Wie effizient wäre das Pumpen von Wasser bergauf mit Wasserkraft?

Es wird nicht sehr effizient sein

Es gibt viele Möglichkeiten, Wasser nach oben zu pumpen. Die Schraube gehört dazu und hat lange gehalten. Es ist sehr effektiv für eine solche Low-Tech-Lösung. So effektiv, dass es immer noch in vielen, vielen modernen Pumpstationen verwendet wird.

Der Grund, warum wir feststellen können, dass Ihre Lösung nicht effizient ist, sind die Kosten für die Energieübertragung. Jedes Mal, wenn Sie Energie übertragen, können Sie sicher davon ausgehen, dass ein Teil der Energie nicht für den beabsichtigten Zweck verwendet wird. Das Wasser gegen das Wasserrad wird nicht nur das Rad bewegen, sondern die Struktur zusätzlich belasten und Reibung erzeugt Wärme. Das bedeutet, dass dieser Teil „verloren“ geht. Jedes System hat Verluste, daher müssen wir die Effizienz und die Anzahl der Übergabepunkte überprüfen.

Zunächst überträgt Wasser Energie in das Wasserrad. Angenommen, ein Peltonrad kann nicht viel tun, um es effizienter zu machen. Guter Punkt. Dann übertragen Sie diese Energie auf einige große, sich drehende Felsen. Das ist keine so schlechte Idee. Schwungräder arbeiten genau nach diesem Prinzip. Es wird als Energiespeicher in Bussen und sogar im Stromnetz eingesetzt. Das Problem ist, dass es sich um eine zusätzliche Überweisung handelt. Wird es benötigt? Wenn nicht, entfernen Sie es. Sie haben Reibungskräfte auf der Welle und mit der Luft, ganz zu schweigen von den Startkosten, um sie zum Drehen zu bringen. Obwohl wir jetzt unglaublich effiziente Schwungräder haben, ist es wahrscheinlich nicht so effizient, wenn Sie die alten Mühlsteine ​​​​als Technologie verwenden. Es war überraschend fortschrittlich, bevor die Fabriken die Arbeit übernahmen, aber im Vergleich zu moderner Technologie wird es nur eine Verschwendung sein.

Der Übertragungsmechanismus zum Balg ist nicht gut spezifiziert. Hier ist je nach Weg mit einigen bis enormen Energieverlusten zu rechnen. Da sich der Balg durch die Rotation eines Mühlsteins zu komprimieren scheint, erwarte ich eine hohe Reibung. Der Balg selbst ist nicht allzu seltsam, wohlgemerkt. Es ist ähnlich wie beim Pumpen von Wasser. Wenn Sie den richtigen Zeitpunkt wählen, können Sie einen gleichmäßigen Druck auf das Wassersystem ausüben. Der Balg muss sowohl Wasser ansaugen als auch verschütten. Weitere zwei Punkte Energieverlust.

Das Ganze kann mit Wasserkraft betrieben werden, indem ein Wasserstrahl verwendet wird, um anderes Wasser nach oben zu pumpen. Die Effizienz hängt stark von der verwendeten Technologie ab. Obwohl jede auf realer Technologie basiert, ist sie im Vergleich zu vielen realen Lösungen ineffizient. Sie verwenden mehrere reale Technologien, die aus wenig Grund verkettet sind. Jede Technologie stellt eine Energieübertragung auf etwas anderes dar, was zu einem Verlust führt. Es passiert in der realen Welt aus bestimmten Gründen, wie zum Beispiel die vorübergehende Speicherung der Energie in einem Schwungrad, um eine stabile Energiemenge abzugeben. Dennoch ist es besser, das Wasserrad zu verwenden, um einige Pumpen direkt anzutreiben. Oder schnappen Sie sich einfach ein paar große, effiziente Schrauben und denken Sie nicht zu viel darüber nach.

Auf solche Ideen würde ich aber nicht verzichten. Kreativität kann man nur loben.

Weitaus effizienter und einfacher zu bauen als Wasserräder, Zahnräder, Nockenräder, Blasen usw. ist eine "Impulspumpe" oder "Rampumpe" - diese können mit derselben Technologie hergestellt werden, sobald starre Schläuche verfügbar sind Sie würden verwenden, um eine Hand- oder Windmühlen-betriebene Hubkolbenpumpe herzustellen.

