Anordnung und Verfahren zur autarken Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung sowie Verwendung der Anordnung in einer Pipeline

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung und ein Verfahren zur autarken Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung, mit einem Rohrabschnitt einer Pipeline, welcher von einem Fluid durchströmbar ist und eine Öffnung aufweist. Des Weiteren bezieht sich die vorlie ^¬ gende Erfindung auf eine Pipeline zum Transport von Gas oder Öl, bei welcher in vorbestimmten, sich wiederholenden Abständen die erfindungsgemäße Anordnung vorgesehen ist.

Pipelines für Erdgas oder Erdöl führen oft durch unbewohntes, klimatisch extremes Gelände. Zur Überwachung einer Pipeline sind in regelmäßigen Abständen, z.B. alle paar Kilometer, Überwachungs- , Mess- oder Monitoringstationen installiert. Diese Stationen benötigen elektrische Energie, z.B. für Sensoren und Datenübertragung. Ein typischer Wert an elektrischer Leistung, welcher für eine solche Station benötigt wird, liegt bei 5kW. Eine zuverlässige Stromversorgung in schwer zugänglichen Gebieten stellt eine große Herausforde- rung dar, erzeugt hohe Kosten und ist oft nur mit hohem Auf ^¬ wand zu gewährleisten.

Üblicherweise werden zur Stromversorgung in den Stationen kleine Gasmotoren mit Generatoren betrieben. Alternativ kön- nen statt Gas auch Dieselmotoren verwendet werden. Die Moto ^¬ ren mit Generatoren müssen wegen der Versorgungssicherheit redundant ausgeführt sein. Dies erhöht die Kosten und führt zu einem hohen Flächenverbrauch und Wartungsaufwand. Relativ kurze Wartungsintervalle erhöhen zusätzlich den Wartungsauf- wand und Wartungskosten.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Anordnung und ein Verfahren zur autarken Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung anzugeben, welche zuverlässig funktionieren, einen geringen Wartungsaufwand erfordern und geringe Kosten erzeugen. Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pipeline zum Transport von Gas oder Öl anzugeben, welche zuverlässig mit Hilfe der er ^¬ findungsgemäßen Anordnung und des erfindungsgemäßen Verfahrens überwacht und/oder geregelt oder gesteuert werden kann, mit geringem Aufwand und geringen Kosten. Die angegebene Aufgabe wird bezüglich der Anordnung zur au ^¬ tarken Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, bezüglich des Verfahrens zur autarken Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 und bezüglich der Pipeline zum Transport von Gas oder Öl mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung zur autarken Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung, des Verfahrens zur autarken Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung und der Pipeline zum Transport von Gas oder Öl gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der Hauptansprüche untereinander und mit Merkmalen der Unter- ansprüche und Merkmale der Unteransprüche untereinander kom ^¬ biniert werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur autarken Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung umfasst einen Rohrabschnitt einer Pipeline, welcher von einem Fluid durch ^¬ strömbar ist und eine Öffnung aufweist. An der Öffnung ist wenigstens eine Entspannungsvorrichtung angeordnet, welche in fluidischem Kontakt mit dem einen Rohrabschnitt steht. Durch die Anordnung wird eine zuverlässige Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung gegeben, welche autark in abgelegenen Regionen funktioniert und keinen hohen Wartungsaufwand erfordert. Dies senkt Kosten gegenüber be- kannten Energieversorgungen, welche entweder in dicht besiedelten Gebieten eine Netzanbindung an die Energienetze erfordert, oder mit Gas- oder Dieselmotoren aufwendig und wartungsintensiv ist. Die Energie wird als mechanische Energie der Fluidströmung (Gas oder Öl) mit hohem Druck bereitgestellt, und durch die Entspannungsvorrichtung in mechanische Dreh- oder Schubenergie bei der Entspannung, d.h. der Verringerung des Drucks durch Volumenzunahme, umgewandelt. Die me ^¬ chanische Energie kann z.B. an einen Generator abgegeben wer- den, welcher elektrische Energie erzeugt. Die mechanische oder elektrische Energie kann zum Betreiben von Messstationen für die Pipelineüberwachung verwendet werden. Eine zusätzliche Bereitstellung von Energie durch Gas oder Öl aus Tanks, welche z.B. per Hand befüllt werden müssen, oder durch elek- frische Netze ist nicht mehr nötig. Die Energie wird direkt der Fluidströmung, welches in der Pipeline mit hohem Druck transportiert wird, entnommen und mechanische Energie durch Ausdehnung des Fluids wird erzeugt. Die Entspannungsvorrichtung kann eine Turbine, insbesondere eine Axial- und/oder Radialturbine, und/oder einen Kolbenmo ^¬ tor umfassen. Im Fall des Kolbenmotors wird der Motor nicht durch Verbrennung in seinen Motorkammern angetrieben, sondern durch die Ausdehnung des Fluids oder von Reaktionsprodukten des Fluids, welche außerhalb des Kolbenmotors erzeugt werden. Die mechanische Energie, welche im hohen Druck des Fluids in der Pipeline gespeichert ist, kann durch die Turbine oder den Kolbenmotor bei Ausdehnung des Fluids direkt in Rotations ^¬ energie, insbesondere zum Antreiben eines Generators, verwen- det werden.

