EP3356668A1 - Energiegewinnung mit autarken wasserkraftanlagen vom typ 2.1 bis typ 4.1 - Google Patents

Energiegewinnung mit autarken wasserkraftanlagen vom typ 2.1 bis typ 4.1

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Publication number
EP3356668A1
EP3356668A1 EP16720320.7A EP16720320A EP3356668A1 EP 3356668 A1 EP3356668 A1 EP 3356668A1 EP 16720320 A EP16720320 A EP 16720320A EP 3356668 A1 EP3356668 A1 EP 3356668A1
Authority
EP
European Patent Office
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water
type
systems
pump
turbine
Prior art date
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Ceased
Application number
EP16720320.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Jürgen Müller
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Original Assignee
Individual
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP3356668A1 publication Critical patent/EP3356668A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/005—Installations wherein the liquid circulates in a closed loop ; Alleged perpetua mobilia of this or similar kind
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/02—Other machines or engines using hydrostatic thrust
    • F03B17/04—Alleged perpetua mobilia
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/06—Other machines or engines using liquid flow with predominantly kinetic energy conversion, e.g. of swinging-flap type, "run-of-river", "ultra-low head"
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/20—Hydro energy

Definitions

  • the difference between the three systems is in the performance, so that the type 2.1 for small plants, the type 3.1 for small towns and small industry and the type 4.1 was designed for medium-sized cities up to 750,000 inhabitants, but also in large-scale industry
  • the advantage lies in the fact that the air pressure is not dependent on ever changing conditions as in the production of wind and solar energy, but that the air envelope with its weight permanently and almost constantly the system at 24 hours during the day and at night available stands.
  • the mode of operation of the system is very simple, the technology has matured over decades and can be used everywhere. Due to the physical and practical uniqueness, recognition can not stand in the way.
  • the system consists of three main groups: a water pump system with highly efficient pumping units, a water lift system with free use of air pressure, and the supply of water flow to a self-explanatory pipe turbine system that uses a generator-transformer block to generate the energy for its own electricity and for the energy gain to feed into the grid provides.
  • the difference in height and the type of pump must be chosen so that the return of the water to the withdrawal basin of the siphon pipe, the optimum operating point and the thus optimized pumping capacity keep the corresponding own power requirement as low as possible.
  • the mode of action of the system to be patented here is to be understood as a circuit utilizing the weight of the air envelope at 10 N (Newton) per cm 2 as the driving force on the one side and the gravity of the water on the other side. It is only important to create a large difference in height between the mentioned line sections, as at a larger height difference, a larger drop height to the turbine arises and thereby, in contrast to other ecological methods, a much higher power generation can be realized.
  • the greater the difference in height the more water of a water flow can flow through the system in the same period, the described driving force of 10 N per cm 2 in the lifter system of potential Energy is converted into kinetic energy.
  • an external force is effective and the first law of thermodynamics is not endangered; the system is therefore not
  • Patent specification is still described - can be generated via a sensor, a constant water level and permanently regulated.
  • the water in the inflow lift section will run from a height of 5.96 m (absolute 8.50 m), over the upper connecting section between inflow and outflow riser into the discharge lift section and fill this, since the closed Slider prevents the drain into the lower basin. Due to the air in the duct system, the water level during the evacuation in the discharge lift section can rise unhindered, so that the overflowing water and the vacuum ventilation itself make it possible to completely vent the entire transfer line.
  • the water to be replenished comes in variant a) from the upper basin.
  • the two-sided connections of the pump to the lower basin and to the intermediate piece between the turbine and siphon line are secured by 100 percent pressure-tight valves, which ensure absolute pressure tightness against infiltration or exfiltration even after switching off the pump.
  • an additional sensor is attached to the inner edge of the siphon pipe section, which stops on reaching the desired level level, via an automatic signal to the management of the centrifugal pump and causes the start of the two vacuum pumps on the upper lift line area.
  • the management of the butterfly valve also has the advantage that in case of failure of a propeller pump, the water flow can be reduced by software, so that when balancing an unnecessary load on the other pumps is avoided until maintenance and shut down the system optimally controlled before maintenance can.
  • the theoretical suction height is reduced by air pressure of 1013 hPa and 4 degrees relative to the NHN level of the region by a loss of 12 cm per 100 meters of height. Furthermore, losses are caused by the weather, with a loss of up to 50 cm due to vapor formation and the specific water temperature in the system.
  • the plants Type 2.1 to Type 4.1 are located approximately 50 percent below the surface and thus justify the assumption of a
  • Lifting section provided, which are accessible for maintenance work on the roof. In the phase of the air extraction, both are in function, then a pump takes over the automatic operational readiness or the removal of small air entries from the water flow, so that the second can serve as a standby pump or as an active support.
  • the lift water flow of the system is determined according to the following formula:
  • H-Geo 6.80 m ( Figure 6/8) corresponds to the difference between the two upper and lower water levels, the circulating amount of water is pumped through the pump units to the higher level.
  • the approach of the amount of water for the system of type 4.1 is divided into three sections a '57.96 m 3 of water per second and according to the
  • a calculated pump-line dimension was calculated, which was adjusted to the system by the pump body via the riser pipes and rounded up to 1.0 m (DN 1.000).
  • the 3 siphon systems will total the water amount: 626.040 m 3 per hour over the 3 risers in three lead down sloping siphon pipes to the 3 water turbines.
  • the calculation according to the same formula as presented gives a dimension of 2.54 m (DN 2.540) for the 3 lift systems.
  • the friction losses of the water transport to the turbine are relatively small with larger dimensions. Regardless, the dimension calculation can be given a security up to DN 2.550, so that possibly a larger
  • Water flow is possible.
