Verfahren

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 und stehende 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

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. Die Stromzuführung für die Wärmepumpenanlage kann vereinfacht durch das Wasserkraftwerk selbst erfolgen. Erforderliche Leitungen für “Kalte Nahwärme” oder für Nah- und Fernwärme sind auch auf den Trassen der Stromleitungen möglich. Die Wartung der Wärmepumpenanlage kann durch Einbindung des bereits vorhandenen Personals des Wasserkraftwerks erfolgen.

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.

 

Das m a x l o i d l v e r f a h r e n für stehende Gewässer

(Analoge Anwendung auch in fließenden Gewässern möglich!)

Sollten bisher Wärmetauscher mit Wasser aus stehenden Gewässern durchflossen werden, so musste dabei stets eine sehr große Wasser- oder Solemenge entsprechend weit und hoch zum Wärmetauscher gepumpt werden.

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 stehenden Gewässern vereinfacht ausgedrückt gilt:

Wasser aus der Tiefe eines stehenden Gewässers strömt durch ein genügend weites unten offenes Rohr, das sich vertikal und durch Auftriebskörper schwebend im Wasser befindet, von unten nach oben, streicht dabei an im Rohr befindlichen Wärmetauscherflächen entlang und gibt dabei Wärme ab.

Skizze zum Maxloidlverfahren in stehenden Gewässern

Deteil der Wärmetauscher in stehenden Gewässern

Da Wasser seine größte Dichte bei rund 4°C besitzt, befindet sich in genügend tiefen stehenden Gewässern, bei fehlender Durchmischung, in der Tiefe Wasser von 4°C. Pumpt man daher an der Wasseroberfläche eines senkrecht im Wasser stehenden, genügend langen und genügend weiten unten mit einem Gitter versehenen Rohres Wasser ab und pumpt es seitlich knapp oberhalb der Wasseroberfläche verlaufend wieder in das stehende Gewässer zurück, so strömt das 4°C warme Wasser aus der Tiefe wegen des größeren hydrostatischen Druckes im Rohr von unten nach oben. Werden in diesem Rohr von unten nach oben verlaufende Wärmetauscherrohre, Rohrbündel oder Wärmetauscherplatten angebracht, so kann das von unten nach oben an den Wärmetauscherflächen entlang streichende 4°C warme Wasser Wärme an den Wärmetauscher abgeben. Das im Wärmetauscher erwärmte Wärmetauschermedium ( evtl.auch Direktverdampfung) wird in einem geschlossenen Kreislauf durch gut isolierte flexible Rohre an das Ufer geleitet und dort einer Wärmepumpenanlage zugeführt, die Wärme in Wärmenetze (auch für “Kalte Nahwärme”) eingespeist.

Beispielsweise benötigt man für das Herauspumpen von 100 Liter Wasser pro Sekunde aus einem solchen Rohr zur Überwindung einer Höhendifferenz von ca. 0,5 m nur eine Pumpenleistung von rund 0,7 kW. Andererseits kann eine im Rohr von unten nach oben fließende Wassermenge von 100 Liter bei einer Abkühlung um rund 2 K an im Rohr angebrachte Wärmetauscher Wärme mit einer Leistung von rund 800 kW abgeben.

Wird dabei das im Wärmetauscherkreis fließende Medium z. B. von -3°C auf +2°C, also um rund 5 K erwärmt, so muss zur Erbringung einer Wärmeleistung von 800 kW dann dazu lediglich eine Solemenge von rund 40 Liter je Sekunde durch den Wärmetauscherkreislauf zu einer höher gelegenen Wärmepumpenanlage gepumpt werden.

Auf Grund des geschlossenen Kreislaufs muss die Umwälzpumpe dazu lediglich nur die auch bei einem offenen System immer vorhanden Reibungswiderstände im Rohrkreislauf überwinden, da das Medium Sole vom Wärmetauscher kommend (Vorlauf) zur Wärmepumpe hoch gepumpt wird und nach dem Durchlaufen der Wärmepumpe wieder nach unten zum Wärmetauscher “fällt” (Rücklauf), so dass beim geschlossenen Verfahren der geodätische Höhenunterschied keine Rolle spielt und daher keine Pumparbeit zur Überwindung des Höhenunterschiedes erforderlich ist.

Vergleichsweise müssten ohne das m a x l o i d l v e r f a h r e n für eine Wärmeleistung von 800 kW bei Abkühlung des aus einem Gewässer gepumpten Wassers um 2 K rund 100 Liter je Sekunde zu einer höher gelegenen Wärmepumpenanlage gepumpt werden. Wobei in diesem Fall energetischer Aufwand sowohl für die Überwindung der Reibungskräfte im Rohr und des Höhenunterschiedes erforderlich ist.

Die erforderliche Pumpenleistung kann somit durch das m a x l o i d l v e r f a h r e n erheblich verringert werden, was besonders bei Wärmepumpen im höheren Leistungsbereich erhebliche Einsparungen erbringt.

Durch die Anordnung mehrerer solcher Rohre oder durch die Erhöhung der Fließgeschwindigkeit kann dabei die Wärmeleistung vervielfacht werden. Dadurch könnten ganze an stehenden Gewässern gelegene Ortschaften krisensicher mit Wärme oder Kälte versorgt werden.

Bei Stromversorgung der Wärmepumpenanlage durch ein nahegelegenes Wasserkraftwerk, Windkraftwerk, Solaranlage oder durch ein mit regenerativen Rohstoffen beheiztes Blockheizkraftwerk kann völlig unabhängig von fossilen Brennstoffen eine krisenfeste Versorgung mit Wärme sichergestellt werden.

 

Beispiel für die Wärmeleistung des m a x l o i d l v e r f a h r e n s  bei einer Anlage mit 3 MW:

Durchmesser des Schutzrohres 3,50 m;  (Es sind aber auch andere Schutzrohrdurchmesser möglich!)

Ra = 1,75 m ; Ri = 0,50 m ; L = 2,7 m

Breite eines Wärmetauscherelementes = 1,25 m

Beidseitig umflossene Fläche eines WT-Elementes = 6,75 m²

Dicke eines Wärmetauscherelementes = 0,02 m; Maximale Anzahl der WT-Elemente ≈ 150

Maximale Wärmetauscherfläche ≈ 1000 m²

Bei einer angenommenen Wärmeleistung der Wärmetauscherplatten von 3 kW / m² erhält man dabei eine Wärmeleistung dieses Wärmetauschers von rund 3 MW.

 

Seebelüftung durch das m a x l o i d l v e r f a h r e n
Zudem könnte man durch das Verfahren, bei entsprechender Länge des vertikal im See “versenkten” Rohres, noch eine sanfte Umwälzung des Tiefenwassers erreichen, da das Wasser aus der Tiefe über die Kante des rund  0,5 m über die Wasseroberfläche ragenden Rohres in einem kleinen Wasserfall wieder sauerstoffangereicht dem See zugeführt wird.

Pumpt man fortwährend aus einem solchen mit Wärmetauschern bestückten Rohr durch den hydrostatischen Druck hochsteigendes abgekühltes Tiefenwasser von 4°C ab, so benötigt man zum Herauspumpen einer Wassermenge von z. B. rund 1000 kg/s um eine Höhe von 0,5 m nur eine Pumpenleistung von rund 7 kW (bei einem angenommenen Wirkungsgrad der Pumpe von rund 70 %), was eine sehr preisgünstige Belüftung eines Sees möglich macht. 

Wegen der nicht genügend kalten Winter gab es in den letzten Jahren bei vielen Seen nur eine sehr schwache ökologisch wichtige Frühjahrszirkulation, also fast keine Durchmischung von Tiefenwasser und Oberflächenwasser.

Je nach Einsatz des Rohres im See könnte sich dabei der kleine Wasserfall neben dem ökologischen Aspekt auch optisch gut darstellen.  

 

Leistungsfähigkeit von verschiedenen Wärmequellen

Sollen Wärmepumpen zur Beheizung von ganzen Stadtvierteln (z. B. in Kombination mit einem Netz für “Kalte Nahwärme) eingesetzt werden, so benötigt man eine sehr leistungsfähige Wärmequelle. Wärmepumpen, die mit Wärmequelle Luft betrieben werden, erreichen im allgemeinen nicht die für einen wirtschaftlichen Betrieb erforderliche Jahresarbeitszahl (JAZ). Wärmepumpen, die mit Wärmequelle Grundwasser betrieben werden, erreichen zwar eine sehr gute JAZ, aber das Grundwasservorkommen ist im allgemeinen viel zu gering, um dafür eine entsprechend hohe Leistung der Wärmepumpe zu erbringen. Wärmepumpen, die mit Wärmequelle Erdreich betrieben werden, haben ebenfalls eine gute JAZ, aber man benötigt sehr viele Erdsonden oder sehr große Flächen mit Erdkollektoren , um eine entsprechende Leistung zu erhalten. Das m a x l o i d l v e r f a h r e n, bei dem Wasser aus fließenden oder stehenden Gewässern verwendet wird, ermöglicht große Leistungen und bietet erhebliche Vorteile.

Der große energetische Vorteil des Verfahrens liegt darin, dass im Gegensatz zu anderen Verfahren das Wasser zum Wärmeaustausch nicht aus den Gewässern gepumpt werden muss, sondern das im Wärmetauscher bereits erwärmte Wärmetauschermedium (auch bei Direktverdampfung) in einem geschlossenen Kreislauf durch gut isolierte flexible Rohre an das Ufer geleitet und dort einer Wärmepumpenanlage zugeführt wird, welche die Wärme/Kälte in Wärme/Kältenetze (auch für “Kalte Nahwärme”) eingespeist und dass auf Grund des geschlossenen Kreislaufs die Umwälzpumpe dazu nur die auch bei einem offenen System immer vorhanden Reibungswiderstände im Rohrkreislauf überwinden muss, da keine Pumparbeit zur Überwindung des Höhenunterschiedes erforderlich ist.  Von besonderer Bedeutung ist auch, dass sich für den Wasserhaushalt eines natürlichen Gewässers keine negativen Veränderungen ergeben. Der Wärmetauscherkreislauf bildet ein geschlossenes System, so dass keine aggressiven Stoffe in das System oder aus dem System gelangen können.

 

Zusätzliche Verbesserung des Primärenergiefaktors bei Kombination von BHKW und m a x l o i d l v e r f a h r e n

Wärmepumpen mit Wärmequelle Flusswasser haben bei einer durchschnittlichen Wassertemperatur von 7 °C, in den acht Monaten von September bis April, eine durchschnittliche Jahresarbeitszahl (JAZ) von rund 4. Wärmepumpen brauchen jedoch zum Betrieb Strom. Aber schon bei dem im Jahre 2009 vorhandenen Strommix spart eine Wärmepumpe, laut einer Studie, im Vergleich zu einem hocheffizienten Gas-Brennwertkessel, ab einer Jahresarbeitszahl von 2,2 Primärenergie. Dies ist ein Ergebnis der Studie „Energiewirtschaftliche Bewertung der Wärmepumpe in der Gebäudeheizung“, die Prof. Dr.-Ing. Ulrich Wagner von der TU München, am 23. April 2009 in Berlin vorstellte.

Beispiel: .

Mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW evtl. umweltfreundlich mit Biomasse beheizt) kann durch Kraft-Wärmekopplung z. B. aus 2,5 kWh Primärenergie rund 1 kWh Strom und 1,5 kWh Wärme, wovon ca. 1,2 kWh Wärme genutzt werden können, erzeugt werden.

Bei einer JAZ von 4 erhält man mit einer Wärmepumpe aus 1 kWh elektrischer Energie rund 4 kWh Wärmeenergie. Zusammen mit den 1,2 kWh nutzbarer Wärmeenergie, die bei der Stromerzeugung durch das BHKW anfallen, erhält man damit rund 5,2 kWh Wärmeenergie. So entstehen durch die kombinierte Verwendung von BHKW und Wärmepumpe für den Verbraucher aus 2,5 kWh Primärenergie rund 5,2 kWh Wärmeenergie.

Würde man hingegen ein BHKW nur alleine betreiben, so würde man aus 2,5 kWh Primärenergie zusammen wieder nur 2,5 kWh elektrische und thermische Energie erhalten. Durch eine Kombination von maxloidlverfahren und BHKW lässt sich der Primärenergieverbrauch für das Heizen halbieren und es erfolgt somit eine Effizienzsteigerung von 100%. Selbstverständlich kann der Betrieb einer Wärmepumpe umweltfreundlich auch durch Strom aus nahegelegenen Windkraftanlagen, Voltaikanlagen und bei meinen Verfahren vor allem durch ein Wasserkraftwerk erfolgen.

 

 

 

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