AT521022B1 - Erzeugung von Dimethylether aus Kohlendioxid und Wasserstoff mit Hilfe eines thermoionischen und magnetohydrodynamischen Generators - Google Patents

Erzeugung von Dimethylether aus Kohlendioxid und Wasserstoff mit Hilfe eines thermoionischen und magnetohydrodynamischen Generators Download PDF

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AT521022B1
AT521022B1 ATA172/2018A AT1722018A AT521022B1 AT 521022 B1 AT521022 B1 AT 521022B1 AT 1722018 A AT1722018 A AT 1722018A AT 521022 B1 AT521022 B1 AT 521022B1
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Abstract

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und Thermischer Energie umfasst eine Brennkammer 9 zur Erzeugung eines heißen Abgases 10 aus Kohlenmonoxid und Wasserdampf durch Verbrennung von Restgasen 1 mit Sauerstoff gewonnen mit Hilfe einer Druckwechseladsorption 6, die Abkühlung des heißen Abgases mit Hilfe von Wärmetauscher 11, 13, 15, die Kondensation von Wasserdampf 17 und die Kondensation von Kohlendioxid 20, umfassend einen Verdichter 34, einen thermoionischen Generator 39, einem magnethydrodynamischen Generator 42, einen Wärmetauscher 45 für Wärmeprozesse, einen Kondensator 32 für die Verflüssigung von Kaliumquecksilber und Natriumquecksilber, einen Tank 31, eine Pumpe 30 mit Regelarmatur, einen Tank 26 für Helium und Argon mit einem Verdichter 27 und einer Regelarmatur 28. Die Erfindung umfasst auch einen Wärmetauscher als Rekuperator 48 und einen Plasmagenerator 54 zur Erzeugung von Wärme, um das Gas- und Dampfgemisch aufzuheizen. Die so gewonnene elektrische Energie wird dazu genutzt um aus Wasser mit Hilfe von Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen, um so zusammen mit Kohlendioxid und Wasserstoff 91 Dimethylether 108 zu erzeugen.

Description

Beschreibung
ERZEUGUNG VON DIMETHYLETHER AUS KOHLENDIOXID UND WASSERSTOFF MIT HILFE EINES THERMOIONISCHEN UND MAGNETHYDRODYNAMISCHEN GENERATORS [0001] Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und Thermischer Energie umfassend eine Brennkammer 9 zur Erzeugung eines heißen Abgases 10 aus Kohlenmonoxid und Wasserdampf durch Verbrennung von Restgasen 1 mit Sauerstoff gewonnen mit Hilfe einer Druckwechseladsorption 6 aus gesaugter Luft 5, die Abkühlung des heißen Abgases mit Hilfe von Wärmetauscher 11,13,15, die Kondensation von Wasserdampf 17 mit Speicherung in einem Tank 18 und die Kondensation von Kohlendioxid 20 mit der Speicherung in einem Tank 21, umfassend einen Verdichter 34, einen thermoionischen Generator 39, einem magnethydrodynamischen Generator 42, einen Wärmetauscher 45 für die Gewinnung von Abwärme für die Verwertung in anderen Wärmeprozessen, einen Kondensator 32 für die Verflüssigung von Kaliumquecksilber und Natriumquecksilber, einen Tank 31, eine Pumpe 30 mit Regelarmatur für das flüssige Metall, einen Tank 26 für Helium und Argon mit einem Verdichter 27 und einer Regelarmatur 28 zum Nachspeisen von Leckage im Kreislauf. Die Erfindung umfasst auch einen Wärmetauscher als Rekuperator 48 und einen Plasmagenerator 54 an Stelle einer Brennkammer 9 zur Erzeugung von Wärme, um das Gas- und Dampfgemisch aufzuheizen. Die so gewonnene elektrische Energie wird dazu genutzt um aus Wasser mit Hilfe von Elektrolyse Wasserstoff zu erzeugen, um so zusammen mit Kohlendioxid und Wasserstoff 91 Dimethylether 108 zu erzeugen.
[0002] Die Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme ist eine seit Menschengedenken wichtiger Eckpfeiler der wirtschaftlichen Entwicklung. Bis zur Entdeckung der elektrischen Eigenschaften von Ampere, dem Induktionsgesetz von Faraday, war Wärme aus den Rohstoffen wie Holz, Gas und Kohle Motor der wirtschaftlichen Entwicklung. Mit der Entdeckung der Elektrizität wurden die fossilen Brennstoffe in der Wertigkeit verbessert, denn zur Erzeugung der Wärme kam nun die Erzeugung elektrischer Energie hinzu. Selbst die Entdeckung der radioaktiven Elemente ausgehend von den Untersuchungen der Pechblende, haben den Anteil der fossilen Brennstoffe um die radioaktiven Erze erweitert, aber an der Verwertung zu Strom und Wärme über mechanische Maschinen wie Dampfturbinen und Gasturbinen hat sich nichts geändert. Der Ausnutzungsgrad des Brennstoffes war und blieb gering. Aus heutiger Sicht kommen noch die umweltrelevanten Gesichtspunkte hinzu, wie Emissionen und Verschmutzung der Umwelt und die hochgradig strahlenden Abfälle, die kaum recycelt werden können, bzw. werden.
[0003] Betrachtet man die heute verfügbaren Treibstoffe, so stellt man fest, dass diese in dem energetischen Dichte limitiert sind. In der folgenden Tabelle werden einige Treibstoffe miteinander verglichen:
Type Hu (kWh/kg) Hu(kWh/Nm3) P (kg/m3)
Schwachgas 1,5 1,0
Syngas 4,0 1,0
Biogas 5,0 1,0
Erdgas 10,0 0,9
Kohle 10,0 1,4
Diesel 10,0 840
DME 8,3 700
DBE 11,4 800
Tabelle 1: Heizwerte ( Hu( kJ/kg; kJ/m3) von flüssigen, gasförmigen und festen Treibstoffen [0004] Aus dem Vergleich erkennt man, dass die flüssigen Treibstoffe ein maximum an Heizwert in der Größenordnung von 10 bis 11,5 KWh/kg erreichen. Doch diese Heizwerte sind gering, und führen immer wieder zu der Frage, gibt es eine Alternative zu den Brennstoffen, um
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Wärme und in der Folge aus der Wärme Strom zu erzeugen.
[0005] Folgt man dem Gedanken der Nachhaltigkeit und Wiederverwendbarkeit (Erneuerbaren) Energie, so stellt man fest, dass mit dem Recycling von Gasen und flüssigen Stoffen, eine Begrenzung in der Verfügbarkeit und der Energiedichte.
[0006] Damit kann man in sehr einfacher Weise folgende Schlussfolgerungen ableiten: wir benötigen höhere elektrische Wirkungsgrade in der Energieumwandlung (siehe Tabelle 2) und wir benötigen höhere Energiedichten bei dem Einsatz von bekannten Brennstoffen und bei möglichen neuen Brennstoffen, um die Anlagen klein, kompakt und sehr effizient bauen zu können. Die Anlagen haben somit eine höhere Leistungsdichte auf zu weisen:
Type n(ele) q(thermal) P(ele)
Biomasse 22% 70% 5 MW
Biogas 36% 43% 0.5MW
Dampf kraft 25% 60% 5 - 400 MW
Gas kraft 25% 60% 5 - 400 MW
Combinded Cycle 50% 35% 400-1200 MW
SOFC 60% 30% 0.5-5 MW
Tabelle 2: Spezifische Leistungen der Anlagen bezogen auf die gleichen Anlagenflächen (m2) [0007] Dimethylether (DME) kann man auch aus Kohlendioxid und Wasserstoff herstellen. Sammelt man Kohlendioxid (CO2) in flüssiger Form, dann kann man zusammen mit Wasserstoff Methanol herstellen und Methanol zu Dimethylether(DME) reduzieren. In der Oxidation von Dimethylether mit Sauerstoff zu Wasserdampf und Kohlendioxid gewinnt man Wasser und Kohlendioxid zurück. Das so gewonnene Kohlendioxid kann man wieder zu der Dimethyletherherstellung rückführen. Der einfachste Weg zur Erzeugung von Wasserstoff ist die Elektrolyse von Wasser zu Sauerstoff und Wasserstoff. Die Elektrolyse benötigt 4.1 bis 5.0 kWh/Nm3 zur Erzeugung von 1 Nm3 Wasserstoff. Damit leitet sich eine weitere Anforderung ab, mit kompakten, einfachen und sehr effizienten Anlagen günstig und effizient Strom zu erzeugen, den wir für die Elektrolyse nutzen können.
[0008] Um kompakt und einfach bauen zu können, gehen wir von einem geschlossenen Kreisprozess mit sehr hohen Temperaturen aus, was einen guten Carnot'schen Wirkungsgrad führt und eine weitere Forderung sind große Mengen an thermischer Energie, die einen sehr hohen Anteil an Exergie aufweist. Unter Exergie versteht man jenen Anteil der thermischen Energie dessen Enthalpie in eine andere Energieform umgewandelt werden kann. Warmwasser mit 95°C hat einen sehr geringen Anteil an Exergie und einen sehr hohen Anteil an Anergie und kann daher nur mehr sehr bedingt zu anderer Energie in Form von mechanischer Arbeit oder elektrischer Leistung umgewandelt werden.
[0009] Für einen guten Wirkungsgrad ist ein Temperaturniveau in der Größenordnung von 1800°C anzustreben. Um kompakt und einfach bauen zu können, suchen wir eine direkte Umwandlung der thermischen Energie in elektrische Energie. Die bisherigen Verfahren gehen immer von einer indirekten Umwandlung der thermischen Energie mittels eigenen Kreisläufen aus, wie dem Wasserdampfkreislauf aus, der nur geringe elektrische Wirkungsgrade und hohe thermische Wirkungsgrade aufweist. Dieses Verhältnis muss umgedreht werden, wir suchen daher elektrische Wirkungsgrade von 70% und thermische Wirkungsgrade von 20% bei einem Verlust von 10%.
