Wasseranlage und Verfahren zur Energiegewinnung durch Einsatz eines Wasserspeichers und einer mit einem Rohr untereinander verbundenen Zylindereinheit mit einer darin frei beweglichen Kolbeneinheit unter Ausnutzung der Gravitation und des Auftriebs .

Als nahe liegende Lösung des Standes der Technik ist die Schrift DE 3123316 Al heranzuziehen. Hier wird eine

Wasserkraftanlage mit vorzugsweise im Kreislauf geführten Wasser beschrieben, wobei das Wasser der Arbeitsmaschine über eine Gefällestrecke zugeführt wird und die zum höheren Niveau führende Leitung für das Wasser einen Vakuumanschluss zum Heben des Wassers besitzt. Der Vakuumanschluss kann z. B. eine Vakuumkammer sein, die durch eine verformbare Membran hin zum wasser abgeschlossen ist. Zusätzlich kann eine Pumpe im Wasserkreislauf angeordnet sein, deren Zylinder vorzugsweise sich in ein Vakuum hineinbewegende Kolben besitzen. Die Leitungen können auch als hohlzylindrische Körper ausgeführt sein und kaskadenartig hintereinander angeordnet sein. Der Austritt der Arbeitsmaschine ist unmittelbar und druckdicht an das untere Ende der unter Vakuumeinwirkung stehenden Leitung angeschlossen.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, eine Wasseranlage zu schaffen, die ohne wesentliche Energiezufuhr von Außen mehr Wasser in einen Wasserspeicher pumpt als zum Betrieb der Wasseranlage notwendig ist und somit das überschüssige Wasser des Wasserspeichers als Antriebsmittel für eine oder mehrere Turbineneinheiten genutzt werden kann.

Die Erfindung nutzt den Tatumstand, dass die Schwimmfähigkeit eines Körpers in einem Zylinder auch dann gegeben ist, wenn der Hohlraum zwischen der Innenwand einer Zylindereinheit und der Außenwand einer Kolbeneinheit sehr gering ist . Durch die Volumina ist die zu bewegende Wassermenge berechenbar.

Die Erfindung nutzt ferner den Tatumstand, dass in die Zylindereinheit nur eine bestimmbare Menge an Wasser einfließen kann und der Rest der Zylindereinheit durch die Kolbeneinheit ausgefüllt wird. Durch die Form der Kolbeneinheit wird erreicht, dass sich dieses Wasser im unteren Teil der Kolbeneinheit, im äußeren Membranraum des Stempels, sammeln kann und hierdurch der Auftrieb der Kolbeneinheit größtenteils vernichtet wird. Durch das Absenken des Stempels wird erreicht, dass sich das Volumen der Kolbeneinheit wieder vergrößert.

Die Wasseranlage zeichnet sich dadurch aus, das außer bei den Regelvorgängen keine Energie verbraucht wird. Die Anlage kann somit ohne Emissionen Energie erzeugen und ist, wenn sie unter Tage frostsicher verwendet wird, im Dauereinsatz zu verwenden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 13 aufgeführt. Anspruch 14 beinhaltet das Verfahren und die Ansprüche 15 bis 18 Weiterbildungen des

Verfahrens .

Die Weiterbildung nach Anspruch 2 beinhaltet die Energiegewinnung an allen Öffnungen, an denen ein Wasserfluss entsteht. Hierdurch wird die Energieausnutzung optimiert. Bei der Weiterbildung nach Anspruch 3 ist ein Teil der

Kolbenmembran über den äußeren Teil des Kolbens, auf dem sich ein auf Rollen gelagertes Endlosband befindet, beweglich angeordnet . Hierdurch wird die Beweglichkeit der Kolbenmembran erhöht. Die Weiterbildung nach Anspruch 4 mit dem Einsatz eines Ventils an der Oberseite der Kolbeneinheit dient der geregelten Entleerung der Luft aus der Kolbeneinheit . Bei der Weiterbildung nach Anspruch 5 ist an der Wasserzuleitung vom Wasserspeicher zur Zylindereinheit zusätzlich ein Regelventil angeordnet, was zur sicheren Arbeitsweise der Gesamtanlage beiträgt. Durch die zusätzliche Anordnung einer Arretierung für den Stempel an der Zylindereinheit nach Anspruch 6 wird nach der zweiten Hubphase die Folgephase zusätzlich gesichert. Nach Anspruch 7