  • the pumping power can be controlled and adjusted continuously via a pump management and a water level sensor.
  • the sensor and the controller ultimately regulate the required amount of water for the lift systems in the upper reservoir, so that no air can get into the lift systems.
  • a second water level sensor regulates for the lower limit in the lower basin the starting point, from when a determined evaporation amount of water from a separate water tank, via a water pipe connection, or a well with control is compensated. Over a specified minimum water level, the sensor gives the signal to the pump management, for a limited and external water supply.
  • the pump sets of the leading manufacturers are similar and self-explanatory, so I had to make only the choice for the most efficient propeller pump on the world market, with the lowest power consumption for the calculation of the water cycle, based on the parameters of the system 4.1.
  • the relevant products of the companies are independently capable for the 3 siphon systems with 18 pumps each
  • this unit is largely self-explanatory in its function, so I can limit myself to the most essential details for their use.
  • Priority is here too Note that this type of turbine can also be mounted horizontally, virtually on the floor of the system. Thus, no unnecessary height losses, which would have a deeper excavation result.
  • There are excellent specialists for these units in Germany and Austria who can guarantee the expected amount of electricity generation according to the laws of physics, depending on the amount of water and the height of the fall. The calculation can be tracked at any time on the Internet pages via a small software tool by computer.
  • the type 4.1 wind turbine with an annual profit of 1,353 million MW is clearly more efficient and efficient that at 10% of the cost of the offshore installation and at least twice the system life.
  • the basins of all systems of the type 2.1 to 4.1 are designed according to the principle of the white tub for eternity, so that due to the constant same operating and drinking water conditions essentially only the bearings on the rotating components to be serviced and replaced as a precaution every 20 years.
  • the systems of type 2.1 to type 4.1 can be designed in an even larger design, but also round, square, square, annular, octagonal or as a polygon with more than 54 units or with less and more powerful pumps. After the corresponding pumping power, the dimension of the
  • the second possibility would be to increase the height of the fall through a deeper excavation pit, or to increase the size of the plant, which will provide a higher power gain with the same number of aggregates and thereby higher pumping power consumption.
  • This variant is reserved for the areas that have a suitable subsoil, or for plants with a greater height above ground, which allow or permit an increase in industrial halls or in accordance with the development plan in commercial or industrial areas.
  • the boundary conditions regarding the performance of the pumps according to items 3a) or 3b) should also be checked.

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Abstract

Die autarken Wasserkraftanlagen vom Typ 2.1 bis Typ 4.1 beschreiben ein Verfahren, welches äußerst effizient die bereits seit Jahrzehnten funktionierenden Elemente und Baugruppen miteinander kombiniert und gewissermaßen als Hauptantriebskraft die Schwere der Lufthülle, respektive des Luftdrucks mit ca. 1,0 bar zur Energiegewinnung nutzt. Das Gewicht der Lufthülle ist im Gegensatz zur Sonnen- und Windenergie permanent und 24 Stunden am Tag verfügbar und kann somit rund um die Uhr zusätzlichen Strom erzeugen. Das diesbezüglich eingebundene Heberprinzip wurde in Deutschland schon 1927 zum oberirdischen Wassertransport bei Baumaßnahmen und seit ca. 1900 zur Wasserförderung in tiefere Sammelbehälter benutzt. Mit den hier vorgestellten Verfahren wird durch den atmosphärischen Luftdruck als Antriebskraft, die Fallhöhe zur Stromerzeugung an einer Wasserturbine durch das Heberprinzip und durch effiziente Pumpenaggregate erzeugt. Es ist somit möglich, nach Abzug des Eigenstrombedarfs der eingesetzten Pumpen, beim Typ 4.1 mit beispielsweise 16 Einheiten eine kostenlose und deutliche Energiegewinnung für ca. 750.000 Einwohner, oder für die Industrie zu erwirtschaften. Die Anlagen vom Typ 2.1 bis Typ 4.1 können je nach Bodenbeschaffenheit oberirdisch oder teilweise unterirdisch installiert werden, dies in allen Ländern der Welt und zu Kosten die sich in kurzer Zeit amortisieren werden.

Description

Energiegewinnung mit autarken Wasserkraftanlagen vom Typ 2.1 bis Typ 4.1 1. Vorwort
In einem einheitlichen Patentantrag sollen die bisher angemeldeten Verfahren der autarken Wasserkraftanlagen vom„Typ 2" aus PCT/DE2015/000002,„Typ 3" aus PCT/DE2015/000430 und„Typ 4" aus PCT/DE2015/000479, aufgrund einer absolut identischen Ergänzung in allen drei Varianten der Hebersysteme zusammengefasst und mit dem Zusatz„.1" unterschieden werden. Als Kennwerte werden nur die systemrelevanten Werte des Typ 4.1 beziffert und berechnet, da in den Patentansprüchen die abweichenden Werte bezogen auf kleinere und noch größere Anlagen beschrieben sind.
Der Unterschied der 3 Anlagen besteht in der Leistungsfähigkeit, so dass der Typ 2.1 für Kleinanlagen, der Typ 3.1 für kleine Städte und Kleinindustrie und der Typ 4.1 für mittlere Großstädte bis 750.000 Einwohner konzipiert wurde, aber auch in der Großindustrie
Anwendung finden kann.
Die Patentschrift beinhaltet die wesentlichen Texte der Patentschriften vom Typ 2 bis Typ 4 sowie die spezifischen Merkmale die sich aus den identischen Ergänzungen bei den drei Varianten der Herbersysteme ergeben und explizit in der Figur 8/8 dargestellt sind. Die Ergänzung des Systems ermöglicht den präzisen und synchronen Betrieb der Heberleitung über den Zufluss der Propellerpumpen, so dass ein Sensor mittels Management den
Wasserspiegel präzise im Oberbecken regeln kann.
