EP4481188A1

EP4481188A1 - Energieumwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: EP4481188A1
Application number: EP24183763.2A
Authority: EP
Inventors: Tobias Zeh
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2023-06-23
Filing date: 2024-06-21
Publication date: 2024-12-25
Also published as: DE102023116632A1

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Energieumwandlungsvorrichtung, insbesondere Fluidkraftwerkvorrichtung, mit einem Fluidreservoir (14a; 14b) zu einer Speicherung eines Fluids (100a; 100b), mit einer Fallleitung (20a; 20b), die an dem Fluidreservoir (14a; 14b) angeschlossen ist, mit einer Turbine (22a; 22b), die der Fallleitung (20a; 20b) nachgeschaltet und dazu vorgesehen ist, eine kinetische Energie des Fluids (100a; 100b), welches aus dem Fluidreservoir (14a; 14b) über die Fallleitung (20a; 20b) der Turbine (22a; 22b) zuführbar ist, in eine Rotationsbewegung einer Abtriebswelle der Turbine (22a; 22b) umzuwandeln, und mit einem Generator (48a; 48b), der dazu vorgesehen ist, die Rotationsbewegung der Abtriebswelle in eine elektrische Energie umzuwandeln.Es wird vorgeschlagen, dass die Energieumwandlungsvorrichtung einen, insbesondere verschieden von einem Gehäuse der Turbine (22a; 22b) ausgebildeten, Druckbehälter (30a; 30b) aufweist, in dem ein Gas (102a; 102b) mit einem Überdruck gegenüber dem Umgebungsluftdruck, insbesondere von zumindest 0,2 bar, und die Turbine (22a; 22b) zumindest teilweise angeordnet ist.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Energieumwandlungsvorrichtung.
Es ist bereits eine Energieumwandlungsvorrichtung, insbesondere eine Fluidkraftwerkvorrichtung, mit einem Fluidreservoir zu einer Speicherung eines Fluids, mit einer Fallleitung, die an dem Fluidreservoir angeschlossen ist, mit einer Turbine, die der Fallleitung nachgeschaltet und dazu vorgesehen ist, eine kinetische Energie des Fluids, welches aus dem Fluidreservoir über die Fallleitung der Turbine zuführbar ist, in eine Rotationsbewegung einer Abtriebswelle der Turbine umzuwandeln, und mit einem Generator, der dazu vorgesehen ist, die Rotationsbewegung der Abtriebswelle in eine elektrische Energie umzuwandeln, vorgeschlagen worden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht insbesondere darin, eine gattungsgemäße Vorrichtung mit verbesserten Eigenschaften hinsichtlich einer Effizienz bereitzustellen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung geht aus von einer Energieumwandlungsvorrichtung, insbesondere Fluidkraftwerkvorrichtung, mit einem Fluidreservoir zu einer Speicherung eines Fluids, mit einer Fallleitung, die an dem Fluidreservoir angeschlossen ist, mit einer Turbine, die der Fallleitung nachgeschaltet und dazu vorgesehen ist, eine kinetische Energie des Fluids, welches aus dem Fluidreservoir über die Fallleitung der Turbine zuführbar ist, in eine Rotationsbewegung einer Abtriebswelle der Turbine umzuwandeln, und mit einem Generator, der dazu vorgesehen ist, die Rotationsbewegung der Abtriebswelle in eine elektrische Energie umzuwandeln.
Es wird vorgeschlagen, dass die Energieumwandlungsvorrichtung einen, insbesondere verschieden von einem Gehäuse der Turbine ausgebildeten, Druckbehälter aufweist, in dem ein Gas mit einem Überdruck gegenüber dem Umgebungsluftdruck, insbesondere von zumindest 0,2 bar, und die Turbine zumindest teilweise angeordnet ist.
Unter einer "Energieumwandlungsvorrichtung" soll vorzugsweise eine Vorrichtung verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, eine potentielle Energie (Lageenergie) eines Fluids, vorzugsweise eines Wassers, welches in einem Fluidreservoir gespeichert ist, in eine elektrische Energie und/oder eine thermische Energie umzuwandeln. Die Energieumwandlungsvorrichtung ist vorzugsweise als eine Wärmepumpenvorrichtung ausgebildet, die dazu vorgesehen ist, eine potentielle Energie eines in einem Fluidreservoir gespeicherten Fluids in eine thermische Energie umzuwandeln, die zum Temperieren eines Systems, beispielsweise eines Heizungssystems vorgesehen ist. Bei einer Ausbildung als Wärmepumpenvorrichtung ist die Energieumwandlungsvorrichtung vorzugsweise für einen permanenten Betrieb vorgesehen. In einem Betriebszustand ist die als Wärmepumpenvorrichtung ausgebildete Energieumwandlungsvorrichtung dazu vorgesehen, eine potentielle Energie des Fluids in eine elektrische Energie umzuwandeln, und die erzeugte elektrische Energie zeitgleich zur Rückforderung des Fluids in das Fluidreservoir zu nutzen, wobei eine dabei entstandene thermische Energie zur Temperierung eines Systems vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist es ebenso denkbar, dass die Energieumwandlungsvorrichtung als eine Energiespeichervorrichtung ausgebildet ist, die zur Umwandlung der potentiellen Energie eines in einem Fluidreservoir gespeicherten Fluids in eine elektrische Energie vorgesehen ist, die zu einer Einspeisung in ein elektrisches Netz vorgesehen ist. Bei einer Ausbildung als Energiespeichervorrichtung ist die Energieumwandlungsvorrichtung vorzugsweise für einen zweigeteilten Betrieb vorgesehen. In einem ersten Betriebszustand ist die als Energiespeichervorrichtung ausgebildete Energieumwandlungsvorrichtung dazu vorgesehen, die potentielle Energie des Fluids in eine elektrische Energie umzuwandeln. In einem zweiten Betriebszustand ist die als Energiespeichervorrichtung ausgebildete Energieumwandlungsvorrichtung dazu vorgesehen, eine elektrische Energie zur Förderung des Fluids zurück in das Fluidreservoir zu nutzen, also elektrische Energie in potentielle Energie des Fluids umzuwandeln. Grundsätzlich wäre es ebenso denkbar, dass eine Energieumwandlungsvorrichtung, die als eine Energiespeichervorrichtung ausgebildet ist, in einem permanenten Betrieb betrieben wird, wobei das Fluid aus dem Fluidreservoir durch die Turbine in den Druckbehälter strömt und das Fluid zeitgleich über die Rückführstrecke aus dem Druckbehälter in das Fluidreservoir zurück gefördert wird. Dabei würde insbesondere durch die Kompression der des als Umgebungsluft ausgebildeten Fördergases eine Energie aus der Umgebung "gezogen", die zur Förderung des Fluids zurück in das Fluidreservoir genutzt wird. Dadurch kann die Rückförderung des Fluids mit besonders vorteilhaft wenig elektrischer Energie, also energieeffizient erfolgen.
Unter einem "Fluidreservoir" soll vorzugsweise ein Speicher für ein Fluid verstanden werden, das zum Antrieb der Turbine vorgesehen ist. Das Fluidreservoir ist als ein Speicher ausgebildet, der ein Volumen eines Fluids aufnehmen kann. Das Fluidreservoir kann als ein geöffnetes Fluidreservoir oder als ein abgeschlossenes Fluidreservoir ausgebildet sein. Vorzugsweise kann das als geschlossenes Fluidreservoir ausgebildete Fluidreservoir als ein Tank ausgebildet sein. Ein als Tank ausgebildetes Fluidreservoir weist vorzugsweise ein Fassungsvolumen von zumindest 0,005 m³ auf. Grundsätzlich sind auch als Tank ausgebildete Fluidreservoirs denkbar, die ein Fassungsvolumen von 0,1 m³, vorzugsweise von 1 m³ oder von mehr als 1,5 m³ aufweisen. Vorzugsweise kann das als offenes Fluidreservoir ausgebildete Fluidreservoir als ein See, beispielsweise ein Stausee, insbesondere ein Bergsee ausgebildet sein, der ein wesentlich größeres Fassungsvolumen aufweist. Vorzugsweise weist die Energieumwandlungsvorrichtung lediglich ein Fluidreservoir auf. Grundsätzlich wäre es aber auch denkbar, dass die Energieumwandlungsvorrichtung mehrere Fluidreservoirs aufweist, die vorzugsweise miteinander gekoppelt sind.
Das "Fluid" zum Antrieb der Turbine ist als eine Flüssigkeit, vorzugsweise als eine inkompressible Flüssigkeit ausgebildet. Vorzugsweise ist das Fluid zum Antrieb der Turbine als ein Wasser ausgebildet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass das Fluid zum Antrieb der Turbine als eine andere Flüssigkeit ausgebildet ist, beispielsweise als ein Kühlmittel. Ebenfalls wäre es auch denkbar, dass das Fluid als ein Kältemittel ausgebildet ist. Genauso denkbar ist, dass das Fluid als ein Frostschutzmittel ausgebildet ist oder mit einem Frostschutzmittel versehen ist.
Das Fluidreservoir ist oberhalb der Turbine angeordnet. Das Fluidreservoir weist gegenüber der Turbine eine geodätische Höhe auf. Das Fluidreservoir ist zur Speicherung eines Fluids vorgesehen, das der Turbine zur Energieumwandlung zugeführt wird. Das Fluidreservoir kann in Abhängigkeit einer Größe der Energieumwandlungsvorrichtung unterschiedlich groß sein. Das Fluidreservoir kann als ein Fluidtank ausgebildet sein, der beispielsweise auf einem Gebäude oder einer anderen Konstruktion angebracht ist. Ein als Fluidtank ausgebildetes Fluidreservoir kann dabei beispielsweise ein Fassungsvermögen von 0,005 Kubikmeter bis 2000 Kubikmeter aufweisen. Vorzugsweise ist es ebenfalls denkbar, dass das Fluidreservoir als ein Stausee ausgebildet ist. Für größere Energieumwandlungsvorrichtungen, die beispielsweise als ein Energiespeichervorrichtung, insbesondere als ein Energiespeicherkraftwerkausgebildet sind, kann das Fluidreservoir vorteilhaft als ein Stausee ausgebildet sein. Für eine Ausbildung der Energieumwandlungsvorrichtung als eine Energiespeichervorrichtung ist das Fluidreservoir vorzugsweise als ein großer Wasserspeicher ausgebildet, wie insbesondere ein Stausee. Für eine Ausbildung der Energieumwandlungsvorrichtung als eine Wärmepumpenvorrichtung ist das Fluidreservoir vorzugsweise als ein Fluidtank ausgebildet.
Das Fluidreservoir kann für unterschiedliche Ausgestaltungen der Energieumwandlungsvorrichtung unterschiedliche geodätische Höhen gegenüber der Turbine aufweisen. Vorzugsweise weist das Fluidreservoir eine geodätische Höhe von zumindest 5 m zu der Turbine auf. Bei einer Ausgestaltung der Energieumwandlungsvorrichtung als Wärmepumpenvorrichtung weist das Fluidreservoir vorzugsweise eine Höhe von zumindest 5 m gegenüber der Turbine auf. Vorzugsweise liegt eine geodätische Höhe, in der das Fluidreservoir gegenüber der Turbine angeordnet ist, bei einer Ausgestaltung als Wärmepumpenvorrichtung bei einem Wert von 7 m bis 800 m, vorzugsweise von 10 m bis 600 m und in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung von 80 m bis 200 m. Bei einer Ausgestaltung der Energieumwandlungsvorrichtung als Energiespeichervorrichtung weist das Fluidreservoir vorzugsweise eine Höhe von zumindest 5 m gegenüber der Turbine auf. Vorzugsweise liegt eine geodätische Höhe, in der das Fluidreservoir gegenüber der Turbine angeordnet ist, bei einer Ausgestaltung als Energiespeichervorrichtung bei einem Wert von 10 m bis 2000 m, vorzugsweise von 50 m bis 1500 m und in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung von 100 m bis 1000 m.
Unter einer "Fallleitung" soll vorzugsweise eine Leitung verstanden werden, durch die ein Fluid einem höher gelegenen Fluidreservoir der Turbine zugeführt werden kann. Die Fallleitung kann dabei aus einer einzelnen Leitung oder mehreren Einzelleitungen ausgebildet sein. Ein Durchmesser der Fallleitung ist abhängig von einer Ausgestaltung der Energieumwandlungsvorrichtung und insbesondere abhängig von einer Größe einer Menge von in einem Betrieb der Turbine zuzuführenden Fluid. Für eine Ausgestaltung der Energieumwandlungsvorrichtung als Wärmepumpenvorrichtung weist die Fallleitung vorzugsweise einen Durchmesser von 0,5 - 5000 cm, besonders bevorzugt von 1 - 1000 cm und besonders vorteilhaft von 2 - 20 cm auf. Für eine Ausgestaltung der Energieumwandlungsvorrichtung als Wärmepumpenvorrichtung ist die Fallleitung vorzugsweise als eine einzelne Leitung ausgebildet. Für eine Ausgestaltung der Energieumwandlungsvorrichtung als Energiespeichervorrichtung weist die Fallleitung vorzugsweise einen Durchmesser von 0,1 - 15 m, besonders bevorzugt von 1 - 10 m und besonders vorteilhaft von 2- 5 m auf. Entsprechend einer Durchflussanforderung an zu förderndem Fluid ist der Durchmesser entsprechend dimensioniert, sodass insbesondere die Reibungsverluste zwischen Fluid und der Leitung möglichst gering sind.
