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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus einem innerhalb eines mit Wandungen versehenen Kanals strömenden Gewässer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Vorrichtungen zur Energiegewinnung unter Verwendung von Wasserkraftwerken bekannt, bei welchen das Wasser aus einem höher gelegenen Stausee über Röhren in einen niedriger gelegen See geführt wird, wobei am Ende der Röhren mehrere Turbinen und Generatoren angeordnet sind, welche aus der kinetischen Energie des herunter strömenden Wassers Strom erzeugen. Innerhalb von Flüssen werden ähnliche Konstruktionen als sogenannte Schachtkraftwerke eingesetzt. Hier wird der Fluss in einen Schacht gelenkt, in dem sich eine Turbine und ein Generator befinden.
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Andere Kraftwerke zur Nutzung der Wasserkraft sind Gezeitenkraftwerke, bei denen Turbinen auf dem Meeresboden befestigt sind, welche durch die Bewegung des darüber liegenden Meerwassers in Gestalt von Gezeitenströmungen angetrieben werden. Derartige Gezeitenkraftwerke befinden sich meist im Bereich von Küsten mit starken Gezeiteneffekten.
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Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Wärmepumpen zur Gewinnung von Erdwärme oder Seewärme einzusetzen, insbesondere in Gestalt einer Vorrichtung zur Wärmegewinnung aus der Umgebung, wobei ein Thermoelement mit einer Spundwand verbunden ist. Auf diese Weise kann die Wärme dem Untergrund, in welchen die Spundwand eingetrieben ist, und dem angrenzenden Wasser entzogen werden. Eine derartige Anordnung ist Gegenstand der
EP 2 374 942 B1 . Eine ähnliche, sogenannte Energiespundwand ist in der
DE 20 2017 006 008 U1 beschrieben.
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Es besteht, ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik, die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus einem innerhalb eines mit Wandungen versehenen Kanals strömenden Gewässers so weiterzubilden, dass die Effektivität erhöht wird.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Gegenstand der Erfindung ist insbesondere eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus einem innerhalb eines mit Wandungen versehenen Kanals strömenden Gewässer, welches eine in dem Kanal oder unmittelbar danach angeordnete Turbine antreibt. Diese treibt wiederum einen Generator zur Erzeugung von elektrischem Strom an. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Teil der Wandungen des Kanals durch eine mit Wärmeleitrohren ausgestattete Spundwand zur Entnahme thermischer Energie aus dem Gewässer ausgebildet.
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Dies hat nicht nur den Vorteil, dass neben der kinetischen Energie des Wassers auch dessen thermische Energie in der gleichen Anlage entnommen werden kann, sondern darüber hinaus den Vorteil, dass die Turbine bei geringeren Wassertemperaturen und einer damit höheren Dichte und Viskosität des durchströmenden Wassers einen besseren Wirkungsgrad erzielt. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird also nicht nur die kinetische und die thermische Energie des durchströmenden Wassers gleichzeitig genutzt, sondern auch der Wirkungsgrad der Turbine verbessert und damit eine höhere Ausbeute an elektrischem Strom erzielt.
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Vorteilhaft sind die Wärmeleitrohre entweder als Hohlräume zwischen benachbarten Elementen der Spundwand ausgebildet oder auf eine Oberfläche der Spundwand aufgesetzt, z.B. auf die Oberfläche, welche der Kanalinnenwandung gegenüberliegt, also mit Wasser beaufschlagt ist.
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Die Wärmeleitrohre sind mit einer Wärmepumpe verbunden, um die dem Wasser entnommene Wärme weiterzuverarbeiten und in Wärmeenergie umzuwandeln.
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Der Kanal weist beispielsweise eine umlaufende Wandung auf und ist Teil eines Wasserkraftwerks, bei welchem Wasser aus einem höher gelegenen Reservoir durch den Kanal in ein tiefer gelegenes Reservoir strömt. Es kann sich hier also um ein klassisches Wasserkraftwerk handeln, bei dem die Führungskanäle als Spundwände mit Wärmeleitrohren ausgebildet sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Wasserkraftwerk um ein Schachtkraftwerk innerhalb eines Flusses. Auch hier ist der Kanal umlaufend und das Wasser strömt von einem höheren in ein niedrigeres Niveau.