können alle Ventile und Arretierungen elektrisch ansteuerbar ausgeführt sein. Durch die Weiterbildung nach Anspruch 8 wird durch die Führungselemente ein Verdrehen des Kolbens und des Stempels um seine Längsachse verhindert. Die Weiterbildung nach Anspruch 9 mit Abdeckungen auf der Zylindereinheit und Wanne dient der Nutzung der Wasseranlage zum frostsicheren Betrieb und der Verminderung der Verdunstung. Bei der Weiterbildung nach Anspruch 10 wird durch das zusätzliche Regelventil am Wasserzulauf vom Wasserspeicher zur Zylindereinheit und durch die Wanne an der Zylindereinheit die Effektivität der Anlage erhöht. Die Weiterbildung nach Anspruch 11 nutzt die durch den Druckausgleich zwischen Zylindereinheit und Wanne entstehende Energie, indem die komprimierte Luft entweder direkt über eine Turbineneinheit oder über einen Druckbehälter verwendet wird. Nach Anspruch 12 kann das Wasser aus dem Hohlraum zwischen Kolbeneinheit und Zylindereinheit bei Bewegung des Kolbens in einem zusätzlichen Ausgleichsbehälter, der vorteilhaft an der Zylindereinheit angeordnet ist, aufgenommen werden. Bei der Weiterbildung nach Anspruch 13 wird der im Bodenbereich des Wasserspeichers existierende Druck über Rohrleitungen genutzt, um die Regelung und Steuerung der Ventile und Arretierungen zu ermöglichen und/oder einen Druckstabilisator an der Zylindermembran mit dem nötigen Wasserdruck zu versorgen.

Die Weiterbildung nach Anspruch 15 als erweitertes Verfahren nutzt eine zusätzliche Arretierung des Stempels an der Zylindereinheit zwischen der zweiten Hubphase und der Pumphase aus. Bei der Weiterbildung nach Anspruch 16 wird die beim Verfahren entstehende Druckluft wieder beim Verfahren eingesetzt oder zur Energiegewinnung genutzt. Nach der Weiterbildung nach Anspruch 17 wird der Auftrieb und/oder das Absinken der Kolbeneinheit genutzt, um durch andere Vorrichtungen gleich welcher Art, Energie zu erzeugen. Bei der Weiterbildung nach Anspruch 18 werden während der ersten Hubphase die Arretierungen hinsichtlich Arretierung und Lösung in einer andere Folge vorgenommen .

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Prinzipaufbau der kompletten Wasseranlage im Schnitt, Fig. 2 den Schnitt durch die Zylindereinheit in der zweiten Hubphase und

Fig. 3 den Schnitt durch die Zylindereinheit in der Pumpphase . In einer mit Wasser gefüllten Wanne 1 mit einer Wassertiefe von ca. 4,5 m ist mittig ein Wasserspeicher 2 in zylindrischer Form von ca. 10 Metern Höhe und einem Durchmesser, der dem einer Zylindereinheit 3 entspricht oder größer ist, aufgestellt. Neben dem Wasserspeicher 2 stehen eine oder mehrere Zylindereinheiten 3, die jeweils über ein Verbindungsrohr 4 mit dem Wasserspeicher 2 verbunden sind. Im Verbindungsrohr 4 ist zwischen dem Wasserspeicher 2 und der Zylindereinheit 3 ein Regelventil 5 angeordnet. Neben dem Wasserspeicher 2 ist weiterhin über dem Wasserspiegel 6 der Wanne 1 eine Turbineneinheit 7 vorgesehen. In Höhe der Turbineneinheit 7 ist ein Wasserzulauf 8 mit einem Regelventil 22 vom Wasserspeicher 2 in Richtung Turbineneinheit 7 angebracht .

Die Zylindereinheit 3 besitzt eine Höhe von ca. 6 m, wobei der höchste Stand des Wasserspiegels 6, wie schon oben erwähnt sich bei ca. 4,5 m befindet. Vom Wasserspeicher 2 ist eine Wasserzuleitung 9 zu einer Wanne 25 am oberen Rand der Zylindereinheit 3 angeordnet. Der Innendurchmesser der Zylindereinheit 3 beträgt 1,14 m. Innerhalb der Zylindereinheit 3 ist eine auf- und abwärts bewegbare

Kolbeneinheit vorgesehen, die aus dem Kolben 10, dem Stempel 11 und der Kolbenmembran 12 besteht. An der Oberseite der Kolbeneinheit ist ein Ventil 23 angeordnet, welches eine Verbindung zum Zwischenraum zwischen Kolben 10 und Stempel 11 besitzt und zur geregelten Entleerung der Luft aus der Kolbeneinheit dient .