Die Entspannungsvorrichtung kann einen Ausgang aufweisen, an dem ein Nachbrenner angeordnet ist. Dadurch kann z.B. Erdgas in Kohlendioxid umgewandelt werden, wobei letzteres weniger klimaschädlich ist.

Der Nachbrenner kann einen Flammbrenner, einen Porenbrenner, einen FLOX-Brenner und/oder einen katalytischen Brenner um- fassen. Es sind auch alle anderen Arten von Brennern geeignet .

Die Entspannungsvorrichtung kann einen Eingang aufweisen, in fluidischem Kontakt mit dem einen Rohrabschnitt, wobei zwi ^¬ schen Eingang und Öffnung eine Brennkammer angeordnet sein kann. Durch Anordnung der Brennkammer vor der Entspannungsvorrichtung kann die Enthalpie des Fluids, welches als Brenn ^¬ stoff dient, verwendet werden, um die Entspannungsvorrichtung anzutreiben. Durch Verbrennung des Fluids wird eine zusätzliche Druckzunahme bzw. Volumenzunahme erzeugt, welche die Ent ^¬ spannungseinrichtung nutzt, z.B. bei einer Turbine zum Erzeugen von Rotationsenergie. Die Anordnung kann eine Vorrichtung zur Erzeugung einer

Stützflamme zur Gewährleistung der Versorgungssicherheit um ^¬ fassen. So kann bei einem Flammenabriss die Flamme z.B. des Brenners erneut gezündet werden. Die Anordnung kann wenigstens einen Generator umfassen, insbesondere in mechanischer Verbindung mit der Entspannungsvorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie aus der mechanischen Energie der Entspannungsvorrichtung. Die elektrische Energie kann auch genutzt werden zur autarken Energie- Versorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung und auch zur Übertragung von Daten der Messstationen z.B. per Funk an eine zentrale Überwachungsstation.

Es kann eine Welle und/oder ein Gestänge und/oder ein Seil und/oder ein Riemen und/oder ein Getriebe vorgesehen sein, ausgebildet zur Übertragung von mechanischer Rotationsenergie von der Entspannungsvorrichtung auf den wenigstens einen Generator. So wird die mechanische Energie, insbesondere Rota ^¬ tionsenergie, erzeugt in der Entspannungsvorrichtung, auf den Generator übertragen und zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt. Die Anordnung kann eine Steuerung oder eine Regelung zur Anpassung der dem wenigstens einen Generator entnehmbaren Leistung an Bedarfswerte umfassen. Dadurch kann eine energieeffi ^¬ ziente Anordnung bereitgestellt werden, welche nur so viel Energie dem Fluid der Pipeline entnimmt, wie für die Messein ^¬ richtung notwendig ist.

Das Fluid kann aus Erdgas oder aus Erdöl bestehen oder das Fluid Erdgas und/oder Erdöl beinhalten. Auch andere Fluide sind denkbar.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur autarken Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung, insbesondere unter Verwendung einer zuvor beschriebenen Anordnung, umfasst das Durchströmen eines Rohrabschnitts einer Pipeline von einem Fluid. Ein Teil des Fluids wird über eine Öffnung in dem Rohrabschnitt einer Entspannungsvorrichtung zugeführt, in welcher der Teil des Fluids entspannt wird. Dabei wird mecha ^¬ nische Energie erzeugt, welche z.B. in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

Die mechanische Energie der Entspannungsvorrichtung kann wenigstens einem Generator zugeführt werden, in welchem die mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt wird. Der elektrische Strom und/oder die elektrische Spannung des we ^¬ nigstens einen Generators kann zum Betrieb wenigstens einer Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung verwendet werden. In der Entspannungsvorrichtung kann eine reine Entspannung des Fluids ohne Verbrennung erfolgen. In einem Nachbrenner kann eine Verbrennung des Fluids erfolgen, z.B. um weniger klimaschädliche Gase an die Umwelt abzugeben. In einer Brennkammer kann auch eine Verbrennung des Fluids erfolgen und die Brennstoffenthalpie kann in der Entspan ^¬ nungsvorrichtung verwendet werden zur Erzeugung von mechanischer Energie, insbesondere in einer Mikrogasturbine . Eine erfindungsgemäße Pipeline zum Transport von Gas oder Öl umfasst eine zuvor beschriebene Anordnung in vorbestimmten Abständen wiederholt, insbesondere in 10km Abständen und/oder redundant .

