DE10039989B4

DE10039989B4 - Energieverfahren und Energieanlage zur Umwandlung von Wärmeenergie in elektrische Energie

Info

Publication number: DE10039989B4
Application number: DE2000139989
Authority: DE
Inventors: Rainer Rittmann
Original assignee: Rittmann Rainer Dipl-Ing
Current assignee: Rittmann Rainer Dipl-Ing
Priority date: 2000-08-16
Filing date: 2000-08-16
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2020-08-17
Also published as: DE10039989A1

Abstract

Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie, bei welchem in einem geschlossenem Kreislauf (1) ein Kältemittel oder ein organisches Arbeitsmittel als Fluid in einem Steigrohr bei einem Druck, der über dem kritischen Druck des Kältemittels liegt, unter Wärmezufuhr in einem Erhitzer (11) die kritische Temperatur als maximale Flüssigkeitstemperatur erreicht, und dadurch eine starke Volumenausdehnung und einen Auftrieb in einem Steigrohr (14) erfährt, wobei das Fluid bezogen auf seinen Ausgangspunkt potentielle Energie gewinnt, die gewonnene potentielle Energie durch Beschleunigung in einem Kühler (12) und durch Abkühlung der im Volumen wieder geschrumpften und in der Dichte gestiegenen Flüssigkeit in einem Fallrohr (15) in kinetische Energie umgewandelt wird, die zum Antreiben einer Turbine (13) und eines mit dieser gekoppelten Stromgenerators (13b) verwendet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Umwandlung von Wärme in elektrische Energie, bei denen aus Wärmeenergie kinetische Energie und daraus elektrische Energie erzeugt wird. Es lag die Zielsetzung zugrunde mit Sonnenkollektoren gewonnene Wärmeenergie in drucklosen Wassertanks < 100°C zu speichern und mit dieser gespeicherten Energie einen Kreisprozess zu betreiben der zur Stromerzeugung genutzt werden kann.
Zur Erzeugung von elektrischer Energie aus kinetischer Energie werden konventionell beispielsweise Wasserkraftwerke eingesetzt. Bei kleinen Wassermengen und großem Gefälle werden hierbei vorwiegend Pelton-Turbinen verwendet, die zu den Freistrahlturbinen gehören. Man versteht darunter Turbinen, bei denen das Wasser druckfrei im offenem Strahl gegen ein mit Schaufeln bestücktes Rad strömt. Pelton-Turbinen erfordern eine möglichst große nutzbare Druckhöhe. Der Wirkungsgrad beträgt etwa 90 %.

Desweiteren sind aus Patentschriften US 406 416 , US 5488 828 A , US 3953 971 , DE 195 06 317 A1 und DE 40 35 870 A1 Anlagen bekannt, bei denen Freistrahl- oder andere Flüssigkeitsturbinen in einem geschlossenem System mit Wasser oder einem organischem Fluid als Betriebsmittel laufen. Diese Anlagen können teilweise bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen betrieben werden.

Das Prinzip dieser Anlagen ist in allen Fällen als gleich anzusehen: Verdampfen einer Flüssigkeit im Verdampfer unter dem Turbinenraum, aufsteigen des Dampfes durch ein Steigrohr und damit Erzeugung von potentieller Energie, kondensieren in einem Kondenser nach dem Verlassen des Steigrohres und anschließender Druckausbau im Fallrohr zur Turbine, wo die potentielle Energie in kinetische Energie und schließlich über Turbine und Generator in elektrischen Stom umgewandelt wird. Nachdem die Flüssigkeit die Turbine verläßt beginnt der Prozeß von neuem.

Folgende Nachteile an diesem Prinzip werden gesehen:

– Schlechter Wirkungsgrad durch die aufzubringende Verdampfungsenthalpie.
– Die maximale Höhe der Anlage wird durch die adiabate Entspannungscharakteristik des jeweiligen Dampfes im Steigrohr bei vorgegebener Kondensationstemperatur begrenzt.
– Für die Gasphase ist ein großer Steigrohrdurchmesser erforderlich.
– Verdampfer und Kondenser erfordern große Tauscherflächen.

Die Erfindung stellt ein Energieverfahren und eine Anlage vor, bei denen bei vergleichsweise niedriger Temperatur und deutlich geringerem Energieeinsatz über potentielle Energie kinetische Energie und dann elektrische Energie erzeugt wird.

