AQUA MARINE System - Dr. Edgar Schmidt

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- April 1990 -

AMSS - AQUA MARINE System Schmidt

Gewinnung von Süßwasser aus dem Meer

durch Entspannungsverdampfung

Inhalt

A. Einführende Erläuterungen

B. Derzeitige Situation auf dem Weltmarkt

C. Ocean Thermal Energy Conversion OTEC

D. Entwicklungsstand bei OTEC-Vorhaben anderer Länder

E. Beitrag der PI zur Süßwassergewinnung

F. Überlegungen zur Marktstrategie

G. Diskussion

ANHANG:

Anhang 1: POTKIN 100 HYDROTUBE (Hydrostatisches Rohr)

Anhang 2: POTKIN 200 WAVERIDER (Wellenreiter)

Anhang 3: Projektpläne

A. Einführende Erläuterungen

- OTEC (= Ocean Thermal Energy Conversion) ist ein international

gebräuchliches Kürzel. Es bezeichnet die technische Nutzung der

in den Ozeanen vorhandenen Wärme.

- Die Süßwassergewinnung durch Verdampfen von Meerwasser geschieht

beim OTEC-Verfahren in Anlagen mit einem sogenanntem offenen

Kreislauf. Dabei wird warmes Meerwasser so weit entspannt, daß

es an seiner Oberfläche verdampft. Der Dampf wird mit Hilfe von

kaltem Meerwasser an einem Wärmeaustauscher kondensiert. Der

Dampfstrom kann auch zur Energiegewinnung genutzt werden, wobei

Süßwasser als Nebenprodukt anfällt.

- OTEC-Anlagen mit geschlossenem Kreislauf dienen ausschließlich

zur Energiegewinnung. Diese Anlagen arbeiten nach dem Prinzip

des Kühlschranks, jedoch in umgekehrter Richtung: an die Stelle

der energieaufnehmenden Wärmepumpe tritt eine energieabgebende

Dampfturbine. Sowohl am Verdampfer als auch am Kondensator

befinden sich Wärmeaustauscher. Als Medium für den

Wärmatransport und zum Antreiben der Dampfturbine dienen

Ammoniak oder Freon.

- OTEC-Anlagen können so ausgelegt werden, daß sie im Meer

schwimmen, oder auch so, daß sie sich auf dem festen Land

befinden. Schwimmende Anlagen werden in der Regel am Meeresboden

verankert. Das Süßwasser und gegebenenfalls der elektrische

Strom werden bei schwimmenden Anlagen meist zum Festland

transportiert. Den auf dem Land befindlichen OTEC-Anlagen muß

dagegen Kühlwasser aus der Tiefe des Meeres zugeführt werden

(bei 5° Erwärmung des Kühlwassers wird über einhundertmal soviel

Kühlwasser benötigt wie Süßwasser entsteht).

- Warenzeichen: AMSS - AQUA MARINE System Schmidt

(Süßwassergewinnungsanlage)

POTKIN 100 HYDROTUBE (Hydrostatisches Rohr)

POTKIN 200 WAVERIDER (Wellenreiter)

B. Derzeitige Situation auf dem Weltmarkt

Die konventionellen Verfahren zur Süßwassergewinnung beruhen auf:

1. Verdampfung

(mit Anlagenkapazitäten bis zu 40.000 Kubikmetern/Tag)

2. Elektrodialyse

(mit Anlagenkapazitäten bis zu 15.000 Kubikmetern/Tag)

3. Umgekehrter Osmose

(mit Anlagenkapazitäten bis zu 12.000 Kubikmetern/Tag).

70 % des Süßwassers werden durch Verdampfung gewonnen, obwohl die Verdampfung zu den energieintensivsten Trennmethoden der Verfahrenstechnik zählt. 30 % des Süßwassers werden durch Elektrodialyse oder durch Umgekehrte Osmose gewonnen. Nur 36 % der Anlagen sind Verdampferanlagen, 64 % sind Dialyse- und Osmoseanlagen. Das zeigt, daß Verdampferanlagen in der Regel große Anlagen sind. Etwa die Hälfte des Süßwassers wird in Anlagen mit einer Tagesleistung von unter 10.000 Kubikmetern Süßwasser je Tag gewonnen, die andere Hälfte in Anlagen von 10.000 Kubikmetern Tagesleistung und mehr.

Die Meerwasserentsalzung gilt als eine für die Weltwasserversorgung unverzichtbare Technologie. Über 70 % des Süßwassers wird aus Meerwasser gewonnen, der Rest vor allem aus Brackwasser, aus Abwasser und gelegentlich auch aus Flußwasser oder Sole.

Die konventionelle Verdampfung geschieht durch aufheizen des Substrats unter erheblichem Aufwand an meist fossiler Energie. Dabei werden Prozeßtemperaturen bis maximal 190°C erreicht. Die Verwendung noch höherer Temperaturen scheitert daran, daß Krustenbildung im Verdampfer auftritt, die in diesem Temperaturbereich nicht mehr beherrscht werden kann. Für die Krustenbildung sind im wesentlichen die im Meerwasser gelösten Salze Magnesiumhydroxid, Calziumkarbonat und Calziumsulfat verantwortlich. Durch Zugabe bestimmter Chemikalien wie Eisenchlorid, Polyphosphaten oder Schwefelsäure wird die Krustenbildung im Verdampfer durch Verschiebung des Lösungsgleichgewichts herabgesetzt.

Die spezifischen Kosten der Süßwassererzeugung liegen heute je nach Art und Größe der Anlagen zwischen 3,50 DM und 1,50 DM je Kubikmeter. Die Qualität des erzeugten Süßwassers ist derart, daß es nach Konditionierung für den menschlichen Gebrauch geeignet ist. Wird das Süßwasser zur Bewässerung verwendet, so kann die Lebensdauer der Anpflanzungen wegen der sich im Boden akkumuliernden Restsalze auf ein Drittel der natürlichen Lebensdauer absinken. Dabei werden die Böden allmählich unbrauchbar.

Auf dem Land aufgestellte konventionelle Anlagen lieferten 1970 weltweit jährlich 0,4 Mrd Kubikmeter Süßwasser, 1980 waren es bereits 2,8 Mrd Kubikmeter, 1990 werden es etwa 5,0 Mrd Kubikmeter sein. Das ist eine Steigerung auf das Zwölffache in 20 Jahren. Zur Veranschaulichung: 5 Mrd Kubikmeter entsprechen einem Ring entlang dem Äquator von 11 m Breite und 11 m Höhe. Es gibt weltweit viele Tausend konventioneller Meerwasserentsalzungsanlagen. Dagegen gibt es nur wenige OTEC-Anlagen, von denen die meisten gleichfalls auf dem Land aufgestellt sind.

Trotzdem gibt es heute in vielen Ländern einen empfindlichen Wassermangel. Die Prognosen besagen, daß in 10 Jahren in mehr als 30 Ländern akuter Süßwassermangel herrschen wird. Es ist keine Frage, daß hier auch in Zukunft ein Markt existiert, der in seiner Bedeutung wohl kaum überschätzt werden kann. Es steht aber auch außer Zweifel, daß der Bedarf bei den infrage stehenden Dimensionen allein schon aus Gründen der großen Umweltbelastung nicht nur über fossile Energieträger gedeckt werden sollte und letztlich auf Dauer so auch nicht gedeckt werden kann.

Interessant sind die Marktanteile (1988): Japan 29 %, USA 23 %, Frankreich 12 %, Italien 7 %, Großbritannien 5 %, Sowjetunion 2 %, Niederlande 2 %, Bundesrepublik Deutschland 1 %, Israel 1 %, Südafrika 1 %. Die wichtigsten Verbraucherländer sind Saudi Arabien mit 30 % der installierten Kapazität (1.338 Anlagen), Kuwait mit 10 % (128 Anlagen), die Arabischen Emirate mit 10 % (265 Anlagen), USA mit 10 % (1.208 Anlagen).

C. Ocean Thermal Energy Conversion OTEC

In den Weltmeeren gibt es in horizontaler Richtung lokal begrenzt bedeutende Temperaturdifferenzen, beispielsweise im Zusammenhang mit dem Golfstrom. Viel bedeutsamer für die Süßwassergewinnung sind aber die Temperaturdifferenzen in vertikaler Richtung.

In der sommerlichen Nordsee tritt in 25 Metern Tiefe regelmäßig ein negativer Temperatursprung von 4°C auf. Auf den Kanarischen Inseln beträgt die Temperaturabnahme mit der Tiefe in den obersten 100 Metern ganzjährig etwa 10°C. In tropischen Breiten werden in den obersten 1.000 Metern Temperaturdifferenzen von bis zu 24°C gemessen (Oberflächenwasser mit 28°C liegt über dem aus arktischen Breiten stammendem Tiefenwasser mit 4°C).

Die Ozeane wirken wie riesige Sonnenkollektoren, in denen die Sonnenstrahlung in den obersten Zentimetern unterhalb der Wasseroberfläche absorbiert und das Wasser dadurch erwärmt wird. Durch die Meereswellen wird eine vertikale Durchmischung des Meerwassers hervorgerufen, die bei orkanartigen Stürmen bis in eine Tiefe von etwa 180 Metern reichen kann. Durch die Meeresströmungen wird eine weitere, im wesentlichen horizontale Durchmischung hervorgerufen. Das Wärmereservoir der Ozeane ist so groß, daß damit ohne weiteres der gesamte Weltenergiebedarf gedeckt werden könnte, wobei sich die Wärme ständig regeneriert.