[0010] Für die dezentrale Anwendung in regionalen Energieerzeugung ist zudem zu berücksichtigen, dass die Anlagen mobil und für den kleinen Leistungsbereich geeignet sind. Damit ergibt sich die anzustrebende Eigenschaft der Modularität und Mobilität.
[0011] Die Aufgabe die nun zu lösen ist umfasst die Erzeugung von Strom und Wärme aus einem Brennstoff mit hoher Energiedichte, die Umwandlung der exergiereichen Wärme direkt in
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Patentamt elektrische Energie, die Nutzung der exergiereichen Abwärme als Prozesswärme, eine modulare, kompakte, einfache und mobile Bauform der Anlage und deren Anlagenkomponenten, die über einen weiten Bereich skalierbar sind. Die elektrische Energie wird benötigt um Dimethylether aus Kohlendioxid und Wasserstoff herzustellen. Zudem ist die Aufgabe gestellt das Recycling von Kohlendioxid zu unterstützen, und keine Umweltrelevanten Auswirkungen in Form von Asche Abfall, oder Abgasemissionen oder hochgradig strahlenden Reststoffen zu erhalten, Zero Emission ist eine wesentliche Eigenschaft.
[0012] Die in dem Patent US 2 510 397 beschriebene Vorrichtung beschreibt einen thermoelektrischen Generator. Der Nachteil von thermoelektrischen Generatoren sind die niedrigen Temperaturen, die die Materialien des thermoelektrischen Generators aus konstruktiven Gründen ertragen werden kann. Zudem ist zu beobachten, dass die Wirkungsgrade von thermoelektrischen Generatoren sehr gering.
[0013] Das in dem Patent US 2004/0178353 A1 beschriebene Verfahren erzeugt Positronen durch Beschuss eines Targets mit einem Elektronenstrahl. Der Nachteil dieses Verfahrens ist die notwendige hohe Energie der beschleunigten Elektronen von 10 MeV und durch die Interaktion mit dem Target werden nicht nur Positronen, sondern auch Elektronen und Gammastrahlen, sowie Röntgenstrahlen erzeugt. Das Patent beschreibt die Erzeugung von Positronen für messtechnische Zwecke, wo hohe kinetische Energie der Positronen notwendig ist.
[0014] Das in dem Patent US 3467842 A dargestellte Verfahren beruht auf der bekannten Technologie heißes Abgas in einem magnetohydrodynamischen Generator zu beschleunigen und zu entspannen. Der Nachteil ist die hohe Temperatur und die geringe Leitfähigkeit des Abgases aus der Brennkammer. Die hohe Temperatur wird gebraucht um eine Ionisierung des Abgases zu erreichen. Ein weiterer Nachteil ist die Verwendung eines Seedmaterials, das später aufwendig aus dem Abgas rückgewonnen werden muss.
[0015] Das in dem Patent US 3720850 A dargestellte Verfahren beruht auf einem offenen Kreislauf und der Verbrennung und der Erzeugung eines heißen Abgases. Der Nachteil dieser Erfindung ist der geringe Wirkungsgrad des magnetohydrodynamischen Generators im Vergleich zu einer bekannten Gasturbine, die Verwendung von Seedmaterial. Zudem weist das Verfahren die Eigenschaft einer Nullemission nicht auf.
[0016] Das in dem Patent US 4516043 A dargestellte Verfahren beruht auf der Verbrennung von fossilen Rohstoffen, wie Kohle, Öl und Gas. Der Nachteil ist keine Nachhaltigkeit, ein offener Kreislauf und der geringe Wirkungsgrad. Das Prinzip des magnetohydrodynamischen Generators basiert in diesem Fall auf die Teilionisierung des heißen Abgases.
[0017] Das im dem Patent DE 102013105503 dargestellt Verfahren beschreibt die Speicherung von erneuerbarer Energie wie Windenergie, solare Energie in Form von chemischen Stoffen. Der Nachteil dieses dargestellten Verfahrens ist der geringe Wirkungsgrad in der Umwandlung von chemischen Stoffen zu elektrischer Energie, die damit verbundene Nullemission als Eigenschaft und die notwendige Eigenschaft der rezyklierbaren Stoffströmen wie Kohlendioxid und Wasser.
[0018] Das im dem Patent US 2012153772 A1 dargestellt Verfahren beschreibt die Herstellung von Elektroden und die zwischen Elektroden erzeugbare elektromotorische Kraft und eines Potenzialunterschiedes als Funktion der Anzahl an Fehlstellen für die Möglichkeit eines Elektronenflusses in den Elektroden. Der Nachteil dieser dargestellten Erfindung liegt in dem Ansatz, dass als Elektronendonator Feststoffpartikel oder flüssige Partikel in Betracht gezogen werden, die durch den stoßartigen Kontakt mit den Elektroden ionisiert werden sollen. Das führt zu geringen Wirkungsgraden.
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Patentamt [0020] In der folgenden Tabelle werden die Energiedichten von fossilen und nuklearen chemischen Reaktionen dargestellt:
Reaktionen Brennstoffe J/kg Umsetzung/Dichte
C+O2 Restgase, Restfluid 1,35 107 1,25 10’1°
H2 + O2 Restgase, Restfluid 1,35 107 1,25 10’1°
Wasserstoff h2 2,18 108 2,40 10’9
Kernspaltung u235 8,20 1013 9,10 10’4
Fusion A pIT 7,32 1013 8,10 10’4
Fusion (Annihilation) (e+,e-) 9,00 1016 1,0
(P*,P) 1,80 1017 100
Tabelle 3: Darstellung c er chemischen Reaktionen von Brennstoffe und der mit den chemi-
sehen Reaktionen verbundenen Energiedichten.
[0021] Die in der Tabelle 3 angeführte Fusion von Protonen mit dem Isotop B11 wird nicht weiterverfolgt, denn die hier aufgelistete Fusion ist als neutronenlose Fusion bekannt, bedingt aber hoher energetische Inhalte der Protonen (> 600 MeV) die nur durch aufwendige Teilchenbeschleuniger zu erreichen sind, um dann im Reaktor mit dem Isotop B11 zu verschmelzen. Ein weiterer Nachteil ist der hohe Anteil an Bremsstrahlung, die den Wirkungsgrad der chemischen Fusion deutlich reduziert.
[0022] In diesem Punkt ist darauf hinzuweisen, dass auch die Erzeugung von Protonen aus Wasserstoff und mit Hilfe einer Glühkathode hohe Energiemengen benötigt, einerseits durch die Erzeugung von Wasserstoff aus Wasser und die Erzeugung von Protonen aus Wasserstoff. Ein Nachteil ist jedoch, dass die für die Fusion benötigten Antiprotonen nicht so einfach erzeugt werden können. Der Vorteil bei der Fusion von Proton mit einem Antiproton ist der große Wirkungsquerschnitt, sodass es schon bei geringen Dichten zur Fusion kommen kann.
[0023] Erfindungsgemäß wird die Wärme aus der Verbrennung von Restgasen und flüssigen Reststoffen in einer Brennkammer 9 unter hohem Druck von 50 bar durchführt. Dabei eignet sich der hohe Druck in der Brennkammer und den Wärmetauschern für die Übertragung der Abwärme in einer kompakten und einfachen Bauweise. Zudem kann man bei einem Druck von 50 bar Wasserdampf bei einer Temperatur von T=263°C kondensieren 17, und Kohlendioxid bei einer Temperatur von T=14°C verflüssigen 20. Erfindungsgemäß wird diese Eigenschaft ausgenutzt.
[0024] Die Erfindung umfasst aber auch den für den hohen Druck geeignete Form der Brennkammer 9, denn eine turbulente Flamme bei der Verbrennung von Restgasen 1 und Restfluiden 1 mit Hilfe von Sauerstoff 6 nicht stabil. Daher wird erfindungsgemäß das Prinzip der Oberflächenverbrennung ausgenutzt. Die Brennkammer wird mit keramischen Kugeln gefüllt, die für eine Temperatur von 2000°C beständig sind. Kommen nun das Gasgemisch aus Restgasen und Sauerstoff mit der heißen Oberfläche in Kontakt, dann finden an der Oberfläche chemisch Oxidationsprozessen statt, sodass eine Verbrennung stattfindet. Diese Oxidation finden in den Zwischenräumen der keramischen Schüttung statt, die durch die Porosität beschrieben wird. Da die Wärme nicht nur an das Dampfgemisch aus Kohlendioxid und Wasserdampf 10 abgegeben und so eine Temperatur von 1800°C 10 erreicht, zudem wird die Wärme in den Kugeln gespeichert, und so der Wirkungsgrad in der Umsetzung verbessert und man erreicht so einen sehr guten Umsetzung in der Oxidation oder einen sehr geringen Anteil an unverbrannten Gasanteilen.
[0025] Erfindungsgemäß konzentrieren wir uns neben der Verbrennung von Restgasen und Restfluiden mit Hilfe von Sauerstoff auch auf die Möglichkeit der Ausnutzung von Wärme bei den chemischen Reaktionen aus der Fusion von Elektronen und Positronen. Betrachtet man folgende nukleare chemische Reaktionen, die die Fusion von Elektronen und Positronen, dann
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Patentamt kann man zusammenfassen:
[0026] <e+,e>—>2γ (E ~ 0.511 MeV) [0027] Um diese chemische nukleare Reaktion umsetzen zu können, benötigen wir eine Positronenquelle. Im Folgenden wird die Leistung der Positronenquelle genauer definiert.
