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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wasseraufbereitungsanlage, insbesondere eine Meerwasserentsalzungsanlage, eine Anordnung mit einer derartigen Wasseraufbereitungsanlage und einer Stromerzeugungseinrichtung sowie ein entsprechendes Betriebsverfahren.
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Stand der Technik
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Die verfahrenstechnische Behandlung von Wasser – beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, die Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose – setzt einen im Wesentlichen konstanten Druck des eingespeisten Wassers voraus. Nach heutigem Stand der Technik ist beispielsweise bei der Umkehrosmose ein konstanter Druck erforderlich, weil die hierbei verwendeten Membranen zur Entsalzung nur sehr geringen Druckpulsationen Stand halten.
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Die Entsalzung von Meerwasser durch Umkehrosmose ist grundsätzlich bekannt. Bei der Umkehrosmose wird Meerwasser zur Überwindung des osmotischen Druckes unter hohem Druck durch eine geeignete semipermeable Membran gepresst, durch welche unter anderem die enthaltenen Salze zurückgehalten werden. Das zurückbleibende Konzentrat (Retentat) wird kontinuierlich abgeführt und durch frisches Meerwasser ersetzt.
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Wenngleich die vorliegende Erfindung im Rahmen dieser Anmeldung überwiegend unter Bezugnahme auf die Meerwasserentsalzung durch Umkehrosmose beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, dass die vorgeschlagenen Maßnahmen nicht hierauf beschränkt sind, sondern vielmehr in einer Vielzahl von entsprechenden Verfahren verwendet werden können, in welchen ein konstanter Druck des Wassers erforderlich ist.
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Auch mit Wellenenergiekonvertern gespeiste Meerwasserentsalzungsanlagen, die nach dem Prinzip der Umkehrosmose betrieben werden, sind grundsätzlich bekannt.
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Wellenenergiekonverter können auf hoher See oder in Küstennähe eingesetzt werden und unterscheiden sich unter anderem in der Art, in der die Energie der Wellenbewegung entnommen wird. So ist in diesem Zusammenhang die Verwendung von Schwimmkörpern bekannt, deren Hebe- und Senkbewegung entsprechend umgesetzt wird. Bei einem anderen Konzept wird am Meeresboden ein flächiges Widerstandselement angebracht, das durch die Wellenbewegung hin und her gekippt wird. Auch können Rotoren mit Auftriebsläufern verwendet werden, bei denen ein an den Auftriebsläufern erzeugtes Auftriebsmoment in eine Rotationsbewegung gewandelt wird. Eine Übersicht über Wellenenergiekraftwerke gibt beispielsweise
G. Boyle, "Renewable Energy", 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004.
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Die wellenenergiebetriebene Meerwasserentsalzung erfolgt in der Regel in Wellenkraftwerken mit sogenannter zentraler Stromerzeugung. In derartigen Kraftwerken sind mehrere Wellenergiekonverter an ein gemeinsames Druckleitungsnetz angebunden. Die Wellenergiekonverter erzeugen jeweils nicht direkt elektrischen Strom, sondern saugen durch wellenenergiebetriebene Pumpen Meerwasser an und stellen dies mit entsprechendem Druck über Druckleitungen bereit. Das unter Druck stehende Meerwasser wird einer zentralen Stromerzeugungseinrichtung zugeführt und erst dort zur Stromerzeugung verwendet.
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In derartigen Wellenkraftwerken wird ein Systemdruck entweder – in sogenannten Konstantdrucksystemen – mittels einer entsprechenden Regelung über längere Zeiträume konstant gehalten oder variabel an den durch die Wellenergiekonverter bereitgestellten Volumenstrom angepasst. Nachteilig an einem Konstantdrucksystem ist, dass bei den in der Praxis auftretenden kurzfristigen Änderungen des Seegangs Einbußen in der Leistungsausbeute auftreten können.
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Da, wie erläutert, Umkehrosmoseeinrichtungen mit konstantem Druck betrieben werden müssen, sind sie bisher nicht direkt an Wellenkraftwerke mit variablem Druck koppelbar.
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Meerwasser mit Konstantdruck kann beispielsweise über einen meerwasserhydraulischen Speicher bereitgestellt werden, der mittels geeigneter Pumpen befüllt wird. Das dem Speicher unter entsprechendem Druck entnommene Wasser wird direkt in die Umkehrosmoseeinrichtung eingespeist (sogenannte direkt gespeiste Umkehrosmose). Der Druck muss dabei zumindest den für die Umkehrosmose erforderlichen Membrandruck (nämlich den osmotischen Druck des Meerwassers) erreichen. Erst ab einer bestimmten Wellenleistung kann daher ein entsprechender Umkehrosmoseprozess ablaufen. Konstantdrucksysteme weisen ferner, wie erwähnt, Nachteile im Absorptionsgrad, also der Leistungsausbeute aus den Wellen, auf.
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Ferner sind Wellenkraftwerke mit sogenannten mechanisch gekoppelten Umkehrosmoseeinrichtungen bekannt, bei denen der erforderliche hohe Druck mittels einer Hochdruckpumpe erzeugt wird. Die Hochdruckpumpe ist mechanisch mit der Welle einer Turbine gekoppelt, welche mit Meerwasser betrieben wird und einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Bei der mechanischen Kopplung entstehen jedoch einerseits Verluste an der mit dem Motor und dem Generator verbundenen Welle und andererseits bei der Wandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie in der Hochdruckpumpe.
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Es besteht daher der Bedarf nach einer verbesserten Nutzung der Wellenenergie für die Umkehrosmose in entsprechenden Anlagen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund schlägt die vorliegende Erfindung eine Wasseraufbereitungsanlage, eine Anordnung mit einer derartigen Wasseraufbereitungsanlage und einer Stromerzeugungseinrichtung sowie ein zugehöriges Betriebsverfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vor. Bevorzugte Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen kommen in einer Wasseraufbereitungsanlage zum Einsatz, insbesondere in einer Meerwasserentsalzungsanlage, die mittels Umkehrosmose arbeitet. Eine derartige Anlage kann als Teil eines Wellenenergiekraftwerks mit einer entsprechenden Stromerzeugungseinrichtung mit einer Turbine und einem Generator ausgebildet sein. Ein derartiges Wellenkraftwerk verfügt, wie erwähnt, neben einer mittels Umkehrosmose arbeitenden Aufbereitungseinrichtung über wenigstens einen Wellenenergiekonverter zur Einspeisung von Meerwasser unter Druck, im Rahmen der vorliegenden Anmeldung auch allgemeiner als ”Einspeiseeinrichtung” bezeichnet. Wie zuvor erläutert, liefern Wellenenergiekonverter in derartigen Anlagen variable Volumenströme in Abhängigkeit vom jeweiligen Seegang, d. h. der jeweils ausnutzbaren Energie der Wellen. Da eine entsprechende Aufbereitungseinrichtung dem Fluss des eingespeisten Wassers einen definierten Widerstand entgegensetzt, resultieren aus unterschiedlichen Volumenströmen unterschiedliche Drücke. Diese dürfen jedoch insbesondere bei der Umkehrosmose aufgrund der dort verwendeten Membranen nur in geringem Umfang schwanken. Umkehrosmoseanlagen können die Möglichkeit bieten, z. B. mehrere Membranen bei Bedarf parallel zu schalten, wie unten erläutert. Hierdurch bleiben Druck und Fließgeschwindigkeit konstant, der Volumenstrom ändert sich jedoch. Die Leistung der Anlage ändert sich damit entsprechend.
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Daher wird vorgeschlagen, wenigstens eine Druckstabilisierungseinrichtung bereitzustellen, um einen Druck des durch die Einspeiseeinheit bereitgestellten Wassers zu stabilisieren.
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Unter ”Stabilisierung” eines Drucks sei dabei jegliche Einstellung verstanden, bei der der Druck verringert wird, wenn er einen Sollwert überschreitet und/oder der Druck erhöht wird, wenn er einen Sollwert unterschreitet. Der zulässige Schwankungsbereich entsprechender Drücke reicht beispielsweise von 30 bar bis 160 bar bei einem Solldruck von 80 bar (im Rahmen dieser Anmeldung als ”Solldruckbereich” bezeichnet). Die Drücke hängen vom Salzgehalt des genutzten Meerwassers ab. Der Druck muss in jedem Fall oberhalb des osmotischen Drucks liegen. Die obere Druckgrenze ist bauteilbedingt.
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Daher wird eine entsprechende Druckstabilisierungseinrichtung den Druck vor der Aufbereitungseinrichtung verringern, wenn dieser die genannte Obergrenze überschreitet, und den Druck erhöhen, wenn dieser die genannte Untergrenze unterschreitet.
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Hierzu weist eine derartige Stabilisierungseinrichtung erfindungsgemäß einen Energiewandler auf, der dafür eingerichtet ist, entweder zur Druckverringerung hydraulische Energie des eingespeisten Wassers teilweise in mechanische Energie umzusetzen, oder das eingespeiste Wasser zur Druckerhöhung mit zusätzlicher hydraulischer Energie zu beaufschlagen. Vorteilhafterweise ist der Energiewandler als hydraulische Pumpe-Motor-Einheit ausgebildet. Der Energiewandler kann mechanisch, d. h. beispielsweise mittels einer Welle, mit einem Generator zur Stromerzeugung gekoppelt sein. Die Pumpe-Motor-Einheit wirkt dabei entweder als zusätzlicher Widerstand in der Flussstrecke des Wassers vor der Aufbereitungseinrichtung oder baut dort einen entsprechenden zusätzlichen Druck auf. Über die Pumpe-Motor-Einheit kann bei Kopplung mit dem Generator ein zusätzliches Generatormoment aus der hydraulischen Energie des eingespeisten Wassers generiert oder – bei motorischem Betrieb des Generators – ein motorisches Moment in hydraulische Energie zur Beaufschlagung des eingespeisten Wassers umgesetzt werden.
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Die vorliegende Erfindung ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise eine Meerwasserentsalzung auch in Anlagen, die keinen Konstantdruck bereitstellen. Hierdurch kann in entsprechenden Anlagen eine verbesserte Ausbeute der Wellenenergie erzielt werden. Insbesondere kann durch den vorgeschlagenen Energiewandler mechanische Leistung in Abhängigkeit von der seitens der Wellenenergiekonverter bereitgestellten hydraulischen Leistung zu- oder abgeführt werden. Im Gegensatz zur mechanisch gekoppelten Umkehrosmose, wie eingangs erläutert, benötigt das erfindungsgemäß vorgeschlagene System nur einen mechanischen Wandler zur Bereitstellung eines Konstantdrucks. Das System besitzt bereits den Druck des Wellenenergiekonverters, so dass nur noch ein Differenzdruck überbrückt werden muss. Es wird also lediglich hydraulische Leistung zugeführt oder entnommen. Die hydraulische Leistung muss nicht, wie im Stand der Technik (siehe unten 1), erst in mechanische Leistung und dann zurück in hydraulische Leistung gewandelt werden.
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Einer Aufbereitungseinrichtung ist vorteilhafterweise ein weiterer Energiewandler nachgeschaltet, der zur Umwandlung verbleibender hydraulischer Leistung in mechanische Energie, und, bei Kopplung mit einem Generator, in elektrischen Strom vorgesehen ist. Bei Verwendung einer Umkehrosmoseeinrichtung ist ein derartiger weiterer Energiewandler im Retentatstrom angeordnet. Ferner kann in einer entsprechenden Wasseraufbereitungsanlage ein Pufferspeicher vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines hydraulischen Druckspeichers, der einen Ausgleich zumindest kurzzeitiger Druckschwankungen sicherstellt. Derart kann z. B. eine kontinuierliche Meerwasserentsalzung auch bei kurzzeitigen Flauten erfolgen. Auch eine Stromerzeugung mittels eines der Aufbereitungseinrichtung nachgeschalteten Energiewandlers ist bei Bereitstellung eines Pufferspeichers während kurzzeitiger Flauten möglich.
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Besonders vorteilhaft an den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen ist, wenn diese in einem Wellenkraftwerk mit zugeordneter Umkehrosmoseeinrichtung eingesetzt werden. Hierdurch können im Wellenkraftwerk die Nachteile von Konstantdrucksystemen vermieden werden, was zu einem deutlich verbesserten Absorptionsgrad des Wellenenergiekonverters führt. Lastspitzen können jeweils abgefangen und im Pufferspeicher einer Umkehrosmoseeinrichtung abgepuffert werden. Ein Betrieb des Umkehrosmoseprozess und/oder eine Stromerzeugung aus der gespeicherten Druckenergie des Meerwassers sind möglich.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt ein Wellenkraftwerk mit Meerwasserentsalzungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik in stark schematisierter Darstellung.
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2 zeigt ein Wellenkraftwerk mit Meerwasserentsalzungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in stark schematisierter Darstellung.
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In 1 ist ein Wellenkraftwerk mit Meerwasserentsalzungseinrichtung gemäß dem Stand der Technik mit seinen wesentlichen Komponenten stark schematisiert dargestellt.
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Das Wellenkraftwerk umfasst eine Wasseraufbereitungseinrichtung 11, z. B. in Form einer Umkehrosmoseeinrichtung mit einer ebenfalls stark schematisiert dargestellten semipermeablen Membran 11. Üblicherweise in derartigen Anlagen verwendete Umkehrosmoseeinrichtungen umfassen, wie dem Fachmann bekannt, kartuschenartige Anordnungen in Form von Membranstapeln. Mittels der Wasseraufbereitungseinrichtung 11 wird Süßwasser S erzeugt. Aufkonzentriertes Retentat wird abgeführt (nicht dargestellt).
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Der Wasseraufbereitungseinrichtung 11 wird mittels einer Hochdruckpumpe 26 über eine Leitung 97 angesaugtes Meerwasser A unter Hochdruck zugeführt. Der Druck wird mittels einer nicht dargestellten Pumpenregelung eingestellt. Die Hochdruckpumpe 26 wird von einem Motor 25 angetrieben. Der Motor seinerseits ist mittels einer Welle 24 mit einer Turbine 21, beispielsweise einer Pelton-Turbine, gekoppelt. Die Turbine 21 beaufschlagt neben dem Motor 25 auch einen Generator 22 mit einem entsprechenden Moment, der entsprechend Strom erzeugt.
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Die Turbine 21 wird mittels Wasser A' betrieben, das über wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30, im vorliegenden Fall wenigstens einen Wellenenergiekonverter, über eine Leitung 98 unter Druck der Turbine 21 zugeführt und als Abwasser W abgeführt wird.
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Es ist bekannt (jedoch nicht dargestellt), zur Unterstützung der Hochdruckpumpe einen Drucktauscher einzusetzen, der den Druck des Retentats nutzt.
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Wie aus der Darstellung der 1 für den Fachmann unmittelbar ersichtlich, muss zur Erzeugung des Hochdrucks mittels der Hochdruckpumpe 26, und damit für eine Entsalzung mittels der Wasseraufbereitungseinrichtung 11, stets ein Turbinenmoment zunächst in ein mechanisches Moment der Welle 24 gewandelt werden, und zwar unabhängig davon, ob gegebenenfalls bereits Wasser A' über die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 mit entsprechendem Druck bereitgestellt wird. Das Moment der Welle 24 muss anschließend erneut mittels der Hochdruckpumpe 26 in hydraulische Leistung umgesetzt werden. Entsprechende Verluste an den jeweiligen Komponenten sind dabei unvermeidlich.
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In 2 ist ein Wellenkraftwerk mit Meerwasserentsalzungseinrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung stark schematisiert dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.
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Die entsprechende Anordnung 100 umfasst eine Wasseraufbereitungsanlage 10 und eine dieser zugeordneten Stromerzeugungseinrichtung 20. Ferner ist wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 vorgesehen, mittels welcher Wasser A in die Wasseraufbereitungsanlage 10 eingespeist werden kann. Die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 kann insbesondere wenigstens einen Wellenenergiekonverter, wie oben erläutert, umfassen. Wie bereits oben erläutert, wird durch die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 Wasser mit variablem Druck in die Wasseraufbereitungsanlage 10 eingespeist.
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Auch hier ist eine, z. B. als Umkehrosmoseeinrichtung ausgebildete Aufbereitungseinrichtung 11 vorgesehen, die eine entsprechende Membran 11' aufweist und zur Aufbereitung eingespeisten Wassers A eingerichtet ist. Hierbei kann eine Verschaltung der Module innerhalb der Aufbereitungseinrichtung 11 erfolgen. Durch die Steuerung der Parallelschaltung mehrerer Module, z. B. der verwendeten Aktivkohlefilter, von Ultrafiltrationseinrichtungen und von Umkehrosmosemembranen, können Druck und Fließgeschwindigkeit gleichgehalten werden, während der Volumenstrom, durch äußere Einflüsse bedingt, schwankt. Zur Bereitstellung eines konstanten Drucks für die Aufbereitungseinrichtung 11 ist hier eine einen Energiewandler in Form einer Pumpe-Motor-Einheit 13 aufweisende Stabilisierungseinrichtung 12 vorgesehen, die dafür eingerichtet ist, einen Druck des eingespeisten Wassers A auf den erforderlichen Eingangsdruck der Aufbereitungseinrichtung 11 einzustellen.
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Wasser A wird hierzu mittels der wenigstens einen Einspeiseeinrichtung 30 über eine Druckleitung 1 unter Druck eingespeist. Ein Teil des Wassers A wird über eine weitere Leitung 2 der Pumpe-Motor-Einheit 13 zugeführt. Die Pumpe-Motor-Einheit 13 arbeitet entsprechend dem Druck des über die weitere Leitung 2 zugeführten Wassers A. Die Kopplung der Pumpe-Motor-Einheit 13 kann auch elektrisch erfolgen. Bei dieser Art der Verschaltung ist die Verlustleistung gegebenenfalls geringfügig höher, dafür ist die Leistungsaufteilung sehr viel variabler.
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Für den Fall, dass der Druck des durch die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 eingespeisten Wassers A größer ist als der für die Aufbereitungseinrichtung 11 erforderliche Druck, wird überschüssige hydraulische Leistung in mechanische Leistung umgesetzt und kann über eine Generatorwelle 24 in einen Generator 22 eingeleitet werden. Auf diese Weise können hydraulische Leistungsspitzen, wie sie durch die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 bereitgestellt werden, abgefangen und für die Stromproduktion verwendet werden. Ist der Druck des durch die wenigstens eine Einspeiseeinrichtung 30 eingespeisten Wassers A geringer als der für die Aufbereitungseinrichtung 11 erforderliche Druck, ist es möglich, dem elektrischen Netz zusätzliche Leistung zu entnehmen, den Generator 22 motorisch zu betreiben, und auf diese Weise einen Umkehrosmoseprozess aufrecht zu erhalten.
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Unabhängig davon, ob mittels der Pumpe-Motor-Einheit 13 Leistung entnommen oder zugeführt wird, gelangt das Wasser A über eine Leitung 3 zu der Aufbereitungseinrichtung 11 und wird dort entsprechend aufbereitet. Aufbereitetes Süßwasser S kann der Anlage entnommen werden, aufkonzentriertes Retentat kann über eine Leitung 4 abgeführt werden.
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Ein stromabwärtig der Aufbereitungseinrichtung 11 in der Leitung 4 vorliegender Retentatdruck, allgemeiner ein Druck des Abwassers einer entsprechenden Aufbereitungseinrichtung 11, kann dazu genutzt werden, mittels eines weiteren Energiewandlers 23, beispielsweise eines entsprechenden Hydraulikmotors, Energie rückzugewinnen. Auch der weitere Energiewandler 23 kann mit der Generatorwelle 24 gekoppelt werden.
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Eine ebenfalls mit dem Generator 22 gekoppelte Turbine 21, z. B. eine Peltonturbine, wird in einen sogenannten Primärkreislauf mittels einer Leitung 6 von der wenigstens einen Einspeiseeinrichtung 30 ebenfalls mit Wasser A gespeist und betrieben.
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Ein oder mehrere Pufferspeicher 14, 40 können vorgesehen sein und dienen als Kapazität(en) innerhalb des bzw. der Netze bzw. Kreisläufe. Ein erster Pufferspeicher 14 ist dabei als Kapazität innerhalb des Konstantdrucknetzes, also des zur Versorgung der Aufbereitungseinrichtung 11 vorgesehenen Netzes, bereitgestellt. Durch diesen wird ermöglicht, im Falle eines kurzfristigen Absinkens der hydraulischen Leistung, z. B. eines Wellenenergiekonverters in der wenigstens einen Einspeiseeinrichtung 30, eine entsprechende Turbine weiterhin durch ein Retentat der Aufbereitungseinrichtung 11 zur Stromerzeugung betreiben zu können. Der Pufferspeicher 14 dient damit als Kapazität für auftretende Druckschwankungen. Der Energiewandler 13 nutzt den in der Druckleitung 1 anstehenden, z. B. von einem Wellenenergiekonverter erzeugten Druck, falls vorhanden, und transformiert diesen auf den für die Aufbereitungseinrichtung 11 erforderlichen Druck oder Druckbereich.
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Ein weiterer Pufferspeicher 40 dient zur Abpufferung von Schwankungen in dem die Turbine 21 versorgenden Leitungssystem.
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Die jeweils verwendeten hydraulischen Einheiten können Verstelleinheiten und/oder als Konstanteinheiten ausgeführt sein. Eine Drehzahl einer als Verstelleinheit ausgebildeten Turbine 21, z. B. einer Freistrahlturbine, kann dabei beispielsweise über einen nachgeschalteten Frequenzumrichter veränderbar sein. Zwischen der Stabilisierungseinrichtung 12 und einem oder mehreren Energiewandlern 13, 23 kann bzw. können beispielsweise Schwungmassen in Form von Schwungrädern zur Glättung von Drehmomentspitzen vorgesehen sein. Zwischen dem Energiewandler 23, der zur Umwandlung der hydraulischen Energie des Retentats aus der Aufbereitungseinrichtung 11 verwendet wird, und der Turbine 21 kann eine Kupplung vorgesehen sein. Ein Pufferspeicher 40 kann als Pulsationsdämpfer vorgesehen sein, um kurzzeitige Druckspitzen zu mindern. Die Aufbereitungseinrichtung 11 kann auch überbrückt und ein Energiewandler 21, 23 direkt mit ein einem Pufferspeicher gespeicherten Wasser betrieben werden, wodurch eine Stromerzeugung auch bei kurzfristigen Flauten sichergestellt ist.
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In der nachfolgenden Tabelle sind weitere Möglichkeiten zur Erzeugung des erforderlichen Drucks für die Aufbereitungseinrichtung (”Erzeugung Speisedruck”), die Nutzung eines Drucks im Retentat (”Nutzung Retentat”), also der oben erläuterten Leitung 4 stromabwärtig der Aufbereitungseinrichtung, die Anbindung und die Nutzung einer Leistung im Primärkreis (”Nutzung Primärkreis”), also der Leitung 6, angegeben. Mit ”Zu- und Abfuhr Pmech” bzw. ”Abfuhr Pmech” ist die Art der Zufuhr und/oder Entnahme der hydraulischen Leistung, also der Umsetzung in die mechanische Leistung bzw. aus dieser, angegeben, mit n eine Drehzahl bezeichnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- G. Boyle, ”Renewable Energy”, 2. Aufl., Oxford University Press, Oxford 2004 [0006]