Die vertikalen Temperaturdifferenzen lassen sich nach der Methode der Entspannungsverdampfung zur Energiegewinnung oder zur Süßwassergewinnung ausnutzen: warmes Meerwasser wird im Grobvakuum verdampft und der Dampf im kalten Milieu kondensiert. Da mit dem

Dampf latente Wärme transportiert wird, ist der Wärmefluß letztlich maßgebend für die Ausbeute. Der Wärmefluß ist abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator und von den Mengen des im Verdampfer und im Kondensator durchgesetzten Meerwassers. Geringe Temperaturdifferenzen lassen sich durch einen großen Wasserdurchsatz ausgleichen. Das ist von Bedeutung, weil das warme und das kalte Meerwasser in praktisch unbegrenzter Menge zur Verfügung stehen. Der Prozeß beginnt bereits bei einer Temperaturdifferenz von 1°C selbsttätig abzulaufen.

Bei der Energiegewinnung im offenen Kreislauf wird der Dampfstrom über eine Turbine geführt, wobei Süßwasser als Nebenprodukt anfällt. Bei einer 1 MW-Anlage entstehen etwa 1.500 Kubikmeter Süßwasser am Tag. Bei der Süßwassergewinnung ohne Energieerzeugung entfällt die Turbine, wobei die Ausbeute an Süßwasser auf das Fünffache ansteigt. Wird die Turbine gar durch eine Wärmepumpe ersetzt, so läßt sich die Ausbeute bei entsprechender Leistungsfähigkeit von Verdampfer und Kondensator noch weiter steigern. Bei maßvollem Einsatz arbeitet eine Wärmepumpe trotz der erforderlichen Zufuhr an externer Energie wirtschaftlich.
Die thermodynamische Seite der Entspannungsverdampfung ist nicht nur theoretisch geklärt, sie auch schon mehrfach erfolgreich erprobt worden. Die Herausforderung bei der Süßwassergewinnung liegt eher in der Ingenieurskunst und im Management: Fragen der Korrosion und des biologischen Bewuchses spielen eine Rolle, auch die Qualität des erzeugten Süßwassers und schließlich vor allem der Preis je Kubikmeter Süßwasser für den Endverbraucher.

Wie noch zu zeigen sein wird, können die Kosten für den laufenden Betrieb einer AMSS-Anlage sehr gering gehalten werden, so daß die Kosten für den Kubikmeter Süßwasser vorwiegend von den Abschreibungskosten bestimmt werden. Wenn es daher gelingt, die Entwicklungs- und die Herstellkosten für die AMSS-Anlage zu begrenzen und eine lange Lebensdauer für die AMSS-Anlage zu erreichen, dann dürfte sich ein konkurrenzlos niedriger Wasserpreis ergeben. Damit wären Absatz und Ertrag gesichert.

D. Entwicklungsstand bei OTEC-Vorhaben anderer Länder

USA:

Ausgelöst durch die Ölkrise der 70er Jahre haben die Vereinigten Staaten mehr als 200 Mio $ für Forschung und Entwicklung von OTEC ausgegeben. Die meisten Mittel wurden in den Jahren 1978 bis 1981 mit etwa 35 Mio $ jährlich aufgewendet. 1984 waren es immerhin noch 10 Mio $.

Das Nachlassen der Anstrengungen hat folgende Gründe: Die Bemühungen waren etwa zur Hälfte auf die Energiegewinnung durch Anlagen mit geschlossenem Kreislauf auf offener See konzentriert. Dabei wurde das Ziel verfolgt, energieintensive Produkte wie Ammoniak, Aluminium und Methanol auf hoher See zu erzeugen. Die andere Hälfte der Bemühungen war auf ein breit gestreutes Spektrum von Aufgaben gerichtet, wobei bevorzugt Größtanlagen von 100 MW Leistung und darüber im Blickfeld lagen. Diesen Entwicklungen ist durch den späteren Preisverfall beim Erdöl die Perspektive genommen worden.

Seit 1981 gab es in den USA auch erfolgversprechende Versuche im Hinblick auf Anlagen mit offenem Kreislauf. Obwohl auch hier die Energiegewinnung im Vordergrund gestanden haben dürfte, wurden doch wertvolle Erfahrungen gesammelt, die bei der Süßwassergewinnung nützlich sein können.

Mehrere Prototypen sind gebaut worden. Eine Anlage mit 50 kW Leistung ist 1979 auf offener See vor Hawaii drei Monate lang erprobt worden. Auf einer Experimentalanlage mit 1 MW Leistung, jedoch noch ohne Turbine, wurden fast alle Aspekte von OTEC untersucht. Eine auf Honolulu an Land aufgebaute Demonstrationsanlage mit 40 MW Leistung soll in diesem Jahr in Betrieb gehen. Diese Anlage hat eine Kühlwasserleitung von 9 m Durchmesser und 3 km Länge.

Japan:

Japan arbeitet mittel- bis langfristig an der Entwicklung von OTEC-Anlagen mit geschlossenem Kreislauf, vor allem im Hinblick auf den Export.

Eine Anlage mit 100 kW Leistung ist 1981 im Pazifik ein Jahr lang erfolgreich erprobt worden. Die Ergebnisse lassen sich, was den Freon-Kreislauf betrifft, auf Anlagen von mehreren MW Leistung direkt übertragen. Eine Demonstrationsanlage mit 1 bis 10 MW Leistung soll noch in diesem Jahr bei Okinawa einsatzbereit sein.

Andere Länder:

Außerdem gibt es OTEC-Aktivitäten vor allem in Frankreich, aber auch in Holland, Großbritannien, Indien, Schweden, Taiwan und Jamaica. Diese Aktivitäten haben vorwiegend das Ziel Energiegewinnung.

Ein 1984 groß angelegter französischer Vorstoß bei der EG auf Förderung von OTEC über einen Zeitraum von 10 Jahren in einer Gesamthöhe von mindestens 120 Mio $ war ohne Erfolg. Als Ablehnungsgründe werden genannt: mangelnde Überzeugungskraft der vorgebrachten Argumente, ungelöste Korrosionsprobleme und zu hoher Kapitalbedarf. Technische Schwerpunkte, wie etwa die Gewinnung von Süßwasser, waren in dem Antrag nicht gesetzt worden. Wahrscheinlich hat daher der Preisverfall beim Erdöl letztlich den Ausschlag für die Entscheidung gegen eine Förderung gegeben.

Fazit aus den bisherigen Arbeiten:

- Nur in den USA gibt es offenbar genügend Erfahrungen mit OTEC,

aufgrund derer die Süßwassergewinnung aus Meerwasser aus dem

Stand heraus möglich wäre.

- Als Faustregel kann gelten, daß sich die spezifischen

Investitionskosten halbieren, wenn die Kapazität von

OTEC-Anlagen vervierfacht wird.

E. Beitrag der PI zur Süßwassergewinnung

ZUSAMMENFASSUNG

Das AMSS-Verfahren zur Gewinnung von Süßwasser aus dem Meer durch Entspannungsverdampfung arbeitet bei Umgebungstemperaturen im Grobvakuum, kontinuierlich, einstufig, mit reinem Wasserdampf, geregelt.

Im Meer bestehende Temperaturdifferenzen werden ausgenutzt. Die Verdampfungswärme wird dem Meer entnommen, die Kondensationswärme dem Meer zugeführt.

Kennzeichnend sind der äußerst geringe Energieverbrauch wegen des Verzichts auf Heizung und wegen der Ausnutzung der Energie der Meereswellen und die bisher unerreichte Umweltfreundlichkeit.

Die AMSS-Anlage schwimmt und ist über Seile am Meeresboden verankert. Der Verdampfer befindet sich über dem Meeresspiegel, der Kondensator tief unten im kalten Meerwasser. Die AMSS-Anlage ist unabhängig vom Tidenhub und arbeitet bei allen praktisch vorkommenden Wellenhöhen.

Die Durchströmung des Verdampfers mit warmem Meerwasser und der Kühlrohre des Kondensators mit kaltem Meerwasser geschieht durch pumpen mit Hilfe der Meereswellen. Dazu dienen passiv arbeitende Vorrichtungen "Wellenreiter" und "Hydrostatisches Rohr".

Der Verdampfungsvorgang wird durch Vergrößerung der Verdampfungsoberfläche unterstützt.

Mit externer Energie angetriebene Pumpen erzeugen das Prozeßvakuum, entfernen die Luftbestandteile, transportieren das Süßwasser. Ausnahmsweise können eine Wärmepumpe und Durchlaufpumpen zur Unterstützung des Warmwasserdurchlaufs und des Kühlwasserdurchlaufs verwendet werden.

LÖSUNG

Das Verfahren beruht auf einem kontinuierlichen, einstufigen, geregelten Prozeß der Entspannungsverdampfung. Es arbeitet ohne Heizung bei Umgebungstemperaturen im Grobvakuum von etwa 13 bis 27 Hektopascal mit reinem Wasserdampf. Das Vakuum wird durch eine entsprechend hohe Meerwassersäule gehalten. Im Meer vorhandene Temperaturdifferenzen von mehr als 1°C werden zur Verdampfung und anschließender Kondensation genutzt, wobei die Wärme in Form der latenten Wärme des Dampfes von warmen in kalte Bereiche des Meeres transportiert wird.

