DE102020110382B3 - Energy generation and energy supply device and methods - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Energiegewinnungs- und Energiebereitstellungsvorrichtung in einem salzhaltigen Gewässer oder in der Tiefsee, mittels Elektro-Umkehr-Osmose, mit einer ersten Kammer (3) mit einem Gefäß oder Gewebenetz (4) zur Aufnahme lösbarer Substanzen oder Salzen, die über mindestens einen verschließbaren Füllstutzen (5) einbringbar und aus dem Gefäß (4) über einen Auslass regelbar und/oder über das Gewebenetz (4) ungeregelt in die erste Kammer (3) abgebbar sind, wobei die erste Kammer (3) über mindestens ein Zweiwegeventil (6), zum Befüllen oder Auslassen von Luft, und ein erstes Einlassventil (7) für das Gewässer / Wasser und ein erstes Auslassventil (9) für ein aufkonzentriertes Gewässer /Wasser in eine zweite Kammer aufweist; und die zweite Kammer eine Saug- und Druck-Pumpe (11) mit einer Elektro-Umkehr-Osmose Membran (12) und ein zweites Einlassventil (8) für das Gewässer und ein zweites Auslassventil (10) für das aufkonzentrierte Gewässer / Wasser aufweist; und ein Regel-Modul (13), ein Energiemanagement-Kommunikations-Schnittstellen Modul und zumindest ein Akkumulator (14) aufweist, die miteinander verbunden sind.Ferner betrifft die Erfindung ein Energiegewinnung und Energiebereitstellungsverfahren in einem substanzhaltigen, und/oder salzhaltigen Gewässer und/oder in der Tiefsee mittels Elektro-Umkehr-Osmose.The invention relates to an energy generation and energy supply device in a salty body of water or in the deep sea, by means of electro-reverse osmosis, with a first chamber (3) with a vessel or mesh (4) for receiving soluble substances or salts, which have at least one closable filler neck (5) can be introduced and regulated from the vessel (4) via an outlet and / or released into the first chamber (3) in an uncontrolled manner via the fabric mesh (4), the first chamber (3) via at least one two-way valve (6 ), for filling or discharging air, and a first inlet valve (7) for the body of water / water and a first outlet valve (9) for a concentrated body of water / water in a second chamber; and the second chamber has a suction and pressure pump (11) with an electro-reverse osmosis membrane (12) and a second inlet valve (8) for the water and a second outlet valve (10) for the concentrated water / water; and a control module (13), an energy management communication interface module and at least one accumulator (14), which are connected to one another. Furthermore, the invention relates to an energy generation and energy supply method in a substance-containing and / or salty body of water and / or in the deep sea using reverse electric osmosis.
Description
Die Erfindung betrifft ein Energiegewinnungs- und Energiebereitstellungsvorrichtung in einem salzhaltigen Gewässer oder in der Tiefsee, mittels Elektro-Umkehr-Osmose.The invention relates to an energy generation and energy supply device in a salty body of water or in the deep sea, by means of reverse electric osmosis.
Ferner betrifft die Erfindung ein Energiegewinnung und Energiebereitstellungsverfahren in einem substanzhaltigen, und/oder salzhaltigen Gewässer und/oder in der Tiefsee mittels Elektro-Umkehr-Osmose.Furthermore, the invention relates to an energy generation and energy supply method in a substance-containing and / or salty body of water and / or in the deep sea by means of reverse electric osmosis.
Die Erfindung ist eine Technologie, die als Unterwasser-Labor bzw. benthische Testplattform für Energie- und Dateneinspeisungstechnologien (Energie-Harvester) sowie gleichzeitig für Energie- und Datenverbraucher (Unterwasser-Tankstelle) dient. Weiter wird über Schnittstellen ein Energiemanagement bereitgestellt (Energie on demand). Als integraler Bestandteil versorgt ein skalierbarer Energie-Harvester die Plattform. Dieser skalierbare Harvester wird durch die „emma POWER-TUBE“ oder auch nur Power tube beschrieben, die als neue Technologie ihrerseits ein Alleinstellungsmerkmal hat.The invention is a technology that serves as an underwater laboratory or benthic test platform for energy and data feed technologies (energy harvesters) and at the same time for energy and data consumers (underwater filling station). Energy management is also provided via interfaces (energy on demand). A scalable energy harvester supplies the platform as an integral part. This scalable harvester is described by the "emma POWER-TUBE" or just Power tube, which as a new technology has a unique selling point.
Im Stand der Technik sind seit den 1970er Jahren Publikationen zu sogenannten Osmosekraftwerken oder Salzgradientenkraftwerken, wie z.B. aus der
Auch die
Aus der
Weitere Forschungs- und Entwicklungsprojekte gibt es seit der zweiten Hälfte der 1990er Jahre. Als weltweit erster Prototyp eines Osmosekraftwerks wurde am 24. November 2009 im norwegischen Tofte am Oslofjord von Statkraft ein Kleinstkraftwerk in Betrieb genommen, vgl.There have been further research and development projects since the second half of the 1990s. As the world's first prototype of an osmotic power plant, Statkraft put a micro power plant into operation on November 24, 2009 in Tofte, Norway on the Oslofjord, cf.
Grotelüschen, Frank: Die Idee von der Stromgewinnung mit Hilfe von Salz. 24.11.2019.URL: https://www.deutschlandfunk.de/osmosekraftwerk-innorwegen-die-idee-von-der-stromgewinnung.871.de.html?dram:article_id=464082 [abgerufen am 19.03.2020], das bis Ende 2013 in Betrieb war jedoch aus betriebswirtschaftlichen Gründen nicht weiterentwickelt wurde.Grotelüschen, Frank: The idea of generating electricity with the help of salt. 24.11.2019.URL: https://www.deutschlandfunk.de/osmosekraftwerk-innorwegen-die-idee-von-der-stromgewinnung.871.de.html?dram:article_id=464082 [accessed on 19.03.2020], the It was in operation until the end of 2013 but was not developed further for economic reasons.
Aus der Veröffentlichung Sanna, A.; Kaltschmitt,M.; Ernst, M.: PV-betriebene Umkehrosmoseanlage zur Meerwasserentsalzung - Modellierungund Analyse verschiedener Energieversorgungsvarianten. In: Chemie Ingenieur Technik, Vol. 91,2019, No. 12, S. 1853-1873, , ist die Umkehrosmose als eine sehr energieeffiziente Option zur Meerwasserentsalzung bekannt. Da sie nur elektrische Energie nachfragt, bietet sich aus Klimaschutzgründen eine Kombination von Umkehrosmose- und Photovoltaik (PV)-Anlagen an. Dabei wird eine PV-basierte Umkehrosmose-Anlage zur Meerwasserentsalzung für einen Standort an Land an der Küste Saudi-Arabiens ausgelegt und modelliert. Ausgehend davon wurden verschiedene Varianten einer PV-versorgten Meerwasserentsalzungsanlage untersucht und daraus Schlussfolgerungen für den Bau derartiger Anlagen abgeleitet.From the publication Sanna, A .; Kaltschmitt, M .; Ernst, M .: PV-operated reverse osmosis system for seawater desalination - modeling and analysis of different energy supply variants. In: Chemie Ingenieur Technik, Vol. 91,2019, No. 12, pp. 1853-1873,, reverse osmosis is known as a very energy-efficient option for seawater desalination. Since it only requires electrical energy, a combination of reverse osmosis and photovoltaic (PV) systems is ideal for climate protection reasons. A PV-based reverse osmosis system for seawater desalination is designed and modeled for a location on land on the coast of Saudi Arabia. On the basis of this, various variants of a PV-supplied seawater desalination plant were examined and conclusions for the construction of such plants were derived.