2. Einleitung
Im Ergebnis der vorteilhaften Kombination von Einzelgruppen in einem abgestimmten Prozess, ergibt sich ein hoher und kostenfreier Energiegewinn, der in Anlehnung an die Sonnen- und Windkraft letztlich nur über die Schwerkraft der Lufthülle, durch den atmosphärischen Luftdruck von 1,0 bar erzeugt wird.
Der Vorteil liegt vor allem darin, dass der Luftdruck nicht wie bei der Gewinnung von Wind - und Sonnenenergie von ständig wechselnden Bedingungen abhängig ist, sondern dass die Lufthülle mit ihrem Gewicht permanent und nahezu konstant dem System an 24 Stunden bei Tag und bei Nacht zur Verfügung steht. Die Wirkweise des Systems ist denkbar einfach, die Technik über Jahrzehnte ausgereift und überall einsetzbar. Aufgrund der physikalischen und praxisbezogenen Eindeutigkeit, kann einer Anerkennung nichts im Wege stehen.
Im Wesentlichen besteht das System aus drei Hauptgruppen: einem Wasserfördersystem mit hocheffizienten Pumpaggregaten, einer Wasserheberanlage mit der kostenlosen Nutzung des Luftdrucks sowie der Zuführung des Wasserstroms zu einem selbsterklärenden Rohrturbinensystem, welches die Wasserkraft über einen Generator-Transformator-Block zur Erzeugung der Energie für den Eigenstrom und für den Energiegewinn zur Einspeisung in das Stromnetz zur Verfügung stellt.
Als wesentliche Maßgabe muss der Höhenunterschied und die Pumpenart so gewählt werden, dass für die Rückführung des Wassers zum Entnahmebecken der Heberleitung, der optimale Betriebspunkt und die damit optimierte Pumpleistung den diesbezüglichen Eigenstrombedarf so gering wie möglich halten.
In den Figuren 1/8 bis 6/8 ist die Anordnung der Baugruppen der 3 Varianten dargestellt und mit den wesentlichsten Bezeichnungen beschriftet. Die Figur 7/8 zeigt die Vogelperspektive der Großanlage Typ 4.1 mit den relevanten Bemaßungen. Abschließend werden in der Figur 8/8 die in allen 3 Varianten ergänzten Zusatzeinheiten der Heberanlage als Detail gemäß den Positionen 3a) und 3b) dargestellt.
Nachfolgend werden informativ die einzelnen Baugruppen in deren Funktion bzw. deren Aufgaben kurz beschrieben.
3. Beschreibung
Die Wirkweise der hiermit zu patentierenden Anlage ist als Kreislauf unter Ausnutzung des Gewichtes der Lufthülle mit 10 N (Newton) je cm2 als Antriebskraft auf der einen Seite und der Schwerkraft des Wassers auf der anderen Seite zu verstehen. Es kommt lediglich darauf an, einen großen Höhenunterschied zwischen den genannten Leitungsabschnitten zu erzeugen, da bei einem größeren Höhenunterschied eine größere Fallhöhe zur Turbine entsteht und dadurch im Gegensatz zu anderen ökologischen Methoden, eine wesentlich höhere Stromerzeugung realisiert werden kann. Je größer der Höhenunterschied ist, desto mehr Wasser eines Wasserstroms kann im gleichen Zeitraum durch das System fließen, wobei die beschriebene Antriebskraft von 10 N je cm2 im Hebersystem von potentieller Energie in kinetische Energie umgewandelt wird. Somit ist eine äußere Kraft wirksam und der 1. Hauptsatz der Thermodynamik ist nicht gefährdet; das System ist somit kein
Perpetuum Mobile.
Als Voraussetzung für eine reibungslose und synchron mit allen Pumpen funktionierende Aktivierung der Heberanlage wird mit diesem Patentantrag ergänzend dokumentiert, dass vor Inbetriebnahme der Heberanlage der abfallende Abfluss-Heberleitungsabschnitt vor dem Turbinenausgang im Unterbecken, mit einem vom Computer-Management gesteuerten, elektrischen Absperrschieber geschlossen wird. Die relativ einfache Installation des senkrecht arbeitenden Absperrschiebers erfolgt am Rand des unteren Innenbeckens. Von der Industrie werden diese Schieber bis 4 Bar Wasserdruck = 40 Meter Wassersäule und bis zu DN 3.200 angeboten. Im Beispiel des Typ 4.1 benötigen wir die Dimension DN 2.550. Zur Evakuierung der Heberleitung stehen zwei Varianten zur Verfügung: a) Die Evakuierung der gesamten Luft innerhalb des Leitungssystems erfolgt unter der Voraussetzung, dass sich der Stutzen des Zufluss-Heberabschnitts im Oberbecken ständig unter Wasser befindet und ein Lufteintritt ausgeschlossen ist. Das heißt, dass Management aktiviert nach dem Schließen des Absperrschiebers das Pumpenmanagement zur
Wasserförderung, so dass im Oberbecken für die Evakuierung - wie in der weiteren