Die AMSS-Anlage wird im Meer vorzugsweise in Küstennähe aufgebaut und ist mit der auf dem Land befindlichen Infrastruktur über einen Leitungsstrang verbunden. Der Leitungsstrang enthält die Süßwasserleitung, ein Kabel für die Übertragung elektrischer Energie und Datenleitungen. An Land befinden sich ein Netzanschluß und ein Prozeßrechner, ferner ein Süßwasserbehälter als Vorratspuffer zwischen der AMSS-Anlage und den Verbrauchern.

Der Verdampfer befindet sich in einer geeigneten Höhe über dem Meeresspiegel, der Kondensator im kalten Bereich in der Tiefe des Meeres und beide sind über eine rohrförmige Brücke miteinander verbunden.

Externe Energie wird nur in der Anlaufphase zur Erzeugung des Prozeßvakuums und im laufenden Normalbetrieb nur zum abpumpen der abgeschiedenen Gase, zum abpumpen des Süßwassers und zur Prozeßregelung benötigt. Das ist möglich, weil zum pumpen sowohl des Substrats als auch des Kühlwassers die Energie der Meereswellen herangezogen wird.

Das Substrat wird mit Hilfe von Vorrichtungen "Wellenreiter" durch die Verdampfungskammer hindurch transportiert. Die Wellenreiter sind über Verbindungsleitungen sowie Verstrebungen und Gelenke mit den zum Verdampfer führenden Steigleitungen verbunden. Sie nutzen neben der Potentiellen auch die Kinetische Energie der Meereswellen, indem sie ihre Einlaßöffnung für das Meerwasser entgegen der Richtung der augenblicklichen Meeresströmung passiv ausrichten.

Das Kühlwasser wird mit Hilfe von Vorrichtungen "Hydrostatisches Rohr" durch die Kühlrohre der Kondensationskammer hindurch transportiert. Die Hydrostatischen Rohre sind mit den Kühlrohren an den Einlaßöffnungen für das Kühlwasser verbunden. Sie nutzen die Potentielle Energie der Meereswellen derart, daß sie wie Durchlaufpumpen für das Kühlwasser wirken.

Die AMSS-Anlage hat so große Hohlräume, daß sie im Meer einen kräftigen Auftrieb erfährt. Die Auftriebskraft der AMSS-Anlage wird durch ein an ihrem unteren Ende angebrachtes Gewicht so kompensiert, daß die AMSS-Anlage in vertikaler Lage schwimmt und einen vorgegebenen Tiefgang aufweist (Halbtaucher). Die AMSS-Anlage ist so am Meeresboden angebracht, daß sie sich in vertikaler Richtung mit der Tide bewegen kann.

Dazu werden zwei übereinander liegende Auftriebskörper mit Hilfe von schräg gespannten Seilen am Meeresboden angebracht. Vorgesehen sind drei Paare von Seilen, die von oben gesehen um 120° gegeneinander versetzt sind. Am Meeresboden ist jedes Seilpaar z.B. an einem in einem Bohrloch angebrachten Anker befestigt oder auch an einem freiliegenden schweren Gewicht. Die Seile sind so mit spezifisch leichtem Material ummantelt, daß sie zusammen mit der Ummantelung das spezifische Gewicht des Meerwassers haben. Daher hängen die Seile weder durch noch schwimmen sie auf, d.h. sie schweben im Meerwasser. An den Auftriebskörpern angreifende äußere Kräfte, die z.B. von Meeresströmungen herrühren können, werden unter Betriebsbedingungen über die straff gespannten Seile abgeleitet, so daß die Auftriebskörper praktisch unbeweglich sind.

Der Halbtaucher wird durch vertikale zylindrische Öffnungen in den Auftriebskörpern geführt und ist daher nur in vertikaler Richtung beweglich.

Die AMSS-Anlage ist ferner so ausgelegt, daß sie bei allen praktisch vorkommenden Wellenhuben arbeitet. Der Meerwasserpegel im Verdampfer darf nur wenig schwanken.

Das wird erstens durch die Anordnung der Auslaßöffnungen für die abgekühlte Sole erreicht, die sich in einer Meerestiefe befinden, in der die vom Seegang herrührende Bewegung des Meerwassers unter Betriebsbedingungen abgeklungen ist. Diese Öffnungen liefern das Referenzpotential für die Meerwasseroberfläche im Verdampfer.

Das wird zweitens durch Pufferungskammern erreicht, in die das Substrat vom Wellenreiter kommend mit den Wellenbergen schubweise eindringt, worauf es diese Kammern unter Abgabe seiner Potentiellen Energie aperiodisch gedämpft und daher gleichmäßiger strömend in Richtung zum Verdampfer hin wieder verläßt.

Während der Entspannung des Substrats auf dem Wege vom Wellenreiter zum Verdampfer werden die im Substrat gelösten Luftbestandteile in Form von Blasen ausgeschieden. Diese Blasen werden in der glockenförmigen, nach unten offenen Entlüftungskammer noch vor der Verdampfung abgefangen und über Luftableitungen mit Hilfe der Entlüftungssaugpumpen entfernt. Der Gasdruck in der Entlüftungskammer wird so eingestellt, daß er geringfügig über dem Verdampfungsdruck des Meerwassers liegt. Dadurch wird erreicht, daß in der Entlüftungskammer zwar entlüftet wird, dort jedoch noch keine nennenswerte Verdampfung stattfindet. Bei der anschließenden Verdampfung bildet sich praktisch reiner Wasserdampf, der von Fremdgasen unbehindert von der Verdampfungskammer zur Kondensationskammer strömen kann.

Die Meerwasseroberfläche im Verdampfer wird auf passivem Wege vergrößert und durchmischt. Das geschieht z.B. mit Hilfe von walzenförmigen Bürsten, die wie ein Wasserrad angeordnet sind. Die Achsen der walzenförmigen Bürsten liegen in der Meerwasseroberfläche senkrecht zur Strömung. Durch die Unterströmung werden die walzenförmigen Bürsten bewegt, wobei sie einen Teil des Substrats unter Vergrößerung seiner Oberfläche mit sich nach oben führen. Der Verdampfer enthält mit Ausnahme der Wasserräder keine beweglichen Teile.

Bei ausbleibendem Seegang oder zur Steigerung der Ausbeute können Pumpen zugeschaltet werden, die im Normalbetrieb ruhen. Vorgesehen sind Durchlaufpumpen in den Steigleitungen zur Unterstützung des Transports des Substrats, eine Wärmepumpe im Übergangsraum zwischen der Verdampfungskammer und der Kondensationskammer zur Unterstützung des Dampftransports und des Transports der an den Dampf gebundenen latenten Wärme, und Durchlaufpumpen an den Auslaßöffnungen für das Kühlwasser zur Unterstützung des Kühlwassertransports. Diese Pumpen werden nur dann eingesetzt, wenn das wirtschaftlich vertretbar ist.

In einer anderen möglichen Ausführung der AMSS-Anlage wird der Verdampfer auf dem Lande aufgestellt. Dadurch kann der Verdampfer größer ausgelegt werden als bei der schwimmenden Ausführung, deren Verdampfer aus statischen Gründen eine begrenzte Größe hat.

Der Arbeitsbereich der AMSS-Anlage läßt sich durch folgende Parameter beschreiben:

- maximaler Tidenhub: praktisch unbegrenzt

- Meereswellenhub

- im Pumpbetrieb: 0,0 m bis 0,6 m

- im Normalbetrieb: ab 0,6 m

- maximale Meereswellenlänge

- im Pumpbetrieb: 16 m

- im Normalbetrieb: praktisch unbegrenzt

- maximale Meereswellenperiode

- Pumpbetrieb: 3,9 sek

- im Normalbetrieb: praktisch unbegrenzt

- Windgrößen nach Beaufort

- im Pumpbetrieb: 0,0 bis 4,0

- im Normalbetrieb: 4,0 bis 12,0.

AUFBAU

Die ABBILDUNG zeigt die momentane mittlere Meeresoberfläche, die verfahrensübliche Meerwassersäule von etwa 10 m Höhe, den Meeresboden und die der Anbringung dienenden Bohrlöcher mit Anker.

Die ABBILDUNG zeigt ferner die zur AMSS-Anlage gehörigen Teile Verdampfer mit seinen Zu- und Ableitungen für das Substrat, Brücke, Kondensator und Sumpf, die alle starr miteinander in Verbindung stehen. Innerhalb des Verdampfers sind die Pufferungskammer, die Entlüftungskammer und die Verdampfungskammer zu sehen. In der Verdampfungskammer sind drehbare Wasserräder angebracht.

Die ABBILDUNG zeigt außerdem eine mögliche Anbringung der AMSS-Anlage. Zwei unter Wasser übereinander liegende Auftriebskörper, die in ihrer Mitte in vertikaler Richtung je eine Öffnung aufweisen, sind über Seile am Meeresboden befestigt. Die Befestigung geschieht über in Bohrlöchern eingelassene Anker.

Der Halbtaucher durchsetzt die beiden Auftriebskörper und kann in vertikaler Richtung gleiten. An den Auftriebskörpern befinden sich zu diesem Zweck Gleitvorrichtungen, die mit Arretierungseinrichtungen versehen sind.

Das Gewicht ist unterhalb des Kondensators fest angebracht.

Der Auftriebspunkt der AMSS-Anlage einschließlich des Gewichts liegt im Gleichgewichtsfall genau über dem Schwerpunkt dieses Systems, so daß das System stabil vertikal schwimmt. Damit eine möglichst hohe Stabilität erreicht wird, ist das System so ausgelegt, daß Auftriebspunkt und Schwerpunkt einen möglichst großen Abstand voneinander haben.