Unter einer "Turbine" soll eine Strömungsmaschine verstanden werden, die eine kinetische Energie eines strömenden Fluids in eine mechanische Rotationsenergie umwandelt, die über eine Abtriebswelle der Turbine abgegeben wird. Die Turbine weist vorzugsweise mehrere Schaufelräder auf, die in zumindest einem Fluidstrom des Fluids angeordnet sind und die durch eine Umströmung des Fluids die kinetische Energie des Fluids aufnehmen und in eine Rotationsenergie umwandeln. Grundsätzlich wäre es denkbar, dass die Turbine lediglich von einer Düse mit einem Fluidstrom zum Antrieb beaufschlagt wird. Vorzugsweise weist die Turbine mehrere Düsen auf, die mehrere Fluidströme auf die Turbine, insbesondere Turbinenräder der Turbine richten. Vorzugsweise ist die Turbine als eine Peltonturbine ausgebildet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Turbine als eine Kaplan Turbine, eine Francis Turbine, oder eine andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Turbine ausgebildet ist.
Unter einem "Generator" soll vorzugsweise eine elektrische Maschine verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, eine Bewegungsenergie, insbesondere eine Rotationsenergie in eine elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator kann dabei beispielsweise als ein Wechselstromgenerator oder als ein Gleichstromgenerator ausgebildet sein.
Unter einem "Druckbehälter" soll vorzugsweise ein verschließbarer Behälter verstanden werden, in dem dein Druck aufrechterhalten werden kann. Der Druckbehälter ist vorzugsweise druckdicht ausgebildet. Der Druckbehälter weist vorzugsweise lediglich zumindest eine Fluideinlassöffnung, über die ein Fluid über die Fallleitung mit einem Einlassdruck in den Druckbehälter strömen kann, und zumindest eine Fluidauslassöffnung auf, durch die ein Fluid aus dem Druckbehälter hinausgeleitet werden kann. Die Fluideinlassöffnung ist vorzugsweise unterhalb einer maximale Fluidfüllhöhe des Druckbehälters angeordnet. Eine Fluideinlassöffnung oberhalb der Fluidfüllhöhe ist ebenfalls denkbar. Die Fluidauslassöffnung ist unterhalb einer minimalen Fluidfüllhöhe in dem Druckbehälter angeordnet. Vorzugsweise sind alle Öffnungen in dem Druckbehälter, also alle Öffnungen für Fluidleitungen oder Stromleitungen unterhalb der minimalen Fluidfüllhöhe angeordnet. Vorzugsweise sind alle Fluideinlassöffnungen, Fluidauslassöffnungen und Öffnungen, durch die beispielsweise Stromkabel in den Druckbehälter geführt sind, unterhalb der minimalen Fluidfüllhöhe angeordnet. Dadurch kann auf aufwendige Abdichtungen der Öffnungen gegenüber einem Gas, wie insbesondere Helium verzichtet werden. Vorzugsweise kann der Druckbehälter dadurch vorteilhaft gegen ein Ausströmen des unter Druck stehenden Gases abgedichtet werden. Vorzugsweise ist der Druckbehälter dazu vorgesehen, einen Druck von 0,2 bar bis 200 bar zu halten.
Unter einem "Gas" soll dabei vorzugsweise ein reines Gas oder ein Gasgemisch verstanden werden. Vorzugsweise weist das Gas oder Gasgemisch eine geringere Dichte auf als eine Umgebungsluft. Vorzugsweise ist das Gas oder Gasgemisch nicht als eine Umgebungsluft ausgebildet.
Unter einem "Überdruck in dem Druckbehälter" soll ein Druck in dem Druckbehälter verstanden werden, der gegenüber einem unmittelbar außerhalb des Druckbehälters herrschenden Umgebungsdruck erhöht ist. Vorzugsweise liegt der Überdruck in dem Druckbehälter vorzugsweise in einem Bereich von 0,2 bar bis 200 bar gegenüber dem unmittelbar außerhalb des Druckbehälters herrschenden Umgebungsdrucks. Der Überdruck in dem Druckbehälter ist insbesondere Abhängig von einer geodätischen Höhe, die das Fluidreservoir oberhalb des Druckbehälters angeordnet ist. Der Druckbehälter steht ständig unter dem Überdruck. Der Druckbehälter steht in einem betriebsbereiten Zustand der Energieumwandlungsvorrichtung unter dem Überdruck. Der Druckbehälter steht während eines Betriebs der in dem Druckbehälter angeordneten Turbine unter dem Überdruck. Insbesondere herrscht der Überdruck in dem Druckbehälter nicht nur während eines bestimmten Betriebszustands der Energieumwandlungsvorrichtung, beispielsweise einem abgeschalteten Zustand der Energieumwandlungsvorrichtung, sondern insbesondere durchgehend während eines betriebsbereiten Zustands.
Darunter, dass die Turbine zumindest teilweise in dem Druckbehälter angeordnet ist, soll vorzugsweise verstanden werden, dass vorzugsweise ein Hauptteil, besonders bevorzugt die gesamte Turbine vollständig in dem Druckbehälter angeordnet ist, es jedoch in einer alternativen Ausgestaltung auch denkbar ist, dass lediglich ein Teil der Turbine, beispielsweise lediglich ein Turbinenausgang in dem Druckbehälter angeordnet ist und ein restlicher Teil der Turbine an den Druckbehälter angebunden ist und/oder in eine Fallleitung integriert ist. Die Turbine wird in dem unter dem Überdruck stehenden Druckbehälter betrieben. Unter "vorgesehen" soll insbesondere speziell ausgelegt und/oder ausgestattet verstanden werden. Darunter, dass ein Objekt zu einer bestimmten Funktion vorgesehen ist, soll insbesondere verstanden werden, dass das Objekt diese bestimmte Funktion in zumindest einem Anwendungs- und/oder Betriebszustand erfüllt und/oder ausführt. Dadurch kann vorteilhaft der Überdruck innerhalb des Druckbehälters zur Rückförderung des Fluids in das Fluidreservoir genutzt werden. Durch die Nutzung des Überdrucks innerhalb des Druckbehälters wird das Fluid in dem Druckbehälter vorteilhaft unter Druck gesetzt und durch einen Fluidausgang aus dem Druckbehälter gedrückt, wodurch das Fluid in einer Rückführstrecke in Richtung des Fluidreservoirs gedrückt wird. Dadurch kann vorteilhaft ein Wirkungsgrad zur Rückführung des Fluids in das Fluidreservoir verbessert werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass das Gas eine Dichte von weniger als 1,2 Kg/m³ aufweist, insbesondere als Helium ausgebildet ist. Unter einer "Dichte eines Gases" soll vorzugsweise eine unter Laborbedingungen gemessene Dichte des Gases verstanden werden. Ein Gas mit einer Dichte von weniger als 1,2 Kg/m³ ist vorzugsweise als ein Helium ausgebildet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass das Gas als Wasserstoff, Leuchtgas, Methan, Ammoniak ausgebildet ist. Weiter wäre auch Denkbar, dass das Gas als ein Gasgemisch aus unterschiedlichen Gasen besteht. Dadurch kann in dem Druckbehälter ein vorteilhaft hoher Überdruck bereitgestellt werden, wobei ein Reibwiderstand für eine in dem Druckbehälter angeordnete Turbine vorteilhaft klein ist. Durch eine Verwendung eines entsprechenden Gases kann die Reibung der Turbine in dem unter Überdruck stehenden Druckbehälter vorteilhaft reduziert werden und damit ein Wirkungsgrad der Energieumwandlungsvorrichtung vorteilhaft erhöht werden.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Turbine als eine Peltonturbine ausgebildet ist. Unter einer "Peltonturbine" soll vorzugsweise eine Freistrahlturbine verstanden werden, die zumindest ein Turbinenrad mit mehreren Turbinenschaufeln aufweist, die durch einen aus zumindest einer Düse ausströmenden Fluidstrahl angetrieben wird. Dadurch kann die Turbine besonders vorteilhaft mit einem hohen Wirkungsgrad ausgebildet werden.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass die Energieumwandlungsvorrichtung eine Rückführstrecke aufweist, über die das Fluid aus dem Druckbehälter zurück in das Fluidreservoir förderbar ist, und eine Verdichter- und/oder Mischeinheit aufweist, die dazu vorgesehen ist, das rückzuführende Fluid in der Rückführstrecke mit einem komprimierten Fördergas zu mischen. Unter einer "Rückführstrecke" soll vorzugsweise ein Teil der Energieumwandlungsvorrichtung verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, ein Fluid, insbesondere das zum Antrieb der Turbine genutzt wurde, aus dem Druckbehälter in das Fluidreservoir zurück zu befördern. Vorzugsweise ist die Rückführstrecke frei von einer Fluidpumpenvorrichtung, beispielsweise eine Wasserpumpe, die das Fluid direkt zurück in den Fluidspeicher pumpt. Die Rückführstrecke ist vorzugsweise zumindest teilweise von einem wärmeleitenden Material, beispielsweise einem Kupfer gebildet. Die Rückführstrecke ist vorzugsweise zu einem Großteil aus einem wärmeleitenden Material gebildet. Vorzugsweise kann durch die Ausgestaltung der Rückführstrecke aus einem wärmeleitenden Material eine besonders vorteilhafte Wärmeleitung aus einer Umgebung zu dem in der Rückführstrecke geleiteten Fluidgemisch erreicht werden. Dadurch kann dem sich in der Rückführstrecke expandierenden Fördergas besonders gut eine Wärmeenergie aus der Umgebung zugeführt werden.
Unter einer "Verdichter- und/oder Mischeinheit" soll vorzugsweise eine Einheit verstanden werden, die zumindest eine Verdichtereinheit oder eine Mischeinheit aufweist, vorzugsweise aber sowohl eine Verdichtereinheit, als auch eine Mischeinheit umfasst. Unter einer "Verdichtereinheit" soll vorzugsweise eine Einheit verstanden werden, die zur Verdichtung und Förderung eines Gases, insbesondere eines Fördergases vorgesehen ist. Die Verdichtereinheit ist vorzugsweise als ein Kompressor ausgebildet. Die Verdichtereinheit ist vorzugsweise dazu vorgesehen, ein Fördergas auf einen Druck von 0,1 bar bis 250 bar zu verdichten. In Abhängigkeit einer Förderhöhe, über die das zu fördernde Fluid gefördert werden muss, ist die Verdichtereinheit dazu vorgesehen, das Fördergas auf einen unterschiedlichen Druck zu fördern. Vorzugsweise ist die Verdichtereinheit mittels eines Elektromotors antreibbar. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Verdichtereinheit durch eine andere Weise antreibbar ist. Beispielsweise wäre denkbar, dass die Verdichtereinheit durch eine von der Turbine erzeugte Rotationsbewegung angetrieben ist. Dabei wäre ein direkter Antrieb einer Antriebswelle des Verdichters durch die Abtriebswelle der Turbine denkbar. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass ein Antrieb der Antriebswelle des Verdichters indirekt durch ein Getriebe erfolgt, beispielsweise durch ein Planetengetriebe erfolgt. Ebenfalls denkbar wäre, dass die Verdichtereinheit im Druckbehälter angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Fördergas als Luft, insbesondere als eine Umgebungsluft ausgebildet. Ebenfalls denkbar wäre, dass das Fördergas als ein Gas oder Gasgemisch ausgebildet ist. Den Fachmann als sinnvoll erscheinend können entsprechend andere Gase als Fördergas eingesetzt werden. Dabei wäre es vorteilhaft das Fluidreservoir ebenfalls abgedichtet und die Energieumwandlungsvorrichtung würde eine Rückführleitung aufweisen über die das sich in dem Fluidreservoir sammelnde Fördergas zurück zu dem Verdichter gefördert werden kann.
Unter einer "Mischeinheit" soll vorzugsweise eine Einheit verstanden werden, die dazu vorgesehen ist, zwei Fluide, insbesondere das als Flüssigkeit ausgebildete rückzuführende Fluid und ein Fördergas miteinander zu mischen. Die Mischeinheit ist dazu vorgesehen, ein Verhältnis von zwei Volumenströmen, insbesondere des Volumenstroms des rückzuführenden Fluids und des Volumenstroms des Fördergases einzustellen. Die Mischeinheit ist dazu vorgesehen, das als Flüssigkeit ausgebildete rückzuführende Fluid und das Fördergas so zu mischen, dass an zumindest einem Ausgang der Mischeinheit abwechselnd eine definierte Menge an zu förderndem Fluid und eine definierte Menge an Fördergas austritt. Die Mischeinheit ist dazu vorgesehen, die Volumenströme des rückzuführenden Fluids und des Fördergases so zu mischen, dass jeweils abwechselnd separate Volumen des rückzuführenden Fluids und des Fördergases an einem Ausgang ausgegeben werden. Das als Flüssigkeit ausgebildete rückzuführende Fluid und das Fördergas sind nicht in dem Sinne mischbar, dass sie ein einziges Fluid bilden. Die Mischeinheit ist nicht dazu vorgesehen, aus dem rückzuführenden Fluid und dem Fördergas ein homogenes Fluid oder eine Emulsion zu bilden. Vorzugsweise weist die Mischeinheit zur Mischung des rückzuführenden Fluids mit dem Fördergas wenigstens ein Mischventil auf. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass die Mischeinheit mehrere parallel geschaltete Mischventile zur Mischung des rückzuführenden Fluids mit dem Fördergas aufweist. Ein Mischventil der Mischeinheit kann vorzugsweise als ein einfaches 3/2-Wegeventile, als ein Drehventil als ein Rotationsventil, oder als ein anderes, dem Fachmann als sinnvoll erscheinendes Ventil ausgebildet sein, das zumindest einen Eingang für das zu fördernde Fluid, zumindest einen Eingang für das Fördergas und zumindest einen Ausgang für das Gemisch aus dem zu fördernden Fluid und dem Fördergas aufweist. Das Mischventil ist dazu vorgesehen, jeweils abwechselnd ein definiertes Volumen an rückzuführendem Fluid und ein definiertes Volumen an Fördergas aus seinem Ausgang auszugeben. Dadurch kann das zu fördernde Fluid besonders einfach und effizient durch das Fördergas entlang der Förderstrecke zu dem höher gelegenen Fluidreservoir gefördert werden.
