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Die vorliegenden Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Elektroenergieerzeugung mittels Unterwasserturbinen
unter Ausnutzung von strömendem Wasser
und ist anwendbar zur umweltfreundlichen Elektroenergiegewinnung
durch Wasserkraft.
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Neben der Elektroenergieerzeugung
aus fossilen Brennstoffen und der Nutzung der Atomenergie sowie
von Wind- und Sonnenkraft ist es bekannt, Wasserkraft zum Antrieb
von Turbinen zu verwenden.
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Im einzelnen handelt es sich dabei
um:
- a) Elektronergiegewinnung durch Aufstauen
von Wassermassen (Wasserkraftwerke) b) Nutzung des Gezeitengefälles in
beiden Richtungen zur Elektroenergiegewinnung (Gezeitenkraftwerke)
- c) Nutzung von abfließenden
Wassermassen zur Elektroenergiegewinnung mittels Wasserrädern (Kleinturbinenkraftwerke)
- d) Elektroenergiegewinnung durch Nachtstromnutzung zum Hochpumpen
des Wassers in ein höher
gelegenes Becken und Wiederabfluß in Spitzenzeiten (Pumpspeicherkraftwerke)
- e) Elektroenergiegewinnung durch Nutzung der bewegten Meeresoberfläche (Wellenkraftwerke).
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Alle diese Systeme haben sich in
der Praxis bewährt
und einen entscheidenden Beitrag zur umweltverträglichen Gewinnung von Elektroenergie
geleistet.
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Nachteilig an diesen bekannten Lösungen ist,
daß sie
in der Erweiterung ihrer Nutzungsmöglichkeiten eingeschränkt sind
und teilweise weitere erhebliche Nachteile wie ungenügende wirtschaftliche
Effektivität
und bedenkliche Natureingriffe aufweisen. Die Nutzung der Windkraft
ist international, aber besonders in Deutschland, in den letzten
Jahren kontinuierlich gewachsen. Dafür sind ursächlich die staatliche Förderung
derartiger Projekte und die ständige
Weiterentwicklung der technischen Systeme der Windkraftnutzung festzustellen.
Nachteilig wirken sich beim Betrieb von Windkraftanlagen die Tatsachen
aus, daß
- a) der Wind nicht kontinuierlich zur Verfügung steht
und damit eine effektive, durchgehende Energiegewinnung beeinträchtigt ist.
- b) Es sind Einwirkungen auf die in unmittelbarer Nähe wohnenden
Menschen festzustellen. Gleichzeitig wird die landschaftliche Ansicht
durch die Aufstellung der Windkraftanlagen negativ beeinflußt.
- c) Auch- sind Auswirkungen auf die Fauna und Flora in den Anwendungsgebieten
zu beobachten
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Ähnliche
Nachteile wie bei den Windkraftanlagen gibt es auch bei Wasserkraftwerken.
So verschlingt beispielsweise der Aufstau großer Wassermassen für Wasserkraftwerke
gewaltige Flächen nutzbaren
Grund und Bodens und dereguliert den natürlich gewachsenen Wasserkreislauf
dieser Gebiete.
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Große Teile der Bevölkerung
dieser betroffenen Gebiete verlieren durch Umsiedlung ihre angestammten
Lebensräume.
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Natürlich wurde und wird auch versucht, Elektroenergie
aus Flußläufen zu
gewinnen, ohne diese aufzustauen. Bezeichnend hierbei ist z.B. die
US 2 501 696 des Erfinders
Ernst Souczek.
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Mit seiner verstellbaren, den Strömungsverhältnissen
angepaßten
Strömungsturbine
ist es möglich, Elektroenergie
aus Flußläufen bzw.
Flußmündungen
zu gewinnen.
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Die
DE 38 31 136 A1 ermöglichtes, vorzugsweise hohe
Vorschubkräfte
mit hohem Wirkungsgrad bei Schiffen zu erreichen und gleichzeitig
geringe Schwingungen und Geräusche
zu erzeugen, wird durch verstellbar angeordnete, sensorgesteuerte Turbinen-
oder Propellerelemente realisiert, die sich den Strömungsverhältnissen
anpassen.
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Auch diese Lösung konnte berücksichtigt werden,
auch wenn die Unterwasser-Meeresströmungs-Elektroturbine (UMET) das umgekehrte
Verfahren anwendet – Energieerzeugung
statt Vortrieb.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Vorrichtung zur Elektroenergieerzeugung mittels Unterwasserturbinen
zu schaffen, mit welchen Elektroenergie aus Tiefenmeeresströmungen effektiv, kontinuierlich
und umweltfreundlich sowie ohne spürbare und optisch sichtbare
Eingriffe in die Natur erzeugt werden kann.