[0028] Ne+ = N/sec (Anzahl der Positronen, die pro Sekunde ausgestrahlt werden ) [0029] Ne_ = N/sec (Anzahl der Elektronen, die im Plasma verfügbar sind) [0030] Ne+ + Ne- -+ 2Νγ (E ~ 1200 eV) γ ~ 0.511 MeV Ne- ~ Ne+ [0031] Für die thermische Energie ergibt sich folgender Zusammenhang:
[0032] Q = 2N 0.511 MeV 1eV = 1.62 e19 J [0033] Q = 2N 0.511 e+61,62e19 W [0034] Q = 2N 0.511 e+31.62e19 kW= N1.65e16 kW [0035] N = Q 0.603 e+16 kW [0036] Die Auswertung ergibt folgende einfache Tabelle:
Q(kW) Np(1/sec)- e+
50 3.0195E+17
100 6.039E+17
250 1.5098E+18
500 3.0195E+18
1000 6.039E+18
2500 1.5098E+19
5000 3.0195E+19
Tabelle 4: Anzahl der benötigten Positronen um entsprechende thermische Energie Q(kW) zu erzeugen [0037] Damit ist die kritische teilchenzahl N/sec definiert, die benötigt werden, um die entsprechende thermische Energie zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird eine Strahlungsquelle verwendet, die zumindest die kritische Strahlungsintensität abgibt, und es so ermöglicht thermische Energie zu erzeugen.
[0038] Erfindungsgemäß soll die Erzeugung von Positronen über den bekannten ß+ Zerfall erfolgen. Folgende stabile Isotope erzeugen Positronen: (K40, N13, O15, AI26, F18, J124, C11,... ) sind bekannt und können verwendet werden. Als Beispiel sei hier für die Erzeugung von Positronen angeführt:
[0039] Die Intensität der e+ Quelle beträgt in der Regel 109 N/sec. Das ist geringer als die benötigte kritische Teilchendichte, um eine entsprechende thermische Energie zu erzeugen. Daher müssen die Isotopen angereichert werden. Bei den Isotopen unterscheidet man jene Isotope die direkt Positronen abstrahlen, und jene Isotope, die Gammastrahlen emittieren. Der Prozess der Erzeugung von Positronen erfolgt über ein Target aus Platin oder Tungsten, das mit Gamma Quanten aus dem Isotop beschossen wird. Dabei kommt es zur Paarbildung von Elektronen und Positronen, wobei die Elektronen und Positronen durch unterschiedliche Potenzialfelder getrennt werden.
[0040] Alternativ zu den stationären Positronenquellen kann man die Positronen auch durch einen Beschuss eines Targets aus Tungsten mit Elektronen erzeugen. Dabei erzeugt 1 Elektron mit einer Energie von 10 MeV rund das 22500-fache an Positronen. Damit kann die Teilchendichte des Elektronenstrahles definiert werden:
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Patentamt [0041] Die Auswertung ergibt folgende einfache Tabelle:
Q(kW) Np(1/sec)- e
50 1.342E+13
100 2.684E+13
250 6.71E+13
500 1.342E+14
1000 2.684E+14
2500 6.71E+14
5000 1.342E+15
Tabelle 5: Auswertung der Teilchendichte des Elektronenstrahles aus der Kathode, der auf das Target trifft.
[0042] Die dabei erzeugten Positronen und Elektronen werden durch elektrostatische Felder getrennt und über einen Moderator dem Plasma zugeführt. Der Moderator hat die Aufgabe die Energie der Positronen von 1 bis 10 MeV auf < 0.5 MeV zu reduzieren, damit diese für die Fusion mit den im Plasma vorhandenen Elektronen zur Verfügung stehen.
[0043] Ein Ergebnis der chemischen Reaktionen aus der Fusion von Elektron und Positron sind niedrig energetische Gammalichtblitze. Unter niedrigenergetischer Strahlung versteht man die aus der Fusion von Elektron und Positron entstehende Gammastrahlung in Form von 2 Gammaquanten, deren Energie kleiner als E<0.51 [MeV] ist. Diese Strahlung kann nun in Neutronen oder direkt in elektrische Energie durch die Paarbildung [e+,e-] umgewandelt werden. Die ausgestrahlten Gamma Quanten sind keine gerichtete Strahlung, obwohl die Gamma Quanten im Winkel von 180° bezogen auf die Mitte der Geschwindigkeitsvektoren von Elektron und Positron, sondern erfolgen diffus in Abhängigkeit von der aktuellen Geschwindigkeit und Lage der fusionierenden Elektronen mit Positronen. Um die Energie der Gammaquanten zu nutzen stellt sich die Frage nach der Umwandlung der γ Quanten durch die Wechselwirkung mit der Materie zu thermischer Energie, indem niedrigenergetische Neutronen (auch als thermische Neutronen bezeichnet) emittiert werden [0044] 2γ + X —> Q(T) [0045] Um aus der Wechselwirkung von Gamma Quanten mit Materie thermische Energie zu erzeugen, benötigt man Niedrigenergie Quanten mit einer Energie E< 0.511 [MeV] die folgende Eigenschaften aufweisen:
Gamma Lambda(°A) Lambda(cm) F(Hz) E(eV)
<0,1 < 10’9 >3 1019 >105
Tabelle 6: Eigenschaften von Gammaquanten im Niedrigenergiebereich [0046] Als eine mögliche Wechselwirkung der Gammaquanten mit Materie ergibt sich folgende chemische Reaktionen [0047] γ + Be9 -^-Be9 + n [0048] Be9 —> 2 He^ + η = 2α + n
γ+Be Q(MeV) n(MeV) N(1/sec)
-1,67 <0,6 0,9 106
Tabelle 7: Eigenschaften der chemischen Reaktion von Gamma Quanten und Beryllium(Be) [0049] Die Wechselwirkung von Gamma Quanten mit dem stabilen Isotop von Beryllium [4,9] erzeugt Neutronen mit geringer thermischer Energie. Diese thermische Neutronenstrahlung bezeichnet auch als langsame Neutronen sind jene Neutronen, die zu thermischer Energie umgewandelt werden können. Erfindungsgemäß werden diese Neutronen in ein Plasma gelei6/30
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Patentamt tet, das sich dadurch aufheizt. Das Berylliumisotop [4,9] ist ein Feststoff, der auf einem Block aus Bornitrit aufgebracht wird. Bornitrit hat die Eigenschaft der sehr guten Wärmeleitung und hat eine sehr gute dielektrische Eigenschaft. Erfindungsgemäß wird der Block aus Bornitrit gekühlt, denn der Positronen Emitter in Form eines Isotopes strahlt auch dann Positronen ab, wenn es kein Plasma gibt und der Reaktor im Stillstand befindet.
[0050] Diese Gamma Quanten können in der Folge von Isotopen absorbiert werden, das Isotop dadurch angeregt werden und ein Neutron emittiert werden. Als Beispiel für diese Absorption der Gamma Quanten und der Emission von niedrig energetischen Neutronen sind folgende chemische Gleichungen anführt:
[0051] γ + Be| —>Be? + n [0052] Be? -+ 2He2 (= 2α) + n [0053] Die Gammaquanten sind niedrige Energiestrahlung < 0.511 MeV und kann daher erfindungsgemäß mit dem Berylliumisotop [4,9] zu einer Neutronenstrahlung und einem instabilen Berylliumisotop [4,7] umgewandelt werden, das dann in zwei geladene Jonen (He (2,4)) zerfällt. (Alphastrahlung). Die Neutronenstrahlung dient dazu das Gas - und Dampfgemisch zu erhitzen.
[0054] Erfindungsgemäß besteht der thermische Plasmareaktor aus einem oder mehreren Strahlrohren, die um das Plasmarohr angebracht sind. Zwischen dem Strahlrohr und dem Plasmarohr befindet sich ein Moderator. Im Strahlrohr befindet sich ein Ultrahochvakuum mit einem Druck von 10-7 bis 10-12 mbar wodurch die Lebensdauer der Positronen deutlich verbessert werden kann.
[0055] Das Plasmarohr dient dazu, um induktiv das Fluid aus einem Gas und Dampfgemisch in einen Plasmazustand über zu führen. Im angeregten Plasmazustand werden die Elektronen mit den eingestrahlten Positronen fusioniert. Um meine gute Anregung des Plasmas zu erreichen werden Helium oder Argon verwendet, zudem die Metalle Kaliumquecksilber und Natriumquecksilber, die eine sehr hohe lonendichte im Plasma ermöglichen. Damit erspart man sich erfindungsgemäß die Verwendung eines Seedmaterials, das die Aufgabe hat, die Jonen bei hoher Temperatur zur Verfügung zu stellen.
[0056] Die Erfindung umfasst auch die Vorrichtung in Form einer Kombination eines thermoionischen Generators 39 und eines magnethydrodynamischen Generators 42, mit der die thermische Energie direkt in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Der Vorteil dieser Erfindung liegt in den geringem Druckniveau von 1 bis 3 bar des im Kreislauf umlaufenden Gas und Dampfgemisches. Der Druck wird hauptsächlich durch die Lavalldüse im magnethydrodynamischen Generator (MHD) bestimmt.
[0057] Die Vorrichtung in Form einer Kombination eines thermoionischen Generators 39 und eines magnethydrodynamischen Generators 42 zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme, umfasst die Kombination des thermoelektrischen Effektes, indem von einer Kathode bei hohen Temperaturen Elektronen emittiert werden. Dabei wird erfindungsgemäß die Abfolge so angeordnet, dass zuerst der thermoionische Generator und dann der magnethydrodynamische Generator angeordnet sind, was dem Temperaturverlauf im Fluid entspricht.