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Alternativ kann der Kanal nur seitliche Wandungen aufweisen, also zwei parallele Wandungen, welche im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche eines Küstenabschnitts eines Meeres, also eines durch Gezeiten bewegten Gewässers angeordnet sind, und somit Teil eines Gezeitenkraftwerks sind. In diesem Falle bildet der gesamte Bereich zwischen parallelen Wandungen den Strömungsbereich für das durch die Gezeiten ein- oder ausströmende Wasser und die Turbinen sind mit Drehachsen parallel zu den Wandungen zwischen diesen angeordnet. Sie können sich innerhalb von Kanälen befinden oder frei zwischen den Wandungen stehen. Vorzugsweise sind die Wandungen parallel zueinander angeordnet, sie können jedoch auch leicht trichterförmig zueinander gestellt sein, wobei sich dann die Turbine an der engsten Stelle des Trichters befindet, um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1: einen schematischen Querschnitt durch ein als Schachtkraftwerk ausgebildetes Wasserkraftwerk gem. der vorliegenden Erfindung;
- 2: eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Gezeitenkraftwerk.
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In 1 ist eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus einem strömenden Gewässer dargestellt. Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Fluss handeln, der von einem höher gelegenen Reservoir 5 in ein tiefergelegenes Reservoir 6 strömt, vorzugsweise an einer natürlichen Position, welche diese verschiedenen Reservoirhöhen aufweist. Die Erfindung kann jedoch auch mit einer günstigen Aufstauung des Wassers realisiert werden. Das Wasser strömt von dem höher gelegenen Reservoir 5 durch einen Kanal 1, der mit umlaufenden Wandungen 2 ausgestattet ist in eine Turbine 3, welche einen nicht dargestellten Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms antreibt.
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Dass die Turbine verlassende Wasser strömt durch einen Saugschlauch 7 in das tiefer gelegene Reservoir 6 des Gewässers. Die Oberflächen der beiden Reservoire 5 bis 6 sind gekräuselt dargestellt und stellen die Wasseroberflächen dar. Die Turbine 3 ist mit einer sinngerechten Turbinenachse innerhalb des Kanals 1 montiert.
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Der die Turbine 3 einhausende und die Strömung von den höher gelegenen Reservoir 5 in das tiefergelegene Reservoir 6 leitende Kanal 1 weist seitliche Wandungen 4 auf, welche als Spundwände ausgestaltet sind und aus mehreren nebeneinanderliegenden, geformten Blechen bestehen, welche einander überlappen, so dass ein einseitig geschlossener Kanal 1 aus den Wandungen 4 gebildet wird. In 1 sind nur zwei gegenüberliegende Seitenwandungen des Kanals 1 dargestellt. In Wirklichkeit handelt es sich um ein auch vorne und hinten geschlossenes Gebilde.
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An den Innenseiten der Wandungen 2 des Kanals 1 befinden sich Wärmeleitrohre 4, welche mit einer Flüssigkeit durchströmt werden und welche dazu dienen, dem Wasser, welches aus dem höheren gelegenen Reservoir 5 der Turbine 3 zuströmt, Wärmeenergie zu entziehen. Hierzu sind die Wärmeleitrohre 4 vorzugsweise an eine (nicht dargestellte) Wärmepumpe angeschlossen. Mindestens ein Teil der Wandungen 2 des Kanals 1 ist auf diese Weise mit Wärmeleitrohren 4 versehen.
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Die Darstellung gemäß 1 ist lediglich schematisch. Der Einlaufbereich des Kanals 1 oberhalb der Turbine 3, also die Länge der Wandungen 4 kann erheblich größer sein als in dargestellten Ausführungsbeispiel, sodass das Einlauf der Wasser über eine sehr viel längere Strecke an den Wärmeleitrohren 4 innerhalb des Kanals 1 vorbeiströmt und dem Wasser auf diese Weise mehr Energie entzogen werden kann. Dieser Energieentzug führt naturgemäß zu einer Abkühlung des vorbeiströmenden Wassers, so dass das die Turbine 3 erreichende Wasser kühler ist als das in dem höher gelegenen Reservoir 5 befindliche Wasser und die Anordnung im Bereich des Saugschlauchs 7 mit einer geringeren Temperatur verlässt.