Bei dem Verfahren ist ein Kältemittel, hier R 125, eingesetzt. An allen Stellen innerhalb der Anlage (1, Kreislauf 1) beträgt der Druck innerhalb der Anlage mindestens dem kritischen Druck des Kältemittels oder liegt darüber.
Das Kältemittel befindet sich zuerst auf der Höhe h₁ und wird dort durch Zuführ von Wärme im Wärmetauscher (11) bis auf die kritische Temperatur von 65,2 °C erwärmt. Das Kältemittel erfährt somit die maximal mögliche Flüssigkeitsausdehnung und eine Dichte von 0,568 kg/dm³. Verdampfung im Naßdampfgebiet findet nicht statt, also wird auch keine Verdampfungswärme zugeführt. Vielmehr findet im krischen Punkt ein kontinuierlicher Übergang zwischen Flüssigkeits und Gasphase statt. Die Zustandsänderungen des Kältemittels sind in 6.1 dargestellt.
Die Flüssigkeit (Gasphase) erfährt einen Auftrieb und steigt auf bis zur Höhe h₂, durchströmt den Kühler (12) und durch Abkühlung erreicht die Flüssigkeit eine Temperatur von 30 °C und eine Dichte von 1,159 kg/dm³.
Die Flüssigkeit durchströmt das Fallrohr (15) und gibt seine potentielle Energie als kinetische Energie an die in einem Gasraum (13a) befindliche Pelton-Turbine (13) ab, strömt durch den Syphon (16) und wird wieder erwärmt.
Die Flüssigkeit (Gasphase) ist nicht kompressibel und entspannt nicht wie Dampf beim Aufsteigen adiabat. Sie erzeugt vielmehr im Steigrohr (14) einen nach oben linear abnehmenden Druckabbau.
Zur Ermittlung der nutzbaren Energie an der Turbine (13) ist die vollständige potentielle Energie des stark ausgedehnten Kältemittels im Steigrohr (14) von der potentiellen Energie des abgekühlten Kältemittels im Fallrohr (15) abzuziehen.
Auf den ersten Blick stellt dieser Vorgang einen Nachteil dar, gegenüber bekannten Anlagen, wo das Fluid verdampft. Unter Einbeziehung der nur vergleichsweise geringen Wärmemenge, die zum Erhitzen und Ausdehnen der Flüssigkeit verwendet wird, ergibt sich aber ein um über 100% gesteigerter Wirkungsgrad auf 15,78 % bei dem Kältemittel R 125. In 2 und 3 ist die Energiebilanz mit dem Kältemittel R 125 bei einer möglichen Anlagenhöhe von 3000 m dargestellt. In 5 und 6 ist gemäß der Erfindung die Energiebilanz bei einer Fallhöhe von 3000 m mit dem Kältemittel R13 B1 dargestellt, mit einem gegenüber dem Verdampfungsprinzip um 400% gesteigerten Wirkunsgrad von 29,78 %.
In 4 sind zum Vergleich die maximalen erreichbaren Wirkungsgrade mit dem Verdampfungsprinzip dargestellt unter Berücksichtigung der durch adiabate Entspannung maximal erreichbaren Anlagenhöhe.
Zum störungsfreien Betrieb ist es erforderlich, die Turbinenkammer (13a) mit einem Gas zu füllen und im weiteren Verlauf mit einem Syphon (16) ein Durchschlagen des Gases in den unteren Wärmetauscher (11) und die Steigleitung (14) zu verhindern.
Die Anlage ist für die Nutzung von Wärme aus Solarkollektoren (21), geothermische Wärme oder Abwärme denkbar.
Wie in 1 dargestellt wird die Wärme von Solarkollektoren (21) genutzt und die gewonnene Sonnenenergie kann vorteilhaft in großen drucklosen Wassertanks (24) bei Temperaturen knapp unter 100 °C für einen vollkontinuierlichen Betrieb gespeichert werden.
Die kritische Temperatur des Kältentels R 125 von 66,2 °C liegt etwa in der Mitte zwischen der Wassertemperatur von unter 100 °C und der Abkühltemperatur von 30 °C. Die kritische Temperatur von CO₂ liegt bei 31 °C. Ein Betrieb mit CO₂, gemäß der Erfindung, käme in Regionen mit Dauerfrost in Betracht, wo sich gleichzeitig Erdwärme gewinnen läßt.

Claims

Verfahren zum Umwandeln von Wärmeenergie in elektrische Energie, bei welchem in einem geschlossenem Kreislauf (1) ein Kältemittel oder ein organisches Arbeitsmittel als Fluid in einem Steigrohr bei einem Druck, der über dem kritischen Druck des Kältemittels liegt, unter Wärmezufuhr in einem Erhitzer (11) die kritische Temperatur als maximale Flüssigkeitstemperatur erreicht, und dadurch eine starke Volumenausdehnung und einen Auftrieb in einem Steigrohr (14) erfährt, wobei das Fluid bezogen auf seinen Ausgangspunkt potentielle Energie gewinnt, die gewonnene potentielle Energie durch Beschleunigung in einem Kühler (12) und durch Abkühlung der im Volumen wieder geschrumpften und in der Dichte gestiegenen Flüssigkeit in einem Fallrohr (15) in kinetische Energie umgewandelt wird, die zum Antreiben einer Turbine (13) und eines mit dieser gekoppelten Stromgenerators (13b) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Druck im geschlossenem System überall mindestens den kritischen Druck des verwendeten Fluids erreicht oder übersteigt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2 dadurch gekennzeichnet, daß der Turbinenraum (13a) der Turbine (13) eine Inertgasatmosphäre erhält.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet daß der Flüssigkeitsablauf unterhalb der Turbine (13) als Syphon (16) ausgeführt ist, um ein Durchschlagen des Gases der Turbinenkammer in die Steigleitung zu verhindern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Fluid in der gesamten Steigleitung eine konstante Temperatur aufweist, die der kritischen Temperatur des Fluids entspricht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet daß die Temperatur in der Steigleitung (14) durch Isolation und zusätzliche Energieabgabe aus einem sekundären Wasserkreislauf (2) konstant gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Erhitzer (11) über einen Wasserkreislauf (2) mit Sonnenenergie, geothermischer Energie oder Abwärme erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß der Kühler (12) auf Kühlung durch Umgebungsluft oder Kühlung durch Wasser ausgelegt ist.