[0058] MHD - Prinzip: Bewegte Ladungen q mit der Geschwindigkeit v, bestehend aus der Summe der Gasgeschwindigkeit vg und der Partikelgeschwindigkeit vp in einem elektrischen Feld E und Magnetfeld B [0059] F = rrn^ = qE + q(v x B) v = vg + vp [0060] Durch das Magnetfeld B wird zudem auf die bewegte Ladung ein Druck p ~ B2 / 2 μ mit der magnetischen Leitdichte μ erzeugt. Das Magnetfeld B hat die Funktion die Induktion einer elektromotorischen Kraft (EMK) zwischen den u 90° versetzten Elektroden zu ermöglichen, sodass ein Gleichstrom und damit elektrische Leistung erzeugt werden kann, aber zudem auch die Funktion das Gas in einem angeregten Plasmazustand zu halten. Dem Magnetfeld kommen zwei Aufgaben zu: induktive Erzeugung einer EMK und induktive Anregung eines Plasmazu7/30
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Standes im durchströmenden Gas Dampfgemisch.
[0061] Der klassische Magnethydrodynamische Generator 42 nutzt das vereinfachte Prinzip der Erzeugung von elektrischer Energie indem Ionen mit hoher Geschwindigkeit ein Magnetfeld schneiden. Dadurch wird ein elektrisches Feld generiert, das senkrecht zum Magnetfeld wirkt. Der magnethydrodynamische Generator besitzt als ein Magnetfeld, und Elektroden die die elektrisch generierte Energie ableiten. Die Geschwindigkeit der Ionen erhält man durch die hohe Eintrittstemperatur des Gases und in der von sogenannten Keimen. Diese Keime werden unter der Wirkung eines Magnetfeldes zu Ionen aufgespalten.
[0062] Die hohe Geschwindigkeit des heißen ionisierten Gases wird am einfachsten durch eine Düse erreicht. Am besten eignet sich eine Lavalldüse, die das heiße ionisierte Gas auf bis zur 10 fachen Schallgeschwindigkeit beschleunigt. Das beschleunigte ionisierte Gas wird in der Düse vom Düsenvordruck auf den Düsenenddruck entspannt. Man erkennt somit zwei Parameter die den Wirkungsgrad des MHD Generators unterstützen: die Leitfähigkeit des Gases indirekt an die Temperatur des Gases gekoppelt. Dabei wird zwischen der realen thermodynamischen Temperatur des Gases und der Elektronentemperatur Te unterschieden. Entscheidend für den Wirkungsgrad des MHD Generators ist die Elektronentemperatur Te und die Leitfähigkeit o des ionisierten Gas und Dampfplasmas.
[0063] Für die elektrische Leistung des MHD Generators gilt:
[0064] Pele = IRL = (^)2Rl Rg = £ Uo = Bvd [0065] Damit ergibt sich die maximale elektrische Leistung des MHD Generators zu [0066] Pete = [0067] Mit A der Elektrodenquerschnittsfläche, mit o der elektrischen Leitfähigkeit, mit d als Abstand der Elektroden, RL der Widerstand in den Leitungen, und Rg der Widerstand im Plasma ist, U0 ist das angelegte Gleichspannungspotenzial.
[0068] Wie man aus den einfachen Formeln erkennt, ist es daher im Gegensatz zu dem thermoionischen Generator nicht notwendig sehr hohe Gastemperaturen zu haben. Die Erfindung nutzt daher diesen Umstand aus und verwendet ein Gas Dampfgemisch, das eine sehr hohe Leitfähigkeit auch schon bei geringeren Temperaturen besitzt. Erfindungsgemäß wird ein Gas Dampfgemisch aus Kalium Quecksilber und Argon verwendet. Alternativ dazu wird ein Gas Dampfgemisch aus Kalium Quecksilber und Helium verwendet. Die thermodynamischen Eigenschaften von Kalium Quecksilber bestehen unter anderem darin, dass Kalium Quecksilber (KHg) schon bei 270°C von der flüssigen Phase in die dampfförmige Phase wechselt. Im angeregten Plasmazustand verbleiben dann die K+, Hg2+ Jonen neben den Elektronen verfügbar. Die thermodynamischen Eigenschaften von Natrium Quecksilber bestehen unter anderem darin, dass Natrium Quecksilber (K-Hg) schon bei 280°C von der flüssigen Phase in die dampfförmige Phase wechselt. Im angeregten Plasmazustand verbleiben dann die Na+, Hg2+ Jonen neben den Elektronen verfügbar. Damit erreicht man eine sehr hohe Dichte an Jonen und somit eine sehr hohe Leitfähigkeit. Das bedeutet, dass man erfindungsgemäß neben einer sehr hohen Geschwindigkeit v durch eine Lavalldüse auch eine sehr hohe Leitfähigkeit o erreichen kann.
[0069] Das Prinzip des thermoionischen Generators 39 ist seit der Entdeckung von A. Edison (1883) bekannt. Bei dem thermoionischen Prinzip werden von einer beheizten Elektrode, auch Kathode genannt, Elektronen emittiert. Damit die Elektronen sich bewegen können ist eine EMK notwendig, die ein Spannungspotential voraussetzt:
[0070] Elektronen - Dichte: 109 bis 1011 N/cm2 (1V/cm und Druck von p=1 bis 10'3 mbar). In der Erfindung werden Spannungspotenziale von 10 kV und ein Vakuum zwischen der Kathode und Anode verwendet, das man auch als Hochvakuum bei einem Druck von 107 bis 1012 mbar bezeichnet.
[0071] Um die Emission von Elektronen bei der Elektrode zu unterstützen und um das Span8/30
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Patentamt nungspotenzial gering zu halten, wird die Kathode beheizt. Heute verwendete Werkstoffe sind Scandiumoxid, Bariumoxid, auf einem Träger aus Nickel oder Tungsten in Verwendung und ermöglichen eine Emissionsdichte an Elektronen von 460 A/cm2.
[0072] Die Grundlagen der Emission bei der Kathode ist das Spannungspotenzial der Kathode Vc und der Anode Va zwischen Kathode und Anode und das Spannungspotenzial φ0, <pa in der Kathode und Anode, damit Elektronen emittiert ε und gesammelt werden können:
[0073] Vc > <pc Va>rpa Vo — Vc - Va — <pc - cpa — — (ε3 - £c) [0074] Stromdichten in der Kathode und Anode
Vc Va [0075] jc = AcT2c e“xTc ja = AJ* e“><Ta [0076] (k ist die Boltzmann Konstante in eV, A ist eine empirische Konstante, die aus Versuchen gewonnen wird).
[0077] Wärme die der Kathode zugeführt werden muss ergibt sich zu:
[0078] Q = jc(VcÄ) - ja(Va+^) + Ασε(Τ^ - T*) e = 1.602 10’19 [c] [0079] Die elektrische Leistung W des thermoionischen Generators 39 [0080] W = V0(jc - ja) [0081] Thermischer Wirkungsgrad des thermoionischen Generators 39 [0082] η =
Vo(jc-ja) jc(Yc +
2kTc
-ja(Va+^)
Vo = Vc - Va [0083] Parameter des thermoionischen Generators 39 - Symbole zur Vereinfachung der Gleichungen:
[0084] ft ft=i ,, [0085] Der Carnot Wirkungsgrad des thermoionischen Generator 39 [0086] Vmax = (1 - ι9)^ = [0087] Um einen ersten groben elektrischen Wirkungsgrad einer praktischen Anwendung berechnen zu können werden beispielhaft folgende Kenndaten zusammengefasst:
[0088] Kathode:
Temperatur der Kathode = 2000°K
Strahlungsemissionsfaktor der Kathode = 0.25 (so gering wie möglich angestrebt) Fläche der Kathode: 10 cm2 Nennstrom der Kathode = ln Stromdichte j = I n/A = 46 A/cm2 [0089] Anode:
Temperatur der Anode = 500°K
Strahlungsemissionsfaktor der Anode = 0.5 (so gering wie möglich angestrebt) Fläche der Anode: 10 cm2 Nennstrom der Anode = ln Stromdichte j = ln/A = 46 A/cm2 [0090] Der Wirkungsgrad ergibt sich damit zu ~ 30% (k = 8.67e-5 eV/K = Boltzmann Konstante). Das ist im Vergleich zu den thermoelektrischen Generatoren oder den solaren Generatoren schon sehr gut, deren Wirkungsgrad bei ~ 10% liegt.
[0091] Der Aufbau eines thermoionischen Generators 39 besteht aus folgenden Komponenten: beheizte Kathode, eine gekühlte Anode, ein Vakuum oder Plasma zwischen der Kathode und
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Anode. Als Material für die Kathode kommen in Frage: Scandiumoxid, Bariumoxid, Tungsten. Bewährt hat sich ein Schichtaufbau, auf einer Tungsten- oder Nickelelektrode werden die Schichten Bariumoxid und Scandiumoxid aufgetragen. Damit kann die Austrittsarbeit von thermisch induzierten Elektronen erheblich auf ~ 1.1 eV reduziert werden und so eine Nennstromdichte von zumindest ~ 460 A/cm2 ermöglichen (bei einer Temperatur von 1050°C).
T[°C] J[A/cm2]
500 0.5
600 2
700 13
750 32
850 115
935 280
1050 460
Tabelle 8: Messdatenverlauf zeigt den Verlauf der Stromdichte als Funktion der Temperatur und die Sättigung. Zudem kann man aus den Messdaten erkennen, dass das Prinzip des thermoionischen Generators erst ab einer Temperatur von ~ 750°C technisch relevant wird. Bei der Steigerung der Temperatur auf 2000°K ~ 1700°C kann man mit der Kathode keine Steigerung der Emission mehr erreichen, man hat den Sättigungsgrad schon bei 1050°C erreicht. Das hat keinen nachteiligen Einfluss, im Gegenteil, dadurch stehen ab einer Temperatur von 1050°C bis 1700°C (2000°K) die thermische Energie als nutzbare Leistung zur Verfügung.
