WO2021078929A1 - Vorrichtung zur energiegewinnung - Google Patents

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WO2021078929A1
WO2021078929A1 PCT/EP2020/079863 EP2020079863W WO2021078929A1 WO 2021078929 A1 WO2021078929 A1 WO 2021078929A1 EP 2020079863 W EP2020079863 W EP 2020079863W WO 2021078929 A1 WO2021078929 A1 WO 2021078929A1
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heat
turbine
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PCT/EP2020/079863
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Thomas Noll
Bernhard Puttke
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Thomas Noll
Bernhard Puttke
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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
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B9/00—Water-power plants; Layout, construction or equipment, methods of, or apparatus for, making same
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24V—COLLECTION, PRODUCTION OR USE OF HEAT NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F24V50/00—Use of heat from natural sources, e.g. from the sea
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/60—Application making use of surplus or waste energy
    • 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
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/50—Hydropower in dwellings
    • 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
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    • 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
    • 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
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/30—Energy from the sea, e.g. using wave energy or salinity gradient

Definitions

  • the invention relates to a device for generating energy in the form of electricity, heat and cold from a body of water flowing within a channel provided with walls according to the preamble of claim 1, hereinafter referred to as HHPP for short (Hybrid Hydro Power Plant).
  • a large number of devices for generating energy using hydroelectric power stations are known from the prior art, in which the water from a higher lake, which can be a reservoir, is guided into a lower lake via pipes, with several pipes at the end of the pipes Turbines and generators are arranged, which generate electricity from the kinetic energy of the water flowing down.
  • Similar constructions are used within rivers, e.g. as so-called shaft power plants or run-of-river power plants.
  • at least part of the river is directed into a shaft in which a turbine and a generator are located.
  • Tidal power plants are mostly located in the area of coasts with strong tidal effects, current power plants are mostly in the area of coasts with strong thermohaline circulations.
  • Hybrid forms of energy generation are also known, such as PVT -Ko hectares (Photo-Voltaic & Thermal) for the simultaneous generation of electricity and heat.
  • PVT -Ko hectares Photo-Voltaic & Thermal
  • the hybrid in the form of a hybrid combustion engine is the best-known example.
  • Tu is the mean temperature of the heat source (approx. 0 ° C for geothermal collectors, 10 ° C for geothermal probes and groundwater and> 11 ° C for energy sheet pile walls)
  • WP the efficiency of the heat pump. This is 0.35 with air HP, 0.45 with brine HP and 0.5 with water HP and is highest with water HP, among other things because the viscosity of water is 4 times lower than with brine with approx. 15% glycol content.
  • CN107781096 A shows a generator with an electric turbine connected to it, on the axis of which - can be decoupled via a coupling - the compressor of a heat pump, which works as a refrigeration machine, is attached, with heat exchangers arranged in the outflow area of the water to dissipate the heat generated in the condenser are. There is no cooling of the water in the inlet area of the turbine - and the associated increase in the efficiency of the turbine - is not given here.
  • the task is to develop a device for generating energy in the form of electricity, heat and cold including the decentralized distribution of the generated heat and cold from a body of water flowing within a channel provided with walls so that the effectiveness of electricity generation and the efficiency of the heat pump are increased.
  • the invention relates in particular to a device for generating energy from a body of water flowing within a channel provided with walls, which drives a turbine arranged in the channel or immediately thereafter. This in turn drives a generator to generate electricity.
  • a device for generating energy from a body of water flowing within a channel provided with walls which drives a turbine arranged in the channel or immediately thereafter.
  • This drives a generator to generate electricity.
  • at least a part of the walls of the channel in the water inlet area is formed by a sheet pile wall equipped with heat conduction pipes for the extraction or supply of thermal energy from the body of water.
  • the heat conduction pipes are advantageously designed either as cavities between adjacent elements of the sheet pile wall or placed on a surface of the sheet pile wall, e.g. on the surface which is opposite the inner duct wall, i.e. which is exposed to water.
  • the heat pipes are connected to a heat pump in order to process the heat extracted from the water and convert it into thermal energy.