Aus der
Die
Die
Aus der
Heutige Technologien zur Energieversorgung unter Wasser setzen auf Akkumulatorentechnik, d.h. dass der vorausberechnete Energiebedarf entscheidend für die Dimensionierung der mitzuführenden Akkus ist. Weiter wird der Einsatz von Unterwasserbrennstoffzellen diskutiert, jedoch sind die damit verbundenen technischen Probleme derzeit noch nicht gelöst.Today's technologies for energy supply under water rely on battery technology, i.e. the pre-calculated energy requirement is decisive for the dimensioning of the batteries to be carried. The use of underwater fuel cells is also discussed, but the associated technical problems have not yet been resolved.
Das erfinderische Verfahren nutzt das bekannte Prinzip der Osmose, hier Elektro-Osmose bzw. Elektro-Umkehr-Osmose, dabei wird in der Regel durch den unterschiedlichen Salzgehalt zwischen Meerwasser und zugeführtem Frischwasser oder Wasser niedriger bzw. Meerwasser mit relativ niedrigerer Salzkonzentration direkt an Anionen- und Kationenmembranen elektrische Energie erzeugt.The inventive method uses the well-known principle of osmosis, here electro-osmosis or electro-reverse osmosis, whereby the different salt content between seawater and fresh water or water supplied, or seawater with a relatively lower salt concentration, directly amounts to anions. and cation membranes generate electrical energy.
Natürliche Osmose tritt auf, wenn zwei Salzlösungen unterschiedlicher Konzentration durch eine semipermeable Membran getrennt werden. Dieses System strebt auf einen Konzentrationsausgleich zwischen den beiden Salzlösungen zu. Eine semipermeable Membran erlaubt den Durchtritt von Wasser, nicht jedoch den der in diesem Wasser gelösten Salze. Entsprechend strömen Wassermoleküle aus der stärker verdünnten Lösung und durch die semipermeable Membran in die weniger verdünnte Lösung. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Wassermoleküle in der weniger verdünnten Lösung, wodurch ein Druck von der weniger verdünnten Lösung auf die stärker verdünnte Lösung wirkt. Dieser Druck wird als osmotischer Druck bezeichnet. Der osmotische Druck wirkt der Strömung von Wassermolekülen durch die semipermeable Membran entgegen. Das System strebt auf einen Gleichgewichtszustand zu; mit weiterer Verdünnung der weniger verdünnten Lösung steigt der osmotische Druck, gleichzeitig verringert sich der Konzentrationsunterschied. Ab einem bestimmten Punkt halten sich der osmotische Druck und der Konzentrationsunterschied in Waage, das System ändert sich ohne äußere Einflüsse nicht mehr.Natural osmosis occurs when two salt solutions of different concentrations are separated by a semipermeable membrane. This system aims to balance the concentration between the two salt solutions. A semipermeable membrane allows the passage of water, but not that of the salts dissolved in this water. Correspondingly, water molecules flow out of the more dilute solution and through the semipermeable membrane into the less dilute solution. This increases the number of water molecules in the less dilute solution, causing pressure from the less dilute solution to act on the more dilute solution. This pressure is known as osmotic pressure. The osmotic pressure counteracts the flow of water molecules through the semipermeable membrane. The system strives towards a state of equilibrium; as the less dilute solution is further diluted, the osmotic pressure increases and the difference in concentration decreases at the same time. From a certain point on, the osmotic pressure and the difference in concentration are balanced, the system no longer changes without external influences.
Durch Ausübung von Druck in Richtung des Konzentrationsgefälles, d.h. auf die stärker konzentrierte Lösung, ändert sich der zuvor beschriebene Gleichgewichtszustand. Sofern der derart ausgeübte Druck den osmotischen Druck im Gleichgewichtszustand übersteigt, wird die Strömungsrichtung des Wassers umgekehrt. Wasser strömt dann aus der stärker konzentrierten Lösung durch die semipermeable Membran in die weniger konzentrierte Lösung. Die stärker konzentrierte Lösung wird dadurch noch weiter aufkonzentriert, während die schwächer konzentrierte Lösung noch weiter verdünnt wird. Dieses Verfahren wird als Umkehrosmose bezeichnet. Die aufkonzentrierte Lösung wird als Konzentrat bezeichnet, die verdünnte bzw. entsalzte Lösung als Permeat.By exerting pressure in the direction of the concentration gradient, i.e. on the more concentrated solution, the previously described state of equilibrium changes. If the pressure exerted in this way exceeds the osmotic pressure in the equilibrium state, the direction of flow of the water is reversed. Water then flows from the more concentrated solution through the semipermeable membrane into the less concentrated solution. The more concentrated solution is thereby further concentrated, while the less concentrated solution is further diluted. This process is known as reverse osmosis. The concentrated solution is called concentrate, the diluted or desalinated solution is called permeate.
Das erfinderische Verfahren nutzt dieses bekannte Prinzip der Osmose bzw. Umkehr-Osmose im Meer, insbesondere in der Tiefsee, dabei wird durch den unterschiedlichen Salzgehalt zwischen Meerwasser und aufkonzentriertem Meerwasser direkt an Anionen- und Kationenmembranen in einem sogenannten Elektrodialyse-Separator elektrische Energie erzeugt.The inventive method uses this known principle of osmosis or reverse osmosis in the sea, especially in the deep sea, whereby electrical energy is generated directly on anion and cation membranes in a so-called electrodialysis separator due to the different salt content between seawater and concentrated seawater.
In einem Elektrodialyse-Separator wird der Raum zwischen zwei Elektroden durch einen Stapel aus einander abwechselnden Anionen- und Kationentauschermembranen getrennt. Jedes Paar lonentauschermembranen bildet eine separate Zelle.In an electrodialysis separator, the space between two electrodes is separated by a stack of alternating anion and cation exchange membranes. Each pair of ion exchange membranes forms a separate cell.
In technischen Systemen kann dieser Stapel an Zellen aus mehreren hundert Membranpaaren bestehen. Wird eine elektrische Gleichspannung an die Elektroden angelegt, so wandern die Anionen zur Anode. Die Anionen können einfach die positiv geladenen Anionentauschermembranen passieren, aber sie werden jeweils an der nächstgelegenen negativ geladenen Kationentauschermembranen gestoppt. Weil dasselbe (natürlich mit umgekehrten Vorzeichen) auch mit den Kationen geschieht, besteht der Nettoeffekt der Elektrodialyse in einer Anreicherung der Salze in den Zellen mit ungerader Nummer (Anionentauschermembran/Kationentauschermembran), während die Zellen mit gerader Nummer (Kationentauschermembran/Anionentauschermembran) an Salz verarmen. Die Lösungen mit erhöhter Salzkonzentration werden zum Konzentrat vereint, während die salzarmen Lösungen das Diluat bilden.In technical systems, this stack of cells can consist of several hundred membrane pairs. If an electrical direct voltage is applied to the electrodes, the anions migrate to the anode. The anions can simply pass the positively charged anion exchange membrane, but they are each stopped at the nearest negatively charged cation exchange membrane. Because the same thing (of course with the opposite sign) also happens with the cations, the net effect of electrodialysis is an accumulation of salts in the cells with an odd number (anion exchange membrane / cation exchange membrane), while the cells with an even number (cation exchange membrane / anion exchange membrane) are depleted in salt . The solutions with increased salt concentration are combined to form the concentrate, while the low-salt solutions form the diluate.