Der untere Teil der Kolbeneinheit hat eine stempeiförmige Form, die sich dadurch auszeichnet, dass sie mit einer Höhe von ca. I m nur ein sehr geringes Volumen, z.B. 0,3 m ³ aufweist und der Boden des Stempels 11 einen geringeren Durchmesser, z.B. 0,75 m, als die Zylindereinheit 3 hat. Der obere Teil des Stempels 11 ist als eine Stange mit einer Höhe von ca. 5 m ausgebildet, die durch den Kolben 10 hindurchführt, wobei die Form des Stempels 11 sich im übrigen daran orientiert, dass der Schwerpunkt des Stempels 11 möglichst tief liegt, um die Stabilität der Kolbeneinheit zu gewährleisten. Am oberen Ende des Stempels 11 befinden sich mehrere Arretierungen 21, z.B. bewegliche Bolzen, mit der der Stempel 11 im Kolben 10 arretiert werden kann.

Oberhalb des höchsten Standes des Wasserspiegels 6 der Wanne 1 befindet sich an der Innenwand der Zylindereinheit 3 eine Arretierung 19, z.B. als bewegliche Bolzen ausgebildet und elektrisch oder pneumatisch angetrieben, zur Arretierung des Kolbens 10. In der Höhe des höchsten Standes des Auftriebs des Stempels 11, im Bodenbereich des Stempels 11 befindet sich an der Innenwand der Zylindereinheit 3 eine Arretierung 20, zur Arretierung des Stempels 11.

Der Kolben 10 hat eine Höhe von 3 m und einen Außendurchmesser von 1,13 m. Der Kolben 10 umschließt den stangenförmigen Teil des Stempels 11. Der Kolben 10 und der Stempel 11 können z.B. mittels am Kolben 10 und am Stempel 11 eingearbeiteten Führungsnuten und mittels an der Innenwandung der Zylindereinheit 3 vorgesehenen Führungsschienen geführt werden.

Der untere Teil des Stempels 11, der Stempelboden, und der untere Teils des Kolbens 10 sind über eine flexible Kolbenmembran 12, die eine Länge von ca. 2 m besitzt, miteinander verbunden. Ein Teil der Kolbenmembran 12 ist über den äußeren Teil des Kolbens 10, auf dem sich ein auf Rollen gelagertes Endlosband 24 befindet, beweglich angeordnet. Die Kolbeneinheit hat ein Gesamtgewicht von z.B. 3000 kg. Bei der

Gestaltung des Stempels 11 wird ein Material von hoher Dichte, z.B. Eisen oder Stahl verwendet. Der Kolben 10 wird aus möglichst leichtem und stabilem Material hergestellt . Am Boden der Zylindereinheit 3 zur Unterseite des Stempels 11 ist eine vorzugsweise gefaltete Zylindermembran 13 angebracht, die vorzugsweise die Form eines Pyramiden- oder Kegelstumpfes besitzt. Die Zylindermembran 13 bildet einen inneren Membranraum 27 und einen äußeren Membranraum 28 in der Zylindereinheit 3. Der äußere Membranraum 28 ist über die Öffnung 16 und ein Regelventil 17 mit der Wanne 1 und der innere Membranraum 28 ist über die Öffnung 14 und ein Regelventil 5 im Verbindungsrohr 4 mit dem Wasserspeicher 2 und über ein Regelventil 15 mit der Wanne 1 verbunden. Im oberen Bereich besitzt die Zylindermembran 13 als Kegelstumpf im Schnitt eine Kreisfläche von etwa 0,27 m ² und im unteren Bereich etwa 0,35 m ² .

Die Zylindereinheit 3 besitzt außerdem über dem höchsten Stand des Wasserspiegels 6 der Wanne 1 einen Ablauf 18 für den Hohlraum zwischen Innenwand der Zylindereinheit 3 und

Kolben 10 und an seiner Außenseite im Bereich unterhalb des Wasserspiegels 6 der Wanne 1 einen Ausgleichsbehälter 31, der über ein Regelventil 32 mit dem Inneren der Zylindereinheit 3 eine Verbindung besitzt.