Das Fördergas dehnt sich bei einem Aufstieg in der Rückführstrecke aufgrund des geringer werdenden Drucks aus. Durch die Volumenarbeit des Fördergases bei einem Aufstieg in der Rückführstrecke wird das zu fördernde Fluid vorteilhaft einfach gefördert. Durch die Volumenarbeit, also das Ausdehnen kühlt das Fördergas ab und nimmt dadurch aus der Umgebung, insbesondere also durch die Rückführstrecke von außen eine Wärmeenergie auf. Der Umgebung wird also zur Rückförderung des Fluides Energie, insbesondere Wärmeenergie entzogen, die dem durch die Volumenarbeit abkühlenden Fördergas entnommen wird. Die der Umgebung entzogene Energie wird also zur Rückförderung des zu fördernden Fluids genutzt und dadurch im weiteren Verlauf in potentielle Energie, dann in mechanische Energie und dann durch die Turbine in elektrische Energie umgewandelt. Durch die Energieumwandlungsvorrichtung kann also vorzugsweise Energie, insbesondere Wärmeenergie aus der Umgebung entnommen und zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt werden.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass eine Rückführstrecke eine Verdichter- und/oder Mischeinheit aufweist, die ein Mischventil aufweist, das dazu vorgesehen ist, das rückzuführende Fluid mit dem komprimierten Fördergas zu mischen. Darunter, dass das Mischventil dazu vorgesehen ist, das rückzuführende Fluid, welches als eine Flüssigkeit, vorzugsweise als Wasser ausgebildet ist, mit dem Fördergas zu mischen soll verstanden werden, dass in einer dem Mischventil nachgeschalteten Leitung abwechselnd ein definiertes Volumen an rückzuführendem Fluid und ein definiertes Volumen an Fördergas strömt. Die nachgeschaltete Leitung weist dabei vorzugsweise einen so geringen Durchmesser auf, dass das Fördergas nicht in der nach oben führenden Leitung vorbei strömen kann. Das unter Druck stehende Fördergas ist dazu vorgesehen, das als Flüssigkeit ausgebildete zu fördernde Fluid in der dem Mischventil nachgeschalteten Leitung durch seine Auftriebskraft in der Leitung nach oben zu fördern. Das unter Druck stehende Fördergas ist dazu vorgesehen, möglichst einen ganzen Leitungsdurchmesser auszufüllen und nach dem Prinzip der sogenannten Pfropfenströmung, der Kolbenströmung oder der Schirmblasenströmung zu agieren. Das unter Druck stehende Fördergas ist dazu vorgesehen, sich bei einem Aufsteigen in der nach oben gerichteten Leitung durch den fallenden Druck auszudehnen und dadurch eine Förderung des als Flüssigkeit ausgebildeten Fluids zu beschleunigen. Dadurch kann die Rückführstrecke besonders vorteilhaft zur Rückführung des rückzuführenden Fluids ausgebildet werden.
Außerdem wird vorgeschlagen, dass eine Rückführstrecke eine Verdichter- und/oder Mischeinheit aufweist, die ein Mischventil aufweist, das dazu vorgesehen ist, das rückzuführende Fluid und ein komprimiertes Fördergas in einem Mischverhältnis zu mischen, das in einem Bereich von 30:1 bis 1:30 liegt. Besonders bevorzugt ist das Mischventil dazu vorgesehen, das rückzuführende Fluid und das komprimierte Fördergas in einem Mischverhältnis in einem Bereich von 20:1 bis 1:20, vorzugsweise in einem Bereich von 10:1 bis 1:10 und besonders bevorzugt in einem Bereich von 5:1 bis 1:5 zu mischen. In einer besonderen Ausgestaltung ist das Mischventil dazu vorgesehen, das rückzuführende Fluid und das komprimierte Fördergas in einem Mischverhältnis von 1:1 zu mischen. Dadurch kann eine Förderung des zu fördernden Fluids mittels des Fördergases besonders vorteilhaft erfolgen.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass die Energieumwandlungsvorrichtung eine Verdichter- und/oder Mischeinheit aufweist, die ein Mischventil aufweist, dessen Mischverhältnis variabel einstellbar ist. Darunter, dass das Mischverhältnis "variabel einstellbar ist" soll vorzugsweise verstanden werden, dass das Mischverhältnis des Mischventils durch einen Einstellmechanismus, vorzugsweise während des Betriebs, in einem definierten Bereich veränderbar ist. Vorzugsweise ist das Mischverhältnis in einem Bereich von 30:1 bis 1:30 einstellbar. Der Einstellmechanismus kann dabei vorzugsweise manuell von einem Bediener oder automatisch einstellbar sein. Dadurch kann eine Rückführung des Fluids besonders vorteilhaft eingestellt und an äußere Umwelteinflüsse angepasst werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass eine Rückführstrecke mehrere Einzelleitungen aufweist, die einem Mischventil nachgeschaltet und von diesem gespeist sind. Die mehreren Einzelleitungen der Rückführstrecke, die dem Mischventil nachgeschaltet sind, sind alle parallel zueinander geschaltet. Die Einzelleitungen der Rückführstrecke sind zumindest teilweise, vorzugsweise zu einem Großteil und besonders bevorzugt komplett aus einem vorteilhaft wärmeleitenden Material, wie insbesondere einem Kupfer oder einem Material mit einem vergleichbaren Wärmeleitwert ausgebildet. Die Rückführstrecke weist in Abhängigkeit einer pro Minute zu fördernden Fluidmenge eine unterschiedliche Anzahl an Einzelleitungen auf, deren Anzahl bei einer Auslegung der Energieumwandlungsvorrichtung bestimmt wird. Vorzugsweise weist die Rückführstrecke zumindest 10 Einzelleitungen, vorzugsweise zumindest 50 Einzelleitungen und besonders bevorzugt mehr als 100 Einzelleitungen auf. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Rückführstrecke mehrere Mischventile aufweist, wobei jeweils ein Bündel an parallel geschalteten Einzelleitungen jeweils einem Mischventil nachgeschaltet sind. Vorzugsweise sind einem Mischventil wenigstens 10 Einzelleitungen nachgeschaltet. Vorzugsweise sind einem einzelnen Mischventil maximal 100 Einzelleitungen nachgeschaltet. Dadurch kann vorzugsweise eine Rückführstrecke bereitgestellt werden, in denen eine Mischung aus dem als Flüssigkeit ausgebildeten rückzuführenden Fluid und dem Fördergas besondere vorteilhaft und in großem Volumen gefördert werden kann.
Vorzugsweise wäre es denkbar, dass sich Einzelleitungen in ihren Verlauf, vorzugsweise in einem oberen Drittel, jeweils in mehrere Einzelleitungen aufsplitten. Beispielsweise wäre es denkbar, dass sich jede Einzelleitung in einem oberen Drittel jeweils in zwei oder drei weitere Einzelleitungen auftrennt. Grundsätzlich wäre es denkbar, dass sich jede der aufgeteilten Einzelleitungen in einem oberen Viertel der Rückführstrecke nochmals jeweils in ein oder zwei weitere Einzelleitungen aufsplittet. Die Einzelleitungen können dabei einen gleichen Innendurchmesser aufweisen wie die anderen Einzelleitungen.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die mehreren Einzelleitungen jeweils einen Innendurchmesser aufweisen, der kleiner ist als 100 mm. Der Innendurchmesser der Einzelleitungen bestimmt einen Strömungsquerschnitt, der einem durch die Einzelleitungen strömenden Fluid, insbesondere dem aus dem zurückzufördernden Fluid und dem Fördergas gebildeten Gemisch, zum Strömen zur Verfügung steht. Vorzugsweise ist ein Innendurchmesser kleiner als 80 mm, bevorzugt unter 50 mm und in vorteilhaften Ausgestaltungen unter 20 mm. Ein Innendurchmesser der Einzelleitungen wird bei einer Auslegung der Energieumwandlungsvorrichtung in Abhängigkeit einer pro Minute zu fördernden Fluidmenge, einer Förderhöhe und einem Druck in dem Druckbehälter gewählt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung beträgt der Innendurchmesser der Einzelleitungen, vorzugsweise beispielhaft 6 mm. Dadurch können die Einzelleitungen vorteilhaft dafür ausgebildet werden, dass ein Fördergas und ein zu förderndes als Flüssigkeit ausgebildetes Fluid separiert strömen können und das Fördergas nicht an dem als Flüssigkeit ausgebildeten zu fördernden Fluid vorbei strömen kann.
Ferner wird vorgeschlagen, dass der von der Turbine angetriebene elektrische Generator innerhalb des Druckbehälters angeordnet ist. Dadurch kann der Druckbehälter vorteilhaft einfach und kostengünstig druckdicht ausgebildet werden, da keine beweglichen Teile, wie insbesondere eine drehbare Welle aus dem Druckbehälter nach außengeführt werden muss, die mit aufwändigen Dichtungen abgedichtet werden müsste.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass der Generator elektrische Leitungen aufweist, die unterhalb einer minimalen Fluidfüllhöhe aus dem Druckbehälter geführt sind. Unter einer "minimalen Fluidfüllhöhe" soll vorzugsweise eine Höhe verstanden werden, bis auf die das rückzuführende Fluid in dem Druckbehälter während eines ordnungsgemäßen Betriebs mindestens steht. Dadurch kann eine Austrittstelle, aus der die elektrischen Leitungen aus dem Druckbehälter geführt sind, vorteilhaft einfach abgedichtet werden und der Druckbehälter so vorteilhaft einfach Abgedichtet werden.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Rückführstrecke eine Verdichter- und/oder Mischeinheit aufweist, die einen Verdichter aufweist, die zur Verdichtung eines komprimierten Fördergases vorgesehen und einem Mischventil vorgeschaltet ist. Dadurch kann ein zur Förderung des rückzuführenden Fluids vorgesehenes Fördergas vorteilhaft zur Förderung unter Druck gesetzt werden; bevor es mit dem Fluid gemischt wird.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Rückführstrecke einen Wärmetauscher aufweist, der zwischen einer Verdichtereinheit und einem Mischventil angeordnet und dazu vorgesehen ist, einem komprimierten Fördergas eine thermische Energie zu entnehmen. Unter einem "Wärmetauscher" soll vorzugsweise eine Vorrichtung verstanden werden, dazu vorgesehen ist, eine thermische Energie von zumindest einem ersten Volumenstrom auf zumindest einen zweiten Volumenstrom zu übertragen. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher dazu vorgesehen, einem ersten Volumenstrom, insbesondere dem verdichteten Fördergas, eine thermische Energie zu entnehmen, und diese thermische Energie auf einen weiteren Volumenstrom, vorzugsweise einem Wasser zur Speicherung oder weiteren Übertragung zu übertragen. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher als ein separates, der Verdichtereinheit nachgeschaltetes Bauteil ausgebildet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass der Wärmetauscher zumindest teilweise in die Verdichtereinheit integriert ist. Es wäre denkbar, dass die Verdichtereinheit einen integrierten Wärmetauscher ausbildet. Dadurch kann eine beim Verdichten des Fördergases entstehende Wärme dem Fördergas vorteilhaft entzogen und genutzt werden.
Zudem wird vorgeschlagen, dass die Rückführstrecke einen Wärmetauscher aufweist, der in einem oberen Drittel der Rückführstrecke angeordnet ist, und der in zumindest einem Betriebszustand dazu vorgesehen ist, dem strömenden Fördergas eine thermische Energie zuzuführen. Unter einem "oberen Bereich" soll ein dem Fluidreservoir zugewandter Bereich verstanden werden. Vorzugsweise ist der obere Bereich von einem oberen Drittel, vorzugsweise von einem oberen Viertel, insbesondere vorteilhaft von einem oberen Fünftel der Rückführstrecke ausgebildet, das dem Fluidreservoir zugewandt ist. Vorzugsweise wird dem sich in der Rückführstrecke ausgedehnten und dadurch abgekühlten Fördergas über den Wärmetauscher eine Wärmeenergie zugeführt, damit das Fördergas sich weiterhin ausdehnen kann. Vorzugsweise wird dem Fördergas über den Wärmetauscher im oberen Bereich der Rückführstrecke insbesondere nur dann eine Wärmeenergie zugeführt, wenn eine aus der Umgebung der Rückführstrecke aufgenommene thermische Energie nicht ausreicht, dass sich das Förderfluid ausreichend zur Förderung des zu fördernde Fluids ausdehnen kann. Vorzugsweise kann der Wärmetauscher in dem oberen Drittel der Rückführstrecke mit der thermischen Energie versorgt werden, die durch den dem Verdichter unmittelbar nachgeschalteten Wärmetauscher dem Fluidstrom entnommen wurde.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Betrieb einer Energieumwandlungsvorrichtung vorgeschlagen, wobei in einem Verfahrensschritt ein Fluid aus einem Druckbehälter, durch einen in dem Druckbehälter herrschenden Druck und durch eine Mischung mit einem unter Druck stehenden Fördergas in das Fluidreservoir zurückgefördert wird. Dadurch kann das als Flüssigkeit ausgebildete Fluid besonders effizient zurück in das Fluidreservoir gefördert werden.