Die mit dem Verfahren zur autarken Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung und mit der Pipeline zum Transport von Gas oder Öl, d.h. Erdöl, verbundenen Vorteile sind analog den Vorteilen, welche zuvor im Bezug auf die Anordnung zur autarken Energieversorgung von Messstationen für die Pipelineüberwachung beschrieben wurden.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein.

Es wird in den Figuren dargestellt:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung einer Entspannungsvorrichtung 3 an einer Öffnung 7 eines Rohrabschnitts 1 einer Pipeline mit einem Nachbrenner 5 , und in

Fig. 2 die in Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Anord ^¬ nung, mit einer Brennkammer 5 vor der Entspannungsvorrichtung 3 statt einem Nachbrenner 4. In der Fig. 1 ist eine schematische Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Eine Pipeline ist aus einer Reihe von zum Beispiel zusammengeschweißten Rohren aufgebaut. Die Rohre können unter anderem aus Plastik oder aus Stahl bestehen. In Fig. 1 ist ein Schnitt entlang einer Längsachse eines Rohres bzw. eines Rohrabschnittes 1 darge ^¬ stellt. In der Regel sind Rohre hohlzylindrisch ausgebildet. Wird die Pipeline von einem Fluid 2 durchströmt, wie es zum Beispiel durch ein Gas oder Erdöl gegeben ist, so strömt das Fluid 2 in der Regel in Richtung Längsachse des Rohrabschnit ^¬ tes 1. In der Fig. 1 ist die Strömungsrichtung des Fluids 2 durch einen Pfeil dargestellt.

In der Fluidströmung 2 ist mechanische Energie in Form eines hohen Druckes des Fluids 2 gespeichert. Das Fluid wird in der Regel in Pumpwerken entlang der Pipeline gepumpt, um über Druckunterschiede in der Pipeline entlang der Längsrichtung der Pipeline bewegt zu werden und Reibungsverluste des Fluids 2 mit der Wandung des Pipeline-Rohres zu kompensieren.

Um Größen wie Druck, Strömungsgeschwindigkeit oder Gaszusam- mensetzung des Fluids 2 in der Pipeline in regelmäßigen Abständen messen zu können, sind entlang der Pipeline Messstationen für die Pipelineüberwachung angebracht. Diese enthalten in der Regel eine Reihe von Sensoren, um z. B. die Fluidströmung online kontrollieren zu können. So kann unter an- derem festgestellt werden, ob sich ein Leck in der Pipeline befindet oder das Fluid 2 zu langsam strömt und die Pumpleis ^¬ tung erhöht werden muss. Eine erfindungsgemäße Anordnung ist dazu ausgelegt, eine Messstation auch in abgelegenen Gegenden mit Energie zu versorgen. So können mechanische Energie, Strom und/oder Spannung bereitgestellt werden, um zum Beispiel Sensoren mit Energie zu versorgen und deren Daten zu einer Kontrolleinrichtung per Funk zu übertragen.

Zu diesem Zweck ist an einem Rohrabschnitt 1 einer Pipeline, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, einer Entspannungsvorrichtung 3 angeordnet. In dem Rohrabschnitt 1, welcher in der Re ^¬ gel aus einem hohlzylindrischen Rohr besteht, ist eine Öffnung 7 in der Wandung des Rohres ausgebildet. Die Öffnung 7 kann kreisförmig sein, aber auch andere Formen sind möglich. An der Öffnung 7 ist direkt oder über ein fluiddicht ange ^¬ brachtes Rohr, eine Entspannungsvorrichtung 3 angebracht bzw. angeordnet. Die Entspannungsvorrichtung 3 kann eine Turbine oder ein Kolbenmotor sein. Ein Fluid, z.B. Erdgas oder Erdöl, welches mit hohem Druck durch den Rohrabschnitt 1 gepumpt wird bzw. strömt, kann zu einem kleinen Teil durch die Öffnung 7 entweichen und der Entspannungsvorrichtung 3 zugeführt werden. D.h. es strömt unter hohem Druck vom Inneren des Rohrabschnittes 1 in die Entspannungsvorrichtung 3 und wird dort entspannt. Es dehnt sich in der Entspannungsvorrichtung 3 aus und verrichtet dabei Arbeit, d.h. treibt z.B. eine Turbine oder einen Kolben ^¬ motor an. Dabei wird der Druckunterschied zwischen dem Innen- bereich des Rohrabschnittes 1 und der Umwelt (außerhalb des

Rohrabschnittes 1) genutzt, um mechanische Energie durch Ent ^¬ spannung des Fluids in der Entspannungseinrichtung 3 zu erzeugen bzw. zu gewinnen. Um schädliche Umwelteinflüsse durch das der Pipeline entwei ^¬ chende Fluid 2 zu reduzieren, kann es in einem Nachbrenner 4, welcher am Ausgang 9 der Entspannungsvorrichtung angeordnet ist, verbrannt werden. So kann z.B. Erdgas, welches klima ^¬ schädlicher ist als Kohlendioxid, in Kohlendioxid durch die Verbrennung umgewandelt werden.