Wasser, das in einem Rohr bergab fließt, aktiviert nacheinander ein Paar Klappenventile – eines im Einklang mit der Strömung und das andere vertikal nach oben. Das Schließen des Inline-Ventils bewirkt, dass der Impuls des Wassers im Einlassrohr Wasser am vertikalen Ventil vorbei drückt, bis der Impuls verbraucht ist und das vertikale Ventil schließt – und das stille Wasser das Inline-Ventil nicht mehr geschlossen hält, so die der fluss beginnt wieder.

Diese Pumpen können einen kleinen Teil des Durchflusses auf Höhen weit über dem Kopf des Einlassrohrs oder einen viel größeren Durchfluss auf bescheidenere Höhen anheben und sind eine Technologie, die mindestens so weit zurück wie die klassische Helena-Zeit (in Bezug auf verfügbare Materialien und Werkzeuge - Bronze- und Bleirohre könnten verwendet werden).

In Ihrer Frage steht nichts über das Technologieniveau, nach dem Sie fragen. Nehmen wir also moderne reale Technologie an. Ein System, bei dem ein abwärts fließendes Wasser zum Antreiben einer Pumpe verwendet wird, könnte einen Wirkungsgrad von etwa 70–80 % haben , was bedeutet, dass entweder die aufwärts gerichtete Durchflussrate 70–80 % der abwärts gerichteten Durchflussrate bei der gleichen vertikalen Trennung betragen könnte, oder die Durchflussraten könnte gleich sein, aber die Pumpe erreicht 70–80 % der vertikalen Trennung im Vergleich zum Abwärtsfluss oder eine andere numerische Kombination aus Durchflussrate und vertikaler Trennung, was zu einem Wirkungsgrad von 70–80 % führt.

Diese Zahl stammt von der Wikipedia-Seite über Pumpspeicherkraftwerke , auf der es heißt:

Die Round-Trip-Energieeffizienz von PSH variiert zwischen 70 % und 80 %, ^{[4][5][6][7],} wobei einige Quellen bis zu 87 % angeben. ^[8]

Ein Pumpspeicherkraftwerk kann entweder als Generator (Erzeugung von Energie aus dem abwärts fließenden Wasser) oder als Pumpe (Energie verbrauchen, um Wasser bergauf zu pumpen) arbeiten. Sein Zweck ist es, die Last in einem Stromnetz auszugleichen, im Grunde eine riesige Batterie, die geladen werden kann, während das Angebot die Nachfrage übersteigt, oder abgezogen werden kann, wenn die Nachfrage das Angebot übersteigt. Das System, das ich in meinem ersten Absatz beschrieben habe, entspricht einfach zwei miteinander verbundenen solchen Anlagen, von denen eine immer als Generator und die andere immer als Pumpe arbeitet, sodass der Wirkungsgrad derselbe wäre.

Wenn Sie sich einen Weg vorstellen können, es deutlich besser zu machen, dann würden Sie mehr Geld verdienen, indem Sie es tatsächlich in der realen Welt bauen, anstatt eine Geschichte darüber zu schreiben.

Ich erwarte, dass es langsamer ist, aber keine Energie benötigt (jedenfalls keine bemannte Energie). Das Starten der Steine ​​wird einige Zeit und Energie in Anspruch nehmen, aber sobald der Schwung in Gang kommt, ist der Rest einfach

„Der Rest“ (die Energie, die aufgewendet wird, um die Steine ​​in Bewegung zu halten) ist, abzüglich der Verluste, gleich der potenziellen Gravitationsenergie, die durch das aufsteigende Wasser angesammelt wird. Je weniger Energie aufgewendet wird, um die Steine ​​in Bewegung zu halten, desto weniger Wasser wird nach oben gepumpt (unter der Annahme einer Pumpeffizienz von 30 % kostet jeder Liter/Sekunde Durchfluss, der einen Meter nach oben geht, etwa 30 W; also 10 l/s bei 20 m Fallhöhe benötigen ca. 6 kW).

Ihre Hauptschwierigkeit ist der Wasserdruck: Der Balg muss das Wasser ausreichend unter Druck setzen, um es gegen den Gegendruck des Wassers, das sich bereits in den Rohren befindet und die Ventile geschlossen hält, nach oben zu befördern. Sie können diesen Druck mit den Mühlsteinen liefern, aber werden die Dichtungen halten? Und die Rohre? Daher ist die maximal erreichbare Höhe begrenzt (alle 10 Meter wird eine Atmosphäre Druck hinzugefügt).