Patentschrift noch beschriebenen wird - über einen Sensor ein konstanter Wasserspiegel generiert und permanent reguliert werden kann. Während des Evakuierungsprozess wird das Wasser im Zufluss-Heberabschnitt ab einer Steighöhe von 5,96 m (absolut 8,50 m), über den oberen Verbindungsabschnitt zwischen Zufluss- und Abfluss-Heberleitung in den Abluss- Heberabschnitt laufen und diesen auffüllen, da der geschlossene Schieber den Abfluss in das Unterbecken verhindert. Aufgrund der im Leitungs-System befindlichen Luft wird der Wasserspiegel während der Evakuierung im Abluss-Heberabschnitt ungehindert steigen können, so dass durch das überlaufende Wasser und die Vakuumentlüftung selbst, die vollständige Entlüftung der gesamten Heberleitung möglich wird. Das aufzufüllende Wasser kommt in der Variante a) aus dem Oberbecken. Die benötigte Evakuierungszeit ergibt sich aus dem Zufluss = 8,50 m, dem Verbindungstück zwischen Zufluss und Abfluss = 7,50 m und dem Abfluss = 15,30 m, also der Gesamtlänge von 31,3 m und der Leitungsdimension von DN 2.540 = 158,6 m3 Luftmenge, die zu evakuieren ist. Es sei darauf hinweisen, dass die verbreitete Meinung - eine Evakuierung von sehr großen Luftmengen wäre sehr energieintensiv, falsch ist. Moderne Vakuumpumpen wie beispielsweise die Klauen- Vakuumpumpe arbeiten berührungslos und betriebsmittelfrei und erzielen heute bis zu 60 Prozent Energieeinsparung bei gleichem Saugvermögen, was vor einigen Jahren noch für undenkbar gehalten wurde. Die vorgesehene Vakuumpumpe mit Aqua Ausrüstung und Schwimmer-Impulsgeber, benötigt zur Evakuierung der 158,6 m3 und dem sich ergebenden geringerem effektiven Saugvermögen nach: S(eff) = V/tx In (p[Start]/p[end])
mit ca. 100 mbar Enddruck = 900 mbar dp und 3,5 kWh Antrieb - mit einer Vakuumpumpe eine Evakuierungszeit von rund 2,85 Stunden.
Der vorgesehene Einsatz von 2 Vakuumpumpen zur Halbierung der Evakuierungszeit und zur Sicherstellung der Funktion bei Ausfall einer Pumpe bewirkt, dass letztlich bis zum Start der Heber = 1,43 Stunden vergehen. b) In der zweiten Variante kommt bei gleichfalls geschlossenem Schieber eine externe Kreiselpumpe (200-150-250) zum Einsatz, die das Unterbecken-Wasser in die Heberleitung bis zur Unterkante des Übergangsstücks vom Zu- und Ablauf fördert. Somit kann das Wasser bei noch ausgeschalteter Vakuumpumpe nicht über den Zufluss in das Oberbecken laufen. Der Vorteil dieser Variante liegt in der verkürzten Evakuierungszeit; der Nachteil in den Anschaffungs- und Wartungskosten der Pumpe. Eine geeignete Kreiselpumpe mit beispielsweise 120 l/s benötigt im Falle Typ 4.1 für die 64,7 m3 Wasser (vom Wasserspiegel des Unterbecken bis zur Unterkante des Verbindungsbereiches 15,3 m minus DN 2,54 m = 12,79 m) nur 9 Minuten, bei einem Stromverbrauch von 2,88 kWh. Selbstverständlich sind die beidseitigen Anbindungen der Pumpe an das Unterbecken und an das Zwischenstück zwischen Turbine und Heberleitung, durch 100 Prozent druckdichte Ventile gesichert, die auch nach Abschaltung der Pumpe eine absolute Druckdichtheit gegen Infiltrations- oder Exfiltrationserscheinungen gewährleisten. Weiterhin wird ein zusätzlicher Sensor am Innerrand des Heberleitungsabschnitt angebracht, der bei Erreichung der Soll- Füllstandshöhe, über ein automatisches Signal an das Management die Kreiselpumpe stoppt und den Start der 2 Vakuumpumpen auf dem oberen Heberleitungsbereich veranlasst. Die Evakuierungszeit in der Variante b) ermittelt sich aus dem verbleibenden Luftvolumen, dem Zulauf = 8,50 m und dem Verbindungsstück aus Zu- und Ablauf mit = 7,50 m, zuzüglich der Dimension vom Ablauf, da das Wasser nur bis zu Unterkante aufgefüllt wird = 2,54 m, also der Gesamtlänge = 18,54 m, der Dimension DN 2.540 - ergibt ein Volumen von 94 m3.
Die Evakuierungszeit beträgt somit für eine Vakuumpumpe 1,81 Stunden und wie im Fall a) für 2 angesetzte Vakuumpumpen = 55 Minuten. Dieser Zeit müssen die 9 Minuten der Auffüllung der Ablauf-Herberleitung mit Wasser addiert werden, so dass wir 64 Minuten (1,04 Stunden) im Falle b) benötigen.
Zusammenfassung zur Evakuierung der Heberanlage:
a) Die Heberleitung wird in 1,43 Stunden mit 9,98 kWh Pumpen-Energieverbrauch entlüftet. b) Die Heberleitung mit Zusatz-Kreiselpumpe wird in 1,04 Stunden mit 9,22 kWh entlüftet.
Eine weitere Verkürzung der Evakuierungszeit wäre über die Leistungserhöhung der Pumpen in beiden Fällen möglich, wobei die Größe, das Gewicht und der Verbrauch berücksichtigt werden müssen. Für beide Varianten gilt der abschließende Vorgang: Sobald die Füllhöhe mit 8,50 Meter vom Wasserspiegel des Oberbecken zur inneren Oberkante der oberen Verbindung erreicht ist, gibt der Schwimmer ein Signal an das Management die
Vakuumpumpen abzuschalten, so dass sich ohne Verzug der vom Management gesteuerte Vorgang des präzisen Hebens der Absperrklappe zur parallelen und synchronen
Leistungserhöhung der Propellerpumpen in Gang setzt. Dieser Vorgang wird nach ca. 2-3 Minuten materialschonend abgeschlossen. Durch die synchrone Steuerung erhöht sich proportional und stetig der Wasserstrom zur Energieerzeugung - bis zum maximalen Wasserdurchfluss. Die Regelung der Absperrklappe per Management hat auch den Vorteil, dass bei einem Ausfall einer Propellerpumpe der Wasserstrom per Software reduziert werden kann, so dass beim Leistungsausgleich eine unnötige Belastung der anderen Pumpen bis zur Wartung vermieden wird und das System generell vor Wartungsarbeiten optimal gesteuert heruntergefahren werden kann.