Wegen der großen Anzahl von Zellen zwischen den Elektroden haben elektrochemische Elektrodenreaktionen praktisch keinen Einfluss auf den Energieverbrauch eines Elektrodialyse-Separators. Unter Berücksichtigung des Energieaufwandes für das Pumpen der Lösungen durch die Separator-Einheiten ist der Energieaufwand von Elektrodialyse-Trennungen proportional zur Salzkonzentration der Eingangslösung. Aus diesem Grund ist die Elektroosmose bei kleinen Salzkonzentrationen wirtschaftlicher als z. B. die Umkehrosmose.Because of the large number of cells between the electrodes, electrochemical electrode reactions have practically no influence on the energy consumption of an electrodialysis separator. Taking into account the energy expenditure for pumping the solutions through the separator units, the energy expenditure for electrodialysis separations is proportional to the salt concentration of the input solution. For this reason, electroosmosis is more economical than z. B. reverse osmosis.
Die umgekehrte Elektrodialyse ist der Prozess, bei dem eine Salzlösung und Süßwasser durch einen Block sich abwechselnder Kathoden- und Anodenaustauschmembranen geleitet werden. Der Unterschied des chemischen Potentials zwischen Salz- und Süßwasser erzeugt einen Spannungsunterschied über jeder Membran. Das elektrische Gesamtpotential des Systems entspricht der Summe der Potentialunterschiede aller Membranen.Reverse electrodialysis is the process of passing a saline solution and fresh water through a block of alternating cathode and anode exchange membranes. The difference in chemical potential between salt water and fresh water creates a voltage difference across each membrane. The total electrical potential of the system corresponds to the sum of the potential differences of all membranes.
In einer Umkehrosmoseanlage wird der in Richtung des Konzentrationsgefälles wirkende Arbeitsdruck durch eine Pumpe erzeugt. Das Speisewasser wird über die Pumpe in die Umkehrosmosemodule gefördert. Diese bestehen aus Druckbehältern mit darin angeordneten Membranelementen sowie drei Anschlüssen: jeweils einen für Speisewasser, Permeat, und Konzentrat. Die Membranelemente bestehen aus einem Kern, durch den das Permeat strömt, und eine um diesen Kern angeordnete semipermeable Membran, die von Konzentrat umströmt wird.In a reverse osmosis system, the working pressure acting in the direction of the concentration gradient is generated by a pump. The feed water is pumped into the reverse osmosis modules. These consist of pressure vessels with membrane elements arranged in them, as well as three connections: one each for feed water, permeate and concentrate. The membrane elements consist of a core through which the permeate flows and a semipermeable membrane arranged around this core, around which the concentrate flows.
Das Speisewasser strömt konzentratseitig in die Umkehrosmosemodule, entsprechend wirkt der von der Hochdruckpumpe erzeugte Arbeitsdruck von der Konzentratseite auf die Permeatseite. Dadurch strömt ein Teil des Wassers entsprechend des oben beschriebenen Prinzips der umgekehrten Osmose durch die semipermable Membran und auf die Permeatseite. Die im Wasser gelösten Salze durch die semipermeable Membran überwiegend auf der Konzentratseite der Umkehrosmosemodule zurückgehalten. Permeat und Konzentrat strömen getrennt aus dem Umkehrosmosemodul.The feed water flows into the reverse osmosis modules on the concentrate side, and the working pressure generated by the high-pressure pump acts accordingly from the concentrate side to the permeate side. As a result, part of the water flows through the semipermable membrane and onto the permeate side in accordance with the principle of reverse osmosis described above. The salts dissolved in the water through the semi-permeable membrane mainly on the concentrate side of the reverse osmosis modules held back. Permeate and concentrate flow separately from the reverse osmosis module.
Umkehrosmose ist ein kontinuierlich arbeitendes Verfahren. Speisewasser strömt kontinuierlich in die Umkehrosmosemodule, während kontinuierlich Permeat und Konzentrat ausströmen.Reverse osmosis is a continuous process. Feed water flows continuously into the reverse osmosis modules, while permeate and concentrate flow out continuously.
Das erfinderische Verfahren nutzt ausschließlich Meerwasser und führt kein Frischwasser zu. Dabei wird zur Steigerung der Energiebilanz Meerwasser mit definiert zugeführten Zusätzen, z.B. Salz (NaCI) aufkonzentriert. Dabei wird Meerwasser mit Zusätzen, z.B. Salzen bis zum Erhalt einer gesättigten Lösung beschickt. Je größer der Gradient zwischen Meerwasser und aufkonzentriertem Meerwasser ist, desto höher wird der osmotische Druck, dadurch kann eine Turbine angetrieben werden, mit der elektrische Energie erzeugt werden kann.The inventive method only uses sea water and does not supply fresh water. To increase the energy balance, seawater is concentrated with defined additives, e.g. salt (NaCI). Seawater is filled with additives, e.g. salts, until a saturated solution is obtained. The greater the gradient between seawater and concentrated seawater, the higher the osmotic pressure, which means that a turbine can be driven with which electrical energy can be generated.
Dabei wird die Energie on demand erzeugt und/oder in Akkumulatoren zwischengespeichert und kann auch über das Energiemanagement-Kommunikations-Schnittstellen Modul verteilt werden. Damit ist auch ein Austausch von Energie zwischen externen Geräten und das Energiemanagement eines Geräte-Schwarms möglich.The energy is generated on demand and / or temporarily stored in accumulators and can also be distributed via the energy management communication interface module. This also enables the exchange of energy between external devices and the energy management of a device swarm.
Die erfinderische Vorrichtung, auch als „emma POWER TUBE“ bezeichnet, weist ein Umkehrosmose-System auf, bestehend aus mindestens einem Schlauch, bevorzugt aus UVbeständigem und wasserdichtem Kunststoff. Dieser Schlauch besitzt jeweils mindestens einen ansteuerbaren Ein- und Auslass.The inventive device, also referred to as “emma POWER TUBE”, has a reverse osmosis system consisting of at least one hose, preferably made of UV-resistant and waterproof plastic. This hose has at least one controllable inlet and outlet.
Der jeweilige Schlauch ist in zwei Kammern aufgeteilt. Die erste Kammer ist die sogenannte Zulaufkammer für das unbehandelte Meerwasser. In der ersten Kammer erfolgt die Aufkonzentrierung mit den Zusätzen die in einen Behälter, z.B. ein Netz in die erste Kammer eingebracht werden. Die erste und zweite Kammer sind durch eine Sperrschicht voneinander abgetrennt, die mittels eines Ventils geöffnet werden kann. Hinter der Sperrschicht in der zweiten Kammer ist eine Membran angebracht, die z.B. aus Cellulose-Acetat oder dünnem Polyamidfilm besteht.The respective hose is divided into two chambers. The first chamber is the so-called inlet chamber for the untreated seawater. In the first chamber, the concentration takes place with the additives that are placed in a container, e.g. a net in the first chamber. The first and second chambers are separated from one another by a barrier layer that can be opened by means of a valve. Behind the barrier layer in the second chamber there is a membrane made of e.g. cellulose acetate or a thin polyamide film.
Die Vorrichtung wird in kompaktem, gefaltetem Zustand an den Einsatzort transportiert. Alle Bauteile der Vorrichtung sind als System einzelner Modula in einem Rahmen integriert, der für den Transport und die Ablage am Meeresgrund geeignet ist.The device is transported to the place of use in a compact, folded state. All components of the device are integrated as a system of individual modules in a frame that is suitable for transport and storage on the seabed.