Auf der Zylindereinheit 3 kann zusätzlich eine Abdeckung 29 angeordnet sein. Diese Abdeckung 29 kann gleichzeitig zur Aufnahme der aus der Zylindereinheit 3 entweichenden Luft und zur Umlenkung der Luft zu bestimmten Prozesspunkten dienen. Ein zusätzliches Ventil 30 kann eine Verbindung zu einer

Druckluftanlage besitzen.

Die Arbeitsweise der Wasseranlage zur Energiegewinnung ist folgende : Der Hohlraum zwischen der Innenwand der Zylindereinheit 3 und Kolbeneinheit wird mittels der Öffnung 16 zur Zylindereinheit 3 über das Regelventil 17 mit Wasser gefüllt, wobei der Kolben 10 und der Stempel 11 mittels der Arretierung 21

arretiert wird und dadurch die Kolbeneinheit durch den Auftrieb bis über den höchsten Stand des Wasserspiegels 6 der Wanne 1 steigt. Dies ist die sogenannte Hubphase. In dieser Phase hat die Kolbeneinheit ein Volumen von 3,3 m ³ , so dass sie bei einem Gewicht von 3000 kg innerhalb der

Zylindereinheit um 0,3 m über den höchsten Wasserstand der Wanne 1 gehoben wird. Dieser Prozess kann außerdem dadurch unterstützt werden, dass das Wasser aus dem Wasserspeicher 2 in eine Wanne 25 fließt, die oberhalb des höchsten Wasserstandes 6 der Wanne 1 nach dem Regelventil 26 und nach einer Turbineneinheit 7 an der Zylindereinheit 3 angebracht ist und nach Einfließen des Wassers in die Zylindereinheit 3 bei geschlossenem Ablauf 18 die Kolbeneinheit in der Zylindereinheit 3 um weitere ca. 0,3 m über den höchsten Wasserstand 6 der Wanne 1 aufschwimmt.

Anschließend wird der Kolben 10 mittels der Arretierung 19, z. B. durch bewegliche und elektrisch oder pneumatisch angetriebene Bolzen an der Zylindereinheit 3 arretiert und die Öffnung 16 über das Regelventil 17 geschlossen und das

Ventil 23 geöffnet. Die Arretierung 21 der Kolbeneinheit wird gelöst, wodurch der Stempel 11 auf den Boden der Zylindereinheit 3 absinkt. Dadurch wird die Kolbenmembran 12 gestrafft und das Wasser aus dem Hohlraum fließt zwischen Kolbeneinheit und Zylindereinheit über den Ablauf 18 in die Wanne 1. In dieser Phase wirkt das Gewicht des Stempels (ca. 2900 kg) auf die Wassersäule in der Zylindereinheit 3. Aufgrund des Durchmessers des Stempels 11 ist diese Kraft so groß, dass sich die Kolbenmembran 12 strafft und das Wasser aus dem Hohlraum zwischen Kolbeneinheit und Zylindereinheit 3 über den Ablauf 18 in die Wanne 1 fließen kann.

Durch die Straffung der Kolbenmembran 12 erhöht sich das Volumen der Kolbeneinheit auf bis zu 4,9 m ³ . Diese Phase ist die sogenannte Volumenphase.

Anschließend wird die Kolbeneinheit mittels der Arretierung 21 arretiert, das Ventil 23 geschlossen und die Arretierung

19 des Kolbens 10 an der Zylindereinheit 3 gelöst. Über die Öffnung 16 zur Zylindereinheit 3 über das Regelventil 17 und die Öffnung 14 über das Regelventil 15 fließt Wasser in den Hohlraum zwischen Innenwand der Zylindereinheit 3 und der Kolbeneinheit und in den inneren Membranraum 27 und in den äußeren Membranraum 28, wodurch die Kolbeneinheit bis zu 2 m über den höchsten Wasserstand der Wanne 1, als zweite Hubphase, gehoben wird.

Bei entsprechendem Volumen des Wassers in der Wanne 1 und durch den Rückfluss des Wassers aus dem Wasserspeicher 2 kann der Wasserstand in der Wanne 1 annähernd konstant gehalten werden.

