Fließende Gewässer

Das m a x l o i d l v e r f a h r e n bietet  Lösungen zur effektiven Energiegewinnung aus natürlichen Gewässern. Nachfolgend wird die Funktionsweise des Verfahrens für fließende Gewässer erklärt und das Potential anhand von konkreten Zahlen und Anwendungsbeispielen dargestellt.

Das m a x l o i d l v e r f a h r e n für fließende Gewässer  bei einem Wasserkraftwerk

Sollten bisher Wärmetauscher für Wärmepumpen direkt in den Lauf fließender Gewässer eingebracht und durch die Eigenströmung dieser Gewässer umflossen werden, so war dies wegen Geröll und Treibgut (vor allem bei Hochwasser) und dem Druck des fließenden Wassers praktisch nicht möglich.

Wärmetauscher hinter Gitterstäben

Anders ist es beim m a x l o i d l v e r f a h r e n, bei dessen Anwendung in fließenden Gewässern vereinfacht ausgedrückt gilt:

Wasser umfließt einen durch die Gitterstäbe eines Wasserkraftwerksrechens geschützten Wärmetauscher und gibt dabei Wärme ab.

Bei einer Anwendung dieses Verfahrens werden die in Wasserkraftwerken zum Schutz der Turbinenanlagen vor dem Turbineneinlauf angebrachten Schutzgitter, die sogenannten Kraftwerksrechen zur Anbringung von Wärmetauschern verwendet.

Werden hinter den Stäben dieses Schutzgitters, geschützt auf der Kraftwerksseite, Wärmetauscherrohre oder Wärmetauscherplatten , bestehend aus gut wärmeleitendem Material angebracht, so kann an diesen Wärmetauschern außenseitig das fließende Gewässer vorbeiströmen und seine Wärme an ein innenseitig in einem Wärmetauscherkreislauf befindliches Medium abgeben. Die Kombination aus stabilen Gitterstäben und dahinter angebrachten Wärmetauscherrohren  kann ohne Einschränkung direkt in den Lauf eines Flusses vor den Turbinenanlagen eines Wasserkraftwerks gesetzt werden. Auch Hochwasser kann, bedingt durch die Form und Art und den Ort der Anbringung der Kombination, das m a x l o i d l v e r f a h r e n nicht in Frage stellen. Zudem ist beim maxloidlverfahren der Schutz der Wärmetauscher bei Wasserkraftwerken vor willkürlicher Beschädigung gewährleistet.

Durch die unter Wasser geschützt angebrachten Wärmetauscher wird nur geringste stauende Wirkung ausgeübt, da die Platten der Wärmetauscher parallel zur Fließrichtung angebracht sind. Die spezielle Anordnung der Platten ermöglicht dabei auch die wichtigen Anströmverhältnisse vor den Kraftwerksturbinen beizubehalten und bewirkt nur geringste Minderung der elektrischen Leistung des Kraftwerks, die wegen des großen Gewinns an Wärme vernachlässigbar ist.

Es gibt auch eine einfache und sichere (auch nachträgliche) Befestigungsmöglichkeit und Wartungsmöglichkeit des Kollektors im Bereich innerhalb der Dammtafeln, da dieser Bereich dazu wasserfrei gemacht werden kann.  Zudem kann der vom Wasserkraftwerk erzeugte Strom direkt und ohne große Leitungsverluste zum Betrieb der Wärmepumpenanlage verwendet werden.

Mit dem m a x l o i d l v e r f a h r e n ist auch eine umweltverträgliche Errichtung eines Wärmepumpen-Heizkraftwerks auf der Wasserkraftwerksanlage oder auf dem Werksgelände möglich. Es ist nur geringer technischer Aufwand und ein evtl. vereinfachtes Genehmigungsverfahren bei der Errichtung eines Wärmepumpen-Heizkraftwerkes erforderlich.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit des m a x l o i d l v e r f a h r e n s besteht darin, durch Gitterstäbe geschützte Wärmetauscher hinter festen Einbauten, z. B. hinter Brückenpfeilern, an den Uferböschungen oder am Boden von Flüssen, Bächen und Kanälen anzubringen. So kann an diesen Wärmetauschern außenseitig das fließende Gewässer vorbeiströmen und seine Wärme an ein innenseitig in einem Wärmetauscherkreislauf befindliches Medium abgeben. Durch die so angebrachten plattenförmigen Wärmetauscher kann das Fließverhalten sogar verbessert werden.