  • the channel has, for example, a circumferential wall and is part of a hydroelectric power plant, in which water flows from a higher reservoir through the channel into a lower reservoir. It can therefore be a hydropower plant in a river, in which the guide channels are designed as thermally activated sheet piling walls.
  • the hydropower plant is a shaft power plant within a river, hereinafter referred to as HHPP.
  • the canal is circumferential and the water flows from a higher to a lower level.
  • the concrete walls to be erected during the construction of the shaft power plant to steer and demarcate the water flow from the natural river bed during floods can also be replaced by thermally activated sheet piling in the water inlet area of the turbine, which thus become an integral part of the entire hydropower plant.
  • the thermal extraction capacity can be significantly increased compared to the sole use in the area of the shaft around the turbine. This significantly increases the thermal output of the HHPP, which is advantageous for using the "cold heat" generated in heating networks.
  • the channel can have only lateral walls, that is to say two parallel walls which are arranged essentially perpendicular to the surface of a coastal section of a sea, that is to say a body of water moved by tides, and are thus part of a tidal power plant.
  • the entire area between parallel walls forms the flow area for the water flowing in or out due to the tides and the turbines are arranged between them with axes of rotation parallel to the walls. They can be located within ducts or stand freely between the walls.
  • the walls are preferably arranged parallel to one another, but they can also be placed slightly funnel-shaped to one another, the turbine then being located at the narrowest point of the funnel in order to achieve the highest possible efficiency.
  • TW temperature changing device
  • Fig. 2 a schematic plan view of an inventive
  • a device for generating energy is shown from a flowing body of water.
  • This can be, for example, a river that flows from a higher reservoir 5 into a lower reservoir 6, preferably at a natural position which has these different reservoir heights.
  • the invention can also be implemented with a damming up of the water.
  • the water flows from the higher reservoir 5 through a channel 1, which is equipped with circumferential walls 2, into a turbine 3, which drives a generator (not shown) to generate electrical power.
  • the water leaving the turbine flows through an outflow funnel 7 into the lower reservoir 6 of the body of water.
  • the surfaces of the two reservoirs 5 and 6 are shown curled and represent the water surfaces.
  • the turbine 3 is mounted within the channel 1 with a vertical turbine axis.
  • the channel 1, which houses the turbine 3 and conducts the flow from the higher reservoir 5 into the lower reservoir 6, has lateral walls 2, which can be configured as concrete walls with steel sheet piling in front of them with heat conduction pipes 4, which in turn consist of several, arranged side by side and over the sheet pile interlocks consist of interlocked sheet piles and form a closed channel 1.
  • the heat pipes 4 and the sheet pile walls formed from them are located in the water inlet area of the turbine.
  • the channel 1 that houses the turbine 3 and the flow from the higher reservoir 5 into the lower reservoir 6 has lateral walls 4, which are designed as sheet piling and consist of several adjacent, shaped metal sheets which overlap each other so that one side closed channel 1 is formed from the walls 4.
  • lateral walls 4 which are designed as sheet piling and consist of several adjacent, shaped metal sheets which overlap each other so that one side closed channel 1 is formed from the walls 4.
  • Figure 1 only two opposite side walls of the channel 1 are shown. In reality, it is a structure that is also closed at the front and back.
  • heat conduction pipes 4 Through the inside of the walls 2 of the channel 1 in the water inlet area there are heat conduction pipes 4 through which a liquid flows and which serve to extract thermal energy from the water flowing from the higher reservoir 5 of the turbine 3.
  • the illustration according to FIG. 1 is only schematic.
  • the inlet area of the channel 1 above the turbine 3, i.e. the length of the walls 4, can be considerably larger than in the illustrated embodiment, so that the incoming water flows past the heat pipes 4 within the channel 1 over a much longer distance, and in this way the water more Energy can be withdrawn.
  • This extraction of energy naturally leads to a cooling of the water flowing past, so that the water reaching the turbine 3 is cooler than the water in the higher reservoir 5a and leaves the arrangement in the area of the discharge funnel 6 at a lower temperature.