In der ABBILDUNG ist schließlich angedeutet, an welchen Stellen der AMSS-Anlage Wellenreiter und Hydrostatische Rohre angebracht sind. Das eingezeichnete Hydrostatische Rohr sollte man sich nach unten zu verlängert und mit dem Eingang der Kühlrohre im Kondensator verbunden denken.

FUNKTION

Der Halbtaucher wird von einer starken Auftriebskraft nach oben gezogen. Unterhalb des Kondensators befindet sich das nach unten ziehende Gewicht. Das Gewicht kompensiert die Auftriebskraft derart, daß der Halbtaucher einen vorgesehenen Tiefgang hat. Der Tiefgang ist so bemessen, daß der durch ein Grobvakuum angehobene Meerwasserspiegel im Verdampfer eine geeignete Höhe aufweist. Die geeignete Höhe ist etwa die halbe Höhe der Verdampfungskammer zwischen ihrer Basis und der Tropfenblende. Hierbei ist die Drehung der Wasserräder gewährleistet.

Von den Wellen oder von Meeresströmungen herrührende Seitenkräfte und Drehmomente werden an den Auftriebskörpern abgefangen.

Hebt sich (sinkt) der Meerwasserspiegel mit der Tide, dann erhöht sich (verringert sich) der Auftrieb des Halbtauchers und der Halbtaucher wird nach oben (unten) getrieben.

Durch die Wellenbewegung des Meeres kann der Halbtaucher unter Betriebsbedingungen in vertikale Schwingungen geraten. Das läßt sich dadurch verhindern, daß die Gleitvorrichtungen arretiert werden. Wegen des starken Auftriebs der Auftriebskörper werden dann an den Gleitvorrichtungen neben den horizontal wirkenden Kräften auch die vertikal wirkenden Kräfte abgefangen.

Die Arretierungen an den Gleitvorrichtungen werden in bestimmten Zeitabständen für kurze Zeit automatisch gelöst, damit der Halbtaucher mit der gestiegenen (gefallenen) Tide wieder ins Gleichgewicht kommen kann. Die Wiederarretierung geschieht mit Hilfe von Sensoren zur Bestimmung des Tiefgangs des Halbtauchers rechnergesteuert. Sobald der Halbtaucher den richtigen Tiefgang aufweist werden die Gleitvorrichtungen arretiert.

Die Richtung der Strömung des Meerwassers im Verdampfer und in seinen Zu- und Ableitungen und der Sinn der Drehung der Wasserräder sind in der ABBILDUNG durch Pfeile gekennzeichnet.

Dimensionierung

Ein großer Verdampfer erlaubt einen großen Durchsatz von Substrat, wie auch ein großer Kondensator einen großen Durchsatz von Kühlflüssigkeit erlaubt. Substrat und Kühlflüssigkeit sind im Meer in praktisch unbegrenzter Menge vorhanden. Da das Verfahren mit geringen Temperaturdifferenzen arbeitet, ist es zur Erzielung eines großen Wärmeflusses und damit einer großen Süßwasserausbeute erforderlich, große Mengen von Substrat bei hinreichend langer Verweildauer im Verdampfer und große Mengen von Kühlflüssigkeit durchzusetzen.

Prozeßvakuum

Vor Inbetriebnahme der AMSS-Anlage wird der Dampfraum, der sich aus dem oberen Bereich der Verdampfungskammer, dem Übergangsraum und dem oberen Bereich der Kondensationskammer zusammensetzt, mit Hilfe der Saugpumpe zur Erzeugung des Prozeßvakuums bis auf den Siededruck des Meerwassers evakuiert. Dabei steigt der Meerwasserspiegel in der Verdampfungskammer bis in die gekennzeichnete Höhe an. Der Pumpvorgang wird solange fortgesetzt, bis der letzte Rest der im Dampfraum vorhandenen Luft von Wasserdampf verdrängt worden ist. Zugleich wird die Entlüftungskammer mit Hilfe der Entlüftungssaugpumpe so evakuiert, daß ein Druck entsteht, der nur wenig über dem Siededruck des Meerwassers liegt. Dabei hebt sich der Meerwasserspiegel bis in die in der Entlüftungskammer angedeutete Höhe.

Meerwasserdurchlauf

Das aus dem Wellenreiter kommende warme Meerwasser strömt immer dann durch die Verbindungsleitung in die Steigleitung für warmes Meerwasser nach oben, wenn sich der Schwimmer des Wellenreiters auf einem Wellenberg befindet. Befindet sich der Schwimmer des Wellenreiters in einem Wellental, so verhindert ein Rückschlagventil, daß das in der Steigleitung für warmes Meerwasser befindliche Meerwasser wieder zum Wellenreiter zurückströmt.

Das Meerwasser gelangt dabei Schub um Schub in die Pufferungskammer, aus der es bis zum Eintreffen des jeweils nächsten Schubs unter Abgabe seiner Potentiellen Energie gleichmäßiger strömend in die Entlüftungskammer und danach in die Verdampfungskammer übertritt. Es wird später über die Falleitung für die abgekühlte Sole nach unten abgeleitet und tritt in Tiefe der halben maximalen Meereswellenlänge unter dem mittleren Meereswasserspiegel (etwa 90 m) durch die Auslaßöffnung für die abgekühlte Sole wieder in das freie Meer aus. In dieser Tiefe ist die Wellenbewegung der Meeresoberfläche vollständig abgeklungen. Die freien Meerwasseroberflächen im Entlüfter und im Verdampfer bleiben daher von der Seite der Falleitung für die abgekühlte Sole her unbeeinflußt von der Wellenbewegung an der Meeresoberfläche.

Entlüftung

Das warme Meerwasser wird auf seinem Wege vom Wellenreiter zur Entlüftungskammer bis unmittelbar über den Siededruck entspannt. Dabei werden die im Meerwasser enthaltenen Luftbestandteile in Form von Blasen ausgeschieden. Die Blasen werden vor dem Verdampfungsvorgang in der Entlüftungskammer abgefangen und über die Luftableitung von der Entlüftungssaugpumpe abgesaugt. Damit wird erreicht, daß bei der nachfolgenden Verdampfung praktisch keine Luftbestandteile mehr in den Dampfraum abgegeben werden, daß also reiner Wasserdampf von der Verdampfungskammer zur Kondensationskammer strömen kann. Diese Maßnahme trägt zu einer verbesserten Leitfähigkeit für Dampf und latente Wärme im Dampfraum bei.

Verdampfung

Das warme Meerwasser wird in die Verdampfungskammer geführt, wo es an seiner freien Oberfläche verdampfen kann. Die Meerwasseroberfläche im Verdampfer wird mit Hilfe der Wasserräder vergrößert. Die Wasserräder sind zu diesem Zweck als walzenförmige Bürsten ausgelegt, deren Achsen in der Meerwasseroberfläche senkrecht zur Strömung liegen. Durch die Unterströmung des Meerwassers werden die Wasserräder gedreht, wobei sie Meerwasser mit sich nach oben führen und die Verdampfungsoberfläche dadurch vergrößern.

Falls die Verdampfung zu heftig vor sich geht und der Dampf Meerwassertropfen mit sich nach oben reißt, sorgt eine Tropfenblende dafür, daß die Meerwassertropfen nicht in den Übergangsraum gelangen und statt dessen in das Meerwasser zurückgeführt werden. Siedeverzug wird durch die natürlichen Verunreinigungen des Meerwassers verhindert.

Dampftransport

Der Widerstand, welcher dem Dampfstrom und damit dem Strom latenter Wärme im Dampfraum entgegengesetzt wird, ist äußerst gering. Die Wärmeleitfähigkeit im Dampfraum ist um den Faktor 10 hoch 5 höher als die von Metallen. Die Verdampfungskammer und die Kondensationskammer stehen bei ruhender Wärmepumpe in thermischem Kontakt miteinander. Der Dampf und mit ihm die latente Wärme können frei strömen.

Wird die Wärmepumpe zugeschaltet, dann wird der thermische Kontakt aufgehoben. Im Dampfraum der Verdampfungskammer werden dann Druck und Temperatur herabgesetzt, zugleich werden Druck und Temperatur im Dampfraum der Kondensationskammer erhöht. Der Dampf- und Wärmestrom wird von der Wärmepumpe gegen das Druck- und Temperaturgefälle aufrechterhalten. Die Leistung des Verdampfers kann durch Einschalten der Durchlaufpumpen für warmes Meerwasser, die Leistung des Kondensators kann durch Einschalten der Durchlaufpumpen für Kühlwasser verbessert werden.

Sollten sich im Laufe der Zeit Luftbestandteile im Dampfraum ansammeln, dann werden diese bei ruhender Wärmepumpe durch Einschalten der Saugpumpe zur Erzeugung des Prozeßvakuums hinausgespült.

Kondensation

Der Kondensator befindet sich unter der Auslaßöffnung für die abgekühlte Sole. Er wird von kaltem Meerwasser umspült und ist von zahlreichen Kühlrohren durchdrungen, durch die kaltes Meerwasser nach oben fließt. Das kondensierte Süßwasser sammelt sich im Sumpf.

Die Wandstärke der Kühlrohre ist so groß, daß diese dem Hydrostatischen Druck standhalten, zugleich ist sie aber so klein, daß der Temperaturgradient in den Wänden der Kühlrohre klein bleibt. Die Kühlrohre müssen einem Druck von mindestens 11 atm (und mehr) standhalten.