Anschließend wird der Stempel 11 an der Zylindereinheit durch die Arretierung 20 arretiert. Die Öffnungen 16 zur Zylindereinheit 3 über das Regelventil 17 und die Öffnung 14 über das Regelventil 15 werden geschlossen und das Ventil 23 wird geöffnet. Die Arretierung 21 von Kolben 10 und Stempel 11 wird gelöst und das Regelventil 32 zum Ausgleichsbehälter

31 wird geöffnet, so dass ein Teil des Wassers aus dem Hohlraum zwischen Kolbeneinheit und Zylindereinheit 3 in den Ausgleichsbehälter 31 abfließt, der Kolben 10 durch sein Eigengewicht absinkt und die Spannung aus der Kolbenmembran 12 entweicht und das noch im Hohlraum zwischen Kolbeneinheit und Zylindereinheit befindliche Wasser in den Hohlraum an der Kolbenmembran 12 des Stempels 11 fließt. Anschließend wird die Arretierung 20 des Stempels 11 an der Zylindereinheit 3 gelöst und das Regelventil 5 im Verbindungsrohr 4 geöffnet, wodurch die Kolbeneinheit durch ihr Eigengewicht absinkt, das im Hohlraum der Zylindereinheit befindliche Wasser um den Stempel 11 herum fließt und das Wasser aus dem inneren Membranraum 27 in den Wasserspeicher 2 gepumpt wird. Dies ist die sogenannte Pumpphase. Danach wird das Regelventil 5 und das Ventil 23 geschlossen.

Da sich nur eine geringe Menge Wasser in der Zylindereinheit 3 befindet, kann diese Wassermenge im Hohlraum der

Kolbenmembran 12 aufgenommen werden. Die Kolbeneinheit hat nun den größten Teil seines Auftriebs verloren und wirkt durch die Schwerkraft auf die Zylindermembran 13 ein. Durch das Gewicht der Kolbeneinheit, ca. 3000 kg, zuzüglich des Gewichts des in der Zylindereinheit 3 befindlichen

Wassers, ca. 700 kg, abzüglich des Auftriebs des Stempels 11 wirkt auf die Zylindermembran 13 ein Druck von bis zu 1 bar, so dass im Wasserspeicher 2 eine Wassersäule von bis zu 10 m erreicht werden kann.

Der gleiche Vorgang wiederholt sich ständig und das Wasser aus dem Wasserspeicher 2 treibt über den Wasserzulauf 8 zur Turbineneinheit 7 diese an und sammelt sich anschließend in der Wanne 1.

Der Energiegewinn über die Turbineneinheit 7 resultiert mithin aus der Differenz der Wassersäule von 10 m zum höchsten Wasserspiegel 6 der Wanne 1 von ca. 4 m.

Schlussendlich sei festgestellt, dass die Anzahl der Zylindereinheiten 3 in der Wanne 1 und die Form der Zylindereinheit 3 und der Kolbeneinheit unerheblich ist. Zylindereinheit 3 und Kolben 10 könnten auch vieleckig ausgestaltet sein. Es ist des weiteren unerheblich, in welcher Form und wo unterhalb des höchsten Standes des

Wasserspiegels 6 der Wanne 1 der Zulauf zur Zylindereinheit 3 erfolgt. Es ist außerdem denkbar, dass die Zylindereinheit 3 teilweise aus Lamellen gefertigt ist, wobei jede um ihre Längsachse drehbar ist .

Zusammenstellung der Bezugszeichen

1 - Wanne

2 - Wasserspeicher 3 - Zylindereinheit

4 - Verbindungsrohr

5 - Regelventil

6 - Wasserspiegel der Wanne

7 - Turbineneinheit 8 - Wasserzulauf zur Turbineneinheit

9 - Wasserzuleitung zur Zylindereinheit

10 - Kolben

11 - Stempel

12 - Kolbenmembran 13 - Zylindermembran

14 - Öffnung der Zylindermembran

15 - Regelventil der Zylindermembran

16 - Öffnung der Zylindereinheit

17 - Regelventil der Zylindereinheit 18 - Ablauf

19 - Arretierung Kolben

20 - Arretierung Stempel

21 - Arretierung Kolbeneinheit

22 - Regelventil der Turbineneinheit 23 - Ventil

24 - Endlosband

25 - Wanne der Zylindereinheit 26 - Regelventil

27 - innerer Membranraum 28 - äußerer Membranraum

29 - Abdeckung

30 - Ventil

31 - Ausgleichsbehälter

32 - Regelventil des Ausgleichsbehälters