Das entspannte Fluid 2 kann dann, entweder direkt aus der Entspannungsvorrichtung 3, oder über den Nachbrenner 4 in klimafreundlicheres Fluid umgewandelt, an die Umwelt abgege- ben werden.

In Fig. 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel darge ^¬ stellt. Statt einer Verbrennung des Fluids in einem Nachbrenner 4 durchzuführen, wie in Fig. 1 gezeigt, wird das Fluid in einer Brennkammer 5 verbrannt. Die Brennkammer 5 ist zwischen der Öffnung 7 im Rohr 1 der Pipeline und der Entspannungsvorrichtung 3 angeordnet. Ein Teil des Fluids 2 aus der Pipeline entweicht mit hohem Druck dem Rohrabschnitt 1 über die Öff ^¬ nung 7 und durch die Verbrennung in der Brennkammer 5 kann der Druck weiter erhöht werden. Das Fluid 2 mit weiter erhöhtem Druck wird der Entspannungsvorrichtung 3 zugeführt und kann durch die Entspannung, d.h. Ausdehnung unter Druckabnahme, mechanische Energie in der Entspannungsvorrichtung 3 er- zeugen, wie im Ausführungsbeispiel zuvor beschrieben. Danach wird das Fluid 2 an die Umwelt abgegeben. Durch die Verbrennung ist z.B. ein klimaschädliches Erdgas in ein klimafreund ^¬ licheres Kohlendioxid umgewandelt, und die bei der Verbren- nung in Form von Druckzunahme (durch Umwandlung eines Gases mit kleinerem in ein Gas mit größerem Volumen pro Stoffmenge) erzeugte Energie kann in der Entspannungsvorrichtung 3 noch zusätzlich zur Erzeugung von mechanischer, z.B. Rotationsenergie genutzt werden.

Ein der Einfachheit halber in den Figuren nicht dargestellter Generator, kann die mechanische Energie in elektrische Ener ^¬ gie umwandeln, welche z.B. in Form von Strom und/oder Spannung zum Betreiben einer Messstation für die Pipelineüberwa- chung genutzt wird. Es sind statt oder zusätzlich zu einer Messstation auch andere Einrichtungen betreibbar, wie z.B. Funkstationen zur Übermittlung von Daten.

Weitere Kombinationen und Ergänzungen der in den Figuren ge- zeigten Ausführungsbeispiele sind ebenfalls möglich. Als Flu ^¬ id 2 zum Transport in der Pipeline können eine Reihe von Stoffen, wie z.B. Gas, Öl, Wasser, aber auch z.B. Kohlendioxid verwendet werden. Im Fall von z.B. Wasser oder Kohlendi ^¬ oxid als Fluid ist die Entspannungsvorrichtung 3 ohne Brenn- kammer 5 oder Nachbrenner 4 zu verwenden, d.h. die erfindungsgemäße Anordnung umfasst in diesem Fall nur den Rohrab ^¬ schnitt 1 der Pipeline, die Öffnung 7 und die Entspannungs ^¬ vorrichtung 3, ohne Brennkammer 5 oder Nachbrenner 4. Der Rohrabschnitt 1 kann aus einer Reihe von Materialien hergestellt sein, z.B. aus mit Plastik beschichtetem Stahlblech oder aus reiner Plastik. Zwischen Rohrabschnitt 1 und Entspannungsvorrichtung 3 sowie am Ausgang 9 der Entspannungsvorrichtung 3 können Ventile angeordnet sein. Diese können zur Regelung oder Steuerung des Fluidstroms benutzt werden, welcher der Pipeline bzw. dem Rohrabschnitt 1 entnommen wird. Vor und/oder hinter der Brennkammer 5 oder dem Nachbrenner 4 können ebenfalls Ventile angeordnet sein zur Regelung oder Steuerung von z.B. Verbrennungsprozessen. Weitere, der Einfachheit halber nicht dargestellte oder beschriebene stan ^¬ dardmäßig an Pipelines vorhandene Vorrichtungen oder an Bren ^¬ nern und Turbinen bzw. Kolbenmotoren vorgesehene Vorrichtun- gen können ebenfalls von der erfindungsgemäßen Anordnung um- fasst sein.