Kühlwasserdurchlauf

Der konvektive Kühlwasserdurchlauf im Kondensator wird mit Hilfe des Hydrostatischen Rohrs bei vorhandenem Seegang gesteigert. Befindet sich der Schwimmer des Hydrostatischen Rohrs in einem Wellental, so steigt das Meerwasser ausgehend von der Einlaßöffnung für das Kühlwasser durch das geöffnete Rückschlagventil 1 am geschlossenen Rückschlagventil 2 vorbei im Hydrostatischen Rohr nach oben. Befindet sich der Schwimmer des Hydrostatischen Rohrs auf einem Wellenberg, so wird das vorher unten in das Hydrostatische Rohr eingedrungene Meerwasser wieder nach unten gedrückt und strömt durch das geöffnete Rückschlagventil 2 durch die Auslaßöffnung des Hydrostatischen Rohrs, wobei das Rückschlagventil 1 geschlossen bleibt. Das Hydrostatische Rohr wirkt also im Zusammenspiel mit dem Rückschlagventil 1 und dem Rückschlagventil 2 bei vorhandenem Seegang wie eine Durchlaufpumpe.

Bei fehlendem Seegang kann der konvektive Kühlwasserdurchlauf im Kondensator durch Zuschalten der Durchlaufpumpe für Kühlwasser gesteigert werden.

Süßwassertransport

Das gewonnene Süßwasser wird im Sumpf gesammelt und mit Hilfe der Süßwasserpumpe über die Süßwasserleitung im Leitungsstrang zur Küste gegen den Hydrostatischen Druck abgepumpt. Auf dem festen Land befindet sich ein Vorratsbehälter für das hochgepumpte Süßwasser, der als Puffer zwischen dem Wassergewinnungs-Aggregat und den Verbrauchern dient.

Prozeßregelung, Prozeßüberwachnung und Fehlersuche

Drucksensoren, Temperatursensoren, Durchflußzähler und Wasserstandsanzeiger sind an geeigneten Stellen der AMSS-Anlage angebracht. Sie dienen der Regelung und Überwachung des Süßwassergewinnungs-Prozesses und der Fehlersuche.

Drucksensoren befinden sich in der Entlüftungskammer, in der Verdampfungskammer und in der Kondensationskammer.

Temperatursensoren befinden sich in der Steigleitung für warmes Meerwasser, am Meerwassereinlaß und am Meerwasserauslaß der Verdampfungskammer, an der Auslaßöffnung für die abgekühlte Sole, im Dampfraum der Verdampfungskammer, im Dampfraum der Kondensationskammer, an der Einlaßöffnung für das Kühlwasser, an der Auslaßöffnung für das Kühlwasser und im Sumpf.

Durchflußzähler befinden sich in der Steigleitung für warmes Meerwasser, in der Falleitung für die abgekühlte Sole, an der Einlaßöffnug für das Kühlwasser, an der Auslaßöffnung für das Kühlwasser und in der Süßwasserleitung im Leitungsstrang zur Küste.

Wasserstandanzeiger befinden sich in der Pufferungskammer, in der Entlüftungskammer, in der Verdampfungskammer und in der Kondensationskammer.

Die Daten dieser Meßstellen werden über die Datenleitung im Leitungsstrang zur Küste zu einem auf dem festen Land befindlichen Prozeßrechner übertragen. Außerdem werden Daten über den Betriebszustand der Pumpen übermittelt. Die Daten werden verarbeitet. Die Ergebnisse der Verarbeitung dienen im Rahmen der Regelung des Süßwassergewinnungs-Prozesses dem gezielten An- und Abschalten der Pumpen. Bestimmte Daten und Ergebnisse werden zur Prozeßüberwachung und zur Fehlersuche für den Betreiber protokolliert.

Verbesserungen

Durch weitere Vereinfachungen und Verbesserungen insbesondere bei den Pumpen soll eine Senkung der Investitionskosten bei gleichzeitiger Steigerung der Effizienz erreicht werden.

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ZEICHENERKLÄRUNG zur ABBILDUNG

1: momentane mittlere Meeresoberfläche

2: Meerwassersäule von etwa 10 m Höhe

3: Meeresboden

4: Bohrloch mit Anker

5: Befestigungsvorrichtung

6: Schwebeseil zur Aufhängung des

Oberen Auftriebskörpers

7: Oberer Auftriebskörper

8: Gleitvorrichtung mit Arretierung am

Oberen Auftriebskörper

9: Schwebeseil zur Aufhängung des

Unteren Auftriebskörpers

10: Unterer Auftriebskörper

11: Gleitvorrichtung mit Arretierung am

Unteren Auftriebskörper

12: Gewicht

13: Verdampfer

14: Brücke

15: Kondensator

16: Sumpf

17: Pufferungskammer

18: Entlüftungskammer

19: Verdampfungskammer

20: Wasserrad

21: Tropfenblende

22: Wellenreiter (angedeutet)

23: Seil zur Anbringung des Hydrostatischen Rohrs

24: Hydrostatisches Rohr (angedeutet)

F. Überlegungen zur Marktstrategie

Folgende Situation liegt vor:

1. Ein großer und aufnahmefähiger Markt für Süßwasser ist

vorhanden. Der Bedarf wächst rasch an. Bei einem Angebot von

qualitativ gutem, preiswertem Süßwasser handelt es sich auf

lange Sicht um einen ausgeprägten Verkäufermarkt.

2. Ein bedeutender Teil der Nachfrage wird durch das Angebot

überhaupt erst geweckt.

3. Vorhandene Wassergewinnungsanlagen werden soweit wie möglich

durch Anlagen ersetzt werden, die bei vergleichbaren oder

günstigeren Kosten eine bessere Wasserqualität und eine bessere

Umweltverträglichkeit bieten.

4. Durch die Erschließung von wüstenartigen Küstenstreifen werden

die Investitionskosten alleine schon über die Grundstückspreise

wieder eingespielt.

Schlußfolgerungen:

1. Die Bestrebungen sollten klar auf die Süßwassergewinnung

gerichtet werden, nicht auf die Gewinnung von elektrischer

Energie.

2. Die Entwicklung einer AMSS-Demonstrationsanlage sollte in einer

kleinen, leistungsfähigen Entwicklungsmannschaft schnell

vorangetrieben und vorrangig (möglichst aber nicht

ausschließlich) mit privatem Kapital finanziert werden. Eine

Entwicklungszeit von 2 bis 3 Jahren bis zur Fertigstellung

einer vorführbereiten Demonstrationsanlage ist aus heutiger

Sicht eine realistische Schätzung. Die Entwicklungskosten

dürften etwa 5 Mio DM jährlich betragen.

3. Marktgängige Anlagen sollten nur bei vorheriger Option des

Kunden oder gegen feste Bestellung gefertigt werden und dabei

den Anforderungen des Kunden entsprechen.

4. Strategisches Ziel sollte es sein, einen Entwicklungsvorsprung

und Kostenvorteile zu gewinnen und zu halten, die zu einer

starken Stellung auf dem Weltmarkt führen.

G. Diskussion

VORTEILE

Die AMSS-Anlage

- wird in der Nähe der Verbraucher errichtet

- benötigt nur geringe Aufwendungen für die Bereitstellung des

Substrats

- benötigt nur geringe Aufwendungen für die Bereitstellung des

Kühlwassers

- arbeitet mit sehr geringen laufenden Kosten, denn sie

- arbeitet fast ohne Zufuhr von äußerer Energie, indem sie

- das Meer als kostenlosen Sonnenkollektor nutzt

- die Energie der Meereswellen nutzt

- weist eine bisher nicht erreichte Umweltverträglichkeit auf

- arbeitet automatisch, geregelt und optimiert und muß daher nicht

bedient werden

- ist robust und unkompliziert und muß daher wenig gewartet werden

- ist unabhängig vom Tidenhub und von der Höhe der Meereswellen

- arbeitet im Pumpbetrieb auch unter ungünstigen Bedingungen

- läßt sich leicht auf- und wieder abbauen.

MÖGLICHE NACHTEILE

Die AMSS-Anlage

- benötigt in der Regel einen Leitungsstrang zur Küste mit

Süßwasserleitung, Stromkabel und Datenleitung

- benötigt einen großen Süßwasserbehälter an Land als Puffer zum

Verbraucher.

ANHANG 1

PI PRAKTISCHE INFORMATIK GMBH

Lerchenauer Straße 39

8000 München 40

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Vorrichtung

zum Pumpen von Meerwasser

(Hydrostatisches Rohr)

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Gebrauchsmuster: POTKIN 100 HYDROTUBE

LÖSUNG

Die Vorrichtung, hier als "Hydrostatisches Rohr" bezeichnet, ist in der ABBILDUNG 1 schematisch dargestellt. Sie besteht aus einem im Meer vertikal angebrachten Rohr (6)(7), welches oben mit einem Schwimmer (8) versehen ist, dort eine unter Wasser befindliche Öffnung (11) hat und welches unten je eine mit einem Rückschlagventil (13) und (15) bestückte Einlaßöffnung (12) und Auslaßöffnung (14) hat. Das Rohr (6)(7) wird von der Wellenbewegung des Seegangs mitbewegt, derart, daß mit Hilfe der Rückschlagventile (13) und (15) von der Einlaßöffnung (12) zur Auslaßöffnung (14) hin eine pulsierende Meerwasserströmung hervorgerufen wird.