Bevor die Vorrichtung im Meer versenkt wird, werden die jeweiligen Kammern, z.B. an Bord oder an Land vor dem Einsatz mit Luft aus der Umgebung gefüllt, womit gleicher atmosphärischer Druck in der ersten und zweiten Kammer herrscht.Before the device is sunk in the sea, the respective chambers, e.g. on board or on land, are filled with air from the environment before use, so that the same atmospheric pressure prevails in the first and second chambers.
Der Behälter in der ersten Kammer, z.B. ein Plastiknetz wird über einen Füllstutzen mit dem Zusatz, z.B. Salz befüllt. Die Eingabe ähnlicher Substanzen, wie Sie z.B. im Umfeld von Smokern in der Tiefsee zu andersartigen Konzentrationsverhältnissen führen können ist nicht eingeschränkt, soweit die Funktion der Membranen nicht eingeschränkt wird.The container in the first chamber, e.g. a plastic net, is filled with the additive, e.g. salt, via a filler neck. The input of similar substances, such as those that can lead to different concentration ratios in the vicinity of smokers in the deep sea, is not restricted as long as the function of the membranes is not restricted.
Nach dem Eintauchen in das Gewässer öffnen Ventile die beiden Kammern, so dass Luft entweicht und Meerwasser zufließt. In der ersten Kammer wird das Meerwasser mit dem Zusatz, z.B. Salz vermischt und geht in Lösung bis zur Sättigung über. Die Kammer muss dabei nicht so bemessen sein, dass das Volumen die größtmögliche Aufkonzentrierung erlaubt. Bei einem kleineren Volumen wird die Sättigung bereits erfolgen, wenn noch Teile des Salzes in ungelöstem Zustand vorhanden sind.After immersion in the body of water, valves open the two chambers so that air escapes and seawater flows in. In the first chamber, the seawater is mixed with the additive, e.g. salt, and dissolves until it is saturated. The chamber does not have to be dimensioned in such a way that the volume allows the greatest possible concentration. With a smaller volume, saturation will already take place when parts of the salt are still present in an undissolved state.
In der zweiten Kammer befindet sich nur Meerwasser in nicht aufkonzentrierter Lösung.In the second chamber there is only seawater in a non-concentrated solution.
Sobald Energie mit der Vorrichtung erzeugt werden soll, wird die Pumpe aktiviert, die das aufkonzentrierte Meerwasser in Kammer zwei pumpt. Während des Abpumpens fließt Meerwasser in Kammer eins zu. Ist noch ungelöstes Salz vorhanden erfolgt eine weitere Aufkonzentrierung. Befindet sich Meerwasser mit höherem Salzgehalt in Kammer zwei beginnt die Umkehrosmose und Energie wird erzeugt. Das System ist durch seine Flexibilität in der Lage Energie dann zu erzeugen, wenn sie gebraucht wird. Gleichermaßen kann erzeugte Energie, falls gewünscht, auch in einem Akku zwischengepuffert werden. Zudem kann das System über das Energiemanagement nach dem Anfahren der Pumpe diese durch einen Teil der erzeugten Energie betreiben.As soon as energy is to be generated with the device, the pump is activated, which pumps the concentrated seawater into chamber two. Seawater flows into chamber one during pumping. If there is still undissolved salt, a further concentration takes place. If there is sea water with a higher salt content in chamber two, reverse osmosis begins and energy is generated. Due to its flexibility, the system is able to generate energy when it is needed. Likewise, the generated energy can, if desired, also be temporarily buffered in a rechargeable battery. In addition, the system can use the energy management to operate the pump using part of the energy generated after it has started up.
Die Erfindung versorgt beispielsweise Unterwasser-Labore oder Benthische Testplattformen und deren plattformgebundenen und mobilen Geräte mit Energie als ein sogenannter Energie-Harvester und bietet damit eine einfache, kabellose, mobile, autarke Energie-Unterwasser-Tankstelle auch für AUVs, ROVs und/oder Tauchboote über definierbare Schnittstellen.The invention supplies, for example, underwater laboratories or benthic test platforms and their platform-bound and mobile devices with energy as a so-called energy harvester and thus offers a simple, wireless, mobile, self-sufficient energy underwater filling station for AUVs, ROVs and / or diving boats definable interfaces.
Durch den modularen Aufbau ist der erfinderische Energie-Harvester skalierbar und an die jeweiligen Bedürfnisse einfach anpassbar.Due to the modular structure, the inventive energy harvester is scalable and easily adaptable to the respective needs.
Über die mindestens eine Schnittstelle des erfinderischen Energie-Harvesters wird eine Kommunikation und Energieversorgung mit dem jeweiligen zu versorgenden Gerät bereitgestellt, die ein Energiemanagement bzw. Energie-Flottenmanagement, z.B. Abgabe, Aufnahme und/oder Verteilung von Energie auf die jeweiligen zu versorgenden, ggf. unterschiedlichen Geräte ermöglicht. Wobei auch eine Kombination von erfinderischen Systemen miteinander ermöglicht wird. Die drahtlose Energie- und Datenkopplung, zwischen internen Bauteilen der Vorrichtung z.B. Ventilen, Klappe, Pumpe, Membran und Akkumulator und externen zu versorgenden Geräten, z.B. induktiv, erfolgt über bevorzugt standardisierte Schnittstellen, Bus- oder Protokollsysteme.Communication and energy supply with the respective device to be supplied is provided via the at least one interface of the inventive energy harvester, which enables energy management or energy fleet management, e.g. delivery, absorption and / or distribution of energy to the respective device to be supplied, if necessary. different devices. Whereby also a combination of inventive systems is made possible with each other. The wireless energy and data coupling between internal components of the device, such as valves, flap, pump, membrane and accumulator, and external devices to be supplied, for example inductively, takes place via preferably standardized interfaces, bus or protocol systems.
Probleme im Stand der TechnikProblems in the Prior Art
Lösungen, die auf bestehenden Technologien zur Energieversorgung fußen müssen zwingend die Energie für einen vorschattierten Zeitraum bereitstellen und entsprechend dimensioniert, d.h. überdimensioniert, werden. Dadurch werden Gewicht und Kosten erheblich gesteigert. Weiterhin sind Akkumulatoren basierend auf z.B. Li-Polymer im Schadensfall unter Wasser umwelt-schädigend. Der Versand von Li-Pol-Akkumulatoren unterliegt strengen Auflagen und kann bisweilen nicht oder nicht innerhalb der Zeitvorgaben durchgeführt werden. Sind UW-Akkumulatoren in entfernten See-gebieten, muss für das Nachladen aufwändige Ladetechnik mitgeführt werden, die nicht überall verfügbar ist. Der Einsatz von Brennstoffzellen in der Tiefsee ist derzeit noch ungeeignet.Solutions that are based on existing technologies for energy supply must provide the energy for a predetermined period of time and be appropriately dimensioned, i.e. oversized. This increases weight and costs considerably. Furthermore, accumulators based on e.g. Li-Polymer are environmentally harmful in the event of damage under water. The shipping of Li-Pol batteries is subject to strict conditions and can sometimes not be carried out or not within the time frame. If UW accumulators are in distant sea areas, expensive charging technology must be carried along for recharging, which is not available everywhere. The use of fuel cells in the deep sea is currently unsuitable.
Bisher bekannte Lösungen für Unterwasserstationen sind nicht für ein adaptives Interfacing von unterschiedlichen Energie-Harvestern vorbereitet und ausgerüstet und werden zumeist über unterseeische feste Energieverbindungen gespeist.Previously known solutions for underwater stations are not prepared and equipped for adaptive interfacing of different energy harvesters and are mostly fed via fixed energy connections under the sea.
