DE10126403A1

DE10126403A1 - Kraftstation mit einem CO2-Kreislauf

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Publication number: DE10126403A1
Application number: DE10126403A
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2001-05-22
Publication date: 2001-12-06

Abstract

Kraftstation (1) mit CO2-Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit einer Vorlaufleitung (6) mit mindestens einer Turbine (17) oder einem Kolbenmotor und einer Rücklaufleitung (7) mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung (14), wobei Vorlaufleitung (6) und Rücklaufleitung (7) einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstation mit CO₂-Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit den einleitenden Merkmalen der unabhängigen Pa tentansprüche.

Der Wirkungsgrad und die u. a. daraus resultierenden Einsatzmöglich keiten von bekannten Kraftstationen mit z. B. Explosionsmotor, Dampf maschinen oder Gasturbinen sind bei niedrigen Arbeitstemperaturen ungenügend bzw. eine technische Lösung ist nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstation mit verbessertem Wirkungsgrad bei niedrigen Temperaturen mit vielfälti gen Einsatzmöglichkeiten zu schaffen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Kraftstation mit den kenn zeichnenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen und besonders zweckmässige Weiterbildungen der Er findung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.

Die Erfindung ist in äquivalenter Weise sowohl gerichtet auf eine Kraftstation mit CO₂-Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit einer Vor laufleitung mit mindestens einer Turbine oder Kolbenmotor und einer Rücklaufleitung vom Niederdruckbehälter mit mindestens einer Druck aufbaueinrichtung, wobei Vorlaufleitung und Rücklaufleitung einen geschlossenen Kreislauf bilden, als auch insbesondere auf eine Kraftstation mit CO₂-Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit einem Hoch druckbehälter, einem Niederdruckbehälter, einer Vorlaufleitung mit mindestens einer Turbine oder Kolbenmotor vom Hochdruckbehälter zum Niederdruckbehälter, und einer Rücklaufleitung vom Niederdruckbehäl ter zum Hochdruckbehälter mit mindestens einer Druckaufbaueinrich tung.

Der Wirkungsgrad einer Kraftstation mit CO₂-Flüssigkeit ist u. a. abhängig vom gewählten Druck- bzw. Temperaturbereich. Voraussetzung für den Betrieb einer solchen Kraftstation sind zur Verfügung ste hende Wärmeenergieen mit einer Mindesttemperatur von ca. 20 bis 40°C und Kälteleistungen auf einem Temperaturniveau von ca. minus 20°C bis ca. plus 10°C, abhängig vom gewählten Temperaturbereich. Die erfindungsgemäße Kraftstation mit CO₂-Flüssigkeit ist in beiden Al ternativen ein Energiewandler, welcher thermische Energie mit rela tiv niedrigem Temperaturniveau über den Aufbau eines Druckes in ei ner Flüssigkeit und einer nachfolgenden Turbine oder Kolbenmotoren/ Generatoreneinheit in mechanische, respektive elektrische Leistung umformt.

Die Kraftstation baut auf den folgenden physikalischen Prinzipien auf:

1. den physikalischen Eigenschaften von flüssigem CO₂, insbesondere in Abhängigkeit der Dichte von Druck und Temperatur,
2. den physikalischen/technischen Prinzipien einer Flüssigkeits turbine oder Kolbenmotor.

Die Kraftstation arbeitet intern mit relativ kleinen Temperaturdif ferenzen auf niedrigem Temperaturniveau (z. B. zwischen minus 20°C und plus 30°C). Als Energiequellen können beliebige Wärmequellen verwendet werden. Die Kraftstation ist daher vor allem auch für die Nutzung von Wärme auf niedrigem Temperaturniveau, wie z. B. für So larenergie geeignet.

