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Title:
GENERATING ENERGY BY MEANS OF AUTARCHIC TYPE 2.1 TO TYPE 4.1 HYDROELECTRIC POWER PLANTS
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2017/054791
Kind Code:
A1
Abstract:
The autarchic type-2.1 to type 4.1 hydroelectric power plants describe a method that extremely efficiently combines with one another the elements and assemblies that have been functioning for decades and, as it were, uses the gravity of the atmosphere, or rather the air pressure, at approx. 1.0 bar, as the main driving force for generating energy. Unlike solar energy and wind energy, the weight of the atmosphere is permanently available 24 hours a day and therefore can generate additional energy around the clock. The siphon principle involved in this method was used in Germany as early as 1927 for surface water transport in construction work and has been used since approximately 1900 to conduct water into lower collecting containers. In the method according to the invention, by using the atmospheric pressure as the driving force, the drop height for the generation of energy at a water turbine is generated by way of the siphon principle and by efficient pump units. It is thus possible that after deducting the energy needs of the pumps used, with type 4.1, for example, 16 units can produce a free and significant generation of energy for about 750,000 people, or for industry. The type-2.1 to type 4.1 plants can be installed above-ground or partially below-ground, depending on soil conditions, in all countries of the world and at costs that will amortize within a short period of time.

Inventors:
MUELLER HANS-JÜRGEN (DE)
Application Number:
PCT/DE2016/000057
Publication Date:
April 06, 2017
Filing Date:
February 16, 2016
Export Citation:
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Assignee:
MUELLER HANS-JÜRGEN (DE)
International Classes:
F03B17/00; F03B17/04
Domestic Patent References:
WO2003012288A12003-02-13
Foreign References:
US20070189111A12007-08-16
DE3123316A11982-12-30
AU2009100253A42009-04-23
DE2015000002W2015-01-09
DE2015000430W2015-08-25
DE2015000479W2015-09-29
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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.

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 cm 2 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 cm 2 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 m 3 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 m 3 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 m 3 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 m 3 .

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 m 3 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, d 2 = 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 m 3 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 m 3 , mit einer Gesamt-Wassermenge von 173,9 m 3 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 m 3 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 m 3 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 m 3 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 m 3 /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.