Sensornetzwerke im Bereich der Norm ISO/IEC 30140-30143 2018. Underwater acoustic sensor network, mit selbstkonfigurierenden, mobilen oder stationären Sensorknoten wie bspw. Floats, Glider, AUVs, Gatewaybojen oder Bodenknoten haben den Auftrag, Ereignisse zu detektieren, zu erkennen und zu protokollieren.Sensor networks in the area of the ISO / IEC 30140-30143 2018 standard. Underwater acoustic sensor networks, with self-configuring, mobile or stationary sensor nodes such as floats, gliders, AUVs, gateway buoys or ground nodes have the task of detecting, recognizing and logging events .
Diese Ereignisse wie extreme Umweltausprägungen, vorbeiziehende Wale oder spezielle Schiffsereignisse sind meist sehr selten, die gewünschten Sensorbetriebszeiten liegen im Bereich von mehreren Monaten. Die heutigen Energieressourcen führen jedoch zu Einsatzzeiträumen von wenigen Wochen oder nur Tagen. Natürliche Grundforderung ist daher ein Energiesparen bei den Hauptverbrauchern wie z.B. Modems und Sendeeinheiten. Das akustische Weiterleiten eines Ereignisses ist jedoch energiehungrig, ein Sparen reicht oft nicht aus.These events such as extreme environmental characteristics, passing whales or special ship events are usually very rare, the desired sensor operating times are in the range of several months. However, today's energy resources lead to periods of use of a few weeks or just days. A natural basic requirement is therefore to save energy for the main consumers such as modems and transmitter units. The acoustic forwarding of an event, however, is energy-hungry, saving is often not enough.
Damit eine Durchhaltefähigkeit von Monaten für ein mobiles Ad-hoc-Netzwerk unter Wasser gewährleistet werden kann, bedarf es einer zusätzlichen Energiegenerierung und eines Energiemanagements während der Schlafzeiten eines Sensorknotens, um dann beim Eintritt oder zu einem Ereignis wach geschaltet alle Sensoreindrücke vorauswerten und protokollieren sowie die Zeitreihen abspeichern zu können.In order for a mobile ad hoc network to be able to last for months under water, additional energy generation and energy management are required during the sleep times of a sensor node, in order to then evaluate and log all sensor impressions when the event occurs or when an event is awake To be able to save time series.
Ziel ist es, ein Produkt zur Energieversorgung durch Ambient-Energy-Harvesting bereit zu stellen. Diese „Tankstelle“ soll autonome Geräte so mit Energie versorgen, dass sie ihren Auftrag störungsfrei ausführen können. Die Energiegewinnung soll durch die zu entwickelnden, skalierbaren Zellen/Harvester möglichst nicht-verbrauchend und damit besonders ressourcenschonend sein.The aim is to provide a product for energy supply through ambient energy harvesting. This “filling station” is supposed to supply autonomous devices with energy in such a way that they can carry out their tasks without any disruption. The generation of energy should be as non-consuming as possible and therefore particularly resource-saving thanks to the scalable cells / harvesters to be developed.
Die Erfindung konzentriert sich auf den Aufbau einer Unterwasser-Tankstelle, die für unterschiedliche Energie-Harvester bi-direktionale Energie- und Datenflüsse erlaubt und als Testplattform in unterschiedlichen Seegebieten Langzeit-Auswertungen neuer Technologien und Messreihen erlaubt. Die Tankstelle ist quasi selbst ein Harvester, der mehrere Monate Energie bedarfsabhängig erzeugen kann.The invention focuses on the construction of an underwater filling station that allows bi-directional energy and data flows for different energy harvesters and, as a test platform in different sea areas, allows long-term evaluations of new technologies and series of measurements. The petrol station is itself a harvester that can generate energy for several months depending on demand.
Durch eine Aufkonzentrierung sind deutlich höhere Energiedichten verfügbar. Durch die Möglichkeit der Aufkonzentrierung ist das System Standort-unabhängig und muss nicht in Arealen eingesetzt werden, die einen Frischwasserzulauf vorhalten. Weiterhin besticht die Erfindung durch die Fähigkeit, dass sie gefaltet werden kann und somit einfach zu transportieren ist und in standardisierten, schiffbaren Containern mit allen erforderlichen Gerätschaften bereitstellbar ist.A concentration makes significantly higher energy densities available. Due to the possibility of concentration, the system is location-independent and does not have to be used in areas that have a fresh water supply. Furthermore, the invention impresses with the ability that it can be folded and is thus easy to transport and can be provided in standardized, navigable containers with all the necessary equipment.
Forschungseinrichtungen und die Marine nutzen eine Reihe unbemannter U-Boote (UUV - Unmanned Undersea Vehicle, AUV-Autonomous Undersea Vehicle), die unabhängig vom Menschen operieren. Das Problem derartiger U-Boote ist die Energieversorgung.Research institutions and the navy use a number of unmanned submarines (UUV - Unmanned Undersea Vehicle, AUV-Autonomous Undersea Vehicle) that operate independently of humans. The problem with such submarines is the energy supply.
Marine, testet derzeit Systeme für das drahtlose Laden unter Wasser. Damit sollen die AUVs künftig während des Einsatzes ihre Akkus laden. AUVs müssen zum Laden auftauchen.Marine, is currently testing systems for underwater wireless charging. In future, the AUVs will charge their batteries while they are in use. AUVs need to show up to charge.
Die US-Marine setze heute bereits AUVs für eine Vielzahl von Aufgaben ein. Vom SSC Pacific der US-Marine ist bekannt, das diese etwa für die Kartierung des Meeresgrundes, zum Aufspüren von U-Booten oder zur Minensuche AUVs einsetzen. Derzeit müssen diese Unterwasserfahrzeuge ihre Mission aber noch zum Laden unterbrechen. Dazu müssen sie an Land zurückkehren oder sich mit einem Versorgungsschiff an der Wasseroberfläche treffen. Beides exponiert das AUV und beschränke die autonomen Operationen.The US Navy is already using AUVs for a variety of tasks. It is known from the US Navy's SSC Pacific that they use AUVs for mapping the seabed, for tracking down submarines or for mine search. At the moment, however, these underwater vehicles still have to interrupt their mission to charge. To do this, they must return to land or meet a supply ship on the surface of the water. Both of these exposes the AUV and restricts autonomous operations.
Durchhaltefähigkeitserhöhung von Unterwasser-Sensornetzwerken durch Ambient-Energy-Harvesting, der regenerativen autarken Energiegenerierung unter Wasser in den beteiligten autonomen Geräten, ist eine Kernforderung von vielen Anwendungen unter der Wasseroberfläche und erst recht in der Tiefsee.Increasing the sustainability of underwater sensor networks through ambient energy harvesting, the regenerative, self-sufficient energy generation underwater in the autonomous ones involved Devices is a key requirement for many applications under the water surface and especially in the deep sea.