Das Rohr (6)(7) ist an einem in der Rohrachse befindlichen Mast (5) angebracht, der im Meeresboden in einem Bohrloch (4) verankert ist und der über die Meeresoberfläche hinausragt. An die Stelle des Mastes kann auch ein gespanntes Seil treten.

Die unteren Öffnungen (12) und (14) des Rohres befinden sich in einer Meerestiefe (H), in welcher die vom Seegang herrührende Bewegung des Meerwassers abgeklungen ist, weil dort nur noch der konstante hydrostatische Druck herrscht. Das ist in einer Meerestiefe (H) der Fall, die mindestens der halben Wellenlänge (L/2) des Seegangs entspricht.

In einer ersten möglichen Ausführungsform ist das Rohr (6)(7) als elastischer Schlauch ausgebildet und derart in sich dehn- und stauchbar, daß es sich auf einen Teil seiner größten Länge verkürzen kann (siehe dazu auch ABBILDUNG 2). Das Rohr (6)(7) ist in diesem Fall an seinem unteren Ende mit einer unbeweglichen Befestigungsvorrichtung (9) und ansonsten in Höhe einiger der starren Verbindungsringe (19) mit Gleitvorrichtungen (10) am Mast (5) angebracht. Eine der unteren Öffnungen (12) oder (14) des Rohres (6)(7) ist über eine starre Rohrverbidung an eine ortsfeste andere Vorrichtung angekoppelt, in welcher eine gerichtete pulsierende Meerwasserströmung hervorgerufen werden soll.

In einer zweiten möglichen Ausführungsform ist das Rohr starr. Das ganze Rohr ist in diesem Fall mit Gleitvorrichtungen (10) am Mast angebracht. Eine der unteren Öffnungen (12) oder (14) des Rohres ist über einen beweglichen Schlauch an eine ortsfeste andere Vorrichtung angekoppelt, in welcher eine gerichtete pulsierende Meerwasserströmung hervorgerufen werden soll.

In Abwandlung des Verfahrens ist eine weitere Ausführungsform des dehn- und stauchbaren Rohres (6)(7) möglich, bei der die Obere Öffnung (11) geschlossen ist. Die Unteren Öffnungen (12) und (14) des Rohres können in diesem Fall auch in einer geringeren Tiefe

h < H unter dem mittleren Meeresniveau (2) liegen als der in der ABBILDUNG 1 angedeuteten Tiefe H.

VORTEILE

Die Vorrichtung ist denkbar einfach, da außer dem Mast nur ein Rohr mit Schwimmer und zwei mit Rückschlagventilen besetzte Öffnungen notwendig sind. Die erzeugte pulsierende Meerwasserströmung kann umgesetzt werden, um Arbeit zu leisten.

Das Hydrostatische Rohr läßt sich mit Vorteil verwenden in einer Vorrichtung zur Gewinnung von Süßwasser aus relativ warmem Meerwasser.

AUFBAU DER VORRICHTUNG

Das Hydrostatische Rohr in einer seiner möglichen Ausführungsformen ist in den ABBILDUNGEN 1 und 2 schematisch dargestellt.

Zur Orientierung sind in der ABBILDUNG 1 eine Meereswelle (1), das mittlere Meeresniveau (2) und der Meeresboden (3) eingetragen, ferner die Ausbreitungsrichtung der Meereswelle (X), die Meereswellenlänge (L), die Höhe eines Wellenbergs (+ÙH), die Tiefe eines Wellentals (-ÙH), die mittlere Meerestiefe (T) und die Meerestiefe (H), in der die Wellenbewegung erloschen ist. Es gilt H > L/2.

Die linke Hälfte der ABBILDUNG 1 stellt das Hydrostatische Rohr so dar, wie es aussieht, wenn es von einem Wellenberg gestreckt wird, die rechte Hälfte der ABBILDUNG 1 so, wie es aussieht, wenn es von einem Wellental gestaucht wird.

Im Meeresboden (3) befindet sich ein Bohrloch (4), in dem ein Mast (5) eingelassen und befestigt ist. Der Mast (5) ragt oben über den Wellenberg hinaus. Das Hydrostatische Rohr (6)(7) ist mit der Befestigungsvorrichtung (9) fest am Mast (5) angebracht. Mit den Gleitvorrichtungen (10) kann es, wenn es gestreckt oder gestaucht wird, am Mast (5) entlang gleiten.

Am oberen Ende des Rohrs (6)(7) befindet sich ein Schwimmer (8), unmittelbar darunter eine Obere Öffnung (11). Zwischen der Oberen Öffnung (11) und der Befestigungsvorrichtung (9) befindet sich das Rohr (6)(7), welches sich wie in der ABBILDUNG 1 angedeutet strecken oder stauchen läßt. Unterhalb der Befestigungsvorrichtung (9) befinden sich an der Unteren Einlaßöffnung (12) ein Rückschlagventil 1 (13) und an der Unteren Auslaßöffnung (14) ein Rückschlagventil 2 (15).

In dieser Ausführungsform ist das Rohr (6)(7) als dehn- und stauchbarer Schlauch ausgebildet, wie er in der ABBILDUNG 2 schematisch dargestellt ist. Der Schlauch besteht aus einer elastischen Schlauchwand (16) mit Äußeren Ringförmigen Knicken (17) und Inneren Ringförmigen Knicken (18). In der Schlauchwand (16) sind starre Verstärkungsringe (19) eingelassen. Die Richtungen von Dehnung und Stauchung sind in der ABBILDUNG 2 durch Doppelpfeile () angedeutet. Der Ruhezustand des Schlauchs ist derjenige, bei dem der Schlauch seine kürzeste Länge hat.

Außer der in den ABBILDUNGEN 1 und 2 dargestellten ersten Ausführungsform des Hydrostatischen Rohrs gibt es eine zweite Ausführungsform, bei der das Rohr starr ist. Das starre Rohr besitzt anstelle der ortsfesten Befestigungsvorrichtung (9) eine Gleitvorrichtung (10). Es gleitet daher, wenn es vom Seegang bewegt wird, als ganzes am Mast (5) auf und ab.

Eine dritte, vom Verfahren abweichende Ausführungsform unterscheidet sich von der in den ABBILDUNGEN 1 und 2 dargestellten dehn- und stauchbaren Ausführungsform hauptsächlich dadurch, daß die Obere Öffnung (11) geschlossen ist. Die Unteren Öffnungen (12) und (14) des Rohres können in diesem Fall auch in einer geringeren Tiefe h < H unter dem mittleren Meeresniveau (2) liegen als der in der ABBILDUNG 1 angedeuteten Tiefe H.

FUNKTION DER VORRICHTUNG

Bei Seegang strömt das Meerwasser im Bereich der Unteren Öffnungen (12) und (14) des Rohrs abwechselnd nach oben und nach unten.

Dabei gilt für die Ausführungsformen mit offener Oberer Öffnung (11) folgendes. Befindet sich der Schwimmer auf der unteren Halbwelle, dann wird eine bestimmte Menge Meerwassers durch die untere Einlaßöffnung in das Rohr hineingedrückt, befindet sich der Schwimmer auf der oberen Halbwelle, dann wird die gleiche Menge Meerwassers durch die untere Auslaßöffnung hinausgedrückt.

Für die verfahresuntypische Ausführungsform mit geschlossener Oberer Öffnung (11) gilt folgendes. Befindet sich der Schwimmer auf dem Weg nach oben, dann wird eine bestimmte Menge Meerwassers durch die untere Einlaßöffnung in das Rohr hineingesaugt, befindet sich der Schwimmer auf dem Weg nach unten, dann wird die gleiche Menge Meerwassers durch die untere Auslaßöffnung hinausgedrückt.

Das Rohr wirkt somit in den drei beschriebenen Ausführungsformen wie eine Durchlaufpumpe für das in der Tiefe befindliche Meerwasser.

H > L/2

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──────────────────────────────L───────────────────────────────

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║ ││ ║ │8 (10) 8│ │ │

║ ││ ║ ┴──┘││└──┴ │ │

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║ ││ ║ «─(10)─» │ │

║ ││ ║ « ││ » │ │

9Ã─[ÏÏ]─Â9 9Ã─[ÏÏ]─Â9 │ │

────────────║ ││ ║────────────────────────║ ││ ║─────────── │

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14 15 ││ ║ 14 15 ││ ║ │

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║ ││ ║ ║ ││ ║ │

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12 13 ││ ║ 12 13 ││ ║ │

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13 ││ ││ │

││5 ││5 │

││ ││ │

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││││4 ││││4

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└──┘ └──┘

ABBILDUNG 1: Schematische Darstellung des Hydrostatischen Rohrs

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17< >17

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ABBILDUNG 2: Ausbildung des dehn- und stauchbaren Schlauchs

ZEICHENERKLÄRUNG zur ABBILDUNG 1

1: Meereswelle

2: mittleres Meeresniveau

3: Meeresboden

4: Bohrloch

5: Mast

6: Hydrostatisches Rohr (in gestrecktem Zustand)

7: Hydrostatisches Rohr (in gestauchtem Zustand)

8: Schwimmer

9: Befestigungsvorrichtung (am Mast ortsfest)

10: Gleitvorrichtung (am Mast gleitfähig)

11: Obere Öffnung

12: Untere Einlaßöffnung

13: Rückschlagventil 1 (an der Unteren Einlaßöffnung)

