- 55
- Traverse
- 6
- Wasserpegel
- 7
- Getriebe
- 8
- Generator
- 9
- Hilfsrahmen
- 20
- Mitnehmer
- 21
- Strömungskeil
- 22
- Gegengewicht
- 23
- Wasserleitmauer
- 24
- Wasserleitmauer
- 25
- Flutkanal
- 26
- Rechen
- 27
- Strömungsrichtung
- 28
- Drehrichtung
- 29
- Strömungskanal
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
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- - DE 202008011923
U1 [0003]
- - DE 10159019 A1 [0003]
- - DE 4026638 A1 [0003, 0004]
- - DE 349529 [0004, 0008]
- - DE 10134522 B4 [0005]
- - DE 102005033383 A1 [0006]