  • the dynamic viscosity and the density of the water increase, so that a larger amount of water per unit of time flows through the turbine 3 and thus a higher efficiency of the turbine 3 is ensured.
  • the arrangement according to the invention does not only take place at the same time Electricity is generated from the moving water with the help of the turbine and thermal energy is extracted from the water through the heat pipes 4, but the effectiveness and efficiency of the turbine 3 also increases due to the cooling of the water as a result of the heat extraction through the heat pipes 4.
  • the arrangement according to the invention can be used not only in a shaft power plant located within a river, but in a pumped storage power plant.
  • the water flows through a pipe leading from a reservoir at a higher level to a lake at a lower level, which acts as a channel 1 and also has walls 2.
  • On these walls 2 there are also heat conduction pipes 8, which extract thermal energy from the water on the way from the reservoir to the valley and thereby cool it down.
  • the cooled water then meets an arrangement of turbines and generators in a manner known per se, whereby electrical energy is produced and is then released into a lower lake.
  • the effectiveness and the efficiency of the turbine 3 are increased due to the cooler and thus denser and more viscous water.
  • a reverse process is possible in summer when cold is required for air conditioning instead of heat for heating. This is possible by reversing the process, in that the heat pipes are not fed by a cold medium from the evaporator of a HP, but by a warm medium from the condenser, whereby the body of water warms up slightly. Since the medium is cooled to temperatures close to the water temperature, cooling is usually possible as free cooling without falling below the dew point, i.e. without going through a chiller, which significantly reduces operating costs.
  • the invention can also be used in a tidal or ocean current power plant, as shown schematically in FIG. 2.
  • Power plants of this type are usually set up in coastal regions and use the oscillating movement of the water due to the tidal effect or the continuous flow due to thermohaline ocean currents.
  • a plurality of turbines can also be fitted one behind the other in a duct, as is shown schematically in FIG.
  • Tidal power plants are usually set up in shallow coastal regions and use the oscillating movement of the water due to the effects of the tides.
  • walls 2 are driven into the sea floor, namely several walls 2 parallel to one another. This creates channels 1 between the walls 2, each of which has a wall 2 as an exclusive boundary.
  • the turbines 3, which are shown schematically, are located within these channels 1.
  • the axis of the impeller of the turbine 3 is in the direction of flow (indicated by arrows) of the water during passage through the channels 1 as a result of the tidal currents.
  • the walls 2 are usually oriented towards the land, since the tides move from the land to the sea and back again.
  • the arrangement of the walls 2 can, however, be adapted to local tidal currents.
  • the direction of flow of the water flowing through the channels 1 is of course reversed as a result of the tides, so it does not always run in the direction of the arrow, but also in the opposite direction.
  • the turbines 3 accordingly rotate alternately in one direction and the other.
  • the walls 2 of the channels are designed as sheet piling which are driven into the seabed and have heat conduction pipes 4 which are arranged vertically on the walls 2.
  • the thermal extraction capacity is not limited, since in the subject matter of the present invention the heat exchanger is part of the static construction of the power plant. According to the invention, there is no risk of the power plant rake being damaged by debris in the event of flooding, since the heat conduction pipes are arranged in a protected manner behind the sheet pile wall. In addition, the functionality of the is usually inclined and exposed at low tide Power plant rake in winter is not restricted according to the invention, because the heat pipes are positioned exclusively in the area under water.
  • the walls 2 can also be arranged in the shape of a funnel, so that the turbines 3 are arranged at the narrowest point of the funnel. It is also possible to restrict the flow rate within the channels in the area of the turbines, so that the water flowing through can only flow through the area of the turbines 3 and thus a higher flow rate and thus a higher speed of the turbine is generated.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energiegewinnung aus einem innerhalb eines mit Wandungen (2) versehenen Kanals (1) strömenden Gewässer, welches eine in dem Kanal (1) oder unmittelbar danach angeordnete Turbine (3) antreibt, die wiederum einen Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms antreibt. Bekannte derartige Vorrichtungen weisen den Nachteil geringer Effizienz auf. Die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Energiegewinnung in Form von Strom, Wärme und Kälte aus einem innerhalb eines mit Wandungen versehenen Kanals strömenden Gewässers so weiterzubilden, dass die Effektivität der Stromerzeugung sowie die Effizienz der Wärmepumpe erhöht werden, wird dadurch gelöst, dass mindestens ein Teil der im Wassereinlaufbereich befindlichen Wandungen (2) des Kanals (1) durch eine mit Wärmeleitrohren (4) ausgestattete Spundwand zur Entnahme thermischer Energie aus dem Gewässer ausgebildet ist.