Abschließend eine Bemerkung zur gleichfalls weit verbreiteten Meinung, dass während des laufenden Betriebes die Evakuierung der von Zeit zu Zeit im oberen Leitungsabschnitt angesammelten Luftmoleküle hoch ist und ein Energieaufwand von maximal 20 kWh am Tag nicht erreicht werden kann. Allein die vorgenannte Energieermittlung für die Entlüftung a) mit 158,6 m3 Luft sollte für die stationären und absolut druckdichten Anlagen argumentativ ausreichen. Auf der im nächsten Punkt 5 erwähnten Baustelle (Berlin 1927), wurden nachweislich für die„laufende Entlüftung" des Systems - für 50 Millionen Kubikmeter Wasser, lediglich einige Kilowattstunden benötigt (Mitteilungen der Polytechnischen Gesellschaft 1927, Seite 251). Dass der geringe Energiebedarf von 1927 - rund 89 Jahre später noch zusätzlich und erheblich reduziert werden kann, ist damit wohl unbestritten. 4. Grundsätzliches zu Heberleitungssystemen
Große Heberleitungssysteme wurden bereits ab 1905 beim Los Angeles-Aquädukt und 1927 bei einem Bauprojekt in Berlin mit beeindruckenden Leitungs-Querschnitten umgesetzt. Die Dimension der Heberleitungen in Amerika mit bis zu 3,05 m (DN 3050) und in Berlin mit 2-fach parallel 1,5 m (DN 1500) sowie DN 800, sind der eindeutige Beleg für die überragende Rolle und die Möglichkeiten des Einsatzes dieser Anwendung. Die Hebersysteme sind sehr effizient, werden aber bis heute im Entwicklungspotential unterschätzt und somit bleiben die diesbezüglichen Ressourcen weitgehend ungenutzt. Mit den Möglichkeiten der damaligen Vakuumtechnik für die Entlüftung der großen Leitungen sowie für das Halte- Vakuum, konnte das Wasser bei Bauprojekten bis ca. 7,50 m und mit der heutigen Technik kann es bis zu 8,50 m des Höhenunterschiedes angehoben und anschließend in einen tiefer gelegenen Bereich, ohne nennenswerten Energieaufwand transportiert werden.
Zur Erläuterung der Heberleistung sei darauf hingewiesen, dass sich die theoretische Saughöhe per Luftdruck von 1013 hPa und 4 Grad, bezogen auf die NHN-Höhe der Region um einen Verlust von 12 cm je 100 Meter Höhe reduziert. Weiterhin entstehen Verluste durch den Wettereinfluss, mit einem Verlust von bis zu 50 cm durch Dampfbildung und die spezifische Wassertemperatur in der Anlage. Die Anlagen Typ 2.1 bis Typ 4.1 befinden sich ca. 50 Prozent unter der Erdoberfläche und rechtfertigen somit die Annahme einer
Temperatur von ca. 17 Grad Celsius, so dass sich die Saughöhe um weitere 21 cm reduziert. Abschließend müssen auch bei großen Dimensionen und einer professionellen, stationären Anlage ca. 10 Prozent für Strömungsverluste berücksichtigt werden. In der Summe reduziert sich deshalb die theoretische Ausgangshöhe von 10,33 m für die Anlage vom Typ 2.1 bis Typ 4.1, um insgesamt ca. 1,52 m, so dass die praktische Saughöhe von 8,81 m zu meiner Berechnungsannahme von 8,50 m, eine zusätzliche Sicherheit von ca. 30 cm erhält.
Der Energieaufwand für die Vakuumpumpe wird damals wie heute lediglich zum
herauspumpen der Luft und für den automatischen Betriebszustand während des Betriebs der Anlage benötigt (siehe Abschnitt 3). Der Stromverbrauch liegt bei diesen Dimensionen und bei modernen Vakuumpumpen während des Betriebs und je nach stationärer oder mobiler Ausführung, heutzutage bei geringen 10 bis 20 kWh am Tag. Es ist nochmals festzuhalten, dass eine dauerhafte Saugwirkung der Vakuumpumpen nur für die vollständige
Entlüftung der Heberleitung, bis zum selbstständigen Fließen des Wassers erforderlich ist. Im Weiteren bedarf es lediglich einer automatischen Entlüftung von systembedingt mitgenommen Luftmolekülen aus der Umgebungsluft, die leichter als Wasser sind und sich grundsätzlich am höchsten Punkt in einem Leitungssystem sammeln. Für die Anlagen vom Typ 2.1 bis Typ 4.1 sind 2 Vakuumpumpen auf dem oberen, horizontal verstärkten
Heberabschnitt vorgesehen, die für Wartungsarbeiten über das Dach erreichbar sind. In der Phase der Luftabsaugung sind beide in Funktion, danach übernimmt eine Pumpe die automatische Betriebsbereitschaft bzw. die Entnahme von geringen Lufteinträgen aus dem Wasserstrom, so dass die zweite als Reservepumpe oder als aktive Unterstützung dienen kann.