Es wird weiter vorgeschlagen, dass in einem Verfahrensschritt eine bei einer Komprimierung eines Fördergases entstandene thermische Energie dem komprimierten Fördergas zur weiteren Nutzung entnommen wird. Dadurch kann eine Wärme, die bei der Komprimierung des Fördergases entsteht; vorteilhaft genutzt werden.

Zeichnungen

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:

Fig. 1: Eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Energieumwandlungsvorrichtung, die als eine Wärmepumpenvorrichtung ausgebildet und an einem Gebäude angebracht ist,
Fig. 2: eine weitere schematisierte Darstellung der als Wärmepumpenvorrichtung ausgebildeten Energieumwandlungsvorrichtung,
Fig. 3: eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer Energieumwandlungsvorrichtung, die als eine Energiespeichervorrichtung ausgebildet und an einem Berg angeordnet ist und
Fig. 4: eine weitere schematisierte Darstellung der als Wärmepumpenvorrichtung ausgebildeten Energieumwandlungsvorrichtung

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung 10a. Die Figuren 1 und 2 zeigen eine erfindungsgemäße Energieumwandlungsvorrichtung 10a in einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Energieumwandlungsvorrichtung 10a ist als eine Fluidkraftwerkvorrichtung ausgebildet. Die Energieumwandlungsvorrichtung 10a ist als eine Wärmepumpenvorrichtung ausgebildet. Die als Wärmepumpenvorrichtung ausgebildete Energieumwandlungsvorrichtung 10a ist dazu vorgesehen, eine thermische Energie bereitzustellen. Die von der Energieumwandlungsvorrichtung 10a bereitgestellte thermische Energie ist vorzugsweise dazu vorgesehen, einer weiteren Vorrichtung, beispielsweise einem Heizkreislauf, zugeführt zu werden.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10a ist beispielhaft an einem Gebäude 12a angebracht. Das Gebäude 12a weist hier beispielhaft eine Höhe von 140 Metern auf. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass das Gebäude 12a eine andere Höhe aufweist. Die Energieumwandlungsvorrichtung 10a weist ein Fluidreservoir 14a zu einer Speicherung eines Fluids 100a auf. Das Fluid 100a ist zum Betrieb der Energieumwandlungsvorrichtung 10a vorgesehen. Das Fluid 100a ist vorzugsweise näherungsweise inkompressibel ausgebildet. Das Fluid 100a ist als eine Flüssigkeit ausgebildet. Vorzugsweise ist das Fluid 100a als ein Wasser ausgebildet. Grundsätzlich wäre es dabei denkbar, dass das als Flüssigkeit ausgebildete Fluid 100a als ein Kälteschutzmittel oder als ein Wasser, das mit einem Kälteschutzmittel versetzt ist, ausgebildet ist. Das Fluidreservoir 14a ist als ein Tank ausgebildet. Das als Tank ausgebildete Fluidreservoir 14a ist auf einem Dach des Gebäudes 12a angeordnet. Das als Tank ausgebildete Fluidreservoir 14a ist vorzugsweise zumindest in einer Reservoir-Höhe von 145 m in dem Gebäude angeordnet. Das Fluidreservoir 14a weist ein Fassungsvolumen von 0,2 m³ auf. Grundsätzlich wäre es denkbar, dass das Fluidreservoir ein Fassungsvolumen von 0,1 m³ bis 1 m³ aufweist. Das Fluidreservoir 14a weist einen Fluidausgang 16a auf. Durch den Fluidausgang 16a kann das als Flüssigkeit ausgebildete Fluid 100a aus dem Fluidreservoir 14a austreten. Das Fluidreservoir 14a weist einen Fluideingang 18a auf. Durch den Fluideingang 18a kann das als Flüssigkeit ausgebildete Fluid 100a zurück in das Fluidreservoir 14a gefördert werden.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10a weist eine Fallleitung 20a auf. Die Fallleitung 20a ist an dem Fluidreservoir 14a angeschlossen. Die Fallleitung 20a ist an dem Fluidausgang 18a des Fluidreservoirs 14a angeschlossen. Über die Fallleitung 20a kann das Fluid 100a aus dem Fluidreservoir 14a strömen. Die Fallleitung 20a verläuft in Lotrichtung. Die Fallleitung 20a muss dabei nicht zwangsläufig parallel zu der Lotrichtung verlaufen. Die Fallleitung 20a führt von der Reservoir-Höhe zu einem in Lotrichtung darunter liegenden Bereich. Durch die Fallleitung 20a fließt das als Flüssigkeit ausgebildete Fluid 100a rein durch die Schwerebeschleunigung, also insbesondere die Erdanziehungskraft ab. Die Fallleitung 20a ist vorzugsweise als eine einzelne Leitung ausgebildet. Die Fallleitung 20a ist vorzugsweise von einem druckbeständigen Rohr ausgebildet. Die Fallleitung 20a kann allerdings auch mehrere Einzelleitungen aufweisen. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Energieumwandlungsvorrichtung 10a weitere Fallleitungen 20a aufweist, die von dem Fluidreservoir 14a wegführen.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10a weist ein Fluidventil 94a auf, das in der Fallleitung 20a angeordnet ist. Das Fluidventil 94a ist vorzugsweise an einem oberen, dem Fluidreservoir 14a zugewandten Endbereich der Fallleitung 20a angeordnet. Das Fluidventil 94a ist zur Steuerung eines Volumenstroms an Fluid 100a vorgesehen, der durch die Fallleitung 20a aus dem Fluidreservoir 14a abfließt. Das Fluidventil 94a ist zum Verschließen und Öffnen der Fallleitung 20a vorgesehen. Das Fluidventil 94a weist einen geschlossenen Zustand auf, in dem das Fluidventil 94a die Fallleitung 20a verschließt. Das Fluidventil 94a weist einen geöffneten Zustand auf, in dem das Fluidventil 94a einen Strömungsquerschnitt der Fallleitung 20a freigibt und ein Fluid 100a aus dem Fluidreservoir 14a über die Fallleitung 20a strömen kann. Vorzugsweise ist das Fluidventil 94a stufenlos einstellbar. Ein Durchflussgrad des Fluidventils 94a kann zwischen der geschlossenen Stellung und der komplett geöffneten Stellung stufenlos eingestellt werden.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10a weist eine Turbine 22a auf. Die Turbine 22a ist der Fallleitung 20a nachgeschaltet. Die Turbine 22a ist dazu vorgesehen, eine kinetische Energie des Fluids 100a, welches aus dem Fluidreservoir 12a über die Fallleitung 20a der Turbine 22a zugeführt wird, in eine Rotationsenergie umzusetzen. Die Turbine 22a ist in Lotrichtung unterhalb des Fluidreservoirs 14a angeordnet. Die Turbine 22a in einem Keller des Gebäudes 12a angeordnet. Die Turbine 22a ist lotrecht gemessen 145 Meter unterhalb des Fluidreservoirs 14a angeordnet. Der lotrechte Abstand zwischen der Turbine 22a und dem Fluidreservoir 14a bildet die geodätische Höhe aus, die das in dem Fluidreservoir 14a gespeicherte Fluid 100a gegenüber der Turbine 22a aufweist. Die Turbine 22a ist als eine Freistrahlturbine ausgebildet. Vorzugsweise ist die Turbine 22a als eine Peltonturbine ausgebildet. Die Turbine 22a weist ein Turbinenrad 24a mit mehreren Schaufelrädern 26a auf. Die Schaufelräder 26a sind vorzugsweise jeweils von zwei annähernd halbkugelförmigen Halbschaufeln gebildet, die durch eine scharfe Kante voneinander getrennt sind. Die Turbine 22a weist eine Abtriebswelle auf. Die Abtriebswelle ist mit dem Turbinenrad 24a verbunden und von diesem antreibbar. Die Turbine 22a weist zumindest eine Düse 28a auf, die dazu vorgesehen ist, das Fluid 100a in einem Strahl auf die Schaufelräder 26a der Turbine 22a zu leiten. Die Düse 28a ist tangential zu einem Umfang des Turbinenrads 24a ausgerichtet. Die Düse 28a ist dazu vorgesehen, das Fluid 100a, das aus der Fallleitung 20a strömt, mit einer hohen Geschwindigkeit auf die Schaufelräder 26a der Turbine 22a zu leiten, wodurch das Turbinenrad 24a angetrieben wird. Vorzugsweise weist die Turbine 22a mehrere tangential zum Umfang des Turbinenrads 24a ausgerichtete Düsen 28a auf. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Turbine 22a als eine andere Turbine, beispielsweise als eine andere Freistrahlturbine ausgebildet ist.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10a weist einen Druckbehälter 30a auf. Der Druckbehälter 30a ist von einem Gehäuse der Turbine 22a unterschiedlich. Der Druckbehälter 30a ist zum Auffangen des Fluids 100a vorgesehen, nachdem dieses die Turbine 22a angetrieben hat. Der Druckbehälter 30a bildet einen geschlossenen Innenraum aus. Der Druckbehälter 30a ist vorzugsweise zweiteilig ausgebildet. Der Druckbehälter 30a weist eine Unterschale 32a und eine Oberschale 34a auf. Die Unterschale 32a bildet lediglich einen unteren Teil des Druckbehälters 30a aus. Die Unterschale 32a erstreckt sich vorzugsweise lediglich unterhalb einer minimalen Fluidfüllhöhe 36a des Druckbehälters 30a. Ein Verbindungsbereich, in dem die Oberschale 34a mit der Unterschale 32a verbunden ist, ist unterhalb der minimalen Fluidfüllhöhe 36a angeordnet. Der Druckbehälter 30a ist vorzugsweise aus einem Metall gebildet, beispielsweise aus einem Stahl. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass der Druckbehälter 30a aus einem anderen Material, wie beispielsweise einem faserverstärkten Kunststoff hergestellt ist. Der Druckbehälter 30a weist ein Fassungsvolumen von 0,2 m³ auf. Grundsätzlich wäre es denkbar, dass der Druckbehälter 30a ein Fassungsvolumen von 0,1 m³ bis 0,5 m³ aufweist. Die genaue Größe des Druckbehälters 30a ist dabei insbesondere abhängig von einer Größe der gesamten Energieumwandlungsvorrichtung 10a, insbesondere von einer geodätischen Höhe des Fluidreservoirs 14a gegenüber der Turbine 22a und einem Volumen an Fluid 100a, das pro Minute durchgesetzt werden soll. Für das Ausführungsbeispiel wäre es beispielsweise denkbar, dass pro Minute 450 Liter aus dem Fluidreservoir 14a in den Druckbehälter 30a strömen und dabei die Turbine 22a antreiben.
Der Druckbehälter 30a weist einen Fluideingang 38a auf. Durch den Fluideingang 38a wird die Fallleitung 20a in den Druckbehälter 30a geleitet. Durch den Fluideingang 38a kann ein Fluid 100a durch die Fallleitung 20a in den Druckbehälter 30a gelangen. Vorzugsweise ist der Fluideingang 38a unterhalb einer Fluidfüllhöhe 36a, bevorzugt unter einer minimalen Fluidfüllhöhe 36a angeordnet. Durch den Fluideingang 38a kann das über die Fallleitung 20a aus dem Fluidreservoir 14a unter Druck stehende Fluid 100a in den Druckbehälter 30a zu der Turbine 22a strömen. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass eine Düse 28a der Turbine 22a direkt an dem Fluideingang 38a des Druckbehälters 30a angeordnet ist und der Fluideingang 38a auf einer Höhe der Turbine 22a angeordnet ist. Der Druckbehälter 30a weist einen Fluidausgang 40a auf. Durch den Fluidausgang 40a kann ein in dem Druckbehälter 30a gesammeltes Fluid 100a aus dem Druckbehälter 30a ausgeleitet werden. Der Fluidausgang 40a ist in einem Bodenbereich des Druckbehälters 30a angeordnet. Der Fluidausgang 40a ist unterhalb der minimalen Fluidfüllhöhe 36a angeordnet. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass der Fluidausgang 40a in einem Boden des Druckbehälters 30a angeordnet ist. Durch den Fluidausgang 40a wird das in dem Druckbehälter 30a gesammelte Fluid 100a aus dem Druckbehälter 30a gedrückt. Alle Leitungen, die in den Druckbehälter 30a führen, sind unterhalb der minimalen Fluidhöhe angeordnet.
Der Druckbehälter 30a ist dazu vorgesehen, in einem Betriebszustand mit einem Überdruck versehen zu sein. Der Druckbehälter 30a steht in einem Betriebszustand unter einem Überdruck. Der Druckbehälter 30a steht unter einem gegenüber dem unmittelbaren Umgebungsluftdruck erhöhten Überdruck. Der Druckbehälter 30a steht während eines betriebsbereiten Zustands unter dem gegenüber dem unmittelbaren Umgebungsluftdruck erhöhten Überdruck. Der Druckbehälter 30a steht während eines Normalbetriebs der Energieumwandlungsvorrichtung unter dem gegenüber dem unmittelbaren Umgebungsluftdruck erhöhten Überdruck. Der Druckbehälter 30a steht während eines Betriebs der in dem Druckbehälter 30a angeordneten Turbine 22a unter dem gegenüber dem unmittelbaren Umgebungsluftdruck erhöhten Überdruck. Der Überdruck in dem Druckbehälter 30a beträgt 3 bar. Der Überdruck, der in dem Druckbehälter 30a aufrechterhalten wird, ist insbesondere abhängig von einer geodätischen Höhe, in der das Fluidreservoir 14a über der Turbine 22a angeordnet ist. Der Überdruck in dem Druckbehälter 30a ist dazu vorgesehen, das sich in dem Druckbehälter 30a sammelnde Fluid 100a durch den Fluidausgang 16a aus dem Druckbehälter 30a zu drücken. Der Überdruck in dem Druckbehälter 30a ist vorzugsweise 22% kleiner als ein Fluiddruck des Fluids 100a in der Fallleitung 20a auf Höhe der Turbine 22a. Der Fluiddruck des Fluids 100a in der Fallleitung 20a muss größer sein als der Überdruck in dem Druckbehälter 30a, sodass das Fluid 100a aus der Fallleitung 20a durch die Düse 28a in den Druckbehälter 30a, insbesondere auf die Schaufelräder 26a der Turbine 22a strömen kann. In Abhängigkeit der geodätischen Höhe, in der das Fluidreservoir 14a über der Turbine 22a angeordnet ist, kann der Überdruck zwischen 0,2 bar und 100 bar über dem Umgebungsdruck liegen.