Description

Vorrichtung zur Energiegewinnung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Energiegewinnung in Form von Strom, Wärme und Kälte aus einem innerhalb eines mit Wandungen versehenen Kanals strömenden Gewässer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, im folgenden kurz HHPP genannt (Hybrid Hydro -Power Plant).
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 See, der ein Stausee sein kann, 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 u.a. als sogenannte Schachtkraftwerke oder Laufwasserkraftwerke eingesetzt. Hier wird zumindest ein Teil Flusses in einen Schacht gelenkt, in dem sich eine Turbine und ein Generator befinden.
Andere Kraftwerke zur Nutzung der Wasserkraft sind Gezeiten- oder Meeresströmungskraftwerke, bei denen Turbinen auf dem Meeresboden befestigt sind, welche durch die Bewegung des darüber liegenden Meerwassers in Gestalt von Gezeitenströmungen oder natürlichen Meeresströmungen angetrieben werden. Gezeitenkraftwerke befinden sich meist im Bereich von Küsten mit starken Gezeiteneffekten, Strömungskraftwerke meist im Bereich von Küsten mit starken thermohalinen Zirkulationen.
Auch hybride Formen der Energieerzeugung sind bekannt, wie z.B. PVT -Ko Hektaren (Photo- Voltaic & Thermal) zur gleichzeitigen Erzeugung von Strom und Wärme. Im Verkehrsbereich ist „der Hybrid“ in Form eines hybriden Verbrennungsmotors das bekannteste Beispiel.
Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt, Wärmepumpen (WP) in Verbindung mit geothermischen Wärmequellen wie z.B. Erdkollektoren, Kollektorfeldern, Grundwasser oder Energiespundwänden zu verwenden. In allen Fällen wird im Solekreis kaltes Medium vom Verdampfer der WP über die etwas höheren Temperaturen im angrenzenden geothermischen Umfeld erwärmt. Auf diese Weise kann die Wärme der Umgebung, in die der Kollektor eingebettet ist, entzogen werden. Im Fall von Spundwänden ist eine derartige Anordnung Gegenstand der EP 2 374 942 Bl. Eine ähnliche, sogenannte Energiespundwand ist in der DE 20 2017 006 008 Ul beschrieben. Hierbei ist vorgesehen, den Wärmeaustausch mit der Umgebung über ein zusätzliches Bauteil wie z.B. ein Wärmerohr zu realisieren, welches in Form eines mit der Spundwand verbundenen Hohlraums realisiert ist.
Für den COP (Coefficient of Performance) von Wärmepumpen gilt die bekannte Beziehung COP=r|wp*Tsink/(Tsink-Tu). Hierin ist TSink die Temperatur der Wärmesenke
(= Vorlauftemperatur in den Heizkreis), Tu die mittlere Temperatur der Wärmequelle (ca. 0°C bei Erdkollektoren, 10°C bei Erdsonden und Grundwasser und >11°C bei Energiespundwänden) und T|WP der Wirkungsgrad der Wärmepumpe. Dieser beträgt bei Luft- WP 0,35, bei Sole-WP 0,45 und bei Wasser- WP 0,5 und ist bei Wasser- WP am höchsten, u.a. weil die Viskosität von Wasser um den Faktor 4 geringer ist als bei Sole mit ca. 15% Glycol- Anteil.