14: Untere Auslaßöffnung

15: Rückschlagventil 2 (an der Unteren Auslaßöffnung)

X: Ausbreitungsrichtung der Meereswelle

L: Meereswellenlänge

+ÙH: Höhe eines Wellenbergs

-ÙH: Tiefe eines Wellentals

T: Mittlere Meerestiefe

H: Meerestiefe, in der die Wellenbewegung erloschen ist

ZEICHENERKLÄRUNG zur ABBILDUNG 2

16: Elastische Schlauchwand

17: Äußerer Ringförmiger Knick der Schlauchwand

18: Innerer Ringförmiger Knick der Schlauchwand

19: Starrer Verstärkungsring, eingelassen in die Schlauchwand

: Dehnung oder Stauchung

ANHANG 2

PI PRAKTISCHE INFORMATIK GMBH

Lerchenauer Straße 39

8000 München 40

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Vorrichtung

zum Verbringen von Meerwasser

über das mittlere Niveau des Seegangs

(Wellenreiter)

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Gebrauchsmuster: POTKIN 200 WAVERIDER

LÖSUNG

Die Vorrichtung, hier als "Wellenreiter" bezeichnet, ist in den ABBILDUNGEN 1 und 2 schematisch dargestellt. Sie besteht im wesentlichen aus einer Anzahl gegeneinander drehbarer oder schwenkbarer Rohre. Sie wird fast ganz unter Wasser angebracht und zu diesem Zweck mit ihrem unteren Ende über einen beweglichen Parallelogramm-Mechanismus so an einem ortsfesten Gegenstand (20) befestigt, daß sie vertikal steht und im wesentlichen in vertikaler Richtung beweglich ist. Schwimmer (9) an ihrem oberen Ende bewirken, daß sie sich mit den Meereswellen (1) mitbewegt.

Der Wellenreiter besitzt wenig unterhalb der Schwimmer (9) ein horizontales rohrförmiges Wassereinlaßteil (2) mit einer seitlichen Einlaßöffnung (3) für das Meerwasser und davor ein Schutzgitter (4). Das Wassereinlaßteil (2) ist in ein Y-Rohr (8) eingesetzt und um seine horizontale Achse A-A frei drehbar. Das

Y-Rohr (8) sitzt am Drehgelenk (13) dem Oberen T-Rohr (10) auf und ist seinerseits um die vertikale Achse F-F frei drehbar. Am Wassereinlaßteil (2) befinden sich ein Richtungsruder (6) und ein Drehruder (5). Mit Hilfe des Richtungsruders (6) wird das Wassereinlaßteil (2) zusammen mit dem Y-Rohr (8) von der Meeresströmung so um die Achse F-F gedreht, daß die Achse A-A senkrecht zu dieser Strömung zu liegen kommt. Mit Hilfe des Drehruders (5) wird das Wassereinlaßteil (2) von der Strömung so um die Achse A-A gedreht, daß die Einlaßöffnung (3) sich der Strömung entgegenrichtet. Das geschieht insbesondere deshalb, weil sich der Schwerpunkt des Wassereinlaßteils (2) außerhalb der Achse A-A auf der der Einlaßöffnung (3) gegenüberliegenden Seite befindet. Das Meerwasser kann daher ungehindert durch die Einlaßöffnung (3) einströmen.

Der in der unteren Verlängerung des Oberen T-Rohrs (10) starr angebrachte Ausleger (11) liegt zwischen den horizontalen Schwenkachsen B-B und D-D und bildet eine Seite des beweglichen Parallelogramm-Mechanismus. Die anderen drei Parallelogramm-Seiten werden gebildet von der Verbindungsleitung (14), der Verstrebung zwischen dem Auslegergelenk (12) und der horizontalen Schwenkachse E und vom vertikal ausgerichteten ortsfesten Gegenstand (20) zwischen den horizontalen Schwenkachsen C-C und E-E. Der Wellenreiter ist um die vertikale Symmetrie-Achse G-G des Unteren T-Rohrs (16) nicht drehbar.

Ein Rückschlagventil (18) sorgt dafür, daß das Meerwasser im Wellenreiter nur in der Richtung von der Einlaßöffnung (3) zur Auslaßöffnung (19) hin strömen kann.

Der Weg des Wassers führt von der Einlaßöffnung (3) in das Wassereinlaßteil (2), durch die Durchgehenden Öffnungen (7) in das Y-Rohr (8), am Drehgelenk (13) vorbei in das Obere T-Rohr (10), durch die Oberen Durchlaßöffnungen (15) in die zwei Arme der Verbindungsleitung (14), durch die Unteren Durchlaßöffnungen (17) in das Untere T-Rohr (16), und schließlich durch das Rückschlagventil (18) zur Auslaßöffnung (19).

An die Auslaßöffnung (19) läßt sich ein Steigrohr anschließen, in dem das vom Wellenreiter erfaßte Meerwasser in einen Speicher geleitet wird, dessen Inhalt über dem mittleren Niveau des Seegangs liegt.

Das vom Wellenreiter erfaßte Meerwasser kann insbesondere auch auf ein noch bis zu etwa 10 m höheres Niveau verbracht werden, wenn der Meerwasserspiegel im Speicher durch ein entsprechendes Vakuum angehoben wird. Das kann dazu dienen, das vom Wellenreiter erfaßte Meerwasser aus dem Bereich des Seegangs herauszubringen.

VORTEILE

Der Wellenreiter nutzt neben der Potentiellen Energie der oberen Meereshalbwellen auch die Kinetische Energie der Meeresströmung, um Meerwasser über das mittlere Niveau des Seegangs in einen Speicher zu verbringen. Aus dem Speicher kann das Meerwasser zum mittleren Niveau des Seegangs oder in den dazu geeigneten Zeitintervallen auch bis in die Wellentäler hinabgeleitet werden und dabei Arbeit leisten.

Das Meerwasser kann auf ein noch bis zu etwa 10 m höheres Niveau verbracht werden, falls der Meerwasserspiegel im Speicher durch ein entsprechendes Vakuum angehoben wird.

Der Wellenreiter läßt sich mit Vorteil verwenden in einer Vorrichtung zur Gewinnung von Süßwasser aus relativ warmem Meerwasser.

AUFBAU DER VORRICHTUNG

Die ABBILDUNGEN 1 und 2 zeigen eine mögliche Ausführungsform der Vorrichtung:

ABBILDUNG 1 zeigt eine schematische Darstellung des Wellenreiters

in Vorderansicht,

ABBILDUNG 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teils des

Wellenreiters, insbesondere seiner Anbringung, in

Seitenansicht.

Zur Orientierung sind in der Darstellung die Meeresoberfläche (1) und ein ortsfester Gegenstand (20) zur Anbringung des Wellenreiters eingetragen.

Der Wellenreiter enthält ein horizontales rohrförmiges Wassereinlaßteil (2) mit einer Einlaßöffnung (3), an der sich ein Schutzgitter (4) befindet, außerdem ein Drehruder (5), ein Richtungsruder (6) und ein vertikales Y-Rohr (8) mit Schwimmern (9). Das Wassereinlaßteil (2) ist in das Y-Rohr (8) eingesetzt. Es weist beiderseits Durchgehende Öffnungen (7) zum Y-Rohr (8) hin auf.

Der Wellenreiter enthält ferner ein vertikales Oberes T-Rohr (10) mit Ausleger (11) und Auslegergelenk (12), ein Drehgelenk (13) zwischen Y-Rohr (8) und Oberem T-Rohr (10) und eine schräg liegende Verbindungsleitung (14) bestehend aus zwei Armen. Die Verbindungsleitung (14) durchdringt in ihrem oberen Teil das Obere T-Rohr (10). Die Verbindungsleitung (14) hat oben in der Mitte Obere Durchlaßöffnungen (15) zum Oberen T-Rohr (10) hin.

Der Wellenreiter enthält ferner ein vertikal stehendes, ortsfest angebrachtes Unteres T-Rohr (16) mit Rückschlagventil (18) und Auslaßöffnung (19). Die Verbindungsleitung (14) durchdringt in ihrem unteren Teil das Untere T-Rohr (16). Die Verbindungsleitung (14) hat ferner unten in der Mitte Untere Durchlaßöffnungen (17) zum Unteren T-Rohr (16) hin.

Das Wassereinlaßteil (2) ist um die horizontale Achse A-A frei drehbar. Das Y-Rohr (8) ist um die vertikale Achse F-F frei drehbar. Das Obere T-Rohr (10) und die Verbindungsleitung (14) sind um ihre gemeinsame horizontale Achse B-B schwenkbar. Die Verbindungsleitung (14) ist ferner um die horizontale Achse C-C schwenkbar, die sie mit dem ortsfest angebrachten Unteren T-Rohr (16) gemeinsam hat. Das Auslegergelenk (12) ist um die horizontale Achse D-D schwenkbar. Zwischen dem Auslegergelenk (12) und der am ortsfesten Gegenstand (20) angebrachten horizontalen Schwenkachse E befindet sich eine Verstrebung. Das Untere T-Rohr (16) und damit die gesamte Vorrichtung sind um die vertikale Achse G-G nicht drehbar.

Der Ausleger (11), die Verbindungsleitung (14), der ortsfeste Gegenstand (20) zwischen den Schwenkachsen C und E und die Verstrebung zwischen dem Auslegergelenk (12) und der Schwenkachse E bilden zusammen einen beweglichen Parallelogramm-Mechanismus.