5. Leistungsbedarf und Leistungsermittlung der Anlage.
Der Heber-Wasserstrom der Anlage wird nach der folgenden Formel ermittelt:
Q. = Wassermenge, d2 = Dimension in m, e = H-Geo und 1 + Widerstand bzw. Druckverlust.
Am Beispiel der Anlage vom Typ 4.1 wurde infolge des beispielhaften Ansatzes für eine Kompaktanlage mit 6 Teilbereichen mit je 9 Pumpaggregaten = 54 Pumpen, die folgende, zu bewegende Wassermenge ermittelt.
Ansätze:
H-Geo = 6,80 m (Figur 6/8) entspricht dem Unterschied der beiden Ober- und UnterWasserspiegel, wobei die umlaufende Wassermenge über die Pumpenaggregate auf das höhere Niveau gepumpt wird. Der Ansatz der Wassermenge für die Anlage vom Typ 4.1 wird in drei Teilbereiche a' 57,96 m3 Wasser je Sekunde aufgeteilt und entsprechend der
Großanlage um eine ca. 3-fache Wassermenge und in den Ausmaßen erweitert, so dass je Anlageneinheit vom Typ 4.1 = 3 Hebersysteme a' 57,96 m3, mit einer Gesamt-Wassermenge von 173,9 m3 je Sekunde zum Einsatz kommen.
Nach obiger Formel ergibt sich für die 54 Pumpleitungen der 54 Pumpaggregate eine berechnete Pumpen-Leitungs-Dimension, die systembedingt vom Pumpenkörper über die Steigleitungsrohre angepasst, auf 1,0 m (DN 1.000) aufgerundet wurde. Die 3 Hebersysteme werden die Wassermenge von Gesamt: 626.040 m3 je Stunde über die 3 Steigrohre in drei abfallende Heberleitungen den 3 Wasserturbinen zuführen. Somit ergibt die Berechnung nach der gleichen Formel wie vorgestellt, eine Dimension von 2,54 m (DN 2.540) für die 3 Hebersysteme. Die Reibungsverluste des Wassertransports bis zur Turbine sind bei größeren Dimensionen relativ gering. Unabhängig davon kann der Dimensionsberechnung eine Sicherheit bis DN 2.550 gegeben werden, so dass gegebenenfalls auch ein größerer
Wasserfluss möglich ist. Im Besonderen vor dem Hintergrund, da die Pumpleistung permanent über ein Pumpenmanagement und einem Wasserspiegelsensors auf- und ab geregelt bzw. angepasst werden kann. Das heißt, der Sensor und die Steuerung regeln letztlich die benötigte Wassermenge für die Heberanlagen im Oberbecken, damit keine Luft in die Hebersysteme gelangen kann. Ein zweiter Wasserspiegelsensor regelt für den unteren Grenzbereich im Unterbecken den Startpunkt, ab wann eine ermittelte Verdunstungsmenge des Wassers aus einem separaten Wasserbehälter, über einen Wasserleitungsanschluss, oder einem Brunnen mit Steuerung ausgeglichen wird. Über einen festgelegten minimalen Wasserspiegel gibt somit der Sensor das Signal an das Pumpen-Management, für einen begrenzten und externen Wasserzufluss.
6. Pumpenaggregate
Die Pumpenaggregate der führenden Hersteller sind ähnlich und selbsterklärend, so dass ich für die Kalkulation des Wasserkreislaufes, bezogen auf die Parameter der Anlage vom Typ 4.1, nur die Wahl für die leistungsfähigste Propellerpumpe auf dem Weltmarkt, bei geringstem Stromverbrauch zu treffen hatte. Drei gleichwertige Firmen die exzellente Aggregate herstellen und eine Wassermenge von jeweils 3,22 m3 Wasser je Sekunde, bei einem Höhenunterschied von H-Geo mit 6,80 Meter und einem ähnlichem Stromverbrauch fördern können, wurden miteinander verglichen. Die relevanten Produkte der Firmen sind unabhängig voneinander in der Lage, für die 3 Hebersysteme mit je 18 Pumpen, die
Wassermenge von 57,96 m3 Wasser je Sekunde mit einem Stromverbrauch von ca. 252,0 kWh x 18 = 4.536 kWh zu fördern, so dass ich die Kalkulation für den Eigenstrombedarf als zuverlässig und abgesichert betrachten kann.
7. Rohrturbine mit angeschlossenem Generator
Auch dieses Aggregat ist in seiner Funktion weitgehend selbsterklärend, so dass ich mich auf die wesentlichsten Details für deren Einsatz beschränken kann. Vordringlich ist dabei zu beachten, dass diese Turbinenart auch waagerecht, quasi auf dem Boden der Anlage aufgesetzt werden kann. Somit entstehen keine unnötigen Höhenverluste, die eine tiefere Baugrube zur Folge hätten. Für diese Aggregate gibt es in Deutschland und in Österreich ausgezeichnete Spezialisten, die entsprechend der Wassermenge und der Fallhöhe, die zu erwartende Stromerzeugungsmenge nach den Gesetzten der Physik garantieren können. Die Kalkulation kann jederzeit auf den Internetseiten über ein kleines Software-Tool per Computer nachvollzogen werden.