Die CN107781096 A zeigt einen Generator mit einer daran angeschlossenen elektrischen Turbine, auf deren Achse - auskoppelbar über eine Kupplung - der Verdichter einer Wärmepumpe, die als Kältemaschine arbeitet, angebracht ist, wobei im Aus strombereich des Wassers Wärmeaustauscher zum Abführen der im Kondensator entstehenden Wärme angeordnet sind. Eine Abkühlung des Wassers im Einlassbereich der Turbine - und damit verbunden eine Steigerung der Effizienz der Turbine - ist hier nicht gegeben. Weitere Nachteile sind zu erwarten aufgrund der starren Kopplung des Verdichters an die Turbinenachse und damit verbunden einer konstanten Drehzahl des Verdichters, die über die Netzfrequenz vorgegeben ist, wegen zusätzlicher Anforderungen an die ohnehin aufwändige Drehzahlregelung der Turbine aufgrund der Bremswirkung bei Einkoppeln des Verdichters und aufgrund einer Erwärmung des Flusswassers, was im Sommer zu erhöhten Wassertemperaturen und sogar zu Fischsterben führen kann.
Eine ähnliche Anordnung findet sich in der DE 10 2005 028 300 Al. Hier ist der Wärmeaustauscher zwar vor der Turbine im Kraftwerksrechen angeordnet, jedoch weist die Anordnung Nachteile auf, die zu einer Verschlechterung des Betriebsverhaltens und der Leistung führen. Nämlich ist die thermische Entzugsleistung aufgrund der Integration des Wärmetauschers in den Kraftwerksrechen begrenzt und bei Hochwasser besteht das Risiko einer Beschädigung des Kraftwerksrechens durch Geröll. Außerdem ist die Funktionalität des in der Regel schräg angeordneten und bei Niedrigwasser frei liegenden Kraftwerksrechens im Winter stark eingeschränkt. Es besteht, ausgehend von dem eingangs genannten Stand der Technik, die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Energiegewinnung in Form von Strom, Wärme und Kälte einschließlich der dezentralen Verteilung der erzeugten Wärme und Kälte aus einem innerhalb eines mit Wandungen versehenen Kanals strömenden Gewässers so weiterzubilden, dass die Effektivität der Stromerzeugung sowie die Effizienz der Wärmepumpe erhöht wird.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, insbesondere die Wärmeverteilung betreffend, sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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 im Wassereinlaufbereich durch eine mit Wärmeleitrohren ausgestattete Spundwand zur Entnahme oder Einspeisung thermischer Energie aus dem Gewässer ausgebildet.
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.
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.
Da durch diese Maßnahme u.a. die Wärmeentzugsleistung erhöht wird, ist es möglich, die Eintrittstemperatur des kalten Mediums in den Absorber von typisch -5°C bei Kollektorfeldern auf Werte über 0°C anzuheben und somit auf die Verwendung von Frostschutzmitteln im Solekreis zu verzichten. Das wiederum verringert die Viskosität des Mediums und somit die Pumpleistung der Solepumpe, was u.a. zur Effizienzsteigerung der WP führt. Alternativ kann auch die Kollektorfläche verkleinert werden, was zu einer weiteren Kosteneinsparung führt. Die Wärmeleitrohre sind mit einer Wärmepumpe verbunden, um die dem Wasser entnommene Wärme weiterzuverarbeiten und in Wärmeenergie umzuwandeln.