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Hinzu kommt, daß beim Einsatz dieser Systeme
dem Meer Energie entzogen wird und dabei der Tendenz der Erwärmung der
Meere entgegengewirkt wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
die Merkmale, die im Anspruch 1 geltend gemacht werden. Die Erfindung
schafft die Voraussetzungen, um die gewaltigen und unerschöpflichen
Naturkräfte,
die sich in den ständigen
oder auch zeitweiligen globalen Tiefenmeeresströmungen befinden, für die Gewinnung
von Elektroenergie nutzbar zu machen.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung
sind in den Unteransprüchen
enthalten.
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Der besondere Vorteil der Erfindung
besteht darin, daß,
indem zwei oder mehrere Unterwasserturbinen in natürliche,
ständige
oder zeitweilige Tiefenmeeresströmungen
eingebracht werden, eine kontinuierliche Elektroenergieerzeugung
möglich
ist.
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Der Antrieb der Unterwasserturbinen
erfolgt durch die Rotorblätter,
die nach der Art von Schiffspropeller-Systemen verstellt werden
können.
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Damit ist, je nach Meeresströmungsdruck, durch
das sensorgesteuerte Verstellen der Rotorblätter eine immer gleichbleibende
Lastaufnahme möglich.
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Die erzeugte Elektroenergie wird
in bekannter Weise, über
Elektro-Seekabel, die zugleich eine Datenleitung für das Steuersystem
enthalten, abgeleitet und weiter verarbeitet. Damit werden für die notwendige
Steigerung der Elektroenergieerzeugung keine zusätzlichen Landflächen benötigt und
der optische Eindruck von Naturlandschaften nicht verändert. Eine
Beeinträchtigung
von Ökosystemen
auf dem Festland und der Meeresbiologie sind nicht zu erwarten.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung
besteht darin, daß die
Unterwasser-Meeresströmungs-Elektroturbinen auch
als mobiles System zum zeitweiligen Einsatz an bestimmten globalen
Punkten, an denen z.B. bei Erschließungsaufgaben oder in Katastrophenfällen ein
Energiedefizit auftritt, kommen können, indem zwei oder mehrere
Unterwasserturbinen mit Schiffspropeller-Systemen gekoppelt und im Wirkungsbereich
natürlicher
Tiefenmeeresströmungen angeordnet
sind.
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Die Erfindung soll nachstehend anhand
von Ausführungsbeispielen
näher erläutert werden:
Die
Meeresströmungen,
die auf allen internationalen Seekarten oberflächenmäßig und fur die U-Boot-Flotten auch
unter der Meeresoberfläche
weitgehend erfaßt
sind, bewegen sich in überwiegend
ständig gleichbleibenden
Richtungen mit bekannten bzw. vorausberechenbaren Strömungsgeschwindigkeiten.
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Sie befinden sich in unterschiedlicher
Meerestiefe, d.h. sie können
an der Meeresoberfläche
bis zum Grund des Meeres also zum Festlandsockel oder auch tiefer,
ausgenutzt werden, wobei sich die Erfindung gemäß Anspruch 1 auf die Nutzung
der Tiefenmeeresströmungen
orientiert. Die Elektroenergieerzeugung mittels Unterwasserturbinen
erfolgt nun dadurch, daß innerhalb
dieser Tiefenmeeresströmungen,
beispielsweise auf dem Festlandsockel, in der von der Meeresströmung abhängig jeweils
günstigsten
Tiefe, eine oder mehrere im Verbund wirkende Unterwasser-Meeresströmungs-Elektroturbinen angeordnet
werden.
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Dabei werden die Turbinen in Unterwasserkörpern angeordnet
und sind auch bei Richtungswechsel der Tiefenmeeresströmung, indem
sie nach dem Wetterhahnprinzip funktionieren, wirksam.
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Erläuterungen zu den Figuren:
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1 eine
Prinzipdarstellung der Vorrichtung zur Elektroenergieerzeugung mittels
Unterwasser-Meeresströmungs-Elektroturbinen
im Meer in Seitenansicht;
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2 eine
Draufsicht zu 1 ohne
Darstellung der Rotorblätter;
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3 Eine
Ausführungsvariante
des Schiffspropeller-Systems mit acht Rotorblättern
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Wie aus den 1 und 2 zu
ersehen, ist in der Meeresströmung 3 der
druckfeste Unterwasserkörper 5 mit
der Unterwasserturbine 1 angeordnet. Bedingt durch die
Meeresströmung 3 werden
die Rotorblätter 2a in
Rotation versetzt, wobei durch spezielle konstruktive Gestaltung
der Rotorblätter 2a sich diese
immer optimal in der Meeresströmung 3 befinden.