Für eine Einheit vom Typ 4.1 mit 3 Hebersystemen erhalten wir bei der Wassermenge von 57,96 x 3 = 173,9 m3/s und 15,3 Meter Fallhöhe (Bemaßung Figur 6/8), eine Strommenge von 3 x 7.830 kWh = 23.490 kWh an den 3 Generatoren anliegend. Dieser Strommenge muss natürlich der Eigenstromverbrauch der sofort zur Nutzung der Pumpen zur Verfügung steht, abgezogen werden. Das heißt, abzüglich des Strom-Eigenbedarfes für die 54 Pumpaggregate und für die Entlüftung der Bereitschafts-Vakuumpumpen, ist die Summe des
Eigenverbrauchs mit ca. 3 x 4.546 kW je Stunde, von den erwirtschafteten 3 x 7.830 kW je Stunde an den 3 Generatoren, abzuziehen. Aufgrund der notwendigen Transformation des Generatorstroms für die Netzbereitstellung ist der Wert um weitere ca. 3 x 66 kWh zu reduzieren, so dass im Endergebnis eine Menge zur Netzeinspeisung von ca. 3 x 3.218 kWh = 9.654 kWh Energie-Gesamtgewinn, je Anlageneinheit zur weiteren Verwendung oder zum Verkauf zu Verfügung stehen.
Obwohl gemäß Pos 3a) oder b) der aus dem öffentlichen Netz, oder aus eigenen Anlagen zu entnehmende geringe„Anlassstrom" für die Heberleitungen je Einheit mit 3 x 9,98 kWh bzw.
3 x 9,22 kWh berücksichtigt werden müsste, bleiben diese rund 30 kWh für den einmaligen
Systemstart unberücksichtigt, da ich 240 kWh x 3 je Tag und Einheit mit 3 Heberanlagen als zusätzlichem Eigenbedarf eingerechnet habe. Hinweis dazu: Zu den diversen Ansichten zum
Energieverbrauch der Vakuumpumpen im laufenden Betrieb hatte ich bereits Stellung bezogen; dennoch wurde meinerseits bereits in der Vergangenheit und werden in dieser
Schrift für den„laufenden Betrieb" je Heberleitung 20 kWh = 60 kWh am Tag als zusätzlicher
Verbrauch angesetzt. Im vorhergehenden Absatz wurde nach Abzug des Eigenverbrauchs aller Pumpen, 4.546 kW je Stunde geltend gemacht, obwohl nach Pos 6 der Eigenbedarf der
Propellerpumpen nur 4.536 kW je Stunde erfordert (Puffer = 240 kWh/Tag und 720 kWh je
Einheit/Tag). Nach Abzug der 30 kWh und 60 kWh/Tag verbleiben somit rund 630 kWh je
Tag und Einheit für die gesamte Anlagensteuerung, das Management, für den Strombedarf der Schaltschränke (Pumpen, Generator, Transformator), die PC-Systeme, der anteilige Verbrauch für Büro, Licht usw. sowie für die Sicherheitsvorrichtungen innerhalb und außerhalb der Anlagen
Endergebnis: Das vorgestellte System einer Großanlage mit 16 Einheiten in 2 Abschnitten a' 8 Einheiten, würde summiert einen Reingewinn an Energie, durch 16 Einheiten x 9.654 kWh = 9,654 MW 154,464 MW je Stunde, 3.707,136 MW am Tag und ca. 1.353 Millionen MW im Jahr erwirtschaften.
Im Vergleich mit einer im September 2015 in der Ostsee (Nord-Deutschland) in Betrieb genommenen Off shore-An läge mit 1,2 Milliarden kWh = 1.200 Millionen MW im Jahr, ist der Anlagentyp 4.1 mit einem Jahresgewinn von 1.353 Millionen MW eindeutig leistungsfähiger und das bei 10 % der Anschaffungskosten zur Offshore-Anlage und mindestens der doppelten System-Laufzeit. Die Becken aller Anlagen vom Typ 2.1 bis 4.1 sind nach dem Prinzip der weißen Wanne für die Ewigkeit konzipiert, so dass aufgrund der permanent gleichen Betriebs- und Trinkwasserbedingungen im Wesentlichen nur die Lager an den rotierenden Bauteilen gewartet und vorsorglich aller 20 Jahre ausgetauscht werden sollten.
8. Ausblick und Varianten
Selbstverständlich können die Anlagen vom Typ 2.1 bis Typ 4.1 in einer noch größeren Bauform, aber auch rund, eckig, quadratisch, ringförmig, oktogonal oder als Vieleck mit mehr als 54 Aggregaten oder mit weniger und dafür leistungsstärkeren Pumpen konzipiert werden. Nach der entsprechenden Pumpleistung richtet sich die Dimension der
Heberleitung, so dass mit einer leistungsfähigeren Turbine und dem entsprechenden Generater ein höherer Energiegewinn erwirtschaftet werden kann. Die zweite Möglichkeit wäre eine größere Fallhöhe durch eine tiefere Baugrube, oder eine Erhöhung der Anlage vorzunehmen, die bei der gleichen Anzahl von Aggregaten und einem dadurch höheren Eigenstromverbrauch der Pumpen, aber dennoch einen höheren Stromgewinn bereitstellen wird. Diese Variante bleibt den Gegenden vorbehalten die über einen entsprechenden Baugrund verfügen, oder für Anlagen mit einer größeren Höhe über Baugrund, die in Industriehallen, oder entsprechend des Bebauungsplans in Gewerbe- oder Industriegebieten eine Erhöhung ermöglichen bzw. zulassen. Bei einer Erhöhung der Anlagen sind außerdem die Randbedingungen zur Leistungsstärke der Pumpen nach den Positionen 3a) oder 3b) zu überprüfen.

Claims

9. Patentansprüche
1) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass die Energiegewinnung über den Typ 2.1 und Typ 3.1 mit einer Heberanlage und über den Typ 4.1 mit 3 Heberanlagen sowie eine Wasserrückführung gemäß Figur 1/8 bis 6/8 für alle Anlagen möglich ist.
2) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination aus Pumpenaggregat, Wasserheberanlage mit Vakuumentlüftung, die Ableitung des Wasserstroms über eine Wasserturbinen-Generator-Kombination über einem Wasserkreislauf, abzüglich des
Eigenstromverbrauches einen Energiegewinn erwirtschaftet.
3) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass außer der hexagonalen Anlagenform mit 54 betriebenen Aggregaten, auch mehrere Systeme oder mehrere Pumpen auf einer Höhenstufe miteinander kombiniert werden können oder mit größeren Fallhöhen als 15,30 m - stärkere und mit geringeren Fallhöhen als 15,30 m - schwächere Wasserturbinensysteme zum Einsatz kommen können. Die städtische und industrielle Variante des Typ 4.1 kann mit mehr oder weniger als die vorgeschlagenen 16 Einheiten betrieben werden.
4) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass die Errichtung von größeren Anlagen als nach den Figuren 1/8 bis 6/8 die Effizienz gegenüber einzelner Becken und Behälter erhöhen und bezüglich des Energiegewinns die Baukosten senken kann, wobei der Umlauf einer größeren Wassermenge neben der vorgeschlagenen Variante Typ 4.1 mit 3 Heberanlagen, auch mit mehr oder weniger Hebersystemen, mit den entsprechenden Turbinen und
Generatoren erfolgen kann.
5) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass neben den Einzel- und Parallelsystemen je nach Bodenbeschaffenheit mit einer tieferen Baugrube, oder der oberirdischen Erhöhung der Anlage, eine größere Fallhöhe als 15,30 m zur Wasserturbine hin möglich wird. Trotz höherem Eigenstromverbrauch durch die größere Förderhöhe, wird die Turbinen- Abgabeleistung an das Netz einen höheren Gewinn erwirtschaften.
6) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagen vom Typ 2.1 bis Typ 4.1 auch mit einer ringförmigen, oktogonalen Anordnung oder als Vieleck mit mehr oder weniger als 54 Pumpaggregaten, mit einer entsprechend größeren oder kleineren Turbine einen höheren oder niedriger Gewinn erwirtschaftet wird. Der Wasserzufluss kann entsprechend der Becken- oder Behältergröße, Turbinen- wie Pumpenseitig am effizientesten von unten oder auch seitlich erfolgen.
7) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch im Einsatz mit leistungsschwächeren bzw. leistungsstärkeren Pumpen als die vorgeschlagenen mit einer Leistung von 3,22 m3/s funktioniert und andere Pumpenarten bzw. Pumpensysteme oder Kombinationen aus verschiedenen Pumpen und Pumpensystemen möglich sind. Die Anlagen und Leitungen können ab einer Pumpe, zwei, drei usw., entsprechend der Anlagengröße beliebig erweitert und neuen Bedürfnissen angepasst werden.
8) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagen gemäß der diesbezüglichen Grafik-Figuren, in den Lage- und Höhenausmaßen verkleinert oder vergrößert und in einer beliebigen Bauform der Behälter oder Becken, wie beispielsweise in einer quadratischen, rechteckigen oder runden Form, oder als Vieleck gebaut werden können, so dass auch die Heberleitungen in jeder Lageposition, oder auch Himmelsrichtung zum Behälter oder Becken, über dem Oberbecken in den Wasserspiegel getaucht, angeordnet werden können.
9) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass auch die Höhe der Heberleitungen und die Differenz H-Geo zwischen den beiden Wasserspiegeln nach oben oder unten verändert werden können und der Ertrag proportional bei einer größeren Höhe steigen oder bei einer kleineren Höhe fallen wird, wobei sich die Rohr-Dimensionen der Zufluss-, der Heber- bzw. der Abflussleitungen nach der Wassermenge zu richten haben.
10) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass vor Inbetriebnahme der Vakuumpumpen der elektrische oder anderweitige Absperrschieber vor dem Turbinenauslass geschlossen ist und über zwei Varianten die reine Vakuumentlüftung der Heberleitung, oder mittels separatem Wasser-Zufluss zum Heberleitungsabschnitt zur Turbine, per Signal, Sensor und Management, eine verkürzte Evakuierungszeit erreicht werden kann. Nach der Evakuierung der Heberleitung wird der Absperrschieber per Signal geöffnet, so dass der Wasserfluss und die Propellerpumpen stetig und synchron Ihre Leistung bis zum Maximum erhöhen können.
11) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass die Installation eines vom Management gesteuerten Absperrschiebers den Start der Evakuierung, das absolut synchrone Wirken der Heberleitung und Propeller- bzw. Vakuumpumpen und einen Pumpenausfall über den Wasserstrom steuert sowie das Herunterfahren der Gesamtanlage zur Wartung regelt. 12) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass durch die vom Management gesteuerte Absperrklappe vor der Turbine - bis beispielsweise 4 Bar = 40 Meter Wassersäule, die Evakuierung der Heberleitung über einen Wasserzufluss bis zum Verbindungsstück per externer oder interner Pumpe deutlich verkürzt wird, weil nur noch das Verbindungsstück von Zu- und Ablauf und der Zulauf vom Oberbecken evakuiert werden muss. Die Höhe der Heber-Abflussleitung ist somit von der Leistungsstärke der Komponenten abhängig.
13) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zulaufhöhe der Heberleitung von 8,50 m an den örtlich vorherrschenden Luftdruck, bzw. an die örtliche Geländehöhe über Null / Meereshöhe angepasst werden kann, damit eine maximal mögliche Zulaufhöhe unter Berücksichtigung von meteorologischen Schwankungen den Energiegewinn erhöht.
14) Der Anspruch ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auch mit einer anderen Wasserturbinen-Generator-Kombinationen möglich ist sowie die Gebäude-, Becken- und Anlagenanordnung, aber auch die Transformation des Stromes zur Weiterleitung oder zur anderweitigen Nutzung, variabel gestaltet werden kann.
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