Dann Effizienz. Mühlsteine, wie gut ausbalanciert und installiert sie auch sein mögen, werden eine beträchtliche Reibung erzeugen. Das einströmende fließende Wasser muss diese Reibung überwinden. Das ist mehr als möglich – schließlich gibt es Wassermühlen , und sie können einen Umwandlungswirkungsgrad von etwa 60 % erreichen . Der Balg kann theoretisch sehr effizient sein , aber dies setzt voraus, dass das Material flexibel und dennoch unnachgiebig ist (es darf sich nicht dehnen, da diese Energie verschwendet wird). Mit den entsprechenden Eigenschaften des Balgmaterials könnten wir einen Pumpwirkungsgrad von 90 % bis 95 % erwarten, was insgesamt etwa 40 % entspricht. Bei langsam fließendem Wasser und einem überschießenden Wasserrad würde sich die Umwandlungseffizienz wahrscheinlich verdoppeln.

Als Alternative (auch bei langsam fließendem Wasser) können Sie ein Wasserrad in Betracht ziehen, das eine vertikale Wasserseilbahn antreibt: Vier oder fünf Eimer, die nach unten fahren, können drei Eimer in jeder Höhe nach oben schicken (langsamer und langsamer, je höher Sie kommen), und die Reibung ist im oberen Bullwheel konzentriert. Das Rad und die Seilbahn können durch Verdicken etwas skaliert werden (die Kübel werden zu Mulden).

Noria . Ein typisches unterschlächtiges Flatboard-Rad verbraucht etwa 20 Prozent der Energie, obwohl es mit etwas Experimentieren auf ~50% verbessert werden kann.

Thermodynamische Überlegungen sagen Ihnen, dass Sie aufgrund all der Verluste im Prozess weniger Wasser nach oben pumpen als nach unten fallen, und Sie können im Grunde vergessen, so hoch wie runter zu gehen.

Mein Bauchgefühl sagt, Sie hätten Glück, wenn Sie eine Gesamtrendite von 30 % erzielen würden.

Die Verwendung einer Archimedes-Schraube ist eine Möglichkeit, wie sie es in alten Zeiten taten ... Sie müssten nur etwas von dem verbleibenden Wasser verwenden, um die Schraube zu drehen ...

In Bezug auf die Wassereffizienz müssen Sie die Energieeffizienz berücksichtigen und dann die Energie berücksichtigen, die das verbleibende Wasser produziert. Letzteres hängt vom Gewicht des Wassers ab, das Sie anheben möchten, mal der vertikalen Entfernung D, zu der Sie anheben, mal einer gewissen Energieeffizienz Alpha, wobei Alpha > 1 und abhängig von der Technologie. Diese Energie erhalten Sie entweder aus der kinetischen Energie des Wassers, das Sie haben (z. B. Rad auf einem Flussbett) oder indem Sie das Wasser auf eine große Entfernung fallen lassen (und dann am Ende / entlang des Weges Räder verwenden (überlegen Sie, wie wird im Hoover-Staudamm durchgeführt) mal etwas Effizienz-Alpha, wobei Alpha <1 abhängig von Ihrer Technologie ist.

Bei der ersten Methode sind Sie darauf angewiesen, dass die Masse des freigesetzten Wassers deutlich größer ist als die Masse, die Sie anheben. Die zweite Methode ist weitaus besser in Bezug auf die Energie, die pro verlorener Gallone freigesetzt wird.

Es gibt einen netten Trick, um die Dinge zu vereinfachen: Verwenden Sie den niedrigen Energieerhaltungssatz, wenn Sie eine Masse heben möchten, lassen Sie die gleiche Masse auf die gleiche Höhe fallen (plus Energieverluste) oder lassen Sie die halbe Masse fallen, um die Höhe zu verdoppeln , oder fallen verdoppeln Sie die Masse auf die halbe Höhe oder verringern Sie sogar ein Zehntel dieser Masse auf die zehnfache Höhe und so weiter.

Übrigens, die Tatsache, dass Sie Wasser oder Sand oder was auch immer pumpen, ändert wenig an der Energieeinsparung, nur an der verwendeten Technologie und den entstandenen Verlusten ...