[0092] Bei einer reinen Kathode und Anoden Bauweise sammelt sich vor der Kathode im Abstand von 3 bis 5 mm eine Elektronenwolke an, die die Emission der Elektronen von der Kathode behindert und als Bremsstrahlung bekannt ist. Daher wird zudem ein Gate, also eine Gitterelektrode verwendet, die den Spannungsabfall von der Kathode zur Anode verstärkt und so das Bilden einer Elektronenwolke verhindert. Über dieses Gate wird nur ~ 1% der elektrischen Leistung abgesaugt, da die Elektronen durch das Potenzial beschleunigt werden und in Richtung der Anode bewegt werden. Die Auswirkung des zusätzlichen Gates auf den Wirkungsgrad des thermoionischen Generators kann wie folgt erfasst werden:
[0093] Erfindungsgemäß wird das aufgeheizte Gas Dampfgemisch nach dem Plasmareaktor 54 oder den Wärmetauschern 11,13,15 dem thermoionischen Generator 39 und dann dem magnethydrodynamischen Generator 42 zugeführt. Das nach dem magnethydrodynamischen Generator abgekühlte Gas Dampfgemisch wird über einen Wärmetauscher 45,48 weiter auf 350°C abgekühlt und dann dem Verdichter 34 zugeführt, der das kalte Gas Dampfgemisch dem Plasmareaktor 54 oder den Wärmetauschern 11,13,15 zuführt.
[0094] Erfindungsgemäß kann auch ein Rekuperator 48 verwendet werden, der die Nutzung des thermischen Wärmepotenziales nach dem magnethydrodynamischen Generator 42 ermöglicht und so den Wirkungsgrad des Kreislaufes verbessert.
[0095] Man erkennt nun aberfolgende Eigenschaft dieses Kreislaufes. Durch die hohe Temperatur im Rücklauf des Gas Dampfgemisches ist dieser Kreislauf nur in sehr wenigen thermischen Prozessvarianten anwendbar, setzt dieser Kreislauf hohe Eintritts- und Austrittstemperaturen voraus.
[0096] Um also hohe elektrische Wirkungsgrade ohne die Verbrennung von Restgasen 1 in einer Brennkammer 9 zu erzeugen, wird erfindungsgemäß auch eine andere Form der Wärmeerzeugung genutzt. Diese liegt in der Ausnutzung der Existenz und Erzeugbarkeit von Positronen und Antiprotonen und deren Möglichkeit der Fusionierung. Damit kann man wie schon am Anfang dargelegt jene notwendige thermische Energie in Form von niedrig energetischer Strahlung (< 0.5 MeV) als eine Folge der Fusion von Positronen und Elektronen [e+,ej, die für das Aufheizen des Gas und Dampfgemisches benötigt wird, erzeugen.
[0097] Diese Form der thermischen Energieerzeugung hat den Vorteil, dass man von der Eintrittstemperatur des Gas- und Dampfgemisches nicht abhängig ist und zudem keine Brenn10/30
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Patentamt kammer 9 und Restgase 1 benötigt. Zudem kann man die Austrittstemperatur des Gas- und Dampfgemisches bis zu 75% modulieren.
[0098] Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist die Skalierbarkeit dieses Kreislaufes mit seinen Anlagenkomponenten von Leistungen im Bereich von 50 kW bis 5000kW und höher. Die besondere Eigenschaft dieses Kreislaufes ist die kompakte und einfache Bauweise, die für regionale und dezentrale Anwendungen besonders wichtig ist.
ABBILDUNGEN
ABBILDUNG 1 [0099] Die Abbildung 1 zeigt einen einfachen Kreislauf für die Abwärmenutzung der Wärme eines Abgases aus einer Brennkammer 9. Brennstoff in Form eines Restgases oder Restfluides wird in dem Tank 2 gelagert, mittels einer Pumpe 3 und einer Regelarmatur 4 in die Brennkammer 9 eingebracht. Um die Gase oder Fluide zu verbrennen wird Sauerstoff benötigt. Luft 5 wird angesaugt und mittels einer Druckwechseladsorption 6 angereichert und mittels einer Regelarmatur 8 in die Brennkammer 9 eingebracht. Das heiße Abgas 10 wird über die Wärmetauscher 11,13,15 abgekühlt. Der Druck in der Brennkammer beträgt zumindest 50 bar, sodass über den Wärmetauscher 17 als Kondensator Wasser als Kondensat abgeschieden wird und in dem Tank 18 gespeichert. Das abgekühlte Abgas wird in einen weiteren Kondensator (20) geleitet, und so das flüssige Kohlendioxid im Tank (21) gespeichert. Die restlichen inerten Gase wie Argon, Helium, Stickstoff werden an die Umgebung abgegeben.
[00100] Die Abwärme wird in einem Kreislauf mit den Fluiden Helium und Kaliumquecksilber und Natrium Quecksilber zu Strom und Wärme umgewandelt. Der Kreislauf besteht aus einem Verdichter 34, den Verdampfer 13, den Überhitzer 11, die Verstromung des heißen Abgases 38 in einem gekühlten 40 thermoionischen Generator 39 und in einem gekühlten 43 magnethydrodynamischen Generator 42, einem Wärmetauscher 45 für die Ausnutzung der Wärme aus dem Fluidgemisch. Das Fluidgemisch wird weiter abgekühlt und die Dämpfe Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber werden kondensiert 32 und in dem Tank 31 in flüssiger Phase gespeichert. Das flüssige Metall wird mit der Pumpe 30 angesaugt über die Regelarmatur 29 wird das flüssige Metall zu dem Verdampfer 15 geleitet und der heiße Kaliumquecksilber- und Natriumquecksilberdampf 36 dem Heliumgas zugemischt.
[00101] Verluste an Helium oder Argon werden über den Tank 26, der Pumpe 27 und über die Regelarmatur dem Kreislauf zugeführt.
ABBILDUNG 2 [00102] Die Abbildung 2 zeigt einen einfachen Kreislauf für die Abwärmenutzung der Wärme eines Abgases aus einer Brennkammer 9). Brennstoff in Form eines Restgases oder Restfluides wird in dem Tank 2 gelagert, mittels einer Pumpe 3 und einer Regelarmatur 4 in die Brennkammer 9 eingebracht. Um die Gase oder Fluide zu verbrennen wird Sauerstoff benötigt. Luft 5 wird angesaugt und mittels einer Druckwechseladsorption 6 angereichert und mittels einer Regelarmatur 8 in die Brennkammer 9 eingebracht. Das heiße Abgas 10 wird über die Wärmetauscher 11,13,15 abgekühlt. Der Druck in der Brennkammer beträgt zumindest 50 bar, sodass über den Wärmetauscher 17 als Kondensator Wasser als Kondensat abgeschieden wird und in dem Tank 18 gespeichert. Das abgekühlte Abgas wird in einen weiteren Kondensator 20 geleitet, und so das flüssige Kohlendioxid im Tank 21 gespeichert. Die restlichen inerten Gase wie Argon, Helium, Stickstoff werden an die Umgebung abgegeben.
[00103] Die Abwärme aus dem Abgas 10 der Brennkammer 9 wird in einem Kreislauf mit den Fluiden Helium und Kaliumquecksilber und Natriumquecksilber zu Strom und Wärme umgewandelt. Der Kreislauf besteht aus einem Verdichter 34 , den Verdampfer 13, den Überhitzer 11, die Verstromung des heißen Abgases mit einem gekühlten 40 thermoionischen Generator 39 und einem gekühlten 43 magnethydrodynamischen Generator 42, einem Wärmetauscher 45 für die Ausnutzung der Wärme nach dem magnethydrodynamischen Generator. Das Fluidge11 /30
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Patentamt misch wird weiter abgekühlt und die Dämpfe Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber werden kondensiert 32 und in dem Tank 31 in flüssiger Phase gespeichert. Das flüssige Metall wird mit der Pumpe 30 angesaugt über die Regelarmatur 29 wird das flüssige Metall zu dem Verdampfer 15 geleitet und das heiße Kaliumquecksilber und Natriumquecksilberdampf 36 dem Heliumgas zugemischt.
[00104] Verluste an Helium oder Argon werden über den Tank 26, der Pumpe 27 und über die Regelarmatur dem Kreislauf zugeführt.
[00105] Um die Wärmekapazität des Abgases zu erhöhen, wird über die Pumpe 116 und der Regelarmatur 117 das flüssige Kohlendioxid zu dem Wärmetauscher 45 geführt und verdampft und überhitzt und dem Sauerstoff 6, der in die Brennkammer 9 eingebracht wird beigemischt.
ABBILDUNG 3 [00106] Die Abbildung 3 zeigt einen einfachen Kreislauf für die Abwärmenutzung der Wärme eines Abgases aus einer Brennkammer 9. Brennstoff in Form eines Restgases oder Restfluides wird in dem Tank 2 gelagert, mittels einer Pumpe 3 und einer Regelarmatur 4 in die Brennkammer 9 eingebracht. Um die Gase oder Fluide zu verbrennen wird Sauerstoff benötigt. Luft 5 wird angesaugt und mittels einer Druckwechseladsorption 6 angereichert und mittels einer Regelarmatur 8 in die Brennkammer 9 eingebracht. Das heiße Abgas 10 wird über die Wärmetauscher 11,13,15 abgekühlt. Der Druck in der Brennkammer beträgt zumindest 50 bar, sodass über den Wärmetauscher 17 als Kondensator Wasser als Kondensat abgeschieden wird und in dem Tank 18 gespeichert. Das abgekühlte Abgas wird in einen weiteren Kondensator 20 geleitet, und so das flüssige Kohlendioxid im Tank 21 gespeichert. Die restlichen inerten Gase wie Argon, Helium, Stickstoff werden über die Drosselarmatur 23 an die Umgebung abgegeben.
