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 T _Sink 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.