Die Kraftstation basiert auf einem Flüssigkeitskreislauf. Ein Diffe renzdruck zwischen zwei Flüssigkeiten wird über eine Flüssigkeits turbine in mechanische Energie umgewandelt, analog einer Wassertur bine. Anstelle des Druckes durch die Höhenunterschiede der Wasserni veaus bei einer Wasserkraftmaschine wird gemäß der Erfindung der Druckaufbau in der Flüssigkeit selbst durch Erwärmung der Flüssig keit erzielt. Die Flüssigkeit besteht hierbei aus flüssigem CO₂ un ter hohem Druck. Flüssiges CO₂ ändert im Gegensatz zu anderen Flüs sigkeiten, wie z. B. Wasser, wesentlich stärker seine Dichte bei ei ner Temperaturänderung. Bei Erwärmung von flüssigen CO₂ in einem ge schlossenem Behälter kann sich die Flüssigkeit nicht ausdehnen und man erhält dadurch einen hohen Druckanstieg. Mittels zweier im Volu men variabler Druckkammern mit flüssigem CO₂ kann durch Erwärmung bzw. Abkühlung ein hoher Differenzdruck erzeugt werden. Die Druck differenz zwischen warmer und kalter Flüssigkeit wird zum Antrieb einer Flüssigkeitsturbine oder eines Kolbenmotors genutzt. Diese me chanische Energie kann direkt genutzt werden oder die Turbine oder der Kolbenmotor treibt einen elektrischen Generator an, welcher die erzeugte elektrische Energie ins Verbrauchernetz einspeist bzw. ei nen oder mehrere elektrische Antriebe der Kraftstation (Eigenbedarf) versorgt. Die entspannte und abgekühlte CO₂-Flüssigkeit wird über einen Kreislaufprozess durch Wärmezuführung wieder in den Druckbe hälter mit höherem Druck zurückgeführt.

Bei einem isochoren Druckabbau über die Turbine oder den Kolbenmotor geht die Temperatur des flüssigen CO₂ auf die Ausgangstemperatur vor der Erwärmung zurück. Für die Erwärmung wird z. B. die Verlustwärme eines thermischen Prozesses eingesetzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Hoch druckbehälter und der Niederdruckbehälter jeweils in mindestens zwei separate Kammern unterteilt, wobei die Kammern zum gegenseitigen Vo lumenausgleich mit Stellmitteln ausgestattet sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können der Hochdruckbehälter und der Niederdruckbehälter jeweils über Wär metauscher mit thermischer Energie beaufschlagt werden.

Gemäß einer dritten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthal ten der Hochdruckbehälter und der Niederdruckbehälter jeweils flüs siges CO₂ in einer ersten Kammer und ein Gas, wie z. B. Luft oder Stickstoff, in einer zweiten Kammer.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Turbine als Flüssigkeitsturbine ausgestaltet, die einen Generator, z. B. einen Synchrongenerator, antreibt. Beim Einsatz eines Kolbenmo tors kann anstelle eines rotierenden Generators ein Lineargenerator eingesetzt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand zweier Ausführungsbeispiele dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Anlagenplan einer Kraftstation gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Kraftstation gemäß der Erfindung mit einer Druckaufbaueinrichtung vom Typ A nach dem Prinzip eines Stirlingmotors mit abwechselnder Erwärmung bzw. Abküh lung zweier gegenüberliegender Gaszylinder,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Druck aufbaueinrichtung vom Typ A und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Kraft station gemäß der Erfindung mit einer Druckaufbaueinrichtung vom Typ B.

Die Kraftstation nach Fig. 1 besteht aus einem Hoch- und einem Nie derdruckbehälter 2, 3, welche jeweils mit flüssigem CO₂ mit unter schiedlichen Drücken und Temperaturen sowie einem oberhalb einer schwimmenden Trennwand vorgesehenen Gaspuffer (z. B. Stickstoff) 4, 5 gefüllt sind. Das Volumen für das flüssige CO₂ der Hoch- und Nie derdruckbehälter 2, 3 ist hierbei variabel. Die Dichte der CO₂- Flüssigkeiten in den Hoch- und Niederdruckbehältern 2, 3 wird kon stant gehalten über jeweils eine Temperaturregelung (nicht darge stellt).

Die Hoch- und Niederdruckbehälter 2, 3 sind vorgesehen für die Be reitstellung bzw. Pufferung der unter Druck stehenden CO₂ Flüssig keiten für die Übergänge zwischen den einzelnen Druckaufbaueinheiten in der Druckaufbaueinrichtung. Mittels zweier Druckleitungen, näm lich einer Vorlaufleitung 6 und einer Rücklaufleitung 7 zwischen den Hoch- und Niederdruckbehältern 2, 3 erfolgt der Aufbau des Flüssig keitskreislaufes. Als Stabilisierungselemente für Volumen- und Druckanpassungen werden Gasdruckvolumina für Volumenänderungen und Temperaturregeleinheiten aus je einem Wärmetauscher 8, 9 inkl. zuge höriger Ventile 10, 11 und einer Umwälzpumpe 12, 13 eingesetzt. In der Rücklaufleitung 7 vom Niederdruckbehälter 3 zum Hochdruckbehäl ter 2 ist eine Druckaufbaueinrichtung 14 vorgesehen.