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Aufgrund der Abkühlung des Wassers vor dessen Eintritt in die Turbine 3 erhöhen sich die dynamische Viskosität und die Dichte des Wassers, so dass eine größere Menge an Wasser pro Zeiteinheit durch die Turbine 3 fließt und somit eine höhere Effektivität der Turbine 3 gewährleistet wird. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird also nicht nur gleichzeitig Strom mit Hilfe der Turbine aus dem bewegten Wasser erzeugt und Wärmeenergie durch die Wärmeleitrohre 4 aus dem Wasser abgezogen, sondern es erhöht sich aufgrund der Abkühlung des Wassers infolge des Wärmeentzugs durch die Wärmeleitrohre 4 auch die Effektivität und der Wirkungsgrad der Turbine 3.
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In gleicher Weise lässt sich die erfindungsgemäße Anordnung nicht nur bei einem innerhalb eines Flusses gelegenen Schachtkraftwerks, sondern bei einem klassischen Wasserkraftwerk einsetzten. Hier durchströmt das Wasser ein von einem höhergelegenen Stausee zu einem niedriger gelegenen See führendes Rohr, welches als Kanal 1 fungiert und ebenfalls Wandungen 2 aufweist. An diese Wandungen 2 befinden sich ebenfalls Wärmeleitrohre 4, welche dem Wasser auf dem Weg von dem Stausee ins Tal Wärmeenergie entziehen und es hierbei abkühlen. Das abgekühlte Wasser trifft dann in an sich bekannter Weise auf eine Anordnung aus Turbinen und Generatoren, wodurch elektrische Energie produziert wird und wird anschließend in einen niedriger gelegenen See entlassen. Auch bei dieser Ausführungsform erhöhen sich die Effektivität und der Wirkungsgrad der Turbine 3 aufgrund des kühleren und damit dichteren und viskoseren Wassers.
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In einer alternativen Ausführungsform kann die Erfindung bei einem Gezeitenkraftwerk eingesetzt werden, wie es schematisch in 2 dargestellt ist. Gezeitenkraftwerke werden in der Regel in seichten Küstenregionen aufgestellt und nutzen die oszillierte Bewegung des Wassers aufgrund der Gezeiteneinwirkungen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden Wandungen 2 in den Meeresboden eingetrieben, und zwar mehrere Wandungen 2 parallel zueinander. Hierdurch entstehen zwischen den Wandungen 2 jeweils Kanäle 1, welche jeweils eine Wandung 2 als ausschließliche Begrenzung haben. Innerhalb dieser Kanäle 1 befinden sich die Turbinen 3, welche schematisch dargestellt sind. Die Achse des Schaufelrades der Turbine 3 ist in Strömungsrichtung (durch Pfeile angedeutet) des Wassers während des Durchgangs durch die Kanäle 1 in Folge der Gezeitenströmungen. Die Wandungen 2 sind in der Regel auf das Land hin ausgerichtet, da sich die Gezeiten vom Land auf das Meer und wieder zurückbewegen. Die Anordnung der Wandungen 2 kann jedoch an lokale Gezeitenströmungen angepasst werden. Die Strömungsrichtung des durch die Kanäle 1 fließenden Wassers dreht sich selbstverständlich infolge der Gezeiten um, verläuft also nicht immer in Pfeilrichtung, sondern auch in die entgegengesetzte Richtung. Die Turbinen 3 drehen sich dementsprechend abwechselnd in eine und die andere Richtung.
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Auch bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wandungen 2 der Kanäle als Spundwände ausgebildet, welche in den Meeresboden eingetrieben sind und weisen Wärmeleitrohre 4 auf, welche vertikal an den Wandungen 2 angeordnet sind. Mit diesen Wärmeleitrohren 4, welche auch hier an eine Wärmepumpe angeschlossen sind, wird dem Meereswasser thermische Energie entzogen, so dass kühleres Meereswasser auf die Turbinen 3 strömt und diese antreibt, was infolge der Abkühlung zu einer höheren Dichte und einer höheren dynamischen Viskosität des Meereswassers und somit einer höheren Effektivität der Turbinen 3 bei der Erzeugung des elektrischen Stroms durch nachgeschaltete Generatoren führt.
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In einer alternativen, nicht dargestellten Ausführungsform können die Wandungen 2 auch trichterförmig angeordnet sein, so dass die Turbinen 3 an der engsten Stelle des Trichters angeordnet sind. Ebenfalls ist es möglich, innerhalb der Kanäle im Bereich der Turbinen Durchflussbeschränkungen vorzunehmen, so dass das durchströmende Wasser nur durch den Bereich der Turbinen 3 strömen kann und somit eine höhere Durchflussmenge und damit eine höhere Drehzahl der Turbine erzeugt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2374942 B1 [0004]
- DE 202017006008 U1 [0004]