[00107] Die Abwärme wird in einem Kreislauf mit den Fluiden Helium und Kaliumquecksilber und Natriumquecksilber zu Strom und Wärme umgewandelt. Der Kreislauf besteht aus einem Verdichter 34 , den Verdampfer 13, den Überhitzer 11, die Verstromung des heißen Abgases mit einem gekühlten 40 thermoionischen Generator 39 und einem gekühlten 43 magnethydrodynamischen Generator 42, einem Wärmetauscher 48 als Rekuperator für die Ausnutzung der Wärme aus dem Fluidgemisch. Das Fluidgemisch wird weiter abgekühlt und die Dämpfe Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber werden kondensiert und in dem Tank 31 in flüssiger Phase gespeichert. Das flüssige Metall wird mit der Pumpe 30 angesaugt über die Regelarmatur 29 wird das flüssige Metall zu dem Verdampfer 15 geleitet und das heiße Kaliumquecksilber und Natriumquecksilber dampf dem Heliumgas zugemischt.
[00108] Verluste an Helium oder Argon werden über den Tank 26, der Pumpe 27 und über die Regelarmatur dem Kreislauf zugeführt.
ABBILDUNG 4 [00109] Die Abbildung 4 zeigt einen einfachen Kreislauf für die Abwärmenutzung der Wärme erzeugt in einem Plasmagenerator 54. In dem Plasmagenerator wird das Gas Dampfgemisch aus Helium und Kalium- und Natriumquecksilberdampf über starke Magnete induktiv in einen Plasmazustand übergeleitet. Diesem Plasma werden Positronen aus dem Strahlrohr 54 über einen Moderator, die aus einer stark emittierenden Strahlungsquelle 52 gewonnen werden, zugeführt, sodass es zu einer Fusion von Elektronen und Positronen kommt und die so gewonnene Strahlungsenergie in Wärme umgewandelt wird und so das angeregte Plasma auf die gewünschte Temperatur aufheizt wird.
[00110] Die Abwärme wird in einem Kreislauf mit den Fluiden Helium und Kaliumquecksilber und Natrium Quecksilber zu Strom und Wärme umgewandelt. Der Kreislauf besteht aus einem Verdichter 34 , den Verdampfer 13, den Überhitzer 11, die Verstromung des heißen Abgases mit einem gekühlten 40 thermoionischen Generator 39 und einem gekühlten 43 magnethydrodynamischen Generator 42, einem Wärmetauscher 48 als Rekuperator für die Ausnutzung der Wärme aus dem Fluidgemisch. Das Fluidgemisch wird weiter abgekühlt und die Dämpfe Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber werden kondensiert und in dem Tank 31 in flüssiger
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Phase gespeichert. Das flüssige Metall wird mit der Pumpe 30 angesaugt über die Regelarmatur 29 wird das flüssige Metall zu dem rekuperativen Verdampfer 118 geleitet, der Niedertemperaturwärme ausnutzt und der Kaliumquecksilber- und Natriumquecksilberdampf dem Heliumgas zugemischt werden kann.
[00111] Verluste an Helium oder Argon werden über den Tank 26, der Pumpe 27 und über die Regelarmatur dem Kreislauf zugeführt.
ABBILDUNG 5 [00112] Die Abbildung 5 zeigt einfache Dimethylether Prozess, in dem Kohlendioxid und Wasserstoff 91 einem Verdichter 92 zugeführt wird, das verdichtet Gas rückgekühlt wird 93, und dann über einen zweiten Verdichter 94 einem Rückkühler 95 zugeführt wird. Das abgekühlte und verdichtete synthetische Gas wird im Kondensator 96 weiter abgekühlt, das flüssige Kohlendioxid im Tank 96 gespeichert, und mit einer Pumpe 99 zur Verfügung gestellt. In dem Wärmetauscher 97 das verbleibende synthetische Gas aufgewärmt und dem Methanolprozeß 102 zugeführt, der Wasserdampf 104 zusammen mit dem Wasserdampf 107 als Kondensat 111 dem Prozess zur Erzeugung von Wasserstoff über Elektrolyse zugeführt. Das Methanol 129 wird dem Dimethyletherprozeß 106 zugeführt, das Methanol 105 recycelt und das Dimethylether 108 als Produkt gewonnen.
ABBILDUNG 6 [00113] Die Abbildung 6 zeigt eine mögliche Ausführung eines magnethydrodynamischen Generators mit dem Eintritt des heißen Natriumquecksilberdampf, Helium und Kaliumquecksilberdampf in den induktiven Plasmabereich 57 wo mit starken Magneten ein Plasmazustand übergeführt wird, das Plasma wird dann einer Lavalldüse 59 zugeführt wo mittels Magnete 61 und Elektroden 65 die generierte elektrische Leistung abgegriffen wird, das abgekühlte Plasma 62 am Ende des Generators einem Diffusor 63 zugeführt und dann 64 als abgekühltes dampfförmiges Fluid weiter verwertet werden kann.
ABBILDUNG 7 [00114] Die Abbildung 7 zeigt eine mögliche Ausführung eines thermoionischen Generators mit dem Eintritt 66 des heißen Natriumquecksilberdampf, Helium und Kaliumquecksilberdampf in den Diffusor 67 eingeleitet wird, und dann die Anwärme aus dem Gas Dampfgemisch über Wärmeleiter 74), der Kathode mit Bariumoxid und Scandiumoxid 72 zugeführt wird, die in einem Ultrahochvakuum ( 7-10 bis 10-12 mbar) Elektronen abstrahlt, die über ein Gate 71,75 beschleunigt werden und der Anode 73 fließen. Die Anode wird über den Wärmeleiter aus Aluminiumnitrid 69, der als Kühlkörper mit einem Fluid 70 gekühlt wird. Am Ende des Generators wird das heiße Gas Dampfgemisch einem Diffusor 76 zugeführt um dann in dem magnethydrodynamischen Generator 54 weiter zu Strom und Wärme verwertet werden kann.
ABBILDUNG 8 [00115] Die Abbildung 8 zeigt eine mögliche Bauform eines Plasmagenerators 54, um das Gas und Dampfgemisch 79 aufzuheizen. Über einen Diffusor 80 das Gas - Dampfgemisch wird induktiv 81 in ein hochangeregtes Plasma umgewandelt. Die Wände des Plasmareaktors sind mit einer Schicht von Bornitrid geschützt auf dessen Innenseite eine Schicht aus Berylliumoxid aufgetragen ist, um die niederenergetische Gammastrahlung in eine niederenergetische Neutronenstrahlung zu verwandeln, die das Plasma aufheizt. Der Plasmagenerator besitzt auch Strahlrohre 89, die den Betastrahler 86 beinhalten, der die Positronen in ein Ultrahochvakuum in Richtung eines Moderators 112 abstrahlt. Das Strahlrohr ist von Magnetspulen 84,85 umgeben, um so den Strahl zu bündeln. Um in dem Strahl Positronen von Elektronen zu trennen, werden positiv geladene Zylinderelektroden verwendet, die die Positronen abstoßen und die Elektronen ableiten. Der Moderator 112 dient dazu die Energie der Positronen zu reduzieren und so als niedrigenergetische Positronen dem Plasma zuzuführen, sodass eine Fusion mit den im Plasma vorhanden Elektronen erfolgen kann. Das so aufgeheizte Plasma wird über einen
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Diffusor 114 abgeleitet und nimmt den gas und dampfförmigen Zustand im Grundzustand wie der ein.
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ZEICHEN UND SYMBOLE
11 12
21 22
Restgase und Restfluid
Behälter für Restgase und Restfluide
Verdichter
Regelarmatur
Luft angesaugt für die Druckwechseladsorption
Druckwechseladsorption
Stickstoff abgetrennt von Luft
Regelarmatur
Brennkammer
Abgas aus der Brennkammer bestehend aus Kohlendioxid und Wasserdampf
Wärmetauscher Abgas / Gas Dampfgemisch
Abgas aus Kohlendioxid und Wasserdampf
Wärmetauscher Abgas / Gas Dampfgemisch
Abgas aus Kohlendioxid und Wasserdampf
Wärmetauscher Abgas zum Verdampfe von flüssigen Metall
Abgas aus Kohlendioxid und Wasserdampf
Kondensator für Wasserdampf
Wassertank
Abgas aus Kohlendioxid
Kondensator für Kohlendioxid
Kohlendioxidtank inerte Gase aus Stickstoff, Helium, Argon, ...
Druckdrossel inerte Gase aus Stickstoff, Helium, Argon, ...