Zur Erzeugung des Überdrucks in dem Druckbehälter 30a ist in dem Druckbehälter 30a ein Gas 102a angeordnet. Das Gas 102a ist als ein Druckgas ausgebildet, das dazu vorgesehen ist, einen Druck in dem Druckbehälter 30a zu erzeugen. Das Gas 102a weist eine Dichte von weniger als 1,2 Kg/m³ auf. Das Gas 102a weist vorzugsweise eine Dichte von etwa 0,1785 Kg/m³ auf. Das Gas 102a ist vorzugweise als ein Helium ausgebildet. Das Gas 102a kann dabei als ein reines Helium, oder als ein Heliumgemisch ausgebildet sein. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass das Gas 102a als ein anderes Gas oder Gasgemisch ausgebildet ist, das eine Dichte von weniger als 1,2 Kg/m³ aufweist. Durch die Verwendung eines Gases 102a mit einer Dichte von weniger als 1,2 Kg/m³, insbesondere von einem als Helium ausgebildeten Gas, kann ein Reibungswiderstand innerhalb des Druckbehälters 30a für sich bewegende Teile, wie insbesondere für das Turbinenrad 24a, trotz des erhöhten Drucks, vorteilhaft gering gehalten werden. Durch die Verwendung eines Gases 102a mit einer Dichte von weniger als 1,2 Kg/m³ zur Erzeugung des Überdrucks in dem Druckbehälter 30a kann ein Reibungswiderstand zwischen dem drehenden Turbinenrad 24a und dessen Schaufelrädern 26a und dem umgebenden Gas 102a auch bei einem hohen Überdruck in dem Druckbehälter 30a gering gehalten werden. Durch die Verwendung des Gases 102a zur Erzeugung eines Überdrucks kann die Effizienz der Turbine 22a, insbesondere durch eine Reduzierung des Strömungswiderstands des Turbinenrads 24a, insbesondere auch bei erhöhtem Druck, vorteilhaft gesteigert werden. Strömungsverluste an der Turbine 22a durch einen erhöhten Strömungswiderstand in Folge des Überdrucks in dem Druckbehälter 30a können dadurch vorteilhaft minimiert werden.
Zur Erzeugung und zur Aufrechterhaltung des Überdrucks in dem Druckbehälter 30a weist die Energieumwandlungsvorrichtung 10a ein Gasreservoir 42a auf. Das Gasreservoir 42a ist als ein Gastank ausgebildet, in dem das Gas 102a gespeichert ist. Das Gasreservoir 42a ist über eine Zuführleitung 44a mit dem Druckbehälter 30a verbunden. Ein Gaseingang 46a, über den die Zuführleitung 44a in den Druckbehälter 30a geführt ist, ist unterhalb der minimalen Fluidfüllhöhe 36a angeordnet. In der Zuführleitung 44a ist ein nicht näher dargestelltes Ventil, das zur Veränderung des Drucks in dem Druckbehälter 30a geöffnet werden kann, um so ein Gas 102a in den Druckbehälter 30a einzulassen oder aus diesem entweichen zu lassen. In einem geschlossenen Zustand ist das Ventil dicht und es kann kein Gas 102a über die Zuführleitung 44a aus dem Druckbehälter 30a entweichen. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Energieumwandlungsvorrichtung 10a kein ständig mit dem Druckbehälter 30a verbundenes Gasreservoir 42a aufweist, sondern der Druckbehälter 30a lediglich bei Montage mit dem Gas 102a befüllt wird und bei Unterschreiten eines erforderlichen Überdrucks in Form einer Wartung Gas 102a in den Druckbehälter nachgefüllt wird.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10a weist einen Generator 48a auf. Der Generator 48a ist als ein elektrischer Generator ausgebildet. Der Generator 48a ist dazu vorgesehen, eine Rotationsbewegung der Abtriebswelle der Turbine 22a in eine elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 48a ist in dem Druckbehälter 30a angeordnet. Der Generator 48a ist vorzugsweise unmittelbar mit der Abtriebswelle der Turbine 22a verbunden. Der Generator 48a weist elektrische Leitungen 50a auf, über die ein von dem Generator 48a erzeugter elektrischen Strom fließen kann. Die elektrischen Leitungen 50a des Generators 48a sind unterhalb der minimalen Fluidfüllhöhe 36a aus dem Druckbehälter 30a geführt.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10a weist eine Rückführstrecke 52a auf. Die Rückführstrecke 52a ist dazu vorgesehen, das in dem Druckbehälter 30a gesammelte Fluid 100a zurück in das Fluidreservoir 14a zu fördern. Die Rückführstrecke 52a ist dazu vorgesehen, das Fluid 100a über die geodätische Höhe, in der das Fluidreservoir 14a oberhalb des Druckbehälters 30a angeordnet ist, zu fördern. Die Rückführstrecke 52a ist frei von einer Flüssigkeitspumpe ausgebildet. Die Rückführstrecke 52a weist keine Pumpe auf, die das Fluid 100a direkt zurück in das Fluidreservoir 14a pumpt. Die Rückführstrecke 52a ist dazu vorgesehen, das Fluid 100a alleine durch den Druck in dem Druckbehälter 30a und ein unter Druck stehendes Fördergas 104a von dem Druckbehälter 30a in das Fluidreservoir zu fördern. Die Rückführstrecke 52a ist beispielhaft dazu vorgesehen, 450 Liter Pro Minute aus dem Druckbehälter 30a zurück in das Fluidreservoir 14a zu fördern.
Die Rückführstrecke 52a weist einen ersten Leitungsabschnitt 54a auf. Der erste Leitungsabschnitt 54a ist direkt an den Druckbehälter 30a angeschlossen. Der erste Leitungsabschnitt 54a ist an den Fluidausgang 40a des Druckbehälters 30a angeschlossen. Der erste Leitungsabschnitt 54a ist vorzugweise von einer einzigen Leitung gebildet. Der erste Leitungsabschnitt 54a ist beispielsweise als ein Rohr oder ein Schlauch ausgebildet. Die Rückführstrecke 52a weist eine Verdichter- und Mischeinheit 56a auf. Die Verdichter- und Mischeinheit 56a ist dazu vorgesehen, ein verdichtetes Fördergas 104a bereitzustellen. Das Fördergas 104a ist als eine Umgebungsluft ausgebildet. Die Verdichter- und Mischeinheit 56a weist einen Verdichter 58a auf. Der Verdichter 58a ist als ein Kompressor ausgebildet. Der als Kompressor ausgebildete Verdichter 58a ist dazu vorgesehen, eine Umgebungsluft anzusaugen und zu verdichten. Der Verdichter 58a ist dazu vorgesehen, die Umgebungsluft zu einem verdichteten Fördergas 104a umzuwandeln. Der Verdichter 58a ist dazu vorgesehen, die Umgebungsluft zu einem Fördergas 104a mit einem Druck von 3 bar zu verdichten. Der Verdichter 58a verdichtet das Fördergas 104a auf einen Druck von 3 bar. Der Druck, in den der Verdichter 58a das Fördergas 104a verdichtet, ist abhängig von einer geodätischen Höhe, über die das Fluid 100a von dem Druckbehälter 30a in das Fluidreservoir 14a gefördert werden muss. In Abhängigkeit der geodätischen Höhe, in der das Fluidreservoir 14a über dem Druckbehälter 30a angeordnet ist, kann der Druck, in den der Verdichter 58a das Fördergas 104a bringen muss, zwischen 0,2 bar und 100 bar liegen. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Verdichter- und Mischeinheit 56a mehrere Verdichter 58a aufweist, oder, dass die Verdichter- und Mischeinheit 56a zusätzliche Bauteile aufweist. Die Verdichter- und Mischeinheit 56a weist eine Fördergasleitung 60a auf. Die Fördergasleitung 60a ist an einen Ausgang des Verdichters 58a angeschlossen. Die Fördergasleitung 60a ist dazu vorgesehen, das unter Druck stehende Fördergas 104a von dem Verdichter 58a weg zu leiten. Der Verdichter 58a ist vorzugsweise elektrisch angetrieben. Der Verdichter 58a ist vorzugsweise von der von dem Generator 48a der Turbine 22a erzeugten Strom angetrieben. Der Verdichter 58a wird über die Leitungen 50a des Generators 48a mit einem elektrischen Strom versorgt. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass der Verdichter 58a über eine mechanische Kopplung durch die Rotationsbewegung der Turbine 22a selbst angetrieben ist.
Die Verdichter- und Mischeinheit 56a ist dazu vorgesehen, das rückzuführende Fluid 100a mit dem verdichteten Fördergas 104a zu mischen. Die Verdichter- und Mischeinheit 56a weist ein Mischventil 62a auf. Das Mischventil 62a ist dazu vorgesehen, das rückzuführende Fluid 100a mit dem komprimierten Fördergas 104a zu mischen. Das Mischventil 62a ist zwischen dem ersten Leitungsabschnitt 54a der Rückführstrecke 52a und der Fördergasleitung 60a angeordnet. Das Mischventil 62a ist als ein 3/2 Wegeventil ausgebildet. Das Mischventil 62a weist einen ersten Fluideingang 64a für das rückzuführende Fluid 100a auf. Der erste Leitungsabschnitt 54a ist mit seinem zweiten Ende an dem ersten Fluideingang 64a des Mischventils 62a angebunden. Das Mischventil 62a weist einen zweiten Fluideingang 66a auf. Über den zweiten Fluideingang 66a wird das Fördergas 104a in das Mischventil 62a geleitet. Die Fördergasleitung 60a der Verdichter- und Mischeinheit 56a ist an dem zweiten Fluideingang 66a des Mischventils 62a angebunden. Der Verdichter 58a ist dem Mischventil 62a vorgeschaltet. Das Mischventil 62a weist einen Fluidausgang 68a auf. Der Fluidausgang 68a ist zum Ausströmen eines Gemischs aus dem zu fördernden Fluid 100a und dem Fördergas 104a vorgesehen. Durch den Fluidausgang 68a strömt in einem Betrieb das in dem Mischventil 62a mit dem Fördergas 104a gemischte Fluid 100a. Durch den Fluidausgang 68a strömt in einem Betrieb abwechselnd ein definiertes Volumen Fluid 100a und ein definiertes Volumen Fördergas 104a.
Das Mischventil 62a ist dazu vorgesehen, das rückzuführende Fluid 100a mit dem verdichteten Fördergas 104a zu mischen. Das Mischventil 62a ist dazu vorgesehen, abwechselnd den ersten Fluideingang 64a und den zweiten Fluideingang 66a strömungstechnisch mit dem Fluidausgang 68a zu verbinden. Durch das Mischventil 62a wird in einem Betrieb abwechselnd das Fluid 100a aus dem ersten Fluideingang 64a zu dem Fluidausgang 68a und das Förderfluid 104a aus dem zweiten Fluideingang 66a zu dem Fluidausgang 68a geleitet. Das Mischventil 62a weist eine erste Schaltstellung auf, in der der erste Fluideingang 64a strömungstechnisch mit dem Fluidausgang 68a verbunden ist. Das Mischventil 62a weist eine zweite Schaltstellung auf, in der der zweite Fluideingang 66a strömungstechnisch mit dem Fluidausgang 68a gekoppelt ist. In einem Betrieb ist das Mischventil 62a dazu vorgesehen, abwechselnd zwischen der ersten und der zweiten Schaltstellung hin und her zu schalten. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass das Mischventil 62a eine dritte Schaltstellung aufweist, in der keiner der beiden Fluideingänge 64a, 66a mit dem Fluidausgang 68a gekoppelt ist und das Mischventil 62a gesperrt ist. Die dritte Schaltstellung könnte in einem Betrieb jeweils der ersten und der zweiten Schaltstellung zwischengeschaltet sein.