Die Energiegewinnungs- und Energiebereitstellungsvorrichtung in einem salzhaltigen Gewässer oder in der Tiefsee, mittels Elektro-Umkehr-Osmose, ist mit einer ersten Kammer mit einem Gefäß oder Gewebenetz zur Aufnahme lösbarer Substanzen oder Salzen ausgebildet, die über mindestens einen verschließbaren Füllstutzen einbringbar und aus dem Gefäß über einen Auslass regelbar und/oder über das Gewebenetz ungeregelt in die erste Kammer abgebbar sind, wobei die erste Kammer über mindestens ein Zweiwegeventil, zum Befüllen oder Auslassen von Luft, und ein erstes Einlassventil für das Gewässer / Wasser und ein erstes Auslassventil für ein aufkonzentriertes Gewässer /Wasser in eine zweite Kammer aufweist; und die zweite Kammer eine Saug- und Druck-Pumpe mit einer Elektro-Umkehr-Osmose Membran und ein zweites Einlassventil für das Gewässer und ein zweites Auslassventil für das aufkonzentrierte Gewässer / Wasser aufweist; und ein Regel-Modul, ein Energiemanagement-Kommunikations-Schnittstellen Modul und zumindest ein Akkumulator aufweist, die miteinander verbunden sind.The energy recovery and energy supply device in a salty body of water or in the deep sea, by means of electro-reverse osmosis, is designed with a first chamber with a vessel or tissue network for receiving soluble substances or salts, which can be introduced via at least one closable filler neck and out of the vessel controllable via an outlet and / or unregulated via the tissue network can be released into the first chamber, the first chamber via at least one two-way valve for filling or letting out air, and a first inlet valve for the body of water and a first outlet valve for a concentrated one Having waters / water in a second chamber; and the second chamber has a suction and pressure pump with an electro-reverse osmosis membrane and a second inlet valve for the water and a second outlet valve for the concentrated water / water; and a control module, an energy management communication interface module and at least one accumulator, which are connected to one another.
Weiter kann die erste Kammer faltbar ausgebildet sein und die Vorrichtung in einem Rahmengestell gehalten sein, welches zumindest einen insbesondere drehbar gelagerten zur Aufnahme von Ankergewichten geeigneten Standfuß aufweist.Furthermore, the first chamber can be designed to be foldable and the device can be held in a frame which has at least one, in particular rotatably mounted, stand suitable for receiving anchor weights.
Weiter kann das Regel-Modul mit den jeweiligen Ventilen bzw. den Auslass, der Saug- und Druck-Pumpe der Elektro-Umkehr-Osmose Membran der Energiemanagement-Kommunikations-Schnittstellen Modul und dem zumindest ein Akkumulator über einen Regelkreis verbunden sein.Furthermore, the control module can be connected to the respective valves or the outlet, the suction and pressure pump of the electro-reverse osmosis membrane, the energy management communication interface module and the at least one accumulator via a control circuit.
Das Energiemanagement-Kommunikations-Schnittstellen Modul kann eine Energieabgabe/aufnahme-Einheit, bevorzugt mit induktiver Kopplung bereitstellen.The energy management communication interface module can provide an energy output / consumption unit, preferably with inductive coupling.
Ferner kann das Energiemanagement-Kommunikations-Schnittstellen Modul eine Datenschnittstelle zum Empfang und zur Abgabe von Daten, bevorzugt mit induktiver Kopplung bereitstellenFurthermore, the energy management communication interface module can provide a data interface for receiving and outputting data, preferably with inductive coupling
Das erfindungsgemäße Energiegewinnungs- und Energiebereitstellungsverfahren ist in einem substanzhaltigen, und/oder salzhaltigen Gewässer und/oder in der Tiefsee mittels Elektro-Umkehr-Osmose, wobei eine erste Lösung mit einer ersten Konzentration wenigstens einer in einem Lösungsmittel der ersten Lösung lösbaren Substanz und eine zweite Lösung aus dem umgebenen Gewässer / Wasser bereitgestellt wird, welche eine zweite Konzentration der wenigstens einen Substanz aufweist, wobei die erste Konzentration durch Zugabe der lösbaren Substanz veränderbar ist, in einer ersten Kammer bereitgestellt wird, und mit einer zweiten Kammer verbindbar ist, die eine Saug- und Druck-Pumpe und eine Elektro-Umkehr-Osmose Membran aufweist, mit mindestens den Schritten
- - Versenken der mit Umgebungsluft befüllten Kammern im Gewässer
- - Befüllen der Kammern mit Umgebungswasser
- - Aufkonzentrieren des Umgebungswassers in der ersten Kammer
- - Beschicken der Elektro-Umkehr-Osmose Membran über die Saug- und Druck-Pumpe mit Umgebungswasser und aufkonzentriertem Umgebungswasser und Erzeugen von Energie, wobei die Saug- und Druck-Pumpe mit Akkumulatoren-Energie angefahren wird, bis die Eigenenergieerzeugung die nötige Leistung erzeugt, um die Saug- und Druck-Pumpe zu betreiben
- - Betrieb der Saug- und Druck-Pumpe mit selbsterzeugter Energie und Speicherung selbsterzeugter Energie in Akkumulatoren.
- - Sinking the chambers filled with ambient air in the water
- - Filling the chambers with ambient water
- - Concentration of the surrounding water in the first chamber
- - Charging the electro-reverse osmosis membrane via the suction and pressure pump with ambient water and concentrated ambient water and generating energy, whereby the suction and pressure pump is started with accumulator energy until the self-generated energy generates the necessary power, to operate the suction and pressure pump
- - Operation of the suction and pressure pump with self-generated energy and storage of self-generated energy in accumulators.
Weiter kann das Befüllen, Beschicken und Aufkonzentrieren über ein Regel-Modul in Verbindung mit einem Energiemanagement-Kommunikations-Schnittstellen Modul erfolgen, wobei das Ventile nach einem Programm und/oder in Abhängigkeit von Sensorik schaltet.Furthermore, the filling, loading and concentration can take place via a control module in connection with an energy management communication interface module, the valves switching according to a program and / or depending on sensors.
Ferner kann das über das Regel-Modul in Verbindung mit dem Energiemanagement-Kommunikations-Schnittstellen Modul externe Geräte über das Energiemanagement-Kommunikations-Schnittstellen Modul koppelbar sein und energietechnisch verwaltet werden, wobei Energie mittels Elektro-Umkehr-Osmose on-demand erzeugt wird und/oder mittels Elektro-Umkehr-Osmose erzeugte Energie aus Akkumulatoren abgegeben oder in Akkumulatoren gespeichert werden.Furthermore, the external devices via the control module in connection with the energy management communication interface module can be coupled via the energy management communication interface module and managed in terms of energy technology, with energy being generated on demand by means of electro reverse osmosis and / or energy generated by means of reverse electro-osmosis can be released from accumulators or stored in accumulators.
Die Erfindung stützt sich auf das Verfahren der Elektro-Umkehr-Osmose. Bekannte Verfahren erzeugen Energie über den unterschiedlichen Salzgehalt zwischen Meerwasser und zugeführtem Frischwasser.The invention is based on the electro-reverse osmosis process. Known methods generate energy via the different salt content between seawater and fresh water supplied.
Das diesseitige Prinzip unterscheidet sich dazu wie folgt und besitzt zudem die nachfolgenden Eigenschaften:
- - Verwendung von ausschließlich Meerwasser ohne Frischwasserzufuhr;
- - Zur Steigerung der Energiebilanz wird Meerwasser mit zuzuführendem Salz (z.B. NaCI) aufkonzentriert, im Maximum bis zur gesättigten Lösung. Je größer der Salzgradient desto mehr Energie kann erzeugt werden;
- - das Umkehrosmose-System ist Bestandteil der „emma POWER TUBE“ oder auch Power Tube, das ein UV-beständiger und wasserdichter als Schlauch ausgebildeter Kunststoff ist, wobei der Schlauch jeweils einen ansteuerbaren Ein- und Auslass besitzt und in 2 Kammern aufgeteilt ist, wobei Kammer eins die Zulaufkammer für Meerwasser bildet und die Aufkonzentrierung mit Salz erfolgt. Kammer eins und zwei sind durch eine Sperrschicht abgetrennt, die mittels Ventil geöffnet werden kann; hinter der Sperrschicht (in Kammer zwei) befindet sich eine Membrane;
- - exemplarisch sei ausgeführt: die Power Tube wird an Bord oder an Land vor dem Einsatz mit Luft gefüllt. (Atmosphärischer Druck in Kammer eins und zwei) In Kammer eins ist ein Plastiknetz eingebracht, das über einen Füllstutzen mit Salz befüllt wird. Nach dem Eintauchen in das Gewässer öffnen Ventile die Kammern, so dass Luft entweicht und Meerwasser zufließt. In Kammer eins befinden sich das Meerwasser und das Salz und gehen in Lösung bis zur Sättigung. Die Kammer muss nicht so bemessen sein, dass das Volumen die größtmögliche Aufkonzentrierung erlaubt. Bei einem kleineren Volumen wird die Sättigung schon erfolgen, wenn noch Salz ungelöst vorhanden ist. Die Kammer zwei trägt nur Meerwasser.