FUNKTION DER VORRICHTUNG

Die Vorrichtung ist in ihrem unteren Teil an dem ortsfesten Gegenstand (20) angebracht und kann sich über den Parallelogramm-Mechanismus mit den horizontalen Achsen B-B, C-C, D-D und E-E im wesentlichen in vertikaler Richtung bewegen. Schwimmer (9) sorgen dafür, daß sich der bewegliche Teil der Vorrichtung mit der Vertikalbewegung der Meereswellen mitbewegt.

Durch das Drehgelenk (13) mit der vertikalen Achse F-F ist das

Y-Rohr (8) zusammen mit dem Wassereinlaßteil (2) beliebig drehbar. Das am Wassereinlaßteil (2) angebrachte Richtungsruder (6) bewirkt, daß das Y-Rohr (8) und das Wassereinlaßteil (2) von der Meeresströmung so um die vertikale Achse F-F gedreht werden, daß sich die horizontale Achse A-A senkrecht zu dieser Strömung ausrichtet.

Das Wassereinlaßteil (2) ist um die horizontale Achse A-A beliebig drehbar. Das am Wassereinlaßteil (2) angebrachte Drehruder (5) bewirkt, daß das Wassereinlaßteil (2) von der Meeresströmung so um die horizontale Achse A-A gedreht wird, daß sich seine Öffnungen (3) entgegen der Richtung der Strömung ausrichten. Das geschieht insbesondere deshalb, weil der Schwerpunkt des Wassereinlaßteils (2) sich außerhalb der Achse A-A in einer Lage gegenüber der Einlaßöffnung (3) befindet.

Unter den beschriebenen Bedingungen strömt das Meerwasser bei Seegang oder bei Stömung durch die Einlaßöffnung (3) in das Wassereinlaßteil (2), von dort weiter in das Y-Rohr (8), von dort weiter in das Obere T-Rohr (10), von dort in die beiden Arme der Verbindungsleitung (14), von dort in das Untere T-Rohr (16) und weiter zur Auslaßöffnung (19). Das Rückschlagventil (18) bewirkt, daß das Meerwasser nur in der soeben beschriebenen Richtung strömen kann.

Durch die Auslaßöffnung (19) kann das Meerwasser über eine Steigleitung in einen Speicher verbracht werden, wo es ein Potential erhält, welches über dem Potential des mittleren Seegangs liegt. Aus dem Speicher kann das Meerwasser zum mittleren Niveau des Seegangs oder in den dazu geeigneten Zeitintervallen auch bis in die Wellentäler hinabgeleitet werden und dabei Arbeit leisten.

Das Meerwasser kann darüberhinaus auf ein etwa 10 m höheres Niveau verbracht werden, falls der Meerwasserspiegel im Speicher durch ein entsprechendes Vakuum angehoben wird. Zusätzliche Arbeit kann auf diesem Wege zwar nicht geleistet werden, jedoch ist dieses Vorgehen bei der Entspannungsverdampfung von Meerwasser von großem Nutzen.

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║ ║ │ ║ ║ ABBILDUNG 2: ║

║ ║ ║ 19 ║ ║ ║ Schematische

║ ║ Ã─ ─Â18 ║ ║ Darstellung

║ ║╔════╝ · ╚════╗║ ║ eines Teils des

║ ║║16 │ ║║ ║ Wellenreiters

║ ╚══ ═ 17═·═ ═ ═ ══╝ ║ (Seitenansicht)

║ 14 │ ║

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║ │ 14 ║

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║ │ 16║

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│

ABBILDUNG 1: Schematische Darstellung des Wellenreiters

(Vorderansicht)

ZEICHENERKLÄRUNG zu den ABBILDUNGEN 1 und 2

1: Meeresoberfläche

2: Wassereinlaßteil

3: Einlaßöffnung (am Wassereinlaßteil)

4: Schutzgitter (an der Einlaßöffnung)

5: Drehruder (am Wassereinlaßteil)

6: Richtungsruder (am Wassereinlaßteil)

7: Durchgehende Öffnung (am Wassereinlaßteil)

8: Y-Rohr

9: Schwimmer (am Y-Rohr)

10: Oberes T-Rohr

11: Ausleger (am Oberen T-Rohr)

12: Auslegergelenk (am Ausleger)

13: Drehgelenk

14: Verbindungsleitung (mit zwei Armen)

15: Obere Durchlaßöffnungen der Verbindungsleitung

(zum Oberen T-Rohr)

16: Unteres T-Rohr

17: Untere Durchlaßöffnungen der Verbindungsleitung

(zum Unteren T-Rohr)

18: Rückschlagventil

19: Auslaßöffnung

20: Ortsfester Gegenstand (zur Anbringung des Wellenreiters)

A-·-·-A Horizontale Drehachse des Wassereinlaßteils (2)

B-·-·-B Horizontale Obere Schwenkachse der Verbindungsleitung

(14)

C-·-·-C Horizontale Untere Schwenkachse der Verbindungsleitung

(14)

D-·-·-D Horizontale Schwenkachse des Auslegergelenks (12)

E-·-·-E Horizontale Schwenkachse am Ortsfesten Gegenstand (20)

F-·-·-F Vertikale Drehachse des Drehgelenks (13)

G-·-·-G Vertikale Symmetrie-Achse des Unteren T-Rohrs (16)

P R O J E K T - P L A N 1 ANHANG 3

__________________________

1990 91 92 93 94 95

──────────────────┬───┼───┬───┼───┬───┼───┬───┼───┬───┼───┬───┼─

Kleine │1 2 3 4

Demonstrations- │═══════

anlage: │A B C D

etwa 1.000 │====════════====

Kubikmeter je Tag,│ 5 6

etwa 5,00 DM │ ════════

Kosten je │

Kubikmeter Wasser │

──────────────────┼─────────────────────────────────────────────

Mittlere │ 1 2 3 4

Produktions- │ ════════

anlage: │ A B C D E

etwa 10.000 │ ====════════====════>

Kubikmeter je Tag,│ 5 6

etwa 1,50 DM │ ════════

Kosten je │ F

Kubikmeter Wasser │ ════>

──────────────────┼─────────────────────────────────────────────

Große │ 1 2 3 4

Produktions- │ ════════

anlage: │ A B C D E

etwa 100.000 │ ====════════====════>

Kubikmeter je Tag,│ 5 6

etwa 0,50 DM │ ════════

Kosten je │ F

Kubikmeter Wasser │ ════>

──────────────────┼─────────────────────────────────────────────

Finanzierung │< Vorfinanzierung ><Verkaufserlöse>

│ ═══════════════════════════ ══════════════

──────────────────┼─────────────────────────────────────────────

Vertrieb │ Aufbau des Vertriebs

│ ════

│ Vertriebstätigkeit

│ ════════════════════════════════>

──────────────────┼───┼───┴───┼───┴───┼───┴───┼───┴───┼───┴───┼─

Legende:

________

ENTWURF und ERPROBUNG PRODUKTION

1: Grobentwurf A: Arbeitsvorbereitung

2: Feinentwurf Teilsysteme B: Bau Teilsysteme

3: Feinentwurf Anlage C: Bau Anlage

4: Feldtest Vorbereitung D: Verbesserung Gesamtanlage

5: Feldtest Teilsysteme E: Laufende Produktion

6: Feldtest Gesamtanlage F: Auslieferung

┌────────────────────────────────────┐

│TEILSYSTEME: │

│Hydrostatisches Rohr, Wellenreiter │

│ANLAGE: │

│Wassergewinnungsaggregat, Anbringung│

└────────────────────────────────────┘
P R O J E K T - P L A N 2 (Mitwirkung der PI)

____________________________________________

Auszug aus dem Projekt-Plan 1:

1990 91 92 93 ────────┬───────┼───────┬───────┼───────┬───────┼───────┬───────┼─

Kleine │1 2 3 4

Demon- │════════════════

strations- 5 6

anlage │ ════════════════

────────┼─────────────────────────────────────────────────────────

Mittlere│ 1 2 3 4

Produk- │ ════════════════

tions- │ 5 6

anlage │ ════════════════

────────┼───────┼───────┴───────┼───────┴───────┼───────┴───────┼─

Projektplanung für PI:

1990 91 92 93 ────────┼───────┼───────┬───────┼───────┬───────┼───────┬───────┼─

│11 ┌───────────────────────────────────────┐

│════ │SIMULATION: a. Mechanisches Modell │

│ 12 │ b. Thermodynamisches Modell│

│ ════ │ c. Elektrisches Modell │

│ 13 │ d. Datentechnisches Modell │

│ ════ └───────────────────────────────────────┘

│ 4

│ ════

│ 5

│ ════════

│ 6

│ ════════

────────┼─────────────────────────────────────────────────────────

│ 11

│ ════

│ 12

│ ════

│ 13

│ ════

│ 4

│ ════

│ 5

│ ════════

│ 6

│ ════════

────────┴───────┼───────┴───────┼───────┴───────┼───────┴───────┼─

Legende:

________

ENTWURF SIMULATION und ERPROBUNG (Arbeiten PI)

1: Grobentwurf 11: Simulation Grobentwurf

2: Feinentwurf Teilsysteme 12: Simulation Feinentwurf Teilsysteme

3: Feinentwurf Anlage 13: Simulation Feinentwurf Anlage

4: Feldtest Vorbereitung

5: Feldtest Teilsysteme

Dr. Edgar Hermann Schmidt / München

AQUA MARINE System - Dr. Edgar Schmidt

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