Argon und Helium
Tank für Argon und Helium
Verdichter
Regelarmatur
Regelarmatur für flüssiges Metall
Pumpe
Tank für Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber
Kondensator für Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber
Helium und Argon gas
Verdichter für Helium und Argon flüssiges Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber dampfförmiges Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber
Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber Thermoionischer Generator
Kühlung des Thermoionischen Generators
Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber magnethydrodynamischer Generator
Kühlung des magnethydrodynamischen Generators
Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber
Wärmetauscher
Warmwasser Vorlauf/Rücklauf
Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber Wärmetauscher für Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber Nat riumquecksilber
Vorlauf Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber, Natriumquecksil ber
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Rücklauf Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber, Natriumqueck Silber
Plasmagenerator - Induktionsbereich - Eintritt
Positronenstrahler
Magnetspulen für den Induktionsbereich
Plasmagenerator
Kühlung Plasmagenerator
Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber
Diffusor / Induktionsbereich magnethydrodynamischer Generator
Magnetspulen
Lavalldüse des magnethydrodynamischen Generator
Isolatoren
Magnetspulen
Austritt Lavalldüse
Diffusor
Austritt magnethydrodynamischer Generator
Elektroden
Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber
Diffusor für thermoionischen Generator
Einlaufbereich thermoionischer Generator
Kühlbereich der Anode aus Aluminiumnitrid
Kühlfluidkanäle
Gate zwischen Anode und Kathode
Kathode
Anode
Wärmeleitende Lamellen zur Wärmeübertragung an die Kathode
Gate zwischen Anode und Kathode
Diffusor
Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber elektrische Anschlüsse Kathode, Anode, Gate
Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber
Diffusor
Magnetspulen
Reaktormantel aus Bornitrid
Beschichtung aus Berylliumoxid
Magnetspulen Stirnseite Strahlrohr
Magenspulen Strahlrohr
Positronenquelle positiv geladene Elektrode positiv geladene Elektrode positiv geladene Elektrode
Magnetspulen synthetisches Gas aus Kohlendioxid und Wasserstoff
Verdichter Stufe 1
Rückkühler
Verdichter Stufe 2
Rückkühler
Kondensator für Kohlendioxid
Vorwärmer
Kohlendioxid Tank
Pumpe
100 flüssiges Kohlendioxid
101 synthetisches Gas aus Kohlendioxid und Wasserstoff
102 Methanolanlage
103 Offgas aus Methanolanlage
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104 Wasserdampf
105 Methanol rezykliert
106 Dimethyletheranlage
107 Wasserdampf aus Dimethyletheranlage
108 Dimethylether
109 Regelarmatur
110 Offgas (Restgas)
111 Wasser/Wasserdampf
112 Moderator für gebündelte Positronen
113 Magnetspulen
114 Diffusor
115 Gas Dampfgemisch aus Helium, Argon und Kaliumquecksilber, Natriumquecksilber
116 Pumpe
117 Regelarmatur
118 Rekuperator / Wärmetauscher
KURZZEICHEN
KWK Kraft Wärme Kopplung
PLASMA Plasma bestehend aus geladenen Partikel, das elektrisch neutral ist aber eine Sehr hohe Dichte an Jonen besitzt
EMK Elektromotorische Kraft
MHD Magnethydrodynamischer Generator
TJ Thermoionischer Generator
PSA Druckwechseladsorption um angereicherten Sauerstoff zu erzeugen
RG, RF Restgase und Restfluide die zu Kohlendioxid und Wasserdampf verbrannt werden können
Ar, He Argon und Helium
K-Hg Kaliumquecksilber
Na-Hg Natriumquecksilber
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Claims (4)

  1. Patentansprüche
    1. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme, umfassend einen Behälter (2) mit einem Verdichter (3), einer Regelarmatur (4), einer Brennkammer (9), einer Druckwechseladsorption (6) mit einer Regelarmatur (8), mit Wärmetauscher (11,13,15), mit einem Kondensator für Wasserdampf (17) und einem Wassertank (18), einem Kondensator für Kohlendioxid (20) mit einem Tank (21), einem Verdichter (34), einem thermoionischen Generator (39), einem magnethydrodynamischen Generator (42), einem Wärmetauscher (45), einem Kondensator für dampfförmiges Metall (32) mit einem zugehörigen Tank (31), einer Pumpe (30) mit einer Regelarmatur (29) für flüssiges Metall, einem Tank für Edelgase, mit einem Verdichter (27) mit zugehöriger Regelarmatur (28)
    Gekennzeichnet dadurch, dass
    - Restgase (1) biogene Gase aus Methan und Kohlenwasserstoffe, Deponiegase aus Methan und Kohlendioxid, Prozessgase aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff, Flaregase aus Methan und Wasserstoff in gasförmigem Zustand verwendet werden, die einen Heizwert von minimal 1,5 kWh/m3, maximal 10 kWh/m3 und bevorzugt 5,0 kWh/m3 haben,
    - Die Restgase (1) durch einen hydraulischen Kolbenverdichter (3) auf einen Druck von minimal 30 bar, maximal 100 bar, bevorzugt 50 bar verdichtet werden,
    - Durch eine hydraulisch angetriebene Regelarmatur (4) der Volumenstrom von minimal 100 m3/h, maximal 5000 m3/h, bevorzugt 2000 m3/h geregelt wird,
    - Die Restgase (1) in einer Brennkammer (9) zusammen mit Sauerstoff aus der Luft (5) oxidiert wird,
    - Die Oxidation in einer Brennkammer (9) an der Oberfläche von Kugeln stattfindet
    - Die Kugeln in einer Brennkammer aus Keramischen Werkstoff Aluminiumnitrid bestehen, um so eine Temperatur von 2200°C auszuhalten,
    - Die Kugeln einen Durchmesser von minimal 15 mm, maximal 50 mm, bevorzugt 30 mm haben, um so eine turbulente Strömung der Restgase (1), des Sauerstoffes (8) und des Abgases zu ermöglichen,
    - Der Druckverlust in einer Brennkammer (9) minimal 0.1 bar, maximal 0.5 bar, bevorzugt, 0.25 bar beträgt,
    - Das Abgas (10) aus einer Brennkammer (9) aus Kohlendioxid und Wasserdampf besteht, und einen minimalen 5%, maximalen 50%, bevorzugten 15% Anteil an Kohlendioxid hat,
    - Das Abgas aus einer Brennkammer (9) eine minimale Temperatur von 1000°C, maximal 2000°C, bevorzugt 1800°C hat,
    - Das Abgas (16) über Wärmetauscher (11,13,15) auf eine Temperatur 300°C abgekühlt wird,
    - Der Wasserdampf im Abgas (16) im Kondensator (17) kondensiert wird und auf eine Temperatur von 50°C abgekühlt wird,
    - Das gewonnene Wasser als Kondensat in einem Tank (18) gespeichert wird
    - Das Abgas (19) aus Kohlendioxid und inerten Gasen im Kondensator (20) auf eine Temperatur von 10°C abgekühlt wird,
    - Das flüssige Kohlendioxid aus dem Abgas (19) in einem Tank (21) gespeichert wird
    - Die inerten Gase aus dem Abgas (19) über die Regelarmatur (23) an die Umgebung abgeben werden,
    - Der Anteil der inerten Gase aus dem Abgas (19) einen Anteil von minimal 0.1% , maximal 5% bevorzugt 2% hat,
    - Die Abwärme aus dem Abgas in Form eines geschlossenen Kreislaufes genutzt wird,
    - Das Fluid in dem geschlossenen Kreislauf aus den Gasen Helium und dem dampfförmigen Metall Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber besteht und einen Anteil an Helium von 20% aufweist, einen Anteil an Kaliumquecksilber von 40%, einen Anteil von Natriumquecksilber von 40% aufweist,
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    - ein hydraulisch angetriebener Kolbenverdichter (34) das Helium auf einen Druck von minimal 1 bar, maximal 5 bar, bevorzugt 3 bar verdichtet,
    - eine Pumpe (30) das flüssige Kaliumquecksilber und Natriumquecksilber auf einen Druck von minimal 1 bar, maximal 5 bar, bevorzugt 3 bar verdichtet,
    - Das dampfförmige Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber in einem Kondensator (32) bei einer Temperatur von 150°C kondensiert wird,
    - Das flüssige Metall in einem Tank (31) gespeichert wird,
    - Das in einem Tank (26) Helium gespeichert wird, das über einen hydraulischen Kolbenverdichter (27) mit der zugehörigen Regelarmatur (28) dem Kreislauf zugeführt wird,
    - ein Gemisch aus Helium, Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber (38) als Fluid im Kreislauf verwendet wird und eine Temperatur von minimal 1200°C, maximal 2000°C, bevorzugt 1700°C hat,
    - Das Gemisch aus Helium und Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber (38) einen Druck von minimal 1 bar, maximal 5 bar, bevorzugt 3 bar verdichtet wird,
    - Das Gemisch aus Helium und Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber (38) in einem thermoionischen Generator (39) auf eine Temperatur von minimal 800°C, maximal 1200°C, bevorzugt 1000°C abgekühlt wird,
    - Der thermoionische Generator (39) die Wärme aus dem Gas und Dampfgemisch (38) dazu benutzt um eine Kathode (72) zu beheizen und so die Emission von Elektronen ermöglicht und eine Temperatur von minimal 1200°C, maximal 1700°C, bevorzugt 1600°C hat,
    - Die Elektronen der Kathode (72) von einer gekühlten Anode (73) aufgefangen werde, wobei die Temperatur der Anode (73) minimal 200°C, maximal 500°C, bevorzugt 250°C hat,
    - Zwischen der Kathode (72) und Anode (73) ein Ultrahochvakuum mit einem Druck minimal von 10-12, maximal 10-5, bevorzugt 10-7 mbar hat,
    - Zwischen der Kathode (72) und der Anode (73) ein Gate (71) in Form einer geladenen Gitterelektrode befindet, umso die Elektronenwolke vor der Kathode (72) abzusaugen und die Elektronen zu beschleunigen,
    - Das Gas und Dampfgemisch (41) nach dem thermoionischen Generator (39) einem magnethydrodynamischen Generator (42) zugeführt wird,
    - Das Gas und Dampfgemisch (4.1) über Magnetspulen induktiv in einen angeregten Plasmazustand übergeführt wird,
    - Der Plasmazustand des Gas- und Dampfgemisches (41) durch die hohe Dichte an Natriumionen und Kaliumionen eine hohe Leitfähigkeit aufweist,
    - Das Plasma im magnethydrodynamischen Generator (42) über eine Lavalldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird,
    - Die Beschleunigung des Plasmas so groß ist, dass der Verdichtungsstoß in der Lavalldüse am Düsenende stattfindet und so eine maximale elektrische Ausbeute ermöglicht,
    - Das Druckverhältnis vor dem Lavalldüseneingang und am Lavalldüsenausgang überkritisch ist, sodass der Massenstrom durch die Düse und somit dem magnethydrodynamischen Generator (42) konstant ist,
    - Die Magnetspulen (61) im magnethydrodynamischen Generator (42) eine magnetische Flussdichte von minimal 0.5 Tesla, maximal 10 Tesla, bevorzugt 7 Tesla aufweist,
    - Die Elektroden (65) im magnethydrodynamischen Generator (42) um 90° versetzt zu den Magnetspulen (61) angeordnet sind, um so nach dem Induktionsgesetz die maximale elektrische Ausbeute zu ermöglichen,
    - Die Temperatur des Gas- und Dampfgemisches am Austritt des magnethydrodynamischen Generators minimal 300°C, maximal 600°C, bevorzugt 400 °C beträgt,
    - Das Gas und Dampfgemisch in dem Wärmetauscher (45) auf eine Temperatur von minimal 300°C, maximal 400°C, bevorzugt 350°C abgekühlt wird,
    - Die mit dem Wärmetauscher gewonnene Wärme wird als Prozesswärme verwendet, die eine Vorlauftemperatur von 95°C und eine Rücklauftemperatur von 60°C hat.