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 Wasserkraftwerk in einem Fluss handeln, bei dem die Führungskanäle als thermisch aktivierte Spundwände ausgebildet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem Wasserkraftwerk um ein Schachtkraftwerk innerhalb eines Flusses, im Folgenden mit HHPP bezeichnet. Auch hier ist der Kanal umlaufend und das Wasser strömt von einem höheren in ein niedrigeres Niveau. Zusätzlich können die beim Bau des Schachtkraftwerks zu errichtenden Betonmauern zur Lenkung und Abgrenzung des Wasserflusses vom natürlichen Flussbett bei Hochwasser ebenfalls durch thermisch aktivierte Spundwände im Wassereinlaufbereich der Turbine ersetzt werden, die somit zu einem integralen Bestandteil der gesamten Wasserkraftanlage werden. Hierdurch kann die thermische Entzugsleistung gegenüber der alleinigen Verwendung im Bereich des Schachts um die Turbine deutlich erhöht werden. Damit wird die thermische Leistung des HHPP deutlich erhöht, was für die Nutzung der erzeugten „kalten Wärme“ in Wärmenetzen von Vorteil ist. 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. Durch das Zusammenschalten mehrerer Kanäle entsteht eine vorzugsweise rechteckige Energieplattform, deren Oberfläche für weitere Zwecke nutzbar ist, wie z.B. die Erzeugung von zusätzlicher Wärme über Solar- oder P VT -Kollektoren und eine zum Betrieb von Wärmenetzen vorteilhafte Anhebung der Temperatur aus dem Rücklauf der Spundwand auf ein höheres Niveau über eine Temperatur- Veränderungs- Vorrichtung (TW) und Einspeisen der Wärme in ein Wärmenetz. Die Verwendung des Begriffs TW ist hier zielführender als der Begriff Wärmepumpe, weil es bei Wärmenetzen nicht nur darauf ankommt, die Vorlauftemperatur in das Netz auf ein vernünftiges Niveau anzuheben, sondern auch darauf, die Rücklauftemperatur aus dem Netz auf ein Niveau abzusenken, welches es erlaubt, über die Spundwand Wärme zu gewinnen, wozu die Vorlauftemperatur in das Wärmeleitrohr niedriger als die Temperatur des Flusswassers sein muss.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
Fig. 1: einen schematischen Querschnitt durch ein als Schachtkraftwerk ausgebildetes Wasserkraftwerk gern der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2: eine schematische Draufsicht auf eine erfindungsgemäße
Energieplattform;
In Figur 1 ist eine Vorrichtung zur Energiegewinnung (HHPP) 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 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.
Das die Turbine verlassende Wasser strömt durch einen Ausflusstrichter 7 in das tiefer gelegene Reservoir 6 des Gewässers. Die Oberflächen der beiden Reservoire 5 und 6 sind gekräuselt dargestellt und stellen die Wasseroberflächen dar. Die Turbine 3 ist mit einer senkrechten Turbinenachse innerhalb des Kanals 1 montiert. Der die Turbine 3 einhausende und die Strömung vom höher gelegenen Reservoir 5 in das tiefergelegene Reservoir 6 leitende Kanal 1 weist seitliche Wandungen 2 auf, die als Betonwände mit davor platzierten Stahlspundwänden mit Wärmeleitrohren 4 ausgestaltet sein können, die ihrerseits aus mehreren, nebeneinander angeordneten und über die Spundwandschlösser miteinander verriegelten Spundwandbohlen bestehen und einen geschlossenen Kanal 1 bilden. Die Wärmeleitrohre 4 und die daraus gebildeten Spundwände befinden sich im Wassereinlaufbereich der Turbine.
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 Figur 1 sind nur zwei gegenüberliegende Seitenwandungen des Kanals 1 dargestellt. In Wirklichkeit handelt es sich um ein auch vorne und hinten geschlossenes Gebilde.
An den Innenseiten der Wandungen 2 des Kanals 1 befinden sich im Wassereinlaufbereich 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.
Die Darstellung gemäß Figur 1 ist lediglich schematisch. Der Einlaufbereich des Kanals 1 oberhalb der Turbine 3, also die Länge der Wandungen 4 kann erheblich größer sein als im dargestellten Ausführungsbeispiel, sodass das einlaufende Wasser über eine sehr viel längere Strecke an den Wärmeleitrohren4 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 5a befindliche Wasser und die Anordnung im Bereich des Auslauftrichters 6 mit einer geringeren Temperatur verlässt.
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.
In gleicher Weise lässt sich die erfindungsgemäße Anordnung nicht nur bei einem innerhalb eines Flusses gelegenen Schachtkraftwerk, sondern bei einem Pumpspeicherkraftwerk einsetzten. Hier durchströmt das Wasser ein von einem höhergelegenen Stausee zu einem niedriger gelegenen See führendes Rohr, welches als Kanal 1 füngiert und ebenfalls Wandungen 2 aufweist. An diese Wandungen 2 befinden sich ebenfalls Wärmeleitrohre 8, 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.