- - die Power Tube ist in einen Absetzrahmen integrierbar und auf den Meeresboden versenkbar und lösbar zu verankern.
- - sobald Energie mit der Power Tube erzeugt werden soll, wird die Pumpe aktiviert, die das aufkonzentrierte Meerwasser in Kammer zwei pumpt. Während des Abpumpens fließt Meerwasser in Kammer eins zu. Ist noch ungelöstes Salz vorhanden erfolgt eine weitere Aufkonzentrierung;
- - befindet sich Meerwasser mit höherem Salzgehalt in Kammer zwei beginnt die Umkehrosmose und Energie wird erzeugt;
- - das System ist durch seine Flexibilität in der Lage Energie dann zu erzeugen, wenn sie gebraucht wird;
- - gleichermaßen kann erzeugte Energie, falls gewünscht, auch in einem Akku zwischengepuffert werden.
- - Use of only sea water without fresh water supply;
- - To increase the energy balance, seawater is concentrated with the salt to be added (eg NaCl), to a maximum of saturated Solution. The greater the salt gradient, the more energy can be generated;
- - The reverse osmosis system is part of the "emma POWER TUBE" or Power Tube, which is a UV-resistant and waterproof plastic designed as a hose, the hose each having a controllable inlet and outlet and being divided into 2 chambers, whereby Chamber one forms the inlet chamber for sea water and the concentration takes place with salt. Chamber one and two are separated by a barrier that can be opened by means of a valve; behind the barrier layer (in chamber two) there is a membrane;
- - as an example: the Power Tube is filled with air on board or on land before use. (Atmospheric pressure in chambers one and two) A plastic net is inserted into chamber one, which is filled with salt via a filler neck. After immersion in the body of water, valves open the chambers so that air escapes and seawater flows in. The seawater and salt are in chamber one and dissolve to saturation. The chamber does not have to be dimensioned so that the volume allows the greatest possible concentration. In the case of a smaller volume, saturation will take place when salt is still undissolved. Chamber two only carries sea water.
- - The Power Tube can be integrated into a lowering frame and can be lowered and anchored to the seabed in a detachable manner.
- - As soon as energy is to be generated with the Power Tube, the pump is activated, which pumps the concentrated seawater into chamber two. Seawater flows into chamber one during pumping. If there is still undissolved salt, a further concentration takes place;
- - if sea water with a higher salt content is in chamber two, reverse osmosis begins and energy is generated;
- - Due to its flexibility, the system is able to generate energy when it is needed;
- - Equally, the generated energy can, if desired, also be temporarily buffered in a battery.
Die Vorteile des Systems lassen sich wie folgt zusammenfassen:
- - mobil, modular und adaptiv und skalierbar;
- - geeignet für Einsätze in Gewässern und in der Tiefsee, zudem auch in Flüssen, Seen, Stauseen, Baggerseen, künstliche Reservoirs, Höhlenseen, Meer, Ozean;
- - das System stellt Energie „on demand“ bereit, d.h. durch entsprechende Triggerung durch Parameter, wie Zeit, Druck, Threshold, Anforderung von „außen“;
- - Verbraucher als auch Erzeuger (Harvester) können angeschlossen werden;
- - skalierbar, auch für große Leistungen aber eben auch für kleinere Leistungen bei kleinem Formfaktor;
- - ausschließlich durch das Umgebungswasser bedient, d.h. „frei verfügbare Energie“;
- - druckneutrale Umkehr-Osmose in offshore Arealen; standortunabhängige Meerwasserosmose; Umkehr-Osmose Tiefwasser-System.
- - mobile, modular and adaptive and scalable;
- - suitable for use in bodies of water and in the deep sea, also in rivers, lakes, reservoirs, quarry ponds, artificial reservoirs, cave lakes, sea, ocean;
- - the system provides energy “on demand”, ie by appropriate triggering by parameters such as time, pressure, threshold, request from “outside”;
- - Consumers as well as producers (harvesters) can be connected;
- - Scalable, also for large capacities but also for smaller capacities with a small form factor;
- - served exclusively by the surrounding water, ie "freely available energy";
- - Pressure-neutral reverse osmosis in offshore areas; location-independent sea water osmosis; Reverse osmosis deep water system.
Die Einsatzzwecke für das erfinderische System sind vielfältig, z.B. für die Unterstützung von/als:
- - Unterwasser Monitoring, wie z.B. Wasserqualitäten, Strömungen, etc. durch gespeiste Sensorik;
- - Tankstelle für Unterwasserfahrzeuge (USV);
- - Kommunikationsplattform;
- - LBL-Knoten;
- - Akustische Referenz-Position;
- - Noise-Measurement;
- - Unterwasser-Raum-Überwachung für Fahrzeuge, Marine Säuger; Schallmessungen bei Baumaßnahmen (Gründungen, etc.); Schutz kritischer Areale vor Auf-Wasser- und Unterwasser-Attacken;
- - UW-Druck-Monitoring (über Wassersäulenketten) für z.B. Tsunami-Frühwarnungen;
- - Detektieren von Austritten, wie Gas, Süßwasser, gelöste chemische Substanzen, Öl;
- - Boden-Knotennetze für Langzeit-Messreihen;
- - Erfassung hochauflösender, breitbandiger Meeresgrundaktivitäten allgemein, wie Subduktionsverläufe / -geschwindigkeiten, tektonisch kritischer Areale;
- - Aktivitäten Schwarzer Raucher;
- - biologische / chemische Prozesse;
- - druckneutrale Umkehr-Osmose in offshore Arealen.
- - Underwater monitoring, such as water quality, currents, etc. through powered sensors;
- - Underwater vehicle filling station (UPS);
- - communication platform;
- - LBL node;
- - acoustic reference position;
- - Noise measurement;
- - Underwater space surveillance for vehicles, marine mammals; Sound measurements during construction work (foundations, etc.); Protection of critical areas from on-water and underwater attacks;
- - Underwater pressure monitoring (via chains of water columns) for, for example, tsunami early warnings;
- - Detection of leaks such as gas, fresh water, dissolved chemical substances, oil;
- - Soil node networks for long-term series of measurements;
- - Recording of high-resolution, broadband seabed activities in general, such as subduction processes / speeds, tectonically critical areas;
- - Activities of black smokers;
- - biological / chemical processes;
- - Pressure-neutral reverse osmosis in offshore areas.
Im Wesentlichen handelt es sich vor Allem aus wirtschaftlicher Sicht um eine Systemplattform als Unterwassertankstelle. Unterwasser-Stationen / Testplattformen / Tankstellen für Harvesting-Module zur Analyse sind derart im Stand der Technik nicht bekannt.Essentially, from an economic point of view, it is a system platform as an underwater filling station. Underwater stations / test platforms / filling stations for harvesting modules for analysis are not known in the prior art.