In der Vorlaufleitung 6 sind zwei Absperrschieber 15, 16 und eine Flüssigkeitsturbine oder ein Kolbenmotor 17 eingebaut. Über die Flüssigkeitsturbine oder den Kolbenmotor 17 erfolgt der Druckaus gleich (Entspannung). Die in der Flüssigkeitsturbine oder dem Kol benmotor 17 gewonnene mechanische Energie kann über einen elektri schen Generator 19 in elektrische Energie umgewandelt werden.

Mittels der Rücklaufleitung 7 vom Nieder- zum Hochdruckbehälter 3, 2 und der Druckaufbaueinrichtung 14 erfolgt eine Rückspeisung der CO₂- Flüssigkeit von der Druckkammer 3 mit niedrigem Druck in die Druck kammer 2 mit höherem Druck.

Als Wärme- bzw. Kältemedium für die Erwärmung (d. h. für den Druck aufbau) bzw. Abkühlung des flüssigen CO₂ wird mittels den entspre chend dimensionierten Wärmetauschern 8, 9 Wasser verwendet (mit o der ohne Frostschutzmittel je nach den Anforderungen, d. h. abhängig von der Umgebungstemperatur bzw. der Temperatur des Kühlmittels).

Im Rahmen der Fig. 2-4 werden alternative technische Lösungen für den Druckaufbau, d. h. die Druckaufbaueinrichtung, erläutert. Die Erwärmung und folglich der Druckaufbau der CO₂-Flüssigkeit erfolgen in der Druckaufbaueinrichtung 14. Die Größe der Druckbehälter 2, 3 ist so zu wählen, dass auch bei intermittierender Erwärmung, d. h. intermittierendem Druckaufbau, ein kontinuierlicher Betrieb der Flüssigkeitsturbine oder des Kolbenmotors 17 gewährleistet ist.

Funktionsprinzip

Die CO₂-Flüssigkeit ändert durch Erwärmung bzw. Abkühlung ihren Druck. Die Erwärmung erfolgt über die Druckaufbaueinrichtung 14 und die Abkühlung über die Entspannung in der Flüssigkeitsturbine oder dem Kolbenmotor 17. Weiterhin werden zusätzliche Wärmetauscher 8, 9 kleinerer Leistung verwendet, um die Temperaturen in den beiden Druckbehältern 2, 3 konstant zu halten bzw. für die Anfangserwärmung oder Abkühlung der Flüssigkeiten beim Anfahrvorgang der Kraftstati on.

Die Temperaturen und Drücke in den Druckbehältern 2, 3 liegen z. B. bei ca. 10°C und 50 bar für die kalte Flüssigkeit und bei ca. 20°C und 100 bar für die warme Flüssigkeit. Die unter höherem Druck ste hende, erwärmte Flüssigkeit wird über die Flüssigkeitsturbine oder den Kolbenmotor 17 entspannt und über die Druckaufbaueinrichtung 14 wieder in den Druckbehälter 2 mit dem höheren Druck zurückgeführt. Während des gesamten zyklischen Durchlaufs bleibt das CO₂ flüssig, d. h. es erfolgt kein Wechsel des Aggregatzustandes des Arbeitsmedi ums. Es fallen daher auch keine Kondensationsverluste wie z. B. bei einem konventionellen Dampfkraftwerk an.

Aufgrund der gegebenen physikalischen Daten von CO₂ ist der Tempera turbereich für den CO₂-Flüssigkeitskreislauf begrenzt durch die kri tische Temperatur von 31°C.

Nachfolgend werden zwei Alternativen für die Druckaufbaueinrichtung erläutert. Die Variante vom Typ A basiert auf einer technischen Lö sung ähnlich einem Stirlingmotor mit mehreren Druckgaszylindern und dem CO₂-Flüssigkeitