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Dokumentenidentifikation DE102005015169A1 05.10.2006
Titel Dynamischer Energiespeicher
Anmelder Ahrendt, Jochen, Dr., 65510 Hünstetten, DE
DE-Anmeldedatum 02.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005015169
Offenlegungstag 05.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 05.10.2006
IPC-Hauptklasse F03G 1/02(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F02G 5/02(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F01K 27/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Alternative Energieformen finden auch wegen ihrer kostenintensiven Bereitstellung und ihres begrenzten Verfügbarkeitsfensters eine zu geringe Verbreitung.
Der neue dynamische Energiespeicher soll den Einsatz von unter Druck gebrachtem Medium als Energiereservoir für eine Maschinenanordnung umweltschonend und kostengünstig ermöglichen.
Der neue Energiespeicher stellt unterschiedliche Energieformen über Steuermechanismen in verschiedenen Arbeitsphasen unter Optimierung der Nutzbarkeit dieser Energieformen über einen Antrieb bereit. Es wird Energie durch Druckabbau eines zuvor unter Druck gesetzten Mediums über einen Mechanismus zur Verfügung gestellt, wobei Druckauf- und -abbau periodisch erfolgen und wobei weitere aufzuwendende sowie freiwerdende Energieformen gespeichert oder genutzt werden können und die Effizienz der Energieausbeute erhöhen.
Die Funktionsweise des neuen dynamischen Energiespeichers eignet sich besonders gut für Anwendungen, in denen elektrische Antriebe zum Einsatz kommen und bei denen betriebsbedingt partielle Energievernichtung stattfindet, in denen Kraft und Wärme gekoppelt werden können und in denen Wärme als Primärenergie eingesetzt werden kann.

Beschreibung[de]

Aufgrund der begrenzten Verfügbarkeit fossiler Brennstoffe sowie der CO2- und Schadstoffemissions-Problematik gibt es eine Reihe von Bestrebungen, andere Energieträger einzusetzen. Neben der gesellschaftlich wenig akzeptablen Kernenergie und diversen biogene Rohstoffen mit statisch ausgeglichenem CO2-Haushalt bietet sich die Nutzung von praktisch unbegrenzt zur Verfügung stehenden Energiedarbietungen der Sonne in Form von Wärme und Strahlung sowie der Erde in Form von Wärme, Wind und Wasser an.

Die Umsetzung dieser alternativen Energien in nutzbare Anwendungen machen Fortschritte, sie sind in der Regel aber noch sehr kostenintensiv, sodass ihre Nutzbarmachung weitestgehend durch entsprechende staatliche Subventionen gefördert werden müssen. Auch lassen sich die Energien entweder nicht immer kontinuierlich entnehmen oder sie sind nicht immer in geforderter Dichte vorhanden oder sie sind lokal nicht verfügbar, sodass neben dem ökonomischen Aspekt die Frage der Speicherung der Energie und ihrer anschließender Bereitstellung eine zentrale Bedeutung für ihre effiziente Nutzung darstellt.

Der im Patentanspruch beschriebenen Erfindung liegt das Problem zugrunde, umweltschonende und praktisch unbegrenzt zur Verfügung stehende Energieformen für den Einsatz in ausgereiften und kostengünstigen, stationären wie mobilen Anwendungen effizient zur Verfügung zu stellen.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass verschiede Energieformen gespeichert und funktionsgeführt zur Verfügung gestellt werden, wobei ein Teil der Energiespeicherung und Energieübertragung in der Regel über inerte Medien erfolgt.

Darüber hinaus können sehr einfache und kostengünstige Ausführungen noch dort eingesetzt werden, wo die Nutzbarmachung einer Energiedarbietung aufgrund ihrer geringen Dichte mit konventionellen Methoden wirtschaftlich nicht sinnvoll erscheint.

Als inertes Medium kann zum Beispiel Druckluft als Energieträger dienen.

Es gibt bereits Versuche, Motoren für den Einsatz in Fahrzeugen mit Pressluft zu betreiben. Ein solcher Motor ist teilweise aufgebaut wie ein konventioneller Verbrennungsmotor und funktioniert mechanisch vergleichbar (www.mdi.lu). Eingesetzt mit herkömmlicher Fahrzeugtechnik bietet er allerdings aufgrund des geringen Energieinhaltes von Druckluft nur sehr begrenzte Reichweite. Die bei der Herstellung der Druckluft anfallende und weit überwiegende Wärmeenergie wird hier nicht genutzt; vielmehr muss sie mechanisch durch Verdichten angesaugter Luft unter Verbrauch von Energie aus der Druckluft erzeugt werden.

Batterien und der Wasserstoff in Brennstoffzellen als Energiespender für den Elektroantrieb basieren in ihrer Erzeugung weitgehend auf fossilen Rohstoffen. Vorausgesetzt, dass durch sie Energie effizient bereitgestellt werden kann, ist ihr Einsatz trotzdem wünschenswert, da sie keine schädlichen Emissionen am Fahrzeug selbst verursachen.

Die Chancen des Elektromobils, weite Verbreitung zu finden, werden weiter durch die Tatsache reduziert, dass die Batterien eine geringe Energiedichte sowie eine zu lange Aufladezeit als sehr praktischen Nachteil in der Mobilität haben. Dabei würde gerade ein Elektroantrieb sowohl in technischer wie auch in ökologischer Hinsicht die Anforderungen an eine nachhaltige Antriebstechnik sehr gut erfüllen, wenn der notwendige Strom effizienter und schneller bereitgestellt werden könnte.

Für mobile Anwendungen bestehen die mit der Erfindung erzielten Vorteile insbesondere darin, dass mit Hilfe der im Patentanspruch aufgeführten Merkmale die bei der Herstellung der Druckluft erzeugte Wärme gespeichert und zusammen mit der expandierenden Luft funktionsgeführt über eine Vorrichtung in mechanische und dann in elektrische Energie effizient überführt werden kann.

Die Kombination aus druckluftgetriebenem Antrieb und Wärmespeicher bewirken eine Erhöhung des Wirkungsgrad des Gesamtsystems. Mit Hilfe der Umkehrung des Prozesses oder eines integrierten Schwungrades sowie einer Rekuperations-Bremsvorrichtung könnte zudem die aufgrund der Fahrdynamik potentiell vernichtete Energie wieder nutzbar gemacht werden. Über entsprechend ausgerüstete Tankstellen ließen sich Druckbehälter, latente Wärmespeicher und Schwungradspeicher sehr schnell extern wieder aufladen. Grundsätzlich kann die Bereitstellung der gespeicherten Energieformen, die im dynamischen Energiespeicher Anwendung finden, über regenerative Energiequellen zentral erfolgen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des neuen dynamischen Energiespeichers, wie er zum Beispiel in einer mobilen Anwendung eingesetzt werden kann, ist schematisch in Zeichnung 1 dargestellt. Grundsätzlich ist hier vorgesehen, dass periodisch eine definierte Menge an Druckluft gemessen über Detektoren und koordiniert gesteuert über Ventile über eine Vorrichtung mechanische Arbeit leistet und so einen Generator zur Stromerzeugung antreibt.

Diese Ausführung weist eine Druckluftaufbereitungseinheit mit einem Druckbehälter (1) auf, der über eine externe Quelle über eine Zuleitung (5) oder intern durch einen Verdichter (14) mit Luft befüllt werden kann. Vor den Behälter kann zur Reinigung und Trocknung der Luft eine Gasreinigungsvorrichtung (3) geschaltet werden. Wird die Luft über einen Verdichter komprimiert, kann die hierbei frei werdende Wärme an einen thermochemischen Speicher (4) abgeführt und dort gespeichert werden. Für den hier angesprochenen Temperaturbereich von in der Regel unter 300°C sind eine Reihe von Wärmespeichern bekannt, die sich hier integrieren ließen. Ein solcher Speicher lässt sich beispielsweise auch sehr leicht in die Ummantelung eines wärmeproduzierenden Bauteils wie die Pumpen-/Verdichteranordnung (14) oder ein angetriebener Generator (23) integrieren.

Aus dem Behälter (1) kann über eine Zuleitung (6) und gesteuert mit Hilfe einer Ventilvorrichtung (2) unter Druck stehende Luft in einen Raum eines Maschinenteils (7) eingeleitet werden. Dort expandiert die Luft und würde sich dadurch deutlich abkühlen; daher ist vorgesehen, dass sie bei Eintritt in den volumenvariablen Maschinenteil eine Wärmevorrichtung (9) durchströmt. Diese soll für einen effektiven Wärmeübergang auf die Luft eine oberflächenvergrößernde und wärmeleitfähige Füllung aufweisen. Sie kann also beispielsweise aus einem Kupferdrahtgeflecht bestehen, aus gestapelten Kupfersieben oder einfach einer losen Schüttung aus kleinen Kugeln. Seine Wärme kann ihr über den Wärmespeicher (4) zugeführt werden. Gegebenenfalls können auch die Abwärme des angetriebenen Elektrogenerators (23) direkt mittels einer Wärmeleitung (13) oder andere Quellen genutzt werden. Die maximale Ausdehnung dieser Vorrichtung (9) ist gegeben durch den Raum des Maschinenteils (7) in seiner komprimierten Form.

Denn dieser Maschinenteil (7) soll einen Raum aufweisen, der in einer bestimmten Vorzugsrichtung expandierbar und komprimierbar ist, wie er zum Beispiel bei einer Kolben-/Zylinderanordnung besteht. Er kann aber auch als Faltenbalg ausgeführt sein mit dem Vorteil der einfachen Bauweise, des geringen Gewichts, der geringen zur Verformung aufzuwendenden Kräfte und der fehlenden Reibung bei der Expansion sowie der vollständigen Gasdichtheit. Aufgrund der geringen Arbeitstemperaturen und der. moderaten Kräfte, die zur Überwindung von Drehmomenten beispielsweise zum Drehen einer Generatorwelle aufgewendet werden müssen, kann ein Faltenbalg unter dem Aspekt der Formstabilität über eine große Einsatzbreite verwendet werden, wenn er aus entsprechenden Materialien gefertigt ist. Ein solcher Faltenbalg kann auf einer Seite über eine Bodenplatte gasdicht mit dem Gehäuse verbunden sein, wobei diese Bodenplatte Aufnahmen für die Zu- (6) und Ableitung (8) der Luft aufweisen kann, sowie für die Erwärmungsvorrichtung (9) und gegebenenfalls für einen Detektor zur Bestimmung des Zustandes der Luft.

Der Expansionszustand des Gases und somit des volumenvariablen Maschinenteils kann durch verschiedene Parameter oder Kombinationen von Parametern bestimmt werden. Die Expansion hängt ab von der Gasmenge, dem Gasdruck oder der Temperatur im Innenraum oder auch von der Zeit, in der Gas ein- oder ausgeströmt ist. Es können somit verschiedene Detektoren zur Ermittlung des Expansionszustandes zum Einsatz kommen.

In der Ausführung, welche schematisch in Zeichnung 1 dargestellt ist, wird ein Detektor (12) vorgesehen, der die Ausdehnung des Faltenbalgs bestimmt. Sobald er an einer Stelle den Expansionszustand des Faltenbalgs in seiner komprimierten Form misst, gibt er ein elektrisches Signal an das Steuerungsinstrument, welches daraufhin das Ventil (2) zur Einleitung der Luft öffnet. Hierdurch strömt Luft in den Faltenbalg, in welchem sie erwärmt wird und wo sie sich ausdehnt. Der Faltenbalg expandiert und der Detektor gibt bei einem bestimmten Expansionsgrad das Signal an das Steuerungsinstrument, welches über die Schließung des Ventils (2) die Luftzufuhr blockiert. Der Faltenbalg kann sich aufgrund der Erwärmung aber auch der Trägheit der Bewegung noch etwas weiter ausdehnen, bis er maximal expandiert ist, um dann während der Ableitung der Luft wider in seinen Ausgangszustand zurückzukehren.

Der Mechanismus zur Ableitung der expandierten Luft aus dem Faltenbalg kann über verschiedene Mechanismen erfolgen. So kann eine Pumpe eingesetzt werden, die auch ohne Last kontinuierlich arbeiten und zum Beispiel in Ventilatorfunktion Luft zu einer angetriebenen Maschine zwecks Kühlung ableiten kann. Die Zuleitung (15) zur Pumpe (14) kann über eine Ventilvorrichtung (17) geregelt werden, das über das Steuerungsinstrument geöffnet und geschlossen werden kann. Bevor der Faltenbalg maximal expandiert ist, kann so bereits die Zufuhr von Luft aus der Umgebung geschlossen werden, sodass die Pumpe die in einem Vorratsraum (16) befindliche Luft evakuiert. Es kann also bereits ein Unterdruck anliegen, wenn das Steuerungsinstrument vom Detektor das Signal zum Öffnen der Gasableitung (8) aus dem Faltenbalg bekommt. Hierdurch kann die Ableitung der expandierten Luft beschleunigt werden. Es lässt sich eine zeitlich unsymmetrische Auf- und Abbewegung des Faltenbalgs realisieren, mit langsamer Expansion und schneller Kompression.

Ist der Faltenbalg maximal komprimiert und somit in seinem Ausgangszustand, kann die Ableitung (8) wieder geschlossen und die Zuleitungen (15) zur Pumpe und (6) zu dem Faltenbalg wieder geöffnet werden.

Die kontinuierliche Widerholung dieses Vorgangs ergibt eine periodische Auf- und Ab- Bewegung des Faltenbalgs. Die Nutzbarmachung dieser periodischen Bewegung kann wiederum auf erschiedene Weise erfolgen.

Zur Formstabilisierung kann der Faltenbalg mit einer Verkleidung versehen sein, und so die Vorzugsrichtung seiner Expansion bestimmen oder unterstützen.

Während der Faltenbalg wie beschrieben auf einer Seite im Gehäuse integriert ist, kann er auf der anderen Seite über ein Verbindungselement (11) mit der Antriebseite (20) eines Freilaufs (19) verbunden sein. Die mit der Expansion des Faltenbalgs einhergehende Auf-Bewegung bewirkt, dass An- und Abtriebseite des Freilaufs die gleiche Drehrichtung aufweisen. Die mit der Gasableitung einhergehende Komprimierung und somit Ab-Bwegung des Faltenbalgs bewirkt eine Umkehr der Drehrichtung der Antriebseite (20), während der Drehsinn auf der Abtriebseite (21) des Freilaufs erhalten bleibt. Für die Gleichmäßigkeit der Drehbewegung kann sich der Einsatz eines Schwungrades (18) als vorteilhaft erweisen, welches sich dann zusammen mit dem Feilauf eine Welle (29) mit dem angetriebenen Generator (23) teilen kann, wenn nicht eine Getriebeeinheit zwischengeschaltet ist.

Eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Arbeitsvorgangs einer solchen Ausführung eines dynamischen Energiespeichers ist in Zeichnung 3 widergegeben.

Zur Optimierung der pro Expansionsschritt eingesetzten Luftmenge in Abhängigkeit der abgenommenen Strommenge am Generator kann ein elektronisches Bauteil (30) mit Hilfe geeigneter Detektoren den Gesamtwärmegehalt des Wärmespeichers (4) und die Gesamtmenge des Gases im Gasspeicher (1) ermitteln und das zur optimalen Ausnutzung beider Speicher resultierende Verhältnis aus beiden Energieformen unter Berücksichtigung vorwählbarer oder aktueller Energieabnahmen bestimmen und die Information an das Steuerungsinstrument weitergeben. Dieses kann dann die Zustände des Gaszuleitungsventil (2) und der Wärmeabgabevorrichtung (9) entsprechend so steuern, dass eine Luftmenge während ihrer Expansion soviel Wärme erhält, dass die resultierende mechanische und dann elektrische Arbeit der Entnahme an Strom entspricht.

Je nach Einsatz lässt sich eine solche Ausführung über einen weiten Bereich modifizieren.

Die Pumpenanordnung zur Ableitung der Luft beinhaltet einen apparativen Aufwand, der nicht für alle Anwendungen nötig erscheint. Will man den Freilauf beibehalten, bietet sich eine Führungsvorrichtung an, über welche die Ausdehnungsrichtung des Faltenbalgs unterstützt wird. Sie kann beispielsweise als Verkleidung des Faltenbalgs ausgeführt sein. Während die Expansion des Faltenbalgs über die Druckausdehnung des Gases erfolgt, bedarf es einer zusätzlichen, wenngleich sehr geringen Kraft, um das Gas wieder aus dem Faltenbalg auszuleiten. Bei geöffnetem Ventil (17) der Auslassleitung (8) genügt ein einfacher Rückholmechanismus in Form einer mechanischen Feder (25) oder einer Gasfeder (24), die vorher während der Expansion gespannt wurde. Auch der Einsatz von Elektromagneten ist denkbar. Alle Vorrichtungen für die Austreibung des Gases benötigen Energie und so ist die Wahl abhängig von der Ausführung und bauliche Größe des dynamischen Energiespeichers.

Wenn auf den Freilauf und die Pumpenanordnung zur Ableitung der Luft verzichtet werden soll, kann die Linearbewegung des volumenvariablen Maschinenteils (7) auch, wie in Zeichnung 2 schematisch dargestellt, über einen Kurbelantrieb in eine Drehbewegung umgesetzt werden. Um eine leichte und möglichst reibungsfreie Anordnung zu erreichen, ist das Verbindungselement (11) als Schienenträger ausgeführt, welches über eine Schiene (57) verfügt, auf welcher ein Rollensystem (59) aus beispielsweise drei miteinander verbundenen Rollen laufen kann. Zur Stabilisierung der Horizontalbewegung auf der Schiene und zur besseren Aufnahme der durch die Expansion des Faltenbalgs verursachten Vertikalkräfte rollen zwei der Rollen auf der Schienenunterseite. Die auf der Schienenoberseite laufenden Rolle kann direkt oder über ein Getriebe mit der Welle eines Schwungrades (18) in einer bestimmten Entfernung zu seiner Drehachse zu einem Kurbeltrieb (60) drehbar verbunden sein.

Sobald der Faltenbalg vertikal expandiert, laufen die Rollen horizontal auf der Schiene. Hierdurch wird das Rollensystem schräg nach oben gedrückt, sodass sich das Schwungrad in Bewegung setzt. Somit wird die Auf- und Abbewegung des Faltenbalgs in eine Drehbewegung umgesetzt. Diese Anordnung bedarf zwar wie alle Kurbeltriebe einer Initiierung der Drehbewegung, ist jedoch bautechnisch leicht ausführbar und bewirkt geringe Verluste bei der Energieübertragung.

In Zeichnung 4 ist schematisch eine weitere Ausführung mit Kurbelantrieb dargestellt, wobei in diesem Fall das Verbindungselement (11) über ein Schienensystem (58) verfügt, welches ovalförmig ausgeführt ist und die Welle eines Zahnrades (61) aufnehmen kann; dieses Zahnrad greift mit seinen Zähnen in die Zähne eines größeren, feststehenden Zahnrades (62) ein. Das kleine Zahnrad (61) ist fest oder über ein Getriebe mit der Welle des Schwungrades (18) verbunden. Die Achse des großen Zahnrades (62) kann als Hülse ausgeführt sein und in einem Gesamtsystem (63) die Lagerung der Welle eines Schwungrades (29) aufnehmen. Bei Expansion des volumenvariablen Maschinenteils (7) rollt die Welle des kleinen Zahnrades entlang der Unterseite des oberen Abschnittes des Schienensystems horizontal in eine Richtung, während gleichzeitig das kleine Zahnrad (61) am großen Zahnrad (62) hoch läuft. Bei der Komprimierung des volumenvariablem Maschinenteils (7) rollt die Welle des kleinen Zahnrades entlang der oberen Seite des unteren Abschnittes des Schienensystems (58) horizontal in die andere Richtung, während das kleine Zahnrad am großen Zahnrad hinabrollt. Auf diese Weise wird die mit der Welle des kleinen Zahnrades direkt oder über ein Getriebe verbundene Welle eines Schwungrades (18) gedreht.

Im Falle, dass z.B. Temperaturen zum Einsatz kommen sollen, die mit dem Material eines Faltenbalgs unverträglich sind, kann als volumenvariabler Maschinenteil auch eine konventionelle Hub- oder Drehkolben-Zylinder-Anordnung eingesetzt werden. Hierbei sind dann Zu- (6) und Ableitung (8) des Gases und, wenn eingesetzt, ebenso die Vorrichtung (9) zur Erwärmung des Gases in den Boden eines Zylinders integriert, während der Kolben (40) mit einer Seite in den Zylinder hineinragt und mit der anderen Seite mit dem Verbindungselement (11), verbunden ist.

Es lassen sich natürlich auch andere Kurbelsysteme in Kurbelwellen-/Pleuelanordnung einsetzen.

Die Zeichnung 4 stellt ebenfalls schematisch einen Vorgang dar, bei dem der angetriebene Generator als Motor betrieben wird, der Luft in dem volumenvariable Maschinenteil (7) verdichtet und in den Behälter (1) pumpt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann mit einem Schwungrad ein weiterer Energiespeicher eingeführt werden. Diese bekannte Technologie (BINE, projektinfo, 11/03, Kinetische Speicherung von Elektrizität) kann derart in den erfindungsmäßigen dynamischen Energiespeicher integriert werden, dass der Freilauf abtriebseitig als Schwungrad (18) ausgeführt ist (Zeichnung 5). Wie bei einem modernen Schwungradspeicher kann es verbunden sein mit dem beweglichen Teil eines Elektrogenerators (26), welches je nach Ausführung ein Stator oder ein Rotor sein kann. Zur Verringerung der Reibung kann das System über Magnetlager (28) gelagert sein und im geschlossenen Gehäuse (10) in Vakuum drehen.

Der neue Energiespeicher kann auch mit einem hochdrehenden, modernen Schwungradspeicher mit eigenem Elektrogenerator kombiniert sein. Im Falle, dass das Schwungrad des Schwungradspeichers und das über Druckluft angetriebene Schwungrad (18) mit unterschiedlicher Umlaufgeschwindigkeit drehen, können beide Komponenten dynamisch über ein wie auch immer geartetes Getriebe miteinander verbunden sein.

Aber auch ein mit einem integrierten Lineargenerator ausgeführter dynamischer Energiespeicher lässt sich mit einem Schwungradspeicher kombinieren, wobei diese dann ausschließlich elektrisch verbunden sind.

Es ist nämlich auch denkbar, bei dem dynamischen Energiespeicher ganz auf eine Drehbewegung zu verzichten und den Strom über einen Lineargenerator zu erzeugen.

Der Einsatz von Lineargeneratoren verschiedenen Typs, welche über Freikolbenmotoren mittels Verbrennungsgase oder Dampf betrieben werden, ist ebenso bekannt wie der Betrieb mittels Stirling-motor (www.stelzer-motor.de; Loekozentrum, Langenbruck, Lineargenerator zu Stirling-Energie-Modul:

www.owkozentrum.ch/prolekte/energienutzung/1997-02_generator_stirling.html); R. Kochendörfer, P. Treffinger, M. Gräf, M. Nedele, Auf dem Weg zum emissionsfreien Fahrzeug:

http:///www.dir.de/fk/Publikationen/emissionsfreiesFahrzeug_Kochend%C3%B6rfer 2003. pdf; www.powerblock.ch; Lion Powerblock: www.otac.de;).

Die durch die Anordnung vorgegebene vorteilhafte Ausführung des dynamischen Energiespeichers ermöglicht einen gesteuerten Betrieb mittels Druckluft über eine reibungsfreie, gasdichte Anordnung mit sehr einfachem Aufbau und moderaten Betriebsdrücken und Temperaturen unter Nutzung der durch den Generator während des Betriebs produzierten Wärme.

Wie in der Zeichnung 6 schematisch dargestellt, kann der Induktor eines Lineargenerators im Gehäuse (10) integriert sein und einen als Verbindungselement (11) ausgeführten Anker aufweisen. Die Gehäuseummantelung kann einen Wärmespeicher (4) aufnehmen, der mit einer im volumenvariablen Maschinenteil (7) angebrachten Erwärmungsvorrichtung (9) wärmeleitend in Verbindung steht. Während das Verbindungselement (11) auf einer Seite mit dem volumenvariablen Maschinenteil (7) verbunden ist, mündet es auf seiner anderen Seite in einen Rückholmechanismus, der beispielsweise als Gasfeder (24) ausgeführt sein kann. Das Bauteil ist zusammen mit dem volumenvariablen Maschinenteil derart in einem Führungsmechanismus über eine Lagerung (28) gelagert, dass sich das Verbindungselement nur linear entlang der Expansions- und Komprimierungssachse des volumenvariablen Maschinenteils bewegen kann. Über den Abschnitt des Verbindungselementes; der als Anker (26) des Lineargenerators ausgeführt ist, steht er mit einem Induktor (27), der sich zwischen volumenvariablem Maschinenteil und Rückholmechanismus befindet, berührungsfrei in Wechselwirkung.

Wie in Zeichnung 7 schematisch dargestellt, lässt sich ein Lineargenerator auch vollständig in einem volumenvariablen Maschinenteil (7) integrieren.

In dem Fall ist vorgesehen, dass der Induktor in dem volumenvariablen Maschinenteil angebracht ist, während das als Anker ausgeführte Verbindungselement (11) auf einer Seite in einen Kolben (40) mündet, wenn der volumenvariable Maschinenteil als Kolben-/Zylinderanordnung ausgeführt ist. Ist er als Faltenbalg ausgeführt, kann dieser in seiner Wandung über einen Abschnitt verfügen, der nicht ausdehnbar ist und in den der Induktor integriert ist, und er kann über einen anderen Abschnitt verfügen, der expandierbar und komprimierbar ist. Der Faltenbalg hat an diesem Ende seinen Deckel, an dem das Verbindungselement innerhalb des Faltenbalgs und an dem ein richtungsgeführter Rückholmechanismus, der beispielsweise über eine Gasfeder (24) verfügen kann, außerhalb befestigt ist.

Der Arbeitsablauf kann so erfolgen, dass durch gesteuerte Einleitung von Druckluft lediglich ein kleiner Expansionsweg zurückgelegt wird. Nach Schließen der Gaszuleitung (6) mittels Ventil (2) und gleichzeitigem Öffnen von Gasableitung (8) mittels Ventil (17) erfolgt die durch die Feder bewirkte Gasaustreibung aus dem Faltenbalg, wodurch dessen Komprimierung und somit Rückbewegung des Ankers bewirkt wird. Diese Hin- und Herbewegung kann in rascher Abfolge erfolgen, wobei die Frequenz einer solchen Schwingbewegung des Läufers über das Steuerungsinstrument vorgewählt und gesteuert kann. Die durch den Generator produzierte Wärme kann an einen Wärmespeicher (4) abgeführt und mit Hilfe der Erwärmungsvorrichtung (9) zur Erwärmung des expandierenden Gases genutzt werden. Die Betriebstemperatur des Systems lässt sich durch die geeignete Wahl des Wärmespeichers in Bereichen einstellen.

Die Expansion und Komprimierung des volumenvariablen Maschinenteils werden bei den meisten Anwendungen, speziell, wenn die Linearbewegung in eine Drehbewegung umgeformt wird, mit langsamerer Geschwindigkeit und längeren Wegen ausfallen. In diesem Fall oder auch, um die Leistung zu erhöhen bietet sich, mehrere dieser funktionalen Einheiten zusammen zu schalten. Eine solche vorteilhafte Ausgestaltung des neuen dynamischen Energiespeichers ist in Teilen schematisch in Zeichnung 8 dargestellt.

Hierbei werden zwei volumenvariable Maschinenteile (7) so mit einander gekoppelt, dass die Expansion eines Maschineteils die Komprimierung des anderen Maschinenteils und damit die Hinaustreibung des Gases bewirken kann. Sollten z.B. Faltenbalge als volumenvariable Maschinenteile verwendet werden, können diese mit jeweils einem Freilauf verbunden sein, welche die gleiche Welle antreiben. Die Faltenbalge können zwischen den Freiläufen angeordnet sein, wobei ein Faltenbalg linksseitig und der andere rechtsseitig mit den Antriebseiten (20) ihrer zugehörigen Freiläufe verbunden sind. Hierdurch wird erreicht, dass, wenn die Antriebseite (20) des einen Freilaufs ihr Drehmoment auf die Abtriebseite (21) überträgt, die An- und Abtriebseiten des anderen Freilaufs entkoppelt werden: Wird nun Gas in den einen Faltenbalg eingeleitet, drehen An- (20) und Abtriebseite (21) des mit diesem Faltenbalg verbundenen Freilaufs unter Kraftschluss in eine Richtung und können so eine Welle antreiben. Da die An- und Abtriebseiten des anderen Freilaufs entkoppelt sind, kann der zugehörige Faltenbalg unter Umkehrung der Drehrichtung der Antriebseite komprimiert werden.

Der neue dynamischen Energiespeicher lässt sich in weiteren, auch nicht mobilen Anwendungen einsetzen, bei denen ein Gas unter Druck gesetzt wird und eine Maschine antreiben kann. Hierbei spielt neben der Möglichkeit des Einsatzes von Druckluft besonders die Druckerzeugung durch Wärme ein wichtige Rolle. Er kann überall dort eingesetzt werden, wo Energie in Form von Strom aber auch in Form von Wärme benötigt wird.

Für stationäre Anwendungen bestehen die mit der Erfindung erzielten Vorteile insbesondere darin, dass mit Hilfe der im Patentanspruch aufgeführten Merkmale ein Gas auf ganz verschiedene Weise unter Druck gesetzt und dann sehr effizient zur Erzeugung von mechanischer und elektrischer Arbeit eingesetzt werden kann, wobei je nach Ausführung auch zusätzlich eine Wärmenutzung mit Hilfe einer Wärmekraftkopplung realisiert werden kann.

Für den stationären Einsatz können oben beschriebenen Ausführungen ebenfalls zum Einsatz kommen. Da in der Regel das Gas vor oder während der Expansion erwärmt wird, bietet sich die Nutzung der Wärme an, wobei hier verschiedene Ausführungen wiederum je nach Einsatz ausgewählt werden können.

Die Ausnutzung der Sonnenstrahlung zur direkten Stromerzeugung ist derzeit aufgrund der geringen Sonneneinstrahlung in unseren Breiten, vor allem aber aufgrund der geringen Wirkungsgrade und der hohen Investitionskosten der Fotovoltaikanlagen nur schwer wirtschaftlich zu rechtfertigen. Neben der aufwendigen Montage sind hier insbesondere die Kosten für die Wechselrichter zu nennen, die für eine Einspeisung ins Netz notwendig sind.

Die Stromerzeugung mit Hilfe von solarthermischen Anlagen, wie etwa durch Solarturmkraftwerke mit nachgeschalteter Dampfturbine hat einen besseren Wirkungsgrad und benötigt keine Wechselrichter; allerdings erfordern die aufwendigen Kollektoren intensive Sonneneinstrahlung, sodass vorwiegend Standorte in Afrika mit aufwendigen Stromnetzen, die bis nach Deutschland reichen, diskutiert werden. Unter diesen Aspekten lassen sich nur große Kraftwerke mit entsprechend hohen Investitionskosten realisieren. http://www.tud.uni-essen.de/xarb/imig/sonnewindwasser/reg-energie.html http://www.solarserver.de/solarmagazin/anlageapril2004.html; http://www.kfw-entwicklungsbank.de/DE/Fachinformationen/Erneuerbar40/Solartherm16/Solartherm.jsp; http://www.iset.uni-kassel.de/abt/w3-w/projekte/Pot_Strom_Nordafrika.pdf)

Aufgrund seiner je nach Ausführung sehr einfachen, robusten und somit leicht zu wartenden Bauteilen bietet der neue dynamische Energiespeicher den Vorteil, auch in sich entwickelnden Ländern einsetzbar zu sein, in denen noch nicht vollständig ausgebildete Infrastruktur eine dezentrale Energieversorgung wünschenswert erscheinen lassen. Er ist einfach zu montieren, benötigt keine Wechselrichter und kann bei hinreichender Baugröße wegen relative geringen Investitionskosten auch bei geringen Energiedichten Strom dem Netz zu wirtschaftlich vertretbaren Kosten zur Verfügung stellen. Daher kann er auch bei geringer durchschnittlicher Sonneneinstrahlung besonders zur dezentralen Stromerzeugung eingesetzt werden.

Eine solche vorteilhafte Ausgestaltung des neuen dynamischen Energiespeichers ist in Teilen schematisch im oberen Teil von Zeichnung 9 dargestellt. Für diese Anwendung ist der Gasbehälter derart ausgeführt, dass er aus sehr wärmeleitfähigem Material besteht und in seinem Innenraum über eine wärmeleitfähige und oberflächenvergrößernde Füllung (32) verfügt, wie sie bereits für die Erwärmungsvorrichtung (9) beschrieben wurde. Grundsätzlich wäre auch eine Rohrbündelanordnung möglich. Der solchermaßen als Gaskollektor (31) ausgeführte Behälter verfügt wiederum funktional über zwei ventilgesteuerte (2, 33) Gasleitungen (6, 5).

Zum besseren Wärmeübergang der von der Sonne stammenden thermischen Strahlung kann die Tiefe des dem Gas zur Verfügung stehenden Raumes relative klein und die dem Wärmedargebot ausgesetzte und aus Höhe und Breite bestehende Fläche relativ groß ausgeführt sein. Die wärmeleitfähigen Wandungen können eine feste oder auch flexible und biegsam Verformungen zulassen. Sie können auch aus verschiedenen Materialien aufgebaut sein, beispielsweise zur Erlangung der guten Wärmeleitfähigkeit aus einer Metallfolie, die für die Festigkeit und Formgebung mit Kunststoff beschichtet oder in Harz eingegossen sein kann und zur besseren Strahlungsabsorption eine raue, schwarze Oberfläche aufweisen kann. Grundsätzlich sind aber auch Ausführungen aus Glas denkbar, sodass auch die Integration des Kollektors in ein Fenster oder in transparente Fassadenbauteile denkbar ist. Diese Kollektoren können zu größeren Einheiten modular verbunden werden, wobei eine solche Einheit dann nur eine ventilgesteuerte Zu- bzw Ableitung benötigen würde. Integriert in Fassadenelemente und in optisch gefälliger Ausgestaltung können solche Kollektoren im Hausbau eingesetzt werden, wo sie gleichzeitig elektrischen Strom produzieren und die Fassade vor Aufheizung bewahren können. Die zugeführte Luft könnte entsprechend dem Stand der Technik über Erdwärmetauscher gekühlt werden. In der der Wärmequelle zugewandten Wandung des Kollektors kann ein Wärmespeicher (4) beispielsweise in Röhren integriert sein. Er lässt sich so auslegen, dass sich ein solches Fassadenelement ab einer bestimmten Temperatur nicht weiter erwärmt, da die zugeführte Wärme gespeichert wird. Während der Nacht kann dann seine Wärme wieder abgegeben und zur Stromerzeugung genutzt werden.

In Kombination mit einem solchen Wärmespeicher oder auch einem Stromspeicher, wie einem Schwungrad oder einer Batterie könnte diese Anordnung eines Kollektors auch zum Betreiben von Inselanlagen, wie zum Beispiel einem Sendemast, eingesetzt werden.

Die Funktionsprinzipien einer solchen vorteilhaften Ausführung basieren auf dem funktionsgeführten periodischen Auf- und Abbau des Gasdrucks in einem Kollektor (31). Ein in einem solchen Behälter befindliches Gas (z.B. Luft) wird Wärme ausgesetzt und es findet eine Druckerhöhung statt, da beide Gasleitungen (5, 6) verschlossen sind. Es ist auch denkbar, dass sich im Kollektor ein flüssiges Medium befindet, welches über die eingestrahlte Wärme teilweise verdampft und so ein Druck aufgebaut wird. Bei einem entsprechend der Anwendung gewünschten und mittels einer Sensorvorrichtung ermittelten Arbeitsdruck kann die Vorrichtung (2) der Gasleitung (6) mittels eines Steuerungsinstrumentes angesteuert und geöffnet werden. Daraufhin kann das Gas in den volumenvariablen Maschinenteil (7) einströmen und ihn so expandieren. Der Zustand maximaler Expansion wird vom Detektor erfasst und per Signal an das Steuerinstrument weitergegeben, dass daraufhin das Ventil (2) schließt und das Ventil (17) zur Gasableitung öffnet. Über einen der oben beschriebenen Mechanismen wird das Gas unter Komprimierung des volumenvariablen Maschinenteil (7) aus diesem herausgetrieben. Auch der Zustand der maximalen Komprimierung kann von einem Detektor festgestellt werden und ein Signal an das Steuerungsinstrument gegeben werden. Dieses schließt das Ventil (17) und öffnet das Ventil (33), sodass kalte Luft in den Behälter eingepumpt werden kann. Ein Detektor kann die Gasmenge beispielsweise über die Pumpendauer oder die Durchflussrate erfassen und an das Steuerungsinstrument weiterleiten, das daraufhin über ein Signal das Ventil (33) schließt. Sobald der Detektor den gewünschten Druck im Kollektor festgestellt hat, gibt er ein Signal an das Steuerungsinstrument, das daraufhin das Ventil (2) öffnet, sodass wieder Gas in das volumenvariable Maschinenteil strömen kann.

Über den bereits beschriebenen Mechanismus, in den nun auch eine Vorrichtung (33) zum Öffnen und Schließen der Gaseinlassleitung (5) eingebunden ist, öffnet sich diese Zuleitung bevor die Gasleitung (6) schließt, sodass kaltes Gas in den Kollektor eingesogen oder über eine Pumpenvorrichtung (14) eingepumpt werden kann; Detektor-gesteuert werden beide Ventilvorrichtungen mittels des Steuerungsinstruments geschlossen. Der Zyklus kann unter kontinuierlicher Erwärmung des Gases von neuem beginnen. Für die Umwandlung in Arbeit können dabei die bereits beschriebenen Mechanismen eingesetzt werden. Zur Erhöhung der Arbeitsleistung können auch mehrere Gasvorratsbehälter zusammengeschaltet sein. Bei geringen Temperaturunterschieden von kalter Luft und warmem Kollektorinneren ist vorgesehen, dass das Volumen der Kollektorfüllung relativ groß zum Volumen des eingeströmten Gases ist, um einen effektiven Wärmeübergang zu gewährleisten. Ebenso sollte das Volumen dieses Gases im Kollektor relativ groß zum Volumen des ihm zur Verfügung stehenden Raumes im volumenvariablen Maschinenteil sein, um einen hinreichend großen Druckunterschied zur Betreibung des maschinenvariablen Maschinenteils sicher zu stellen.

Sollte keine Pumpe zur Befüllung des Kollektors eingesetzt werden, kann der maschinenvariable Maschinenteil auch diese Funktion übernehmen. In diesem Fall kann nach Schließen des Ventils (17) sowohl Ventil (2) als auch Ventil (33) geöffnet werden. Da bei der ersten Expansion ein Schwungrad durch das volumenvariable Maschinenteil (7) angetrieben wurde, kann dieses einen Teil seiner überschüssigen Energie an das Maschinenteil zurückübertragen, sodass es seine Expansion und Kompression beibehalten kann, auch ohne, dass Luft unter Druck zugeführt wird. Mit Öffnen der Ventile (2) und (33) kann ohne großen Widerstand und somit ohne großen Energieaufwand Luft strömen, sodass diese durch die Expansion des Maschinenteils (7) aus der Umgebung in den Kollektor eingesaugt werden kann. Nach mindestens einer solchen Expansion kann das Ventil (2) wieder geschlossen und das Ventil (17) zur Ableitung des Gases wieder geöffnet werden. Das Ventil (33) wird zeitgleich mit Ventil (2) nur geschlossen, wenn bereits genug kaltes Gas wieder im Kollektor eingesaugt wurde, andernfalls kann es noch für einen weiteren Saugdurchgang geöffnet bleiben.

Dieser Mechanismus zur Ansaugung von kühler Frischluft kann auch eingesetzt werden, wenn, wie in Zeichnung 9 schematisch dargestellt, zwei volumenvariable Maschinenteile miteinander gekoppelt sind.

Bei sehr geringer Sonneneinstrahlung, wie zum Beispiel im Winter, wird die zur Verfügung stehende Wärme oft nicht ausreichen, um einen Betrieb des dynamischen Energiespeichers zur Stromerzeugung zuzulassen. In diesem Fall kann die aufgewärmte Luft aber immer noch über eine als Wärmetauscher (39) ausgeführte Leitung in einem Wärmepool (41) zur Erwärmung zum Beispiel von Brauchwasser eingesetzt werden.

Um aber dennoch die Stromerzeugung aufrecht zu erhalten, kann zusätzlich die Heizwärme genutzt werden. Der dynamische Energiespeicher lässt sich also auch als Blockheizkraftwerk vorteilhaft einsetzen, wobei dann entweder das Brenngas direkt oder inertes Medium über einen Sekundärkreislauf eingesetzt werden kann.

Blockheizkraftwerke sind ein Beispiel integrierter Nutzung von Strom und Wärme, die auch in dem Stand der Technik entsprechenden Ausführungen bereits einen guten Wirkungsgrad aufweisen können.

Bei Blockheizkraftwerken wird ein Motor betrieben, der einen Generator antreibt. Die Wärme des heißen Abgases wird über einen Wärmetauscher dem Brauchwasser zugeführt, und über diese Wärmekraftkopplung lassen sich sehr hohe Wirkungsgrade erzielen. Nachteilig sind oft die schädlichen Emissionen und der hohe Verschleiß. Außerdem kann wirtschaftlich nur Strom produziert werden, wenn die Wärme genutzt werden kann.

Ebenso erfordern die BHKW einen entsprechend ihren weitaus höheren Investitionskosten den entsprechenden Leistungsbedarf. Nur bei Einsatz von subventionierten erneuerbaren primären Energieträgern können auch kleinere Anlagen unter langfristigem Aspekt durchaus lohnenswert sein. Ein weiterer Nachteil ist die Tatsache, dass BHKWs nicht in bestehende Heizsysteme integriert werden können, sodass ihnen nur bei Neu- oder Ersatzinvestitionen als Alternative Rechnung getragen werden kann.

Besonders mit Stirling-Motoren ausgestattete und mit regenerativen Brennstoffen befeuerte Blockheizkraftwerke erfüllen Kriterien nach umweltschonender Strom- und Wärmegewinnung schon recht gut. Hier gibt es interessante Entwicklungen, da bei kontrollierter Emission viele verschiedene Brennstoffe eingesetzt werden können; allerdings lassen sie sich mit Stirlingmotoren betriebene Anlagen nicht so gut regulieren.

Die Wirkungsweise der Wärmekraftkopplung des neuen dynamischen Energiespeichers funktioniert im Vergleich zu konventionellen Blockheizkraftwerken umgekehrt, indem die Wärme produziert und zu Heizzwecken wie auch zur Umwandlung in mechanische Energie benutzt wird. Somit lassen sich Baumodule des dynamischen Energiespeichers vorteilhaft in ein bestehendes Heizsystem integrieren. Auch lässt sich die Menge an Wärme- und Stromproduktion sehr gut regulieren, da die Wärme gezielt erzeugt werden kann und nicht als Betriebswärme eines Motors anfällt. Gegenüber einem BHKW mit Stirling- oder Dampfmotor, die vergleichbar aufgebaut sind, besitzt der neue dynamische Energiespeicher einen einfacheren Aufbau und benötigt keine Kühlung; auch lässt er sich konstruktionsbedingt besser regeln.

Eine solche vorteilhafte Ausgestaltung des neuen dynamischen Energiespeichers mit Wärme-Kraftkopplung ist in Teilen schematisch in Zeichnung 10 dargestellt.

Ein Gas wird in einer Gasaufbereitungsvorrichtung mit Hilfe eines Brenners thermisch erzeugt und die sehr heißen Gase können nun direkt über eine Turbine (53) geführt oder, wie hier dargestellt, in einen als Kolben-/Zylinderanordnung ausgeführten volumenvariablen Maschinenteil (7) geleitet werden, wo ein Teil der Wärmeenergie erst in mechanische und dann in elektrische Energie umgewandelt wird. Es ist aber auch möglich, das Gas in der Kammer über einen Wärmetauscher (34), der mit einem Wärmespeicher verbunden sein kann, etwas herunterzukühlen, bevor es zur Umwandlung in mechanische Energie weitergeleitet wird. Ebenso kann das Brenngas zur Erwärmung eines Mediums eingesetzt werden, das somit unter Druck gebracht dann in einem Sekundärkreislauf in einen volumenvariablen Maschinenteil (7) gesteuert eingeleitet werden kann.

In dieser vorteilhaften Ausführung ist das Verbindungselement (11) auf der einen Seite linear verschiebbar im Gehäuse gelagert (28) und als eine Zahnschienen-/Zahnradanordnung (44) mit der Welle der Antriebseite eines Freilaufs (19) ausgeführt. Wird das Verbindungselement (11) und mit ihm die Zahnschiene in eine Richtung linear verschoben, so greifen die Zähne des Zahnrads in die der Zahnschiene, womit das Zahnrad in Drehbewegung versetzt wird; da es sich zusammen mit dem Freilauf (19), dem Schwungrad (18) und dem angetriebenen Aggregat (23) eine gemeinsame Welle (29) teilt, werden diese Bauteile mit angetrieben, wenn sich das Verbindungselement in die eine Richtung bewegt, während bei Bewegung in die Gegenrichtung lediglich die Antriebseite (20) des Freilaufs ebenfalls ihre Drehrichtung ändert, während die anderen Bauteile ihre Drehrichtung beibehalten. Zur besseren Einstellung des Drehmomentes kann die Welle des Zahnrades auch über eine Getriebeübersetzung mit der Welle (29) verbunden sein.

Auf seiner anderen Seite ist das Verbindungselement (11) mit dem Kolben (40) des als Kolben-/Zylinderanordnung ausgeführten volumenvariablen Maschinenteils (7) verbunden, der gasdicht über selbst schmierende Kolbenringe oder über Spaltdichtung zum Zylinder abschließt. Der Rückholmechanismus kann in diesem Fall auf einer mechanischen Feder (25) basieren, die bei Expansion zusammengedrückt wird und bei Öffnen der Ventilvorrichtung (17) zur Leitung (8) wieder in ihren Ursprungszustand zurückkehren kann und dabei den Kolben in den Zylinder drückt.

Das Abgas kann über einen in die Gasauslassleitung (8) integrierten Gaswäscher (35) oder ein Katalysator abgeleitet werden. Durch Nachschalten von Wärmetauschern, welche nach verschiedenen Funktionsprinzipien, entweder abgasführend (43) oder medienführend (42) arbeiten können, lässt sich die im Abgas enthaltene Restwärme weiter nutzen. Hierbei kann das Gas durch seine forcierte Strömung sehr weit heruntergekühlt kann, was zu einer guten Ausbeute der aufgewendeten Energie beiträgt.

Wie hier ebenfalls dargestellt, können die Ventilvorrichtungen (2, 17) für die mit dem volumenvariablen Maschinenteil verbundenen Gasleitungen (6) und (8) in einer Vorrichtung integriert werden. Diese bauliche Vereinfachung kann in manchen Fällen vorteilhaft sein. Wenn zum Beispiel das Verbindungselement (11), wie im Falle des Lineargenerators gezeigt, in schnelle Bewegung gebracht werden soll, kann eine schnell rotierende oder pulsierende Vorrichtung zum raschen und abwechselnden Wechsel von Öffnen und Schließen der beiden Leitungen herangezogen werden.

Der Behälter kann auch, wie im unteren Teil von Zeichnung 9 dargestellt, als Wärmekollektor mit wärmeisolierenden Wandungen, aber gegebenenfalls mit einer wärmeleitfähiger Füllung und mit einer leicht verdampfbaren Flüssigkeit gefüllt sein, auf welche Wärme zum Beispiel über einen Wärmetauscher (34) übertragen wird; die verdampfte Gasphase kann dann über Leitung (6) auf einen volumenvariablen Maschinenteil (7) oder eine Turbine (53) geleitet werden. Das Gas kann entweder durch die Abkühlung bei der Expansion bereits kondensieren oder aber in einer Kondensierungseinheit (54) kondensiert und dann über die Leitung (8) in den Behälter zurückgeführt werden.

Besonders vorteilhaft ist auch die Kombination zweier unterschiedlicher Gasaufbereitungsvorrichtungen in einem dynamischen Energiespeicher, wie sie in Zeichnung 9 schematisch dargestellt ist. Auf diese Weise lassen sich die unterschiedlichen Wärmequellen optimal ausnutzen. So kann die Sonnenwärme vornehmlich im Sommer und die Heizenergie vornehmlich im Winter dadurch optimal zur Stromerzeugung herangezogen werden, indem das Energieumwandlungsmodul einerseits mit einem Gaskollektor zusammengeschaltet ist und andererseits mit einem Behälter, der wie ein Gaskollektor ausgeführt sein kann, aber über wärmeisolierende Wandungen verfügt und der mit einen Wärmetauscher (34) ausgestattet ist, der warmes Medium aus einer Heizung führt.

Hiermit ließe sich Energie über die gesamte Jahreszeit dem dynamischen Speicher zuführen, die zur Erzeugung von elektrischem Strom wie auch der Erwärmung eines Wasserreservoirs genutzt werden kann.

Auch die Nutzung der Erdwärme lässt sich mit dem dynamischen Energiespeicher vorteilhaft gegenüber den bestehenden Techniken anwenden. Im wesentlichen gibt es in der Geothermie das hydrothermale Verfahren, welches die Wärme aus wasserführenden Erdschichten (Aquifere) im Temperaturbereich bis zu maximal 170°C und Tiefen je nach Standort bis zu 4km zur Beheizung nutzt. Das entnommene Wasser wird an anderer Stelle wieder über eine weitere Bohrung zurückgeführt.

Die zweite Technik wird Hot-Dry-Rock Verfahren genannt und basiert auf dem Verpressen von kaltem Wasser in heißen, trockenen und porösen Gesteinsschichten in bis zu 5km Tiefe. Der über eine zweite Bohrung an die Oberfläche tretende Wasserdampf kann bis zu 200°C aufweisen und kann über eine Dampfturbine auch zur Stromerzeugung herangezogen werden.

Die Erdwärme steht immer zur Verfügung, und würde selbst bei extremer Ausbeutung nicht verknappen, sodass sie ein idealer Energieträger sowohl für die zentrale wie auch für eine dezentrale Versorgung darstellt (A. Bitschi, K. Fröhlich, W. R. Gehrer, Energie aus der Tiefe, Buletin SEV/VSE 9/04).

Die derzeitigen Methoden sind allerdings aufgrund der Bohrungen sehr kostenintensiv. Es müssen zwei Bohrungen für die Produktion getätigt werden. Zusätzlich fallen auch oft Fehlbohrungen an, da an die Bodenbeschaffenheit bestimmte Voraussetzungen gestellt werden. So müssen Schichten in der nutzbaren Tiefe vorhanden sein, welche für das erste Verfahren wasserführend oder welche für das zweite Verfahren porös sind oder über Sprengungen porös zu machen sind. Auch sind nur Pseudokreisführungen möglich, da immer in der heißen Dampfphase aus dem Produktionsbohrloch Verunreinigungen aus dem Gestein mitgeschleppt werden, die, wenn sie nicht, vorher abgetrennt werden, entweder schädliche Auswirkungen auf die Turbine haben, oder bei Anwendung nach dem ORC- oder Kalina-Prozess einen Sekundärkreislauf benötigen.

Für den dynamischen Energiespeicher genügt eine Bohrung und es werden außer einer erhöhten Temperatur keine weiteren Anforderungen an den Boden gestellt, sodass die Erdwärme weitgehend unabhängig von geologischen Gegebenheiten genutzt werden kann. Zudem können sowohl die Bohrkosten als auch der apparativer Aufwand deutlich gesenkt werden, sodass auch dezentrale Strom- und Wärmeversorgung über Geothermie wirtschaftlich sinnvoll wird.

Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass in dem dynamischen Energiespeicher kaltes Medium in einem Rohr in warme Bodenschichten geleitet und dort über einen in das Rohr integrierten Wärmekollektor, der seine Wärme aus der Bodenschicht entnimmt, aufgewärmt wird. Das erwärmte Medium wird anschließend über einen anderen Sektor desselben Rohres wieder nach oben geleitet, wo es entweder auf eine Turbine oder in einen volumenvariablen Maschinenteil (7) zur Leistung mechanischer Arbeit geleitet werden kann. Dieses Medium kann Luft sein; da aber auch geschlossene Kreisführung realisierbar ist, kann es auch ein anderes Gas oder eine leicht verdampfbare Flüssigkeit sein. Immer verläuft das kalte Medium in einem isoliertes Rohr mit kleinerem Querschnitt, das in ein Rohr mit größerem Querschnitt eingeschoben ist und an dessen einem Ende, welches sich in warmen Erdschichten befindet, eine Vorrichtung zur gesteuerten Durchleitung des Mediums in ein äußeres Segment des größeren Rohres angebracht ist. Dieses Segment befindet sich zwischen der äußeren Seite des kleineren Rohres und der Innenseite des größeren Rohres; es weist nur eine kleine Dicke auf und kann über die ganze oder über einen bestimmten Abschnitt mit oberflächenvergrößernder und wärmeleitfähiger Füllung (32) versehen sein. Auch das Rohr mit größerem Querschnitt kann über einen Großteil seiner Länge wärmeisoliert sein; in jedem Fall weist es an dem endständigen Abschnitt, an welchem das Medium aus dem dünneren Rohr austauscht, eine wärmeleitfähige Oberfläche auf, sodass dort Wärmerezeptorfunktion vorliegt.

Die Auslegung der optimalen Länge des Rohres mit dieser Wärmetauschereigenschaft hängt ab von dem Volumen des Wärmerezeptors, der aufzunehmenden Wärme und der Menge des Mediums. Die ganze Vorrichtung ist modular zusammensetzbar, wobei lediglich der endständige Abschnitt einige funktionale Merkmale aufweist.

Eine solche vorteilhafte Ausgestaltung des neuen dynamischen Energiespeichers ist in Teilen schematisch in den Zeichnungen 11 und 12 dargestellt.

Die als eine Erdwärmesonde (46) ausgeführte Gasaufbereitungsvorrichtung kann über ein Rohrsystem verfügen, welches über einen definierten Abschnitt aus einem Rohr (47) besteht, welches ein Rohr (48) mit kleinerem Querschnitt in sich derart aufnimmt, dass zwischen der Außenwand des dünneren Rohres (48) und Innenseite des dickeren Rohres (47) ein kleiner Zwischenraum besteht. Dieser Zwischenraum ist gasdurchlässig und kann mit einer oberflächenvergrößernden und wärmeleitfähigen Füllung (32) ganz oder teilweise versehen sein. Zusätzlich können Abstandshalter vorgesehen sein, die gewährleisten, dass das innere Rohr genau mittig im äußeren Rohr verläuft.

Das innenliegende Rohr (48) besitzt eine wärmeisolierte Wandung (50) und ragt an einem Ende aus dem dickeren Rohr hinaus, wo es in die Medienleitung (5) mündet. Bei geschlossener Kreisführung ist diese mit der Ableitung (8) direkt oder indirekt verbunden. An einer bestimmten Stelle nahe seinem anderen Ende befindet sich eine Nut oder eine ringförmige Ausbuchtung (52), jeweils über den gesamte Querschnitt. Hierdurch lässt sich entweder ein Ventil (33) oder eine Pumpe-/Verdichteranordnung (14) genau positionieren und fixieren. Da Ventil oder Pumpe gegebenenfalls in mehreren Kilometern Tiefe arbeiten, sollen sie derart konstruiert sein, dass sie zur Erstinstallation aber dann auch zu Wartungszwecken entnommen werden können.

Hierzu befindet sich an einer Stelle am Pumpengehäuse (66) eine Vorrichtung (64) mit expandierbarer und komprimierbarer äußerer Hülle, welche auf ihrer Innenseite mediendicht am Gehäuse (66) anschließt und welche einen kreisförmigen Außenradius aufweist, der in seinen äußeren Abmessungen im komprimierten Zustand etwas kleiner ist als der Innendurchmesser der Ausbuchtung (52) von Rohr (48), oder etwas kleiner als der Innendurchmesser des Rohres, wenn eine Nut vorgesehen sein sollte. Dieses ringförmige Bauteil kann elektromagnetisch, hydraulisch oder auch pneumatisch etwas aufgeweitet werden, sodass es hierdurch an die Innenseite des Rohres (48) gepresst wird. Da diese Vorrichtung (64) mit einem flexiblen und wärmebeständigen Material etwa in Faltenbalgstruktur verkleidet sein kann, lässt sich so das Rohr mit dem Verdichter (14) mediendicht verschließen, sodass ein Medium nur noch durch die Kanäle im Gehäuse (66) über die Verdichterturbine (67) oder den Verdichterkolben fließen kann.

Das äußere Rohr (47) ist an dem Ende verschlossen, an welchem es in die warme Erdschicht (70) hineinragt und hat in diesem Bereich eine Wärmrezeptorfunktion. Dieses Rohrende hat einen definierten Abstand zum Ende des inneren Rohres und ist beginnend in diesem Bereich mit einer wärmeleitfähigen Wandung versehen, deren Gesamtlänge entlang des Rohres abhängig von der Temperatur und der Gasmenge, die aufzuwärmen ist, variieren kann. Es ist vorgesehen, dass der übrige Teil der Wandung des Rohres (47) wärmeisoliert ist. An seinem anderen Ende mündet das Rohr (47) über die Leitung (6) entweder in einer Turbine (53) oder über eine Ventilvorrichtung (2) in einen volumenvariablen Maschinenteil (7).

Das heiße Gas kann auch zur Erwärmung eines Sekundärkreislaufes genutzt werden und seine Wärme über einen Wärmetauscher beispielsweise auf eine leicht verdampfbare Flüssigkeit übertragen kann, sodass diese verdampft. Das verdampfte Gas kann dann auf eine Turbine geleitet werden, wie dies in Zeichnung 12 schematisch dargestellt ist.

Eine solchermaßen ausgeführte Erdsonde (46) wird so in die Erde eingebracht, dass das Ende des Rohres (47) mit Wärmetauscherfunktion in der erdwarmen Schicht (66) liegt, während sich die Vorrichtungen zur Zuleitung des kalten Mediums und die Ableitungen des heißen Gases an der Eroberfläche befinden können.

Nachdem die Erdsonde mit oder nach der Bohrung in der Erde positioniert ist, kann der Verdichter (14) an seiner Versorgungsleitung (65) hinabgelassen werden und mittels der Ausbuchtung (52) genau positioniert und fixiert werden. In der Zeichnung 11 ist dargestellt, wie der verdichtende Bauteil (67) und das Abdichtungsbauteil (64) des Verdichters die Ausbuchtung (52) passieren können, während das Gehäuse (66) von ihm zurückgehalten wird. Nachdem das Abdichtungsbauteil elektromagnetisch ausgefahren ist, sitzt der Verdichter im Rohr (48) fest. Wird nun ein Medium durch das Rohr (48) über den Verdichter (14) in das Rohr (47) gepumpt, wird es in der Wärmerezeptoreinheit aufgewärmt und gegen den Verdichter einen Druck aufbauen, wodurch der Verdichter weiter gasdicht angepresst wird. Es ist nämlich vorgesehen, dass die Unterseite des Abdichtungsbauteils (64) so ausgeführt ist, dass sie durch gegenströmendes Gas weiter aufgeweitet wird. Da zudem der Verdichter von unten noch gegen die Ausbuchtung (52) gedrückt wird, sitzt er auch ohne weiteren elektromagnetischen Aufwand fest. Wird kein kühles Medium mehr nachgeliefert und die Verdichterfunktion gestoppt, entspannt sich der Druck und das Abdichtungsbauteil kann elektromagnetisch eingefahren werden, sodass der Verdichter wieder entnommen werden kann.

Entsprechendes gilt für den Fall, dass anstelle der Ausbuchtung eine Einbuchtung, also eine Nut, eingesetzt wird, in die dann das Abdichtungsbauteil hineinragt. Das Ventil (33) kann ebenso über eine solche elektromagnetische, hydraulische oder pneumatische Vorrichtung (64) verfügen, sodass die Pumpe-/Verdichterfunktion auch an der Erdoberfläche installiert sein kann und das Medium gesteuert über Ventil (33) aus dem Rohr (48) in das Rohr (47) eingeleitet werden kann.

Das kalte Medium kann entweder als Flüssigkeit oder als Gas über das innere Rohr (48) der Erdsonde zugeführt werden. Diese Zuführung kann in Abhängigkeit von der äußeren Lufttemperatur zum Beispiel im Sommer noch über einen Erdwärmetauscher (71) gekühlt oder zum Beispiel im Winter auch über eine direkte Leitung (72) erfolgen. Nachdem das Medium über einen Verdichter (14) in den Wärmekollektorabschnitt des äußeren Rohres (47) in der warmen Erdumgebung (50) eingeleitet wurde, erfolgt die Wärmeaufnahme und gegebenenfalls Verdampfung. Das nunmehr aufgewärmte und unter Druck stehende Gas kann direkt durch das Rohr (47) strömen und auf eine Turbine oder periodisch mittels Ventilvorrichtung in eine Anordnung aus mindestens einem volumenvariablen Maschinenteil geleitet werden. Es kann auch über einen Wärmetauscher zur Wärmezuführung für einen Sekundärkreislauf verwendet werden, wobei auch eine Kombination denkbar ist. Das über diese Vorrichtungen entspannte und abgekühlte Medium kann entweder weiter über einen Wärmetauscher (42) gekühlt oder über eine Kondensationsvorrichtung (55) kondensiert und dann erneut dem Kreislauf zugeführt werden.

Grundsätzlich lässt sich eine solche Anordnung des dynamischen Energiespeichers auch in anderen Anwendungen einsetzen, bei denen Ort der Wärmequelle und Ort der Strom- oder Wärmeentnahme weit von einander entfernt liegen.

Für Hot-Dry-Rock-Verfahren gibt es bereits Überlegungen, einen Lineargenerator in das Produktionsbohrrohr zu integrieren. Auch diese Arbeitsweise ließe sich in die Gasaufbereitungsvorrichtung des dynamischen Energiespeichers integrieren. In diesem Fall würde ein Abschnitt des inneren Rohres als Stator mit Wicklungen ausgeführt sein, in welchem ein Kolben als frei beweglicher Läufer berührungsfrei nach oben und unten gleiten kann. Die Leitungsfunktionen von kaltem und warmen Medium würden dann vertauscht, sodass über den äußeren Zwischenraum kaltes Medium über eine Ventilvorrichtung (33) eingepumpt wird. Diese ist an der Stelle vorgesehen, an der die Isolierung (49) des äußeren Rohres (47) endet.

Der dynamische Energiespeicher ist in allen Anwendungen einsetzbar, in denen Strom benötigt wird; er bietet aufgrund seines hohen Maßes an Integration verschiedener Energieformen eine effiziente Vorrichtung zur Energiebereitstellung in Form von Strom und Wärme, basiert dabei auf strukturell einfachen und somit kostengünstigen und wartungsarmen Bauteilen und verbindet vorteilhaft teilweise bekannte mit neuen Mechanismen.


Anspruch[de]
Dynamischer Energiespeicher mit folgenden Merkmalen:

1 er kann aus mindestens einer Gasaufbereitungsvorrichtung bestehen, die

1.1 über mindestens einen Druckbehälter (1) verfügen kann;

1.2 über mindestens einen Behälter verfügen kann, der

1.2.1 mit wärmeisolierten Wandungen ausgeführt ist und

1.2.2 mit mindestens einem Wärmetauscher (34) ausgestattet sein kann und

1.2.3 auch über eine Verdampfervorrichtung (45) verfügen kann;

1.2.4 chemisch und thermisch beständig ausgeführt sein kann und

1.2.5 über mindestens einer Brennervorrichtung (36) mit einer Brennstoffzuleitungsvorrichtung (37) verfügen kann;

1.3 über mindestens einen als thermischen Kollektor ausgeführten Behälter (31) verfügen kann, der

1.3.1 über eine strahlungsabsorbierende Oberfläche verfügen kann und

1.3.2 aus dünnen, wärmeleitfähigen und gegebenenfalls aus verschiedenen Materialien zusammengesetzten Wandungen bestehen kann und

1.3.3 gegenüber den eingesetzten Drucken beständig sein kann und

1.3.4 über einen Innenraum

1.3.5 ohne Füllung oder

1.3.6 mit mindestens einer wärmeleitfähigen und oberflächenvergrößernden Füllung (32) in zum Beispiel Geflecht- oder Schwammstruktur oder

1.3.7 mit mindestens einem wärmeleitfähigen oder wärmeisolierten Rohr oder Rohrbündel ausgeführt sein kann, wobei

1.3.8 die Tiefe des Innenraums relative zu der Fläche aus seiner Breite und Länge klein sein kann und

1.3.9 mit mindestens einem Wärmetauscher (34) ausgestattet sein kann;

1.4 über mindestens einen als Rohrsystem ausgeführten Behälter verfügen kann, wobei

1.4.1 der Innenraum eines Rohres (47) mit größerem Querschnitt ein Rohr (48) mit kleinerem Querschnitt aufweisen kann und

1.4.2 definierte Abstände zwischen der Innenseite des Rohres mit größerem Querschnitt und der Außenseite des Rohres mit kleinerem Querschnitt vorhanden sind, sodass auf diese Weise ein Zwischenraum ausgebildet wird, der ganz oder in definierten Abschnitten mit einer wärmeleitenden und oberflächenvergrößernden Füllung (32) versehen sein kann und

1.4.3 ein definierter Abschnitt der Wandung (49) des Rohres mit größerem Querschnitt wärmeisolierend und ein anderer definierten Abschnitt seiner Wandung (51) bis zu seinem geschlossenen Rohrende wärmeleitend ausgeführt sein kann;

1.4.4 die Wandung des innenliegenden Rohres (48) mit kleinerem Querschnitt wärmeisolierend (50) ausgeführt sein kann und an einem Rohrende in einem bestimmten Abstand über eine Aussparung oder über eine Ausbuchtung (52) im Rohrinneren verfügen kann und

1.4.5 über dieses Rohrende eine medienführende Verbindung mit einem Raum in einem definierten und wärmeleitfähig ausgeführten Abschnitt an dem geschlossenen Ende des äußeren Rohres (47) bestehen kann

1.4.6 das innenliegende Rohr (48) elektrisch leitende Wicklungen aufweisen kann;

1.4.7 er modular zusammengesetzt sein kann;

1.5 über mindestens eine Leitung (6) verfügen kann, die

1.5.1 mit mindestens einer Ventilvorrichtung (2) versehen sein kann und

1.5.2 einen Behälter mit einem volumenvariablen Maschinenteil (7) oder mit einer Turbine (53) direkt oder indirekt gasführend verbinden kann und

1.5.3 als Wärmetauscher (39) ausgebildet sein kann und

1.5.4 isoliert sein kann;

1.6 über mindestens eine Leitung (5) verfügen kann, die

1.6.1 der Zuführung von Medium zu einem Behälter auf direkte oder indirekte Weise dient und

1.6.2 isoliert sein kann und

1.6.3 und modular zusammengesetzt sein kann und

6.4 mit einer Ventilvorrichtung (33) versehen sein kann und

1.6.5 mit einer Pumpen-/Verdichteranordnung (14) und

1.6.6 mit einer Leitung (8)

1.6.7 direkt oder

1.6.8 über eine Kondensationsvorrichtung (54) oder

1.6.9 über einen Wärmetauscher medienführend verbunden sein kann;

1.7 über mindestens eine Vorrichtung zur Trocknung und Reinigung (3) eines Mediums verfügen kann, die

1.7.1 mit mindestens einem Behälter und

1.7.2 mit mindestens einer Pumpe/Verdichter (14) medienführend verbunden sein kann und

1.8 über mindestens einen Wärmespeicher (4) verfügen kann, der

1.8.1 extern über eine Zuleitungsvorrichtung (22) aufgewärmt werden kann und

1.8.2 mit einem anzutreibenden Aggregat (23) über eine Wärmeleitung (13) und

1.8.3 mit einer Vorrichtung (9) zur Erwärmung eines expandierenden Gases

1.8.4 über eine Vorrichtung zur Regulierung des Wärmeflusses (22) verbunden sein kann und

1.8.5 über eine Vorrichtung (38) zur Regulierung des Wärmeflusses mit einer Pumpe-/Verdichteranordnung (14) verbunden sein kann und

1.8.6 in mindestens einem Gehäuseteil mindestens eines Bauteils integriert sein kann;

1.10 sich mit funktional gleichartigen Gasaufbereitungsvorrichtungen in Modulbauweise zusammensetzen lassen kann;

2 er kann aus mindestens einem volumenvariablen Maschinenteil (7) bestehen, der

2.1 in mindestens einer Vorzugsrichtung expandierbar und komprimierbar sein kann und

2.2 in Form und Funktion eines Faltenbalgs

2.2.1 in entsprechend flexibler aber bezüglich Druck und Temperatur formstabiler Ausführung ausgeführt sein kann oder

2.3 als Kolben/Zylinderanordnung jedweder Ausgestaltung ausgeführt sein kann, und

2.4 über mindestens einen Raum verfügen kann, der

2.4.1 sich seinem Volumen vergrößern und verkleinern kann und

2.5 mindestens einen Anschluss für mindestens eine medienführende Leitung aufweisen kann und

2.6 mindestens eine Vorrichtung (9) zur Erhitzung eines Gases aufweisen kann, die

2.6.1 ihre Wärme

2.6.2 extern oder

2.6.3 über Wärmeleiter aus internen Bauteilen, wie einem Wärmespeicher (4) oder einem angetriebenen Aggregat (23) oder einem Wärmetauscher erhalten kann und

2.6.4 eine oberflächenvergrößernde Struktur aus wärmeleitfähigem Material und

2.6.5 eine feste oder

2.6.6 eine flexibel Form aufweisen kann;

2.7 an mindestens einer Stelle an einem Gehäuse (10) befestigt sein kann und

2.8 an mindestens einer anderen Stelle mit mindestens einem Verbindungselement (11)

2.8.1 fest

2.8.2 oder beweglich verbunden sein kann;

3 er kann aus mindestens einer Turbine (53) bestehen, die

3.1 als Dampfturbine ausgeführt sein kann und

3.1.1 mit ihrer Welle direkt oder

3.1.2 indirekt über ein Getriebe mit der Well des angetriebenen Aggregates (23) verbunden sein kann;

4 er kann aus mindestens einem Gehäuse (10) bestehen, das

4.1 über eine Vorrichtung verfügen kann, die

4.1.1 über mindestens eine Führungsvorrichtung verfügen kann, welche die kontrollierte Ausdehnung und Komprimierung mindestens eines volumenvariablen Maschinenteils (7) gewährleisten kann und die

4.1.2 innerhalb oder

4.1.3 außerhalb eines volumenvariablen Maschinenteils (7) liegen kann und

4.1.4 die Komprimierung eines volumenvariablen Maschinenteils (7) mit Hilfe eines Rückholmechanismus

4.1.5 über mindestens eine mechanische Feder (25) oder

4.1.6 über mindestens eine Gasfeder (24) oder

4.1.7 über mindestens einen elektrisch steuerbaren Magneten

4.1.8 bewirken kann;

4.2 ganz oder teilweise evakuiert werden kann und als zentrale Baugruppe

4.3 alle Funktionsbauteile vollständig oder teilweise und

4.4 auch die gesamte Antriebseinheit mit dem anzutreibenden Aggregat (23) aufnehmen kann

4.5 er kann aus mindestens einem Arbeitsübertragungsbauteil bestehen, das

5.1 über mindestens ein Verbindungselement (11) verfügt, das

5.1.1 zwischen mindestens einem volumenveränderbaren Maschinenteil (7) und mindestens einem anzutreibenden Aggregat (23)

5.1.2 eine feste oder

5.1.3 eine bewegliche,

5.1.4 eine direkte oder

5.1.5 über mindestens eine mechanische oder elektrische Getriebeeinheit oder

5.1.6 über andere Maschinenteile eine indirekte Verbindung herstellen kann und

5.1.7 in einem Gehäuse (10) fest, drehbar oder linear verschiebbar gelagert sein kann;

5.1.8 auch einen Anker eines Lineargenerators aufnehmen kann und

5.1.9 mit einem Rückholmechanismus verbunden sein kann und

5.1.10 mindestens in Teilen auch innerhalb des volumenvariablen Maschinenteils (7) angebracht sein kann;

5.1.1 über mindestens eine Zahnschiene-/Zahnradanordnung (44) verfügen kann, bei welchem die Zähne eines Zahnrades in die Zahnschiene eingreifen können, wodurch bei deren Linearbewegung das Zahnrad in Drehbewegung versetzt werden kann und wobei die Welle des Zahnrades direkt oder über ein Getriebe mit mindestens einer Welle von mindestens einer Antriebseite (20) mindestens eines Freilaufes verbunden sein kann;