Ein umgekehrter Prozess ist im Sommer möglich, wenn anstelle Wärme zum Heizen Kälte zum Klimatisieren benötigt wird. Dies ist durch eine Prozessumkehr möglich, indem die Wärmeleitrohre nicht von kaltem Medium aus dem Verdampfer einer WP, sondern von warmem Medium aus dem Kondensator gespeist werden, wobei sich das Gewässer leicht erwärmt. Da das Medium auf Temperaturen nahe der Gewässertemperatur abgekühlt wird, ist die Kühlung in der Regel als Freikühlung ohne Taupunktunterschreitung möglich, d.h. ohne den Umweg über einen Chiller, wodurch die Betriebskosten deutlich gesenkt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Erfindung auch bei einem Gezeiten- bzw. Meeresströmungskraftwerk eingesetzt werden, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt. Kraftwerke dieser Art werden in der Regel in Küstenregionen aufgestellt und nutzen die oszillierende Bewegung des Wassers aufgrund der Gezeitenwirkung bzw. die kontinuierliche Strömung aufgrund thermohaliner Meeresströmungen.
Je nach Länge können in einem Kanal auch mehrere Turbinen hintereinander angebracht werden, wie es schematisch in Figur 2 dargestellt ist. Gezeitenkraftwerke werden in der Regel in seichten Küstenregionen aufgestellt und nutzen die oszillierte Bewegung des Wassers aufgmnd 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. 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. Im Unterschied zu der eingangs genannten CN107781096 ist beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung eine Abkühlung des Wassers im Einlassbereich der Turbine - und damit verbunden eine Steigerung der Effizienz der Turbine - gegeben.
Im Unterschied zu der ebenfalls eingangs DE 10 2005 028 300 Al ist die thermische Entzugsleistung nicht begrenzt, da beim Gegenstand der vorliegenden Erfindung der Wärmetauscher Teil der statischen Konstruktion des Kraftwerks ist. Bei Hochwasser besteht erfindungsgemäß kein Risiko einer Beschädigung des Kraftwerksrechens durch Geröll, da die Wärmeleitrohre geschützt hinter der Spundwand angeordnet sind. Ausserdem ist die Funktionalität des in der Regel schräg angeordneten und bei Niedrigwasser frei liegenden Kraftwerksrechens im Winter erfindungsgemäß nicht eingeschränkt, weil die Wärmeleitrohre ausschließlich im Bereich unter Wasser positioniert sind.
In einer alternativen, nicht dargestellten Ausfiihrungsform 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.

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung zur Energiegewinnung aus einem innerhalb eines mit Wandungen (2) versehenen Kanals (1) strömenden Gewässer, welches eine in dem Kanal (1) oder unmittelbar danach angeordnete Turbine (3) antreibt, die wiederum einen Generator zur Erzeugung elektrischen Stroms antreibt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der im Wassereinlaufbereich befindlichen Wandungen (2) des Kanals (1) durch eine mit Wärmeleitrohren (4) ausgestattete Spundwand zur Entnahme thermischer Energie aus dem Gewässer ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitrohre (4) als Hohlräume zwischen benachbarten Elementen der Elemente der Spundwand ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitrohre (4) auf eine Oberfläche der Spundwand aufgesetzt sind.
4. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitrohre (4) mit einer Wärmepumpe verbunden sind.
5. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (1) eine umlaufende Wandung aufweist und Teil eines Wasserkraftwerks ist, bei welchem Wasser aus einem höher gelegenen Reservoir (5) durch den Kanal in ein tiefer gelegenes Reservoir (6) strömt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasserkraftwerk als Schachtkraftwerk innerhalb eines Flusses ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (1) nur seitliche Wandungen aufweist, welche im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche eines durch Gezeiten bewegten Gewässers angeordnet sind, und somit Teil eines Gezeitenkraftwerks ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Wandungen (2) parallel zueinander angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die seitlichen Wandungen trichterförmig zueinander angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Kanälen zu einer Energieplattform zusammengefasst sind.
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