Die konstruktive Gestaltung des Unterwasserkörpers 5 erfolgt nach
dem Wetterhahnprinzip. Hierzu weisen die Unterwasserkörper 5 beweglich
ausgebildete Befestigungselemente 5a auf.
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An den Unterwasserkörpern sind
waagerechte und senkrechte Stabilisierungselemente 5b und 5c angeordnet,
welche zugleich zum Auf- und Abtauchen benutzt werden.
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Zusätzlich zu der Richtungsoptimierung
in der Meeresströmung 3 sind
die Rotorblätter 2a strömungsabhängig verstellbar
ausgebildet und in ihren Abmessungen den jeweiligen Meeresströmungs-Standortbedingungen
angepaßt.
Der Betrieb der Unterwasserturbinen 1 wird computergesteuert von
einer auf einer Landstation befindlichen Kontrollstelle, bei der
auch das Seekabel an Land geführt wird,
mittels Datenleitung überwacht.
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Diese Überwachung erfolgt mittels
in den Figuren ebenfalls nicht dargestellten Sensoren am Unterwasserkörper 5 und/oder
an den Unterwasserturbinen 1, die auch die relevanten Meeresströmungsverhältnisse
erfassen.
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Die im Verbund betriebenen Unterwasserturbinen 1 befinden
sich in druckfesten Unterwasserkörpern 5 und
sind auf dem Meeresboden 7 verankert.
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Der Unterwasserkörper 5 mit Unterwasserturbinen 1 kann
sich in beliebiger Tiefe zwischen dem Meeresboden 7 und
der Meeresoberfläche
befinden.
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Die Tiefeneinstellung erfolgt über ein
Liftsystem 6.
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Das Liftsystem
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An Bord der UMET befinden sich zum
Zwecke des Auf- und Abtauchens Druckluftbehälter (s. U-Boot-Betrieb), die
für den
erfindungsgemäßen Anspruch
angepaßt
werden.
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Über
das Steuerungssystem an Bord der UMET-Anlage wird auch das Auf-
und Abtauchen mittels der dafür
genutzen Stabilisierungselemente nach dem Soll-Ist-Prinzip gesteuert.
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Nach dem Transport der UMET-Anlage
mittels Kabelleger oder Transportprahm wird die UMET-Anlage getrennt von
den Rotorblättern
zu Wasser gebracht.
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Im Wasser werden die Bestandteile
(Unterwasserkörper,
Stabilisierungselemente und Rotorblätter) miteinander verbunden,
was wesentliche Vereinfachungen beim Antransport der UMET-Systeme ermöglicht.
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Der Kabelleger hat eine Position
im Meer, die sichert, daß die
UMET entgegen der Meeresströmung
abgetaucht wird.
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Zu diesem Zweck befindet sie sich
an einer Trosse, die an den Befestigungselementen der UMET-Anlage angedockt
ist.
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Während
dieser Phase befinden sich die Rotorblätter in Nullstellung, d.h.,
daß sie
der Strömung den
geringsten Widerstand entgegensetzen.
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Nach dem Abtauchen und Aufsetzen
auf die Verankerungskappe der Offshore-Anlage/ Bohrinsel wird die
Absenktrosse vom Kabelleger ausgeklinkt.
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Gleichzeitig wird über das
Energieleitungssystem, mit dem die UMET nun verbunden ist, Elektroenergie
zur Verfügung
gestellt, um den Betrieb aufzunehmen.
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Das Abtauchen der UMET-Anlage kann
mittels Unterwasserkameras und Scheinwerfern beobachtet werden.
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Die Verbindung zwischen der UMET
und der Verankerung erfolgt mittels eines Koppelstücks nach der
An der bei russischen Raumtransportern verwendeten Technik.
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Die Verankerungen 4 für den Unterwasserkörper 5 mit
den Unterwasser-Meeresströmungs-Elektroturbinen können durch
Anpassung der bereits bekannten Verankerungstechniken, wie sie beispielsweise
für Bohrinseln
entwickelt wurden, realisiert werden.
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Als zweckmäßig hat sich hierbei das Absetzen
von Betonblöcken
auf dem Meeresgrund sowie die Verwendung von Betonplattformen erwiesen.
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Für
die Verankerung der UMET-Anlagen werden nicht mehr benötigte durch
diese Lösung
wird eine kostengünstige
Nachnutzung dieser teuren Verankerungen erreicht und zugleich das
Problem der Entsorgung nicht mehr genutzter Anlagen ökonomisch
und ökologisch
gelöst,
und angepaßte
oder, falls erforderlich, neu hergestellte Offshore-Anlagen/Bohrinseln
verwendet.
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Diese Offshore-Anlagen/Bohrinseln
gewährleisten
eine bewährte
stabile Verankerung am Meeresboden und sichern den störungsfreien
Betrieb der UMET-Systeme unter allen Meeresbedingungen.