5.2 als mindestens ein Kurbeltrieb ausgeführt sein, welches mindestens einen volumenvariablen Maschinenteil (7) mit mindestens einem Schwungrad (18) verbindet, wobei

5.2.1 ein am Maschinenteil (7) befestigtes Verbindungselement (11) eine Schiene (57) aufweisen kann und

5.2.2 mindestens ein System (59) aus mindestens zwei mit einander verbundenen Rollen vorhanden sein kann, von denen mindestens eine unterhalb und mindestens eine oberhalb einer Schiene (57) rollen kann und von denen mindestens eine drehbar in einer Kurbelanordnung (60) mit einem Schwungrad (18) verbunden sein kann oder

5.2.3 ein am Maschinenteil (7) befestigtes Verbindungselement (11) ein Schienensystem (58) aufweisen kann, das ovalförmig sein kann und mindestens eine Welle von mindestens einem Zahnrad (61) aufnehmen kann, das direkt oder über ein Getriebe mit mindestens einer Welle von mindestens einem Schwungrad (18) verbunden sein kann und das mit seinen Zähnen in die Zähne eines größeren Zahnrades (62) eingreifen kann, das fest mit dem Gehäuse (10) verbunden sein kann und dessen Achse als Hülse ausgeführt sein kann und die Welle eines Schwungrades aufnehmen kann;

5.3 über mindestens eine Anordnung mit Freilauffunktion (19) verfügen kann, wobei

5.3.1 eine Antriebseite (20) eines Freilaufs (19) mit einem volumenvariablen Maschinenteil (7) und

5.3.2 eine Abtriebseite (21) mit einem anzutreibenden Aggregat (23) kraftübertragend

5.3.3 direkt oder indirekt, fest oder beweglich verbunden sein kann und

5.3.4 eine Abtriebseite als Schwungrad (18) ausgeführt seit kann und

5.3.5 die Lagerung in einem Gehäuse (10) über Gleit-, Wälz- oder Magnetlager erfolgen kann;

5.4 mindestens ein Schwungrad (18) aufweisen kann, das

5.4.1 in eine Vorrichtung mit Freilauffunktion (19) integriert sein kann und

5.4.2 mit mindestens einem anzutreibenden Aggregat (23) und

5.4.3 mit mindestens einen volumenveränderbaren Teil (7) oder

5.4.4 mit mindestens einer Turbine (53) Kraft übertragend

5.4.5 direkt oder indirekt, fest oder beweglich verbunden sein kann und

5.4.6 extern mechanisch oder elektrisch angetrieben werden kann und

5.4.7 über Gleit-, Wälz- oder Magnetlager im Gehäuse (10) gelagert sein kann;

6 er kann mit mindestens einer Sensoranordnung versehen sein, die

6.1 über mindestens einen entsprechenden Detektor verfügen kann, der die Zustände

6.1.1 mindestens einer relativen Zeit und

6.1.2 mindestens einer Temperatur und

6.1.3 mindestens eines Drucks in dem einem Gas zur Verfügung stehendem Raum in einem volumenveränderbaren Maschinenteil (7) und

6.1.4 mindestens einer durch die Gasexpansion und -kompression veränderten Position eines volumenveränderbaren Maschinenteils (7) und

6.1.5 einer Umlaufgeschwindigkeit einer angetriebenen Welle und

6.1.6 einer Energieentnahme und

6.1.7 einer Energieaufnahme des Systems messen kann;

6.2 als elektronisches Bauteil eine ermittelte Information an ein Steuerungsinstrument

6.2.1 über mindestens ein elektrisches Signal oder

6.2.2 über mindestens ein mechanisches Signal

6.2.3 entsprechend den vorgewählten Parametern weitergeben kann;

6.3 über mindestens eine Vorrichtung (30) verfügen kann, die die Wärmekapazität eines Wärmespeichers und die verfügbare Menge an Medium feststellen und in Abhängigkeit der Energieentnahme den erforderlichen Fluss an Wärme und Gas ermitteln kann

7 er kann mit mindestens einem Steuerungsinstrument versehen sein, das

7.1 als elektronisches Bauteil

7.1.1 die Signale mindestens einer Sensoranordnung aufnehmen und

7.1.2 die Signale zusammen mit wählbaren Parametern verarbeiten und

7.1.3 seinerseits elektrische oder mechanische Signale aussenden kann und

7.2 die Zustände der verbauten Vorrichtungen (2, 17, 22, 33, 38) zum Öffnen und Schließen von Medien- und Wärmeleitungen

7.2.1 entsprechend den vorgewählten Parametern steuern kann und

7.3 die verbauten Vorrichtungen zum Komprimieren eines volumenvariablen Maschinenteils (7) mittels eines Rückholmechanismus entlang einer Führungsvorrichtung steuern kann und

7.4 den Medienfluss in den verbauten Wärmetauschern steuern kann und

7.5 eine Brennstoffzufuhr (37) für eine Brennervorrichtung steuern kann und

7.6 eine Betriebsfunktion einer Pumpe-/Verdichteranordnung (14) steuern kann;

8 er kann aus mindestens einer Vorrichtung zur Gasentsorgung und Gaswiederaufbereitung bestehen, die

8.1 mindestens eine Anordnung mit Pumpe-/Verdichterfunktion (14) aufweisen kann, die

8.1.1 als Turbinenverdichter oder

8.1.2 als Kolbenverdichter ausgeführt sein kann;

8.1.3 über Kanäle über die Gesamtlänge des Pumpengehäuses (66) verfügen kann, sodass Medium von der Seite, die den verdichtenden Kolben oder Turbinen (67) abgewandt ist, durch das Gehäuse bis auf die verdichtenden Turbinen oder Kolben geführt werden kann und

8.1.4 über eine pneumatische, hydraulische oder elektromagnetische Vorrichtung (64) verfügen kann, die gasdicht entlang dem Gehäusequerschnitt angebracht ist und über ihre gesamte Ausdehnung über eine expandierbare und komprimierbare und dabei mediendichte Oberfläche verfügt, und die einen kreisförmigen Außenradius aufweist, der elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch aufgeweitet und eingeengt werden kann, und der auf der Seite, die in Richtung verdichtende Turbinen oder Kolben zeigt, durch Druck aufgeweitet werden kann;

8.1.5 mit Hilfe der pneumatischen, hydraulischen oder elektromagnetischen Vorrichtung (64) in einem Rohr reversibel positioniert und fixiert werden kann und im fixierten Zustand mediendicht die durch ihn getrennten Rohrabschnitte von einander trennen kann, wobei auch ein Ventil (33) über eine solche pneumatische, hydraulische oder elektromagnetische Vorrichtung (64) verfügen kann;

8.1.6 als eigenes Bauteil oder

8.1.7 in seinen Saug-/Verdichtungsbauteilen als volumenvariables Maschinenteil (7) ausgeführt sein kann, und seinen Antrieb aus dem angetriebenen Aggregat erhalten kann und

8.1.8 medienführend mit einem Gehäuse oder Gehäuseteilen verbunden sein kann;

8.2 über mindestens eine Leitung (15) verfügen kann, die

8.2.1 mit mindestens einer Ventilvorrichtung versehen sein kann und

8.2.2 einer Pumpen-/Verdichteranordnung (14) direkt oder indirekt ein Medium zuführen kann und

8.2.3 mit einer Abgasreinigungsvorrichtung (35) medienführend verbunden sein kann und

8.2.4 als Wärmetauscher (43) ausgebildet sein kann und

8.2.5 isoliert sein kann;

8.3 über mindestens eine Leitung (8) verfügen kann, die

8.3.1 mit mindestens eine Ventilvorrichtung (17) versehen sein kann und

8.3.2 ein volumenvariables Maschinenteil (7) mit einer Pumpen-/Verdichteranordnung (14) direkt oder indirekt gasführend verbinden kann und

8.3.3 mit einer Leitung (5) direkt oder indirekt und

8.3.4 über eine Kondensationsvorrichtung (54) oder

8.3.5 über einen Wärmetauscher (56) verbunden sein kann;

8.4 aus mindestens einem zusätzlichen Behälter (16) bestehen kann, der

8.4.1 evakuierbar sein kann und

8.4.2 zwischen Pumpe (14) und Ventilanordnung (17) gasführend angeordnet sein kann;

8.5 über mindestens eine Vorrichtung (54) zur Kondensation eines Gases verfügen kann, die

8.5.1 über einen Wärmetauscher (55) verfügen kann;

8.6 über mindestens eine Vorrichtung (35) zur Reinigung eines Abgases verfügen kann;

9 er kann aus mindestens einem angetriebenen Aggregat (23) bestehen, das

9.1 als ein Elektrogenerator ausgeführt sein kann, wobei

9.1.1 seine Welle mittels Wälz-, Rollen-, Hydraulik-, Pneumatik- oder Magnetlager gelagert sein kann und

9.1.2 seine angetriebene Welle als drehender Stator ausgeführt sein kann, der sich um einen fixen Rotor drehen kann oder

9.1.3 seine angetriebene Welle als drehender Rotor ausgeführt sein kann, der sich um einen Stator drehen kann;

9.2 als Lineargenerator ausgeführt sein kann, der

9.2.1. innerhalb oder

9.2.2 außerhalb eines volumenvariablen Maschinenteils (7) angebracht sein kann und

9.2.3 über mindestens einen beweglichen oder statische Induktor und

9.2.4 über mindestens einen beweglichen oder statischen Anker verfügen kann;

9.3 Gleichspannung erzeugen kann oder

9.4 Wechselspannung erzeugen kann;

9.5 bei externer Stromversorgung auch Motorfunktion annehmen kann und

9.6 die Antriebsfunktionen einer Pumpen-/Verdichteranordnung (14) übernehmen kann;

9.7 zusammen mit mindestens einem Schwungrad (18) als Schwungradspeicher ausgeführt oder auch

9.7.1 mit einem Schwungradspeicher kombiniert sein kann;

9.8 mit mindestens einer Batterieanordnung stromführend verbunden sein kann und

9.9 jede dem Stand der Technik eines angetriebenen Aggregat entsprechende Ausführung annehmen kann

10 er kann je nach Ausführung

10.1 als Stromlieferant für jede elektrisch betriebene

10.1.1 mobile und

10.1.2 stationäre Anwendung eingesetzt werden und

10.2 Wärme aufnehmen, speichern, umwandeln und Wärmeverbrauchern zur Verfügung stellen






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