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  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend eine Pumpe (115), eine Regelarmatur (116), gekennzeichnet dadurch, dass
    - Das Kohlendioxid aus dem Tank (21) über die Pumpe (117) und der zugehörigen Regelarmatur (118) dem Wärmetauscher (45) zugeführt wird
    - Das Kohlendioxid über die Pumpe (117) auf einen Druck von minimal 30 bar, maximal 70 bar, bevorzugt 50 bar verdichtet wird,
    - Das Kohlendioxid mit dem Wärmetauscher (45) auf eine Temperatur von minimal 96°C, maximal 250°C, bevorzugt auf 150°C erwärmt,
    - Das so erwärmte Kohlendioxid nach dem Wärmetauscher (45) einen dampfförmigen Zustand hat,
    - Das so erwärmte Kohlendioxid der Brennkammer (9) zugeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend einen Wärmetauscher (48)
    Gekennzeichnet dadurch, dass
    - Der Wärmetauscher (48) als Rekuperator verwendet wird,
    - die Wärme aus dem Abgas nach dem magnethydrodynamischen Generator (42) dazu verwendet wird, um das Gas und Dampfgemisch (36) auf eine Temperatur minimal 250°C, maximal 400°C, bevorzugt 350°C vorzuwärmen.
  4. 4. Verfahren zur Erzeugung von elektrischer Energie und Wärme, umfassend einen Verdichter (34), einen thermoionischen Generator (39), einen magnethydrodynamischen Generator (42), einem Wärmetauscher (118), einem Kondensator für dampfförmiges Metall (32) mit einem zugehörigen Tank (31), einer Pumpe (30) mit einer Regelarmatur (29) für flüssiges Metall, einem Tank für Edelgase, mit einem Verdichter (27) mit zugehöriger Regelarmatur (28), einen Verdampfer (118) für flüssiges Metall (35), einen Plasmagenerator (54) Gekennzeichnet dadurch, dass
    - Das Fluid in dem geschlossenen Kreislauf aus den Gasen Helium und dem dampfförmigen Metall Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber besteht und einen Anteil an Helium von 20% aufweist, einen Anteil an Kaliumquecksilber von 40%, einen Anteil von Natriumquecksilber von 40% aufweist,
    - ein hydraulisch angetriebener Kolbenverdichter (34) das Helium auf einen Druck von minimal 1 bar, maximal 5 bar, bevorzugt 3 bar verdichtet,
    - eine Pumpe (30) das flüssige Kaliumquecksilber und Natriumquecksilber auf einen Druck von minimal 1 bar, maximal 5 bar, bevorzugt 3 bar verdichtet,
    - Das dampfförmige Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber in einem Kondensator (32) bei einer Temperatur von 150°C kondensiert wird,
    - Das flüssige Metall in einem Tank (31) gespeichert wird,
    - Das in einem Tank (26) Helium gespeichert wird, das über einen hydraulischen Kolbenverdichter (27) mit der zugehörigen Regelarmatur (28) dem Kreislauf zugeführt wird,
    - ein Gemisch aus Helium, Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber (38) als Fluid im Kreislauf verwendet wird und eine Temperatur von minimal 1200°C, maximal 2000°C, bevorzugt 1700°C hat,
    - Das Gemisch aus Helium und Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber (38) einen Druck von minimal 1 bar, maximal 5 bar, bevorzugt 3 bar verdichtet wird,
    - Das Gemisch aus Helium und Natriumquecksilber und Kaliumquecksilber (38) in einem thermoionischen Generator (39) auf eine Temperatur von minimal 800°C, maximal 1200°C, bevorzugt 1000°C abgekühlt wird,
    - Der thermoionische Generator (39) die Wärme aus dem Gas und Dampfgemisch (38) dazu benutzt um eine Kathode (72) zu beheizen und so die Emission von Elektronen ermöglicht und eine Temperatur von minimal 1200°C, maximal 1700°C, bevorzugt 1600°C hat,
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    - Die Elektronen der Kathode (72) von einer gekühlten Anode (73) aufgefangen werde, wobei die Temperatur der Anode (73) minimal 200°C, maximal 500°C, bevorzugt 250°C hat,
    - Zwischen der Kathode (72) und Anode (73) ein Ultrahochvakuum mit einem Druck minimal von 10-12, maximal 10-5, bevorzugt 10-7 mbar hat,
    - Zwischen der Kathode (72) und der Anode (73) ein Gate (71) in Form einer geladenen Gitterelektrode befindet, umso die Elektronenwolke vor der Kathode (72) abzusaugen und die Elektronen zu beschleunigen,
    - Das Gas und Dampfgemisch (41) nach dem thermoionischen Generator (39) einem magnethydrodynamischen Generator (42) zugeführt wird,
    - Das Gas und Dampfgemisch (41) über Magnetspulen induktiv in einen angeregten Plasmazustand übergeführt wird,
    - Der Plasmazustand des Gas- und Dampfgemisches (41) durch die hohe Dichte an Natriumionen und Kaliumionen eine hohe Leitfähigkeit aufweist,
    - Das Plasma im magnethydrodynamischen Generator (42) über eine Lavalldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird,
    - Die Beschleunigung des Plasmas in der Lavalldüse des Generators (42) so groß ist, dass der Verdichtungsstoß in der Lavalldüse am Düsenende stattfindet und so eine maximale elektrische Ausbeute ermöglicht,
    - Das Druckverhältnis vor dem Lavalldüseneingang und am Lavalldüsenausgang überkritisch ist, sodass der Massenstrom durch die Düse und somit dem magnethydrodynamischen Generator (42) konstant ist,
    - Die Magnetspulen (61) im magnethydrodynamischen Generator (42) eine magnetische Flussdichte von minimal 0.5 Tesla, maximal 10 Tesla, bevorzugt 7 Tesla aufweist,
    - Die Elektroden (65) im magnethydrodynamischen Generator (42) um 90° versetzt zu den Magnetspulen (61) angeordnet sind, um so nach dem Induktionsgesetz die maximale elektrische Ausbeute zu ermöglichen,
    - Die Temperatur des Gas- und Dampfgemisches am Austritt des magnethydrodynamischen Generators minimal 300°C, maximal 600°C, bevorzugt 500 °C beträgt,
    - Das Gas und Dampfgemisch in dem Wärmetauscher (118) auf eine Temperatur von minimal 300°C, maximal 400°C, bevorzugt 350°C abgekühlt wird,
    - Das flüssige Gemisch aus Kaliumquecksilber und Natriumquecksilber im Wärmetauscher (118) verdampft wird,
    - Das Gas- und Dampfgemisch über einen Plasmagenerator (54) erwärmt wird und eine Temperatur minimal 800°C, maximal 2000°C, bevorzugt 1700°C aufweist,
    - Der Plasmagenerator Wärme auf der Basis der Fusion von Elektronen und Positronen erzeugt,
    - Die Anzahl der Positronen eine Teilchendichte minimal von 1013, maximal 102°, bevorzugt 1016 aufweist,
    - Um die Positronen mit Elektronen verschmelzen zu können, das Gas- und Dampfgemisch aus Helium, Kaliumquecksilber und Natriumquecksilber in einen angeregten Plasmazustand übergeführt werden muss,
    - Für die Erzeugung des Plasmazustandes magnetische Spulen mit einer magnetischen Induktion von minimal 0,5 Tesla, maximal 10 Tesla, bevorzugt 7,5 Tesla aufweisen,
    - Die Gammastrahlung die bei der Fusion von Elektronen und Positronen entsteht eine niedrige Energie minimal 0.1 MeV, maximal 0.6 Mev bevorzugt 0.51 MeV hat,
    - Die Gammastrahlung im Plasmareaktor (54) mit Hilfe von Berylliumoxid (Be(4,9)) als Isotop zu einer thermischen Neutronenstrahlung umgewandelt wird und die Neutronen eine kinetische Energie von 0.1 MeV, maximal 0.6 MeV, bevorzugt 0,5 MeV haben,
    - Das Plasma im Plasmagenerator auf eine Temperatur minimal auf 800°C, maximal auf 2000°C, bevorzugt 1700°C erhitzt wird,
    - Als Quelle für die Positronen werden Elektronen aus einer Glühkathode verwendet die mit einer Energie von 10MeV auf ein Target aus Tungsten geschossen werden verwendet wird,
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    - Als Quelle für die benötigten Positronen Isotopenstrahler wie Na22, Co60 oder Cd133 verwendet werden, die eine Teilchendichte von minimal 1015, maximal 102°, bevorzugt 1016 N/sec aufweisen.
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