Durch eine Aufkonzentrierung sind deutlich höhere Energiedichten verfügbar. Durch die Möglichkeit der Aufkonzentrierung ist das System Standortunabhängig und muss nicht in Arealen eingesetzt werden, die einen Frischwasserzulauf vorhalten.A concentration makes significantly higher energy densities available. Due to the possibility of concentration, the system is location-independent and does not have to be used in areas that have a fresh water supply.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Abbildungen in der Abbildungsbeschreibung beschrieben, wobei diese die Erfindung erläutern sollen und nicht beschränkend zu werten sind:
- Es zeigen:
-
- Show it:
-
In
Dabei verfügt eine erste Kammer (
Die erste Kammer (
In
Natürliche Osmose tritt auf, wenn zwei Salzlösungen unterschiedlicher Konzentration durch eine semipermeable Membran getrennt werden. Dieses System strebt auf einen Konzentrationsausgleich zwischen den beiden Salzlösungen zu. Eine semipermeable Membran erlaubt den Durchtritt von Wasser, nicht jedoch den der in diesem Wasser gelösten Salze. Entsprechend strömen Wassermoleküle aus der stärker verdünnten Lösung und durch die semipermeable Membran in die weniger verdünnte Lösung. Dadurch erhöht sich die Anzahl der Wassermoleküle in der weniger verdünnten Lösung, wodurch ein Druck von der weniger verdünnten Lösung auf die stärker verdünnte Lösung wirkt. Dieser Druck wird als osmotischer Druck bezeichnet. Der osmotische Druck wirkt der Strömung von Wassermolekülen durch die semipermeable Membran entgegen. Das System strebt auf einen Gleichgewichtszustand zu; mit weiterer Verdünnung der weniger verdünnten Lösung steigt der osmotische Druck, gleichzeitig verringert sich der Konzentrationsunterschied. Ab einem bestimmten Punkt halten sich der osmotische Druck und der Konzentrationsunterschied in Waage, das System ändert sich ohne äußere Einflüsse nicht mehr.Natural osmosis occurs when two salt solutions of different concentrations are separated by a semipermeable membrane. This system aims to balance the concentration between the two salt solutions. A semipermeable membrane allows the passage of water, but not that of the salts dissolved in this water. Correspondingly, water molecules flow out of the more dilute solution and through the semipermeable membrane into the less dilute solution. This increases the number of water molecules in the less dilute solution, causing pressure from the less dilute solution to act on the more dilute solution. This pressure is known as osmotic pressure. The osmotic pressure counteracts the flow of water molecules through the semipermeable membrane. The system strives towards a state of equilibrium; as the less dilute solution is further diluted, the osmotic pressure increases and the difference in concentration decreases at the same time. From a certain point on, the osmotic pressure and the difference in concentration are balanced, the system no longer changes without external influences.
Durch Ausübung von Druck in Richtung des Konzentrationsgefälles, d.h. auf die stärker konzentrierte Lösung, ändert sich der zuvor beschriebene Gleichgewichtszustand. Sofern der derart ausgeübte Druck den osmotischen Druck im Gleichgewichtszustand übersteigt, wird die Strömungsrichtung des Wassers umgekehrt. Wasser strömt dann aus der stärker konzentrierten Lösung durch die semipermeable Membran in die weniger konzentrierte Lösung. Die stärker konzentrierte Lösung wird dadurch noch weiter aufkonzentriert, während die schwächer konzentrierte Lösung noch weiter verdünnt wird. Dieses Verfahren wird als Umkehrosmose bezeichnet. Die aufkonzentrierte Lösung wird als Konzentrat bezeichnet, die verdünnte bzw. entsalzte Lösung als Diluat.By exerting pressure in the direction of the concentration gradient, i.e. on the more concentrated solution, the previously described state of equilibrium changes. If the pressure exerted in this way exceeds the osmotic pressure in the equilibrium state, the direction of flow of the water is reversed. Water then flows from the more concentrated solution through the semipermeable membrane into the less concentrated solution. The more concentrated solution is thereby further concentrated, while the less concentrated solution is further diluted. This process is known as reverse osmosis. The concentrated solution is called concentrate, the diluted or desalinated solution is called diluate.
Das erfinderische Verfahren nutzt dieses bekannte Prinzip der Osmose bzw. Umkehr-Osmose im Meer, insbesondere in der Tiefsee, dabei wird durch den unterschiedlichen Salzgehalt zwischen Meerwasser und aufkonzentriertem Meerwasser direkt an Anionen- und Kationenmembranen in einem sogenannten Elektrodialyse-Separator elektrische Energie erzeugt. In einem Elektrodialyse-Separator wird der Raum zwischen zwei Elektroden durch einen Stapel aus einander abwechselnden Anionen- und Kationentauschermembranen getrennt. Jedes Paar lonentauschermembranen bildet dabei eine separate Zelle.The inventive method uses this known principle of osmosis or reverse osmosis in the sea, especially in the deep sea, whereby electrical energy is generated directly on anion and cation membranes in a so-called electrodialysis separator due to the different salt content between seawater and concentrated seawater. In an electrodialysis separator, the space between two electrodes is separated by a stack of alternating anion and cation exchange membranes. Each pair of ion exchange membranes forms a separate cell.
In technischen Systemen kann dieser Stapel an Zellen aus mehreren hundert Membranpaaren bestehen.In technical systems, this stack of cells can consist of several hundred membrane pairs.
In
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- RahmengestellFrame
- 22
- StandfußStand
- 33
- Erste KammerFirst chamber
- 44th
- Gefäß oder GewebenetzVessel or tissue network
- 55
- FüllstutzenFiller neck
- 66th
- ZweiwegeventilTwo-way valve
- 77th
- Erstes EinlassventilFirst inlet valve
- 88th
- Zweites EinlassventilSecond inlet valve
- 99
- Erstes AuslassventilFirst exhaust valve
- 1010
- Zweites AuslassventilSecond exhaust valve
- 1111
- Saug- und Druck-PumpeSuction and pressure pump
- 1212th
- Elektro-Umkehr-Osmose MembranElectro reverse osmosis membrane
- 1313th
- Regel-ModulRule module
- 1414th
- Energiemanagement-Kommunikations-Schnittstellen ModulEnergy management communication interface module
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020110382.4A DE102020110382B3 (en) | 2020-04-16 | 2020-04-16 | Energy generation and energy supply device and methods |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE102020110382.4A DE102020110382B3 (en) | 2020-04-16 | 2020-04-16 | Energy generation and energy supply device and methods |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE102020110382B3 true DE102020110382B3 (en) | 2021-05-20 |
Family
ID=75683659
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE102020110382.4A Active DE102020110382B3 (en) | 2020-04-16 | 2020-04-16 | Energy generation and energy supply device and methods |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102020110382B3 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3978344A (en) * | 1973-11-12 | 1976-08-31 | Jellinek Hans H G | Osmosis process for producing energy |
WO2007009196A1 (en) * | 2005-07-20 | 2007-01-25 | Vlaamse Instelling Voor Technologisch Onderzoek (Vito) | Combination of a desalination plant and a salinity gradient power reverse electrodialysis plant and use therof |
-
2020
- 2020-04-16 DE DE102020110382.4A patent/DE102020110382B3/en active Active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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WO2007009196A1 (en) * | 2005-07-20 | 2007-01-25 | Vlaamse Instelling Voor Technologisch Onderzoek (Vito) | Combination of a desalination plant and a salinity gradient power reverse electrodialysis plant and use therof |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final |