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Die entsprechenden jahrzehntelangen
Erfahrungen mit derartigen Verankerungsanlagen werden für den Betrieb
der UMET-Systeme genutzt und für
den Anwendungszweck weiterentwickelt. Eine Neuentwicklung ist dafür die Verankerungskappe (Verbindungsstück zwischen
Offshore-Anlage/Bohrinsel
und UMET), auf der sich auch der Anschluß für das Energieableitungskabel
befindet, konzipiert.
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Diese Verankerungskappe gewährleistet, daß
- a) eine sichere Verbindung zwischen UMET und Offshore-Anlage
realisiert ist,
- b) die UMET sich um 360° drehen
läßt und
- c) die Energie- und Datenübertragung
gesichert ist.
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Die Schiffspropeller-Systeme weisen
mindestens zwei und maximal acht Rotorblätter 2a auf. In 3 ist eine Ausführungsvariante
mit acht Rotorblättern 2a dargestellt.
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Die Rotorblätter 2a sind als massesenkende Hohlkörper aus
hochfestem Material gefertigt. Verbunden mit dem Liftsystem sind
die Auftriebs- und Sinkkräfte
ausgeglichen.
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Durch moderne Kommunikationssysteme können die
Unterwasser-Meeresströmungs-Elektroturbinen auch über große Entfernungen
gesteuert werden.
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Das Steuersystem der Unterwasser-Meeresströmungs-Elektroturbine
(UMET).
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Die UMET wird computergestützt gesteuert, indem über die
Datenleitung, die in das Elektroenergie-Ableitungskabel integriert
ist (Standardlösung), eine
ständige
Erfassung der Betriebsbedingungen gewährleistet wird.
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Das geschieht dadurch, daß das Steuerungsprogramm
(Software) den Sollzustand für
den reibungslosen Betrieb des Systems enthält.
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Dieser Soll-Zustand wird, gemäß Anspruch 6,
ständig,
sowohl innerhalb als auch außerhalb
des Systems, über
Sensoren mit dem Ist-Zustand verglichen.
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Die dazu erforderliche Computeranlage
befindet sich sowohl an Bord des Systems, als auch an der jeweiligen
Auswertungsstelle an Land.
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Mittels Videobild-Übertragungs-
und -Überwachungsanlagen über öffentliche
Netze wird gewährleistet,
daß in
einer Überwachungszentrale
pro Monitor bis zu 10 Videoeingänge
von eingesetzten UMET-Systemen überwacht
werden können.
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Dadurch, daß diese technische Lösung GSM-fähig ist
(GSM = Global Systems Mobile), gelingt es, UMET-Systeme aus beliebigen
Entfernungen (z.B. nächstgelegene
Großstadt
oder über
Ländergrenzen
hinweg) zu überwachen.
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Mit diesem Steuerungssystem wird
gewährleistet,
daß die
jeweilige Stellung der Rotorblätter
der UMETs sichert, daß die
Kraftaufnahme aus der Tiefenmeeresströmung immer dem gewünschten Soll-Zustand
(s.o.) entspricht und dadurch bewirkt, daß immer ein konstanter Energiefluß in Richtung Abnahmepunkt
erfolgt. Das ist notwendig, damit die Versorgungssicherheit der
Abnehmer entsprechend den vorgeschriebenen Parametern der Energieversorgungsunternehmen
eingehalten wird.
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Für
die Ableitung der Elektroenergie von den Unterwasserturbinen 1 werden
bekannte Kabelsysteme 8, welche lediglich geringfügig anzupassen
sind, verwendet.
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Neben der separaten Anordnung und
Befestigung der Unterwasser-Meeresströmungs-Elektroturbinen ist es auch möglich, die
Unterwasserturbinen 1 mit Schiffspropeller-Systemen 2 in
die Konstruktion und/oder Befestigung von Bohrinseln zu integrieren
(siehe weiter oben).
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Die Erfindung ist nicht auf die hier
beschriebenen Ausführungsbeispiele
beschränkt.
Vielmehr ist es möglich,
durch Kombination der aufgezeigten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten der
Erfindung zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Der besondere Vorteil des UMET-Systems für Deutschland
liegt darin, daß alle
für die
Herstellung und den Betrieb dieser Anlagen benötigten Techniken und Technologien,
inkl. der Produktionsanlagen und Fertigungserfahrungen, vorhanden sind.
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Während
die direkte Nutzung dieser Anlagen in der BRD geographisch bedingt
eingeschränkt
sind, ergeben sich für
den Export, die Installationen und den Service sowie den weltweiten
Lizenzverkauf große
Möglichkeiten.
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Damit werden mehr Arbeitsplätze in der
maritimen Industrie geschaffen und bestehende langfristig gesichert.