Bei diesen Verfahren mit geschlossenem Kreislauf werden spezielle Wärmetauscher aus Edelstahl verwendet und es kann bei beiden Varianten als Wärmeträgermedium Sole (z. B. Glykol-Wasser-Gemisch, Ethanol-Wasser-Gemisch), bei genügend warmen Flüssen auch nur Wasser und bei Anwendung eines Direktverdampfungsverfahrens z. B. Propan verwendet werden.

 

Einige Vorteile bei Anwendung des m a x l o i d l v e r f a h r e n s  in fließenden Gewässern:

Keine Gefahr durch Geröll, Treibgut, Eisgang, Aufstau und Verklausung, da sich die Wärmetauscher bei einem Wasserkraftwerk hinter einem Kraftwerksrechen mit Rechenreinigungsanlage befinden.

Keine Gefahr bei Hochwasser, da die Wärmetauscher geschützt sind hinter dem Kraftwerksrechen und Hochwasser über das Wehr abgeleitet werden kann.

Keine Gefahr bei tiefen Flusstemperaturen hinsichtlich des Einfrierens, da ein Betrieb der Wärmetauscher auf Grund des geschlossenen Systems auch bei Flusstemperaturen knapp über dem Nullpunkt möglich ist.

Möglichkeit der Verwendung großer Wärmeaustauschflächen mit großer Leistung, da im Bereich vor einem Wasserkraftwerk die Wassertiefe größer ist.

Möglichkeit der Verwendung fast des gesamten Flusswassers für den Wärmeaustausch, da im Normalfall das gesamte Flusswasser durch die Turbinen geleitet wird.

Möglichkeit der Errichtung größerer Wärmepumpenanlagen bei Wasserkraftwerken, da praktisch keine zusätzliche störende Wirkung auf die Umwelt erfolgt.

Möglichkeit einer vereinfachten Wartung der Wärmepumpenanlage, da dies durch das Wartungspersonal des Wasserkraftwerks erfolgen kann.

Möglichkeit vereinfachter Stromversorgung der Wärmepumpenanlage durch das Wasserkraftwerk.

Möglichkeit der Verlegung von Rohren für Nahwärmenetze auf den Stromtrassen.

Anders als beim maxloidlverfahren, bei dem auf Grund des geschlossenen Kreislaufs den Gewässern kein Wasser entnommen und wieder zurück gepumpt wird, erfolgt sonst durch die Entnahme von Wasser aus den Gewässern unvermeidlich eine schädliche Beeinflussung der Fauna und durch die offenen Kreisläufe können auch schädliche Stoffe in die Gewässer gelangen. Zudem führt die dabei häufig auftretende Verschlammung und der mögliche Algen- und Muschelansatz an den Ansaugrohren und im gesamten Wärmepumpensystems zu Auszeiten für die Reinigung und verursacht zusätzliche Kosten.

Beim maxloidlverfahren können Wärmetauscher aber in fließenden Gewässern so angebracht werden, dass das gesamte Flusswasser vollständig am Wärmeaustausch teilnehmen kann und somit trotz nur minimaler Temperaturänderung des Wassers ein maximaler Energiegewinn möglich ist?

Beim maxloidlverfahren können Wärmetauscher aber in fließenden Gewässern so angebracht werden, dass sie gegen Beschädigung durch das Gewässer, aber auch gegen willkürliche Beschädigung geschützt sind? Wobei sich besondere Anforderungen für den Einsatz der Wärmetauscher in fließenden Gewässern nicht nur bei Hochwasser ergeben, da Schwimmstoffe, z. B. Baumteile, Schwebestoffe, z. B. Gras, Geschiebe, z. B. an der Gewässersohle mitgeführtes Geröll, aber auch möglicher Eisstau im Winter eine Verklausung und dadurch wegen Rückstau Überschwemmung verursachen können.

Beim maxloidlverfahren können Wärmetauscher aber in fließenden Gewässern so angebracht werden, dass der Durchfluss  nur vernachlässigbar vermindert wird, das gesamte Flusswasser vollständig am Wärmeaustausch teilnehmen kann und somit trotz nur minimaler Temperaturänderung des Wassers ein maximaler Energiegewinn möglich ist, so dass speziell für Wasserkraftwerke, wovon es allein in Bayern rund 4200 gibt, keine negativen Auswirkungen entstehen? Bisherige Verfahren, bei denen Wärmetauscher in fließenden Gewässern an der Flusssohle oder an der Uferböschung angebracht wurden, erlauben nur kleine thermische Leistungen, da durch die Art der Anbringung fast das gesamte Flusswasser ungenutzt am Wärmetauscher vorbeifließt und nicht am Wärmeaustausch beteiligt ist und zudem diese Wärmetauscher nicht nur  bei Hochwasser beschädigt werden können.

Beim maxloidlverfahren können Wärmetauscher aber in fließenden Gewässern so angebracht werden, dass sie gegen Beschädigung durch das Gewässer, aber auch gegen willkürliche Beschädigung geschützt sind? Wobei sich besondere Anforderungen für den Einsatz der Wärmetauscher in fließenden Gewässern nicht nur bei Hochwasser ergeben, da Schwimmstoffe, z. B. Baumteile, Schwebestoffe, z. B. Gras, Geschiebe, z. B. an der Gewässersohle mitgeführtes Geröll, aber auch möglicher Eisstau im Winter eine Verklausung und dadurch wegen Rückstau Überschwemmung verursachen können.

Beim maxloidlverfahren, bei dem ein Wärmetauscher in einem geschlossenen Kreislauf direkt in das Gewässer gesetzt wird und vom gesamten Wasser des Gewässers fortwährend umflossen wird, kann aber, anders als bei bisherigen Verfahren, die zusätzliche Pumpleistung, die für die Überwindung des Höhenunterschiedes zwischen Wasserspiegel und Wärmepumpe erforderlich ist, vermieden werden, so dass lediglich nur der stets vorhandene Rohrreibungswiderstand ausgeglichen werden muss.

Diese Probleme waren der Fachwelt seit langer Zeit bekannt und es bestand ein Bedürfnis für deren Lösung, so dass für ein innovatives Verfahren, das alle diese Probleme löste, auf Grund seiner weltweiten Neuheit und Erfindungshöhe durch das Deutsche Patentamt DPMA und das Europäische Patentamt EPA Patente erteilt wurden.

Die Leistungsfähigkeit des m a x l o i d l v e r f a h r e n s soll an folgendem Beispiel verdeutlicht werden:

Ein kleiner Bach von 2 m Breite und 0,5 m Tiefe hat eine Querschnittsfläche von 1 Quadratmeter und diese wird bei Fließgeschwindigkeit von 1 m/s (etwa Schrittgeschwindigkeit) von 1.000 Liter Wasser je Sekunde durchflossen. Es entspricht den physikalischen Gesetzen, dass die Erwärmung von 1 Liter Wasser in 1 Sekunde um 1°C eine Wärmeleistung von 4 kW erfordert und umgekehrt bei Abkühlung von 1 Liter Wasser in 1 Sekunde um 1°C eine Wärmeleistung von 4 kW frei wird. Somit kann aus einem Fluss aus einem Wasserdurchlauf von 1.000 Litern je Sekunde bei dessen Abkühlung bzw. Erwärmung um 1°C eine Wärmeleistung bzw Kälteleistung von 4 MW gewonnen werden, mit der z. B. rund 400 Wohneinheiten beheizt oder gekühlt werden können. Für die gleiche Wärme- bzw. Kälteleistung würde man 1.000 Erdsonden mit jeweils rund 80 m Bohrtiefe benötigen mit Kosten die im Vergleich zum maxloidlverfahren ein Vielfaches betragen. Große Flüsse haben einen Durchfluss von rund 1 Million Liter je Sekunde und würden sich bei Anwendung des m a x l o i d l v e r f a h r e n s  bei einer entzogenen Wärme- bzw. Kälteleistung von z. B. 40 MW nur um 0,01 Kelvin (ein Hundertstel Grad Celsius) abkühlen bzw. erwärmen, ohne weiteres Risiko und ohne weitere Nachteile, aber mit dem Vorteil einer immensen CO2-Einsparung, selbst bei Stromerzeugung mit fossilen Brennstoffen.

Fließende Gewässer und Seen haben auch im Winter genügend Wärme gespeichert, um daraus mit Wärmepumpen Wärme zum Heizen und zur Warmwassererzeugung zu gewinnen. Mit dem patentierten m a x l o i d l v e r f a h r e n, einem Verfahren zur dezentralen Erzeugung von großen Wärme- oder Kältemengen aus natürlichen Gewässern ist es möglich, mit Hilfe von Großwärmepumpen Wohnanlagen, Einkaufszentren, Verwaltungszentren, Abfertigungszentren, Turnhallen, Stadthallen, Gewächshäuser, ganze Stadtviertel etc., über „Nahwärmenetze“ zu beheizen oder über „Kalte Nahwärmenetze“ und „Anergienetze“ mit jeweils gesonderten eigenen Wärmepumpen je Projekt zu beheizen aber auch zu kühlen, wenn ein Zugang zu einem Gewässer im Umkreis von einigen Kilometern möglich ist. Natürlich kann man auf diese Weise mit einer Wärmepumpe auch kleinere Objekte umweltfreundlich und preisgünstig „klimatisieren“.

Da Erdgas unter den fossilen Brennstoffen den geringsten CO2-Ausstoss hat, kann auf Erdgas im Übergang bei der Energiewende auf dem Wärmesektor wohl nicht ganz verzichtet werden. Denn mit 2,5 kWh Gas kann rund 1 kWh Strom erzeugt werden und mit dieser 1 kWh Strom können wiederum mit einer geeigneten Wärmepumpe durch die Wärmequelle Wasser rund 5 kWh Wärme erzeugt werden, so dass aus 2,5 kWh Primärenergie rund 5 kWh Wärme erzeugt werden können, wofür man sonst 5 kWh Primärenergie benötigen würde. Somit kann beim Heizen und Kühlen mit einer Wärmepumpe der CO2-Ausstoß halbiert werden, sogar wenn der dazu benötigte Strom zentral durch ein Gaskraftwerk erzeugt wird. Wird  der Strom hingegen vor Ort dezentral durch Kraftwärmekopplung mit einem gasbetriebenen Blockheizkraftwerk erzeugt, so kann aus 2,5 kWh Gas neben 1 kWh Strom trotz Wärmeverluste zusätzlich auch noch rund 1 kWh Wärme erzeugt werden, sodass aus 2,5 kWh Gas dann rund 6 kWh nutzbare Wärme erzeugt werden und damit nicht nur der CO2-Ausstoss, sondern gleichzeitig auch die Kosten für die Erzeugung von Wärme halbiert werden. Wird für den Betrieb der Wärmepumpe durch Photovoltaik, Windkraft, Wasserstoff, Biogas etc. erzeugter „Grüner Strom“ verwendet, wird beim Heizen und Kühlen durch eine Wärmepumpe der CO2-Ausstoss auf Null gesenkt. Da es einer Wärmepumpe egal ist woher der Strom kommt, können alle zukünftigen Möglichkeiten der Stromerzeugung in Betracht gezogen werden.

Sollen Wärmepumpen in Kombination mit einem Nahwärmenetz eingesetzt werden, so benötigt man eine sehr leistungsfähige Wärmequelle, die in der Lage ist, auch im vielfachen Megawatt-Bereich Wärme und Kälte zu liefern.

Wärmepumpen, die mit Wärmequelle Luft betrieben werden, erreichen vor allem im Winter bei einer Lufttemperatur unter 0°C nicht den für einen wirtschaftlichen Betrieb erforderlichen Wirkungsgrad.

Wärmepumpen, die mit Wärmequelle Grundwasser betrieben werden, bei Wassertemperaturen von durchschnittlich 10°C, erreichen zwar eine gute Jahresarbeitszahl (JAZ), aber das Grundwasservorkommen ist, abgesehen von den bekannten Problemen und Gefahren, im allgemeinen viel zu gering, um daraus eine entsprechend hohe Leistung der Wärmepumpe zu ermöglichen.

Wärmepumpen, die mit Wärmequelle Erdreich betrieben werden, wobei das die Sonden im Boden umgebende Erdreich im Betrieb im allgemeinen auf eine Temperatur von 0°C absinkt, haben zwar eine relativ gute JAZ, aber man benötigt für eine Leistung von z. B. 5 kW eine Sonde von rund 100 m Länge und damit sehr viele teure Erdsonden um eine entsprechend hohe Leistung der Wärmepumpe zu erbringen, was in wasserwirtschaftlich sensiblen Gebieten nicht unproblematisch ist und zudem kosten Wärmetauscher nach dem  m a x l o i d l v e r f a h r e n   nur etwa ein Fünftel so viel wie Erdsonden. Erdkollektoren sind wegen des hohen Flächenbedarfs sowieso nicht geeignet, eine entsprechend hohe Leistung zu ermöglichen.

Die Wärmequelle tiefe Geothermie kann je nach Bohrtiefe zwar Wasser von höherer Temperatur liefern, aber abgesehen von den sehr hohen Kosten, kann das Risiko künstlich ausgelöster schwacher Erdbeben (induzierte Seismizität) bei hydrothermaler oder petrothermaler geothermischer Nutzung unter ungünstigen Umständen entstehend durch das Umpumpen großer Wassermengen zwischen Förder- und Injektionsbohrung mit einer so genannten Dublette, nicht ausgeschlossen werden. Auch schwindet der Vorteil der Tiefengeothermie mit ihren höheren Temperaturen zudem wegen des zunehmend immer besser wärmeisolierten Gebäudebestands, bei dem Heizwassertemperaturen von über 80°C nicht mehr benötigt werden.

Das m a x l o i d l v e r f a h r e n  hingegen ermöglicht große Leistungen bei hohem Wirkungsgrad durch die spezielle Verwendung von Wärmetauschern in fließenden oder in stehenden Gewässern, da diese auch in der kalten Jahreszeit eine durchschnittliche Wassertemperatur haben, die erheblich über dem Gefrierpunkt liegt. Ohne zusätzlichen energetischen Aufwand und ohne Risiko werden dabei die vorhandenen eigenen Strömungen in fließenden Gewässern (oder bei einer weiteren Anwendung des m a x l o i d l v e r f a h r e n s mit geringem energetischen Aufwand zu erzeugende Strömungen in Seen und Meeren) genutzt, so dass die unter Wasser befindlichen Wärmetauscher stets von Wasser umströmt werden. Es wird dabei kein Wasser einem Gewässer entnommen und wieder zurück gepumpt. 

Das  m a x l o i d l v e r f a h r e n  ist sowohl zur Einspeisung in “Kalte Nahwärmenetze”, als auch zur Einspeisung in Nahwärmenetze geeignet. Wird dazu der zum Betrieb von Wärmepumpenanlagen erforderliche Strom direkt von nahegelegenen Wasserkraftwerken, Photovoltaikanlagen, Windkraftwerken oder Blockheizkraftwerken geliefert, so kann das Elektrizitätsversorgungsnetz zudem entlastet werden, da dann durch den lokalen Stromverbrauch weniger aus dem Netz entnommen, bzw. eingespeist werden muss.

Durch das m a x l o i d l v e r f a h r e n wird eine nachhaltige, umweltfreundliche Versorgung mit Wärme oder auch Kälte ermöglicht. Weltweit könnten so Milliarden Tonnen CO2 vermieden und der Klimawandel zumindest verlangsamt werden.

 

 

 

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