Das Mischventil 62a ist dazu vorgesehen, das rückzuführende Fluid 100a und ein komprimiertes Fördergas 104a in einem Mischverhältnis zu mischen, das in einem Bereich von 30:1 bis 1:30 liegt. Vorteilhaft ist das Mischventil 62a in einem Betrieb dazu vorgesehen, das rückzuführende Fluid 100a und das komprimierte Fördergas 104a in einem Mischverhältnis von 1:1 zu mischen. In Abhängigkeit einem zu fördernden Volumen an Fluid 100a kann das Mischventil 62a vorzugsweise auch dazu vorgesehen sein, das rückzuführende Fluid 100a und das komprimierte Fördergas 104a in einem anderen Mischverhältnis zu mischen. Dazu werden insbesondere Schaltzeiten der ersten und der zweiten Schaltstellung des Mischventils 62a variiert. Vorzugsweise ist das Mischventil 62a während eines Betriebs verstellbar ausgebildet. Das Mischventil 62a ist vorzugsweise dazu vorgesehen, dass Schaltzeiten für die erste Schaltstellung und die zweite Schaltstellung einstellbar sind, vorzugsweise insbesondere während eines Betriebs. Das Mischventil 62a ist dazu vorgesehen, dass das Mischverhältnis des rückzuführenden Fluids 100a und des Fördergases 104a variabel einstellbar ist. Das Mischverhältnis kann vorzugsweise während eines Betriebs in einem Bereich von 30:1 bis 1:30 variabel eingestellt werden. Dies wird vorzugsweise dadurch erreicht, dass Schaltzeiten für die erste und die zweite Schaltstellung des Mischventils 62a variiert werden. Eine Schaltzeit für eine Schaltstellung ist dabei insbesondere als eine Zeit ausgebildet, in der das Mischventil 62a in der entsprechenden Schaltstellung steht.
Die Rückführstrecke 52a weist einen zweiten Leitungsabschnitt 70a auf. Der zweite Leitungsabschnitt 70a ist zwischen dem Mischventil 62a und dem Fluidreservoir 14a angeordnet. Der zweite Leitungsabschnitt 70a ist zwischen der Verdichter- und Mischeinheit 56a und dem Fluidreservoir 14a angeordnet. Der zweite Leitungsabschnitt 70a ist zur Förderung des Fluids 100a und des Fördergases 104a von der Verdichter- und Mischeinheit 56a in das Fluidreservoir 14a vorgesehen. Über den zweiten Leitungsabschnitt 70a strömt in einem Betrieb das Gemisch aus zu förderndem Fluid 100a und dem Fördergas 104a von der Verdichter- und Mischeinheit 56a in das Fluidreservoir 14a.
Die Rückführstrecke 52a weist mehrere Einzelleitungen 72a, 74a auf. Die Einzelleitungen 72a, 74a sind dem Mischventil 62a nachgeschaltet. Die Einzelleitungen 72a, 74a sind von dem Mischventil 62a gespeist. Die mehreren Einzelleitungen 72a, 74a bilden den zweiten Leitungsabschnitt 70a aus. Die Rückführstrecke 52a weist hier beispielhaft 84 Einzelleitungen 72a, 74a auf. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Rückführstrecke 52a eine andere Anzahl an Einzelleitungen 72a, 74a aufweist. Die Anzahl der Einzelleitungen 72a, 74a ist insbesondere von einem Volumen an pro Minute in einem Betrieb zurückzuführenden Fluid 100a abhängig. Vorzugsweise ist es denkbar, dass eine Anzahl von Einzelleitungen 72a, 74a, welche die Rückführstrecke 52a aufweist zwischen 20 und 1000 liegt. Grundsätzlich wäre in Abhängigkeit der Größe der Energieumwandlungsvorrichtung 10a auch eine Anzahl von Einzelleitungen 72a, 74a denkbar, die wesentlich größer ist, beispielsweise 600 Einzelleitungen 72a, 74a. Jeweils vierzehn der Einzelleitungen 72a, 74a sind jeweils zu einem Bündel zusammengefasst und gemeinsam in einem Rohrelement 76a, 78a, 80a, 82a, 84a, 86a geführt. Die vierzehn zu einem Bündel zusammengefassten Einzelleitungen 74a, 76a sind je von einem der in diesem Ausführungsbeispiel beispielhaft sechs gezeigten Rohrelementen 76a, 78a, 80a, 82a, 84a, 86a umgeben und werden von diesem zusammengehalten. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass eine andere Anzahl an Einzelleitungen 72a, 74a zu einem Bündel zusammengefasst und in einem Rohrelement 76a, 78a, 80a, 82a, 84a, 86a geführt sind. Vorzugsweise wäre es denkbar, dass eine Anzahl von 5 bis 200 Einzelleitungen 72a, 74a in einem Bündel zusammengefasst sind.
Die Einzelleitungen 72a, 74a weisen jeweils einen Innendurchmesser auf, der kleiner ist als 100 mm. Vorzugsweise weisen die Einzelleitungen 72a, 74a einen Innendurchmesser von 6 mm auf. Der Innendurchmesser der Einzelleitungen 72a, 74a ist vorzugsweise so klein gewählt, dass ein in den Einzelleitungen 72a, 74a strömendes Fördergas 104a nicht an dem davor strömenden, als Flüssigkeit ausgebildeten rückzuführenden Fluid 100a vorbei strömen kann. Der Innendurchmesser der Einzelleitungen 72a, 74a ist so gewählt, dass eine Oberflächenspannung des als Flüssigkeit ausgebildeten rückzuführenden Fluids 100a verhindert, dass das Fördergas 104a in den Einzelleitungen 72a, 74a an dem Fluid 100a vorbei strömen kann. Die Rückführstrecke 52a, insbesondere die Leitungsabschnitte 54a, 70a sind aus einem wärmeleitfähigen Material gebildet. Die Rückführstrecke 52a, insbesondere die Leitungsabschnitte 54a, 70a sind vorzugsweise aus einem Kupfer gebildet. Insbesondere die Einzelleitungen 72a, 74a sind aus einem gut wärmeleitenden Material, insbesondere einem Kupfer gebildet.
Die Rückführstrecke 52a weist einen Wärmetauscher 88a auf. Der Wärmetauscher 88a ist in die Verdichter- und Mischeinheit 56a integriert. Der Wärmetauscher 88a bildet einen Teil der Verdichter- und Mischeinheit 56a aus. Der Wärmetauscher 88a ist zwischen dem Verdichter 58a und dem Mischventil 62a angeordnet. Der Wärmetauscher 88a ist dazu vorgesehen, dem komprimierten Fördergas 104a eine thermische Energie zu entnehmen. Das von dem Verdichter 58a komprimierte Fördergas 104a wird durch die Kompression in dem Verdichter 58a erhitzt. Das durch die Kompression erhitzte, komprimierte Fördergas 104a strömt durch die Fördergasleitung 60a zu dem Mischventil 62a. Der Wärmetauscher 88a ist an der Fördergasleitung 60a angeordnet. Der Wärmetauscher 88a ist dazu vorgesehen, dem in der Fördergasleitung 60a strömenden Fördergas 104a eine thermische Energie, insbesondere eine Wärme zu entnehmen. Der Wärmetauscher 88a weist ein Wärmetransportmedium auf. Das Wärmetransportmedium ist dazu vorgesehen, dem in der Fördergasleitung 60a strömenden, komprimierten Fördergas 104a Wärmeenergie zu entziehen. Die Wärmetransportmedium ist dazu vorgesehen, die Wärmeenergie einem anderen System zuzuführen. Der Wärmetauscher 88a ist dazu vorgesehen, die dem Fördergas 104a entnommene Wärmeenergie einem anderen System, insbesondere einem Heizsystem zuzuführen. Beispielhaft kann das Heizsystem als ein Heizungssystem 90a des Gebäudes 12a ausgebildet sein. Das Heizungssystem 90a, kann beispielsweise zur Bereitstellung einer Warmwasserversorgung und/oder der Bereitstellung einer Heizungsenergie für das Gebäude 12a vorgesehen sein. Das Heizungssystem 90a ist dabei vorzugsweise als ein aus dem Stand der Technik bekanntes Heizungssystem für Gebäude 12a ausgebildet.
Die Rückführstrecke 52a weist einen weiteren Wärmetauscher 98a auf. Der Wärmetauscher 98a ist in die Rückführstrecke 52a integriert. Der Wärmetauscher 98a ist in einem oberen Bereich der Rückführstrecke 52a, die dem Fluidreservoir 14a zugewandt ist, angeordnet. Der Wärmetauscher 98a ist dazu vorgesehen, dem durch die Rückführstrecke 52a strömenden Fluidgemisch, insbesondere dem Förderfluid eine thermische Energie zuzuführen. Der Wärmetauscher 98a wird vorzugsweise mit einer thermischen Energie des ersten Wärmetauschers 88a versorgt. Der Wärmetauscher 98a wird vorzugsweise lediglich in einem Betriebszustand zugeschaltet, in dem eine thermische Energie, die von der Umgebung auf das Fördergas übertragen werden kann, nicht mehr ausreicht, um das Fördergas 104a genügend zu erwärmen, dass dieses sich zum Fördern des zu fördernden Fluids 100a ausdehnen kann. Durch den Wärmetauscher 98a kann dem Fördergas 104a zusätzlich thermische Energie zugeführt werden, die zur Volumenarbeit, also zum Ausdehnen des Fördergases 104a und damit zur Förderung des zu fördernden Fluids 100a benötigt wird.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10a weist eine Steuer- und Regeleinheit 92a auf. Die Steuer- und Regeleinheit 92a ist zum Betrieb der Energieumwandlungsvorrichtung 10a vorgesehen. Im Folgenden soll kurz ein Verfahren zum Betrieb der Energieumwandlungsvorrichtung 10a beschrieben werden. Die Steuer- und Regeleinheit 92a steuert die Energieumwandlungsvorrichtung 10a. Die Steuer- und Regeleinheit 92a regelt durch das Fluidventil 94a einen Strom an Fluid 100a, das aus dem Fluidreservoir 14a über die Fallleitung 20a der Turbine 22a zugeführt wird. Das Fluid 100a tritt am Ende der Fallleitung 20a aus der Düse 28a der Turbine 22a aus und trifft auf die Schaufelräder 26a des Schaufelrads 26a. Durch die geodätische Höhe, die das Fluidreservoir 14a gegenüber der Turbine 22a aufweist, weist das Fluid 100a in dem Bereich der Düse 28a einen hohen Druck auf und strömt mit einer hohen Geschwindigkeit auf die Schaufelräder 26a des Turbinenrads 24a. Der Druck des Fluids 100a an der Düse 28a ist dabei größer als der Druck in dem Druckbehälter 30a, der durch das in ihm angeordnete, unter Druck stehende Gas 102a gebildet ist. Der aus der Düse 28a austretende Strahl an Fluid 100a treibt die Turbine 22a und damit den Generator 48a an. Der Generator 48a erzeugt in dem Betriebszustand durch die Rotation der Turbine 22a einen elektrischen Strom. Der elektrische Strom kann einer Energiespeichereinheit zugeführt werden oder direkt zum Antrieb des Verdichters 58a genutzt werden. Das Fluid 100a sammelt sich, nachdem es die Turbine 22a angetrieben hat, an einem Boden des Druckbehälters 30a, in dem die Turbine 22a angeordnet ist. Durch den Überdruck in dem Druckbehälter 30a wird das Fluid 100a durch den Fluidausgang 40a in den ersten Leitungsabschnitt 54a gedrückt.
Das Fluid 100a wird durch den Druck von 3 bar in dem Innenraum des Druckbehälters 30a in der Rückführstrecke 52a nach oben gedrückt. Der Verdichter 58a wird, vorzugsweise mittels des von dem Generator 48a der Turbine 22a erzeugten elektrischen Stroms angetrieben. Der Verdichter 58a saugt eine Umgebungsluft an und verdichtet dies zu einem komprimierten Fördergas 104a. Das komprimierte Fördergas 104a wird über die Fördergasleitung 60a der Verdichter- und Mischeinheit 56a abgegeben. Der Wärmetauscher 88a entnimmt dem in dem Fördergasleitung 60a strömenden Fördergas 104a eine thermische Energie. Die von dem Wärmetauscher 88a entnommene thermische Energie wird dem Heizungssystem 90a zugeführt.
Das Mischventil 62a der Verdichter- und Mischeinheit 56a mischt das aus dem ersten Leitungsabschnitt 54a strömende Fluid 100a und das aus der Fördergasleitung 60a strömende unter Druck stehende Fördergas 104a. Das Fluid 100a und das Fördergas 104a werden in einem Mischverhältnis von 1 zu 1 von dem Mischventil 62a gemischt. Aus dem Fluidausgang 68a des Mischventils 62a strömen abwechselnd ein definiertes Volumen Fluid 100a und ein gleich großes Volumen Fördergas 104a. Während eines Betriebs kann das Mischverhältnis des Mischventils 62a mittels der Steuer- und Regeleinheit 92a angepasst werden. Das Gemisch aus unter Druck stehendem Fluid 100a und dem unter Druck stehenden Fördergas 104a strömt in den zweiten Leitungsabschnitt 70a jeweils in die Einzelleitungen 72a, 74a. In den Einzelleitungen 72a, 74a strömt abwechselnd ein Volumen von Fluid 100a und ein Volumen an Fördergas 104a. In den Einzelleitungen 72a, 74a strömt das Fluid 100a mit dazwischen eingeschlossenen Taschen an Fördergas 104a. Das Fluid 100a und das Fördergas 104a strömen in der nach oben in Richtung des Fluidreservoirs 14a führenden Rückführstrecke 52a in den Einzelleitungen 72a, 74a. Durch den Druck in dem Druckbehälter 30a, der auf das rückzuführende Fluid 100a wirkt, wird dieses in eine definierte Höhe gedrückt. In den Einzelleitungen 74a, 74a drückt das Fördergas 104a, das jeweils zwischen Volumen von Fluid 100a eingeschlossen ist, durch seinen Auftrieb das Fluid 100a in den Einzelleitungen 72a, 74a des zweiten Leitungsabschnitts 70a nach oben. Das Förderfluid 104a kann dabei durch den eng gewählten Innendurchmesser der Einzelleitungen 72a, 74a nicht an dem zu fördernden, als Flüssigkeit ausgebildeten Fluid 100a vorbei strömen. Das Fördergas 104a dehnt sich beim Aufsteigen in den Einzelleitungen 72a, 74a aufgrund des geringer werdenden Drucks aus. Das inkompressible zu fördernde Fluid 100a dehnt sich nicht aus. Dadurch wird das zu fördernde Fluid 100a je weiter oben in den Einzelleitungen 72a, 74a des zweiten Leitungsabschnitts 70a durch die Ausdehnung des Fördergases 104a schneller gefördert. Das Fluid 100a wird durch das sich ausdehnende und aufsteigende Fördergas 104a in den Einzelleitungen 72a, 74a bis in das Fluidreservoir 14a zurück gefördert. Dort wird das Fluid 100a wieder gesammelt und kann über die Fallleitung 20a wieder der Turbine 22a zugeführt werden, wobei sich der oben beschriebene Vorgang wiederholt.
Das sich in der Rückführstrecke 52a, insbesondere in den der Verdichter- und Mischeinheit 56a nachgeschalteten Einzelleitungen 72a, 74a strömende Fördergas 104a entspannt sich aufgrund des geringer werdenden Drucks beim Aufsteigen in Richtung des Fluidreservoirs 14a. Durch die Entspannung des Fördergases 104a beim Aufsteigen in den Einzelleitungen 72a, 74a sinkt eine Temperatur des Fördergases 104a weiter. In einer Vorteilhaften Ausgestaltung können die Einzelleitungen 72a, 74a des zweiten Leitungsabschnitts 70a der Rückführstrecke 52a zur Kühlung genutzt werden. Dazu könnten an den zweiten Leitungsabschnitt jeweils Wärmetauscher integriert werden, die dem in den Einzelleitungen 72a, 74a strömenden Fördergas 104a eine thermische Energie zuführen und dadurch beispielsweise eine Klimaanlage für das Gebäude 12a mit kühler Luft versorgen können. Das Fördergas 104a in der Rückführstrecke 52a dehnt sich aus, da der auf den einzelnen Fördergasblasen herrschende Druck nach oben hin abnimmt und/oder Volumenarbeit verrichtet wird. Als Folge dessen kühlt das Fördergas 104a ab. Kühlt das Fördergas 104a unter die Temperatur des zu fördernden Fluids 100a ab, erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem zu fördernden Fluid 100a und dem Fördergas 104a. Ebenfalls erfolgt ein Wärmeaustausch über das Material der Einzelleitungen 72a, 74a der Rückführstrecke 52a, wenn das Fördergas 104a und/oder das zu fördernde Fluid 100a kälter ist, wie die Umgebung außerhalb der Rückführstrecke 52a. Es wird also eine Energie, insbesondere eine thermische Energie übertragen. Somit wird bei Volumenarbeit, also bei einem Ausdehnen des Fördergases 104a permanent Energie zugeführt, wenn das Fördergas 104a entsprechend abkühlt. Dadurch kühlen das zu fördernde Fluid 100a, welches im permanenten Kontakt zu dem Fördergas 104a steht, und die Einzelleitungen 72a, 74a der Rückführstrecke 52a ab. Die Einzelleitungen 72a, 74a der Rückführstrecke 52a werden durch die Außenseite der Einzelleitungen 72a, 74a beispielsweise durch die Umgebungsluft erwärmt. Optional kann wie zuvor beschrieben im oberen Bereich der Rückführstrecke 52a durch den Wärmetauscher 98a zusätzlich eine thermische Energie zugeführt werden. Somit erwärmt sich das zu fördernde Fluid 100a und das Fördergas 104a. Das Fördergas 104 kann sich dadurch weiter ausdehnen. Somit wird dem System bei der Rückführstrecke 52a ein Teil der Energie, welche für die Volumenarbeit erforderlich ist, übertragen. Dadurch steigt die potentielle Energie. Dadurch, dass im ersten Bereich der Rückführstrecke 52a die Energie für die Volumenarbeit aus der Umgebung und durch die gespeicherte Energie in dem zu fördernden Fluid zugeführt wird und bei einsprechender Zeit in der Geschwindigkeit der Rückführstrecke 52a auch nahezu komplett zugeführt wird, kommt es hierbei nahezu zu einer isothermen Expansion, quasi isotherm. Es muss immer eine gewisser Temperaturunterschied vorhanden sein, dass ein Wärmeaustausch auch stattfindet. Durch den Wärmetauscher 88a und dessen Auskoppelung von thermischer Energie nach der Verdichtung steht diese noch zur Verfügung. Diese Wärmeenergie kann der Rückführstecke 52a im letzten Bereich über den weiteren Wärmetauscher 98a zugeführt werden. Dem bis dahin ausgeschöpften Potential der Volumenarbeit und dessen isothermer Expansion, welche durch externe Wärmeenergie gespeist worden ist, steht jetzt noch ein höheres Temperaturpotenzial zur Verfügung. Wird das Fluid/Gasgemisch erwärmt, wird der Rückführstrecke 52a zusätzlich Energie zugeführt. Jetzt steigt die Temperatur im Fördergas 104a, welches sich dadurch weiterhin ausdehnt. Ein Teil dieser zugeführten Wärmeenergie bleibt in Form höherer Fluidtemperatur enthalten. Der andere Teil bleibt in der Temperatur des Fördergases 104a enthalten, wenn die Expansion dieses nicht komplett eingenommen hat. Ansonsten ist auch diese Energie bei der Expansion komplett ausgenutzt worden und spiegelt sich in der höheren Lageenergie für das Fluidreservoir 14a wider. Durch diesen Vorgang wird Energie in Form von Wärme in Energie in Form Lageenergie gewandelt. Infolgedessen kann Umweltwärme in mechanische und dann in elektrische Energie gewandelt werden.
Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass das Fördergas 104a anstatt aus einer Umgebungsluft als ein Kältemittel ausgebildet ist. Dadurch könnte bei einer Verdampfung des als Kältemittel ausgebildeten Fördergases 104a bei einer Verdampfung des Fördergases 104a vor oder nach dem Mischventil 62a besonders viel thermische Energie aus der Umgebung übertragen werden, da das als Kältemittel ausgebildete Fördergas 104a stark abkühlt und so ein Temperaturgefälle zwischen Fördergas 104a und der Umgebung sehr hoch ist. Dies würde sich insbesondere auf die Volumenarbeit, also auf die Ausdehnung des Fördergases 104a positiv auswirken und so eine Förderung des zu fördernden Fluids 100a verbessern.
Alternativ wäre es auch denkbar, dass der Druckbehälter 52a mit den darin angeordneten Bauteilen, nicht in einem Kellerraum eines Gebäudes 12a angeordnet ist, sondern am Grund eines für die Energieumwandlungsvorrichtung vorgesehenen Schachts. Dabei wäre es denkbar, dass ein Schacht vorgesehen ist, der in einen Untergrund eingebracht ist. Der Schacht ist vorzugsweise direkt in einen Untergrund unterhalb des Gebäudes 12a, oder neben dem Gebäude 12a angeordnet. Der Schacht ist vorzugsweise mehr als 10 Meter, vorzugsweise mehr als 50 Meter tief. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass der Schacht mehr als 100m tief ist. Die Verdichter- und Mischeinheit 56a ist dabei zusammen mit dem Druckbehälter 52a auf dem Grund des Schachts angeordnet. Das Mischventil 62a ist an dem Grund des Schachts angeordnet. Auch der Verdichter 58a ist vorzugsweise zusammen mit dem Druckbehälter 52a am Grund des Schachts angeordnet. Vorteilhaft wären der Druckbehälter 52a, die Verdichter- und Mischeinheit 52a, also das Mischventil 62a und/oder der Verdichter 58a als ein Montagemodul ausgebildet, das zusammen in den Schacht herabgelassen werden kann. Die entsprechenden Leitungen, also die Rückführstrecke 52a, sowie die Fallleitung 20a und elektrische Leitungen 50a sind in dem Schacht zu den entsprechenden Bauteilen, also dem Druckbehälter 52a und der Verdichter- und Mischeinheit 52a geführt.
In den Figuren 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Die nachfolgenden Beschreibungen und die Zeichnungen beschränken sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen, wobei bezüglich gleich bezeichneter Bauteile, insbesondere in Bezug auf Bauteile mit gleichen Bezugszeichen, grundsätzlich auch auf die Zeichnungen und/oder die Beschreibung der anderen Ausführungsbeispiele, insbesondere der Fig. 1 und 2, verwiesen werden kann. Zur Unterscheidung der Ausführungsbeispiele ist der Buchstabe a den Bezugszeichen des Ausführungsbeispiels in Fig. 1 und 2 nachgestellt. In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 und 3 ist der Buchstabe a durch den Buchstaben b ersetzt.
Die Figuren 3 und 4 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Energieumwandlungsvorrichtung. Die Energieumwandlungsvorrichtung 10b ist als eine Fluidkraftwerkvorrichtung ausgebildet. Die Energieumwandlungsvorrichtung 10b ist als eine Energiespeichervorrichtung ausgebildet. Die als Energiespeichervorrichtung ausgebildete Energieumwandlungsvorrichtung 10b ist dazu vorgesehen, eine Energie in Form von potentieller Energie eines Fluids 100b in einem Fluidreservoir 14b zu speichern und bei Bedarf in eine elektrische Energie umzuwandeln. Die Energieumwandlungsvorrichtung 10b ist beispielhaft an einem Berg 96b angebracht.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10b weist das Fluidreservoir 14b zu einer Speicherung des Fluids 100b auf. Das Fluid 100b ist zum Betrieb der Energieumwandlungsvorrichtung 10b vorgesehen. Das Fluid 100b ist vorzugsweise näherungsweise inkompressibel ausgebildet. Das Fluid 100b ist als eine Flüssigkeit ausgebildet. Vorzugsweise ist das Fluid 100b als ein Wasser ausgebildet. Das Fluidreservoir 14b ist als ein Stausee ausgebildet. Das als Stausee ausgebildete Fluidreservoir 14b ist auf dem Berg 96b angeordnet. Das als Stausee ausgebildete Fluidreservoir 14b ist vorzugsweise zumindest in einer Reservoir-Höhe von 2000 m an dem Berg angeordnet. Das als Stausee ausgebildete Fluidreservoir 14b weist beispielhaft ein Fassungsvolumen von 10.000 m³ auf.
Das Fluidreservoir 14b weist einen Fluideingang 18b auf. Durch den Fluideingang 18b kann das als Flüssigkeit ausgebildete Fluid 100b zurück in das Fluidreservoir 14b gefördert werden. Die Energieumwandlungsvorrichtung 10b weist eine Fallleitung 20b auf. Die Fallleitung 20b ist an dem Fluidreservoir 14b angeschlossen. Die Fallleitung 20b ist an dem Fluidausgang 18b des Fluidreservoirs 14b angeschlossen. Über die Fallleitung 20b kann das Fluid 100b aus dem Fluidreservoir 14b strömen. Die Energieumwandlungsvorrichtung 10b weist ein Fluidventil 94b auf, das in der Fallleitung 20b angeordnet ist.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10b weist eine Turbine 22b auf. Die Turbine 22b ist der Fallleitung 20b nachgeschaltet. Die Turbine 22b ist dazu vorgesehen, eine kinetische Energie des Fluids 100b, welches aus dem Fluidreservoir 14b über die Fallleitung 20b der Turbine 22b zugeführt wird, in eine Rotationsenergie umzusetzen. Die Turbine 22b ist in Lotrichtung unterhalb des Fluidreservoirs 14b angeordnet. Die Turbine 22b in einem Keller des Gebäudes 12b angeordnet. Die Turbine 22b ist lotrecht gemessen 2000 Meter unterhalb des Fluidreservoirs 14b angeordnet.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10b weist einen Druckbehälter 30b auf. Der Druckbehälter 30b ist von einem Gehäuse der Turbine 22b unterschiedlich. Der Druckbehälter 30b ist zum Auffangen des Fluids 100b vorgesehen, nachdem dieses die Turbine 22b angetrieben hat. Der Druckbehälter 30b bildet einen geschlossenen Innenraum aus. Der Druckbehälter 30b weist ein Fassungsvolumen von 100 m³ auf. Grundsätzlich wäre es denkbar, dass der Druckbehälter 30b ein Fassungsvolumen von 30 m³ bis 1000 m³ aufweist. Die genaue Größe des Druckbehälters 30b ist dabei insbesondere abhängig von einer Größe der gesamten Energieumwandlungsvorrichtung 10b, insbesondere von einer geodätischen Höhe des Fluidreservoirs 14b gegenüber der Turbine 22b und einem Volumen an Fluid 100b, das pro Minute durchgesetzt werden soll. Der Druckbehälter 30b ist dazu vorgesehen, in einem Betriebszustand mit einem Überdruck versehen zu sein. Der Druckbehälter 30b steht in einem Betriebszustand unter einem Überdruck. Der Druckbehälter 30b steht unter einem gegenüber dem unmittelbaren Umgebungsluftdruck erhöhten Überdruck. Der Überdruck in dem Druckbehälter 30b beträgt 40 bar. In Abhängigkeit der geodätischen Höhe, in der das Fluidreservoir 14b über der Turbine 22b angeordnet ist, kann der Überdruck zwischen 10 bar und 200 bar über dem Umgebungsdruck liegen.
Zur Erzeugung des Überdrucks in dem Druckbehälter 30b ist in dem Druckbehälter 30b ein Gas 102b angeordnet. Das Gas 102b weist eine Dichte von weniger als 1,2 Kg/m³ auf. Das Gas 102b weist vorzugsweise eine Dichte von etwa 0,1785 Kg/m³ auf. Das Gas 102b ist vorzugweise als ein Helium ausgebildet. Zur Erzeugung und zur Aufrechterhaltung des Überdrucks in dem Druckbehälter 30b weist die Energieumwandlungsvorrichtung 10b ein Gasreservoir 42b auf.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10b weist einen Generator 48b auf. Der Generator 48b ist als ein elektrischer Generator ausgebildet. Der Generator 48b ist dazu vorgesehen, eine Rotationsbewegung der Abtriebswelle der Turbine 22b in eine elektrische Energie umzuwandeln. Der Generator 48b ist in dem Druckbehälter 30b angeordnet. Der Generator 48b weist elektrische Leitungen 50b auf, über die ein von dem Generator 48b erzeugter elektrischen Strom fließen kann. Die elektrischen Leitungen 50b des Generators 48b sind unterhalb einer minimalen Fluidfüllhöhe 36b aus dem Druckbehälter 30b geführt.
Die Energieumwandlungsvorrichtung 10b weist eine Rückführstrecke 52b auf. Die Rückführstrecke 52b ist dazu vorgesehen, das in dem Druckbehälter 30b gesammelte Fluid 100b zurück in das Fluidreservoir 14b zu fördern. Die Rückführstrecke 52b ist dazu vorgesehen, das Fluid 100b über die geodätische Höhe, in der das Fluidreservoir 14b oberhalb des Druckbehälters 30b angeordnet ist, zu fördern. Die Rückführstrecke 52b ist frei von einer Flüssigkeitspumpe ausgebildet. Die Rückführstrecke 52b weist einen ersten Leitungsabschnitt 54b auf. Der erste Leitungsabschnitt 54b ist direkt an den Druckbehälter 30b angeschlossen.
Die Rückführstrecke 52b weist eine Verdichter- und Mischeinheit 56b auf. Die Verdichter- und Mischeinheit 56b ist dazu vorgesehen, ein verdichtets Fördergas 104b bereitzustellen. Das Fördergas 104b ist als eine Umgebungsluft ausgebildet. Die Verdichter- und Mischeinheit 56b weist einen Verdichter 58b auf. Der Verdichter 58b ist als ein Kompressor ausgebildet. Der Verdichter 58b ist dazu vorgesehen, die Umgebungsluft zu einem Fördergas 104b mit einem Druck von 40 bar zu verdichten. Der Verdichter 58b verdichtet das Fördergas 104b auf einen Druck von 40 bar. In Abhängigkeit der geodätischen Höhe, in der das Fluidreservoir 14b über dem Druckbehälter 30b angeordnet ist, kann der Druck, in den der Verdichter 58b das Fördergas 104b bringen muss zwischen 10 bar und 200 bar liegen. Eine Fördergasleitung 60b ist an einen Ausgang des Verdichters 58b angeschlossen. Die Fördergasleitung 60b ist dazu vorgesehen, das unter Druck stehende Fördergas 104b von dem Verdichter 58b weg zu leiten.
Die Verdichter- und Mischeinheit 56b ist dazu vorgesehen, das rückzuführende Fluid 100b mit dem verdichteten Fördergas 104b zu mischen. Die Verdichter- und Mischeinheit 56b weist ein Mischventil 62b auf. Das Mischventil 62b ist dazu vorgesehen, das rückzuführende Fluid 100b mit dem komprimierten Fördergas 104b zu mischen. Das Mischventil 62b ist zwischen dem ersten Leitungsabschnitt 54b der Rückführstrecke 52b und der Fördergasleitung 60b angeordnet. Das Mischventil 62b ist dazu vorgesehen, das rückzuführende Fluid 100b und ein komprimiertes Fördergas 104b in einem Mischverhältnis zu mischen, das in einem Bereich von 30:1 bis 1:30 liegt. Vorteilhaft ist das Mischventil 62b in einem Betrieb dazu vorgesehen, das rückzuführende Fluid 100b und das komprimierte Fördergas 104b in einem Mischverhältnis von 1:1 zu mischen.
Die Rückführstrecke 52b weist einen zweiten Leitungsabschnitt 70b auf. Der zweite Leitungsabschnitt 70b ist zwischen dem Mischventil 62b und dem Fluidreservoir 14b angeordnet. Der zweite Leitungsabschnitt 70b ist zwischen der Verdichter- und Mischeinheit 56b und dem Fluidreservoir 14b angeordnet.
Die Rückführstrecke 52b weist mehrere Einzelleitungen 72b, 74b auf. Die Einzelleitungen 72b, 74b sind dem Mischventil 62b nachgeschaltet. Die Einzelleitungen 72b, 74b sind von dem Mischventil 62b gespeist. Die Rückführstrecke 52b weist 1000 Einzelleitungen auf. Vorzugsweise ist es denkbar, dass eine Anzahl von Einzelleitungen 72b, 74b, welche die Rückführstrecke 52b aufweist, zwischen 600 und 100.000 liegt. Grundsätzlich wäre in Abhängigkeit der Größe der Energieumwandlungsvorrichtung 10b auch eine Anzahl von Einzelleitungen denkbar, die wesentlich größer ist, beispielsweise 1.000.000 Einzelleitungen 72b, 74b.
Die Einzelleitungen 72b, 74b weisen jeweils einen Innendurchmesser auf, der kleiner ist als 100 mm. Vorzugsweise weisen die Einzelleitungen 72b, 74b einen Innendurchmesser von 20 mm auf.
Die als Energiespeichervorrichtung ausgebildete Energieumwandlungsvorrichtung 10b weist eine Steuer- und Regeleinheit 92b auf. Die Steuer- und Regeleinheit 92b ist zum Betrieb der Energieumwandlungsvorrichtung 10b vorgesehen. Im Folgenden soll kurz ein Verfahren zum Betrieb der Energieumwandlungsvorrichtung 10b beschrieben werden. Insbesondere sollen die Unterschiede im Verfahren zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben werden. Im Wesentlichen ist ein Betrieb der als Energiespeichervorrichtung ausgebildete Energieumwandlungsvorrichtung 10b gleich wie für das erste Ausführungsbeispiel. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass die potentielle Energie des Fluids 100b nicht in Wärmeenergie umgewandelt werden soll, sondern in elektrische Energie. Die von der Turbine 22b erzeugte elektrische Energie ist dazu vorgesehen, in ein Energienetz eingespeist zu werden. Die als Energiespeichervorrichtung ausgebildete Energieumwandlungsvorrichtung 10b wird in einem zweiphasigen Betrieb betrieben. In einem ersten Betriebszustand wird elektrische Energie durch das Ablassen des Fluids 100b aus dem Fluidreservoir 14b in den Druckbehälter 30b, bei dem das Fluid 100b die Turbine 22b antreibt, erzeugt. Diese elektrische Energie wird in einen elektrischen Kreislauf eingespeist. In einem zweiten, dem ersten Betriebszustand nachgeschalteten Betriebszustand wird das Fluid 100b in das Fluidreservoir 14b zurück gefördert. Dabei wird der Verdichter 58b mittels einer elektrischen Energie aus einem Stromnetz betrieben und das Fluid 100b so mittels dem verdichteten Fördergas 104b zurück in das Fluidreservoir 14b gefördert. Eine grundsätzliche Funktion ist dabei die gleiche wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.

Bezugszeichen

10	Energieumwandlungsvorrichtung	58	Verdichter
12	Gebäude	60	Fördergasleitung
14	Fluidreservoir	62	Mischventil
16	Fluidausgang	64	Fluideingang
18	Fluideingang	66	Fluideingang
20	Fallleitung	68	Fluidausgang
22	Turbine	70	Leitungsabschnitt
24	Turbinenrad	72	Einzelleitung
26	Schaufelrad	74	Einzelleitung
28	Düse	76	Rohrelement
30	Druckbehälter	78	Rohrelement
32	Unterschale	80	Rohrelement
34	Oberschale	82	Rohrelement
36	Fluidfüllhöhe	84	Rohrelement
38	Fluideingang	86	Rohrelement
40	Fluidausgang	88	Wärmetauscher
42	Gasreservoir	90	Heizungssystem
44	Zuführleitung	92	Steuer- und Regeleinheit
46	Gaseingang	94	Fluidventil
48	Generator	96	Berg
50	Leitung	98	Wärmetauscher
52	Rückführstrecke	100	Fluid
54	Leitungsabschnitt	102	Gas
56	Verdichter- und Mischeinheit	104	Fördergas

Claims

Energieumwandlungsvorrichtung, insbesondere Fluidkraftwerkvorrichtung, mit einem Fluidreservoir (14a; 14b) zu einer Speicherung eines Fluids (100a; 100b), mit einer Fallleitung (20a; 20b), die an dem Fluidreservoir (14a; 14b) angeschlossen ist, mit einer Turbine (22a; 22b), die der Fallleitung (20a; 20b) nachgeschaltet und dazu vorgesehen ist, eine kinetische Energie des Fluids (100a; 100b), welches aus dem Fluidreservoir (14a; 14b) über die Fallleitung (20a; 20b) der Turbine (22a; 22b) zuführbar ist, in eine Rotationsbewegung einer Abtriebswelle der Turbine (22a; 22b) umzuwandeln, und mit einem Generator (48a; 48b), der dazu vorgesehen ist, die Rotationsbewegung der Abtriebswelle in eine elektrische Energie umzuwandeln, gekennzeichnet durch einen, insbesondere verschieden von einem Gehäuse der Turbine (22a; 22b) ausgebildeten, Druckbehälter (30a; 30b), in dem ein Gas (102a; 102b) mit einem Überdruck gegenüber dem Umgebungsluftdruck, insbesondere von zumindest 0,2 bar, und die Turbine (22a; 22b) zumindest teilweise angeordnet sind.
Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gas (102a; 102b) eine Dichte von weniger als 1,2 Kg/m³ aufweist, insbesondere als Helium ausgebildet ist.
Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (22a; 22b) als eine Peltonturbine ausgebildet ist.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Rückführstrecke (52a; 52b), über die das Fluid (100a; 100b) aus dem Druckbehälter (30a; 30b) zurück in das Fluidreservoir (14a; 14b) förderbar ist, und eine Verdichter- und/oder Mischeinheit (56a; 56b) aufweist, die dazu vorgesehen ist, das rückzuführende Fluid (100a; 100b) in der Rückführstrecke (52a; 52b) mit einem komprimierten Fördergas (104a; 104b) zu mischen.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführstrecke (52a; 52b) eine Verdichter- und/oder Mischeinheit (56a; 56b) aufweist, die ein Mischventil (62a; 62b) aufweist, das dazu vorgesehen ist, das rückzuführende Fluid (100a; 100b) mit dem komprimierten Fördergas (104a; 104b) zu mischen.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführstrecke (52a; 52b) eine Verdichter- und/oder Mischeinheit (56a; 56b) aufweist, die ein Mischventil (62a; 62b) aufweist, das dazu vorgesehen ist, das rückzuführende Fluid (100a; 100b) und ein komprimiertes Fördergas (104a; 104b) in einem Mischverhältnis zu mischen, das in einem Bereich von 30:1 bis 1:30 liegt.
Energieumwandlungsvorrichtung einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführstrecke (52a; 52b) eine Verdichter- und/oder Mischeinheit (56a; 56b) aufweist, die ein Mischventil (62a; 62b) aufweist, dessen Mischverhältnis variabel einstellbar ist.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführstrecke (52a; 52b) mehrere Einzelleitungen (72a, 74a; 72b, 74b) aufweist, die einem Mischventil (62a; 62b) nachgeschaltet und von diesem gespeist sind.
Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Einzelleitungen (72a, 74a; 72b, 74b) jeweils einen Innendurchmesser aufweisen, der kleiner ist als 100 mm.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Turbine (22a; 22b) angetriebene elektrische Generator (48a; 48b) innerhalb des Druckbehälters (30a; 30b) angeordnet ist.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator (48a; 48b) elektrische Leitungen (50a; 50b) aufweist, die unterhalb einer minimalen Fluidfüllhöhe (36a; 36b) aus dem Druckbehälter (30a; 30b) geführt sind.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführstrecke (52a; 52b) eine Verdichter- und/oder Mischeinheit (56a; 56b) aufweist, die einen Verdichter (58a; 58b) aufweist, der zur Verdichtung eines komprimierten Fördergases (104a; 104b) vorgesehen und einem Mischventil (62a; 62b) vorgeschaltet ist.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführstrecke (52a; 52b) einen Wärmetauscher (88a) aufweist, der zwischen einem Verdichter (58a) und einem Mischventil (62a; 62b) angeordnet und dazu vorgesehen ist, einem komprimierten Fördergas (104a; 104b) eine thermische Energie zu entnehmen.
Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführstrecke (52a; 52b) einen Wärmetauscher (98a) aufweist, der in einem oberen Bereich, insbesondere einem oberen Drittel der Rückführstrecke (52a; 52b) angeordnet ist, und der in zumindest einem Betriebszustand dazu vorgesehen ist, dem strömenden Fördergas (104a; 104b) eine thermische Energie zuzuführen.
Verfahren zum Betrieb einer Energieumwandlungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt ein Fluid (100a; 100b) aus einem Druckbehälter (30a; 30b), durch einen in dem Druckbehälter (30a; 30b) herrschenden Druck und durch eine Mischung mit einem unter Druck stehenden Fördergas (104a; 104b) in das Fluidreservoir (14a; 14b) zurückgefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verfahrensschritt eine bei einer Komprimierung eines Fördergas (104a; 104b) entstandene thermische Energie dem komprimierten Fördergas (104a; 104b) zur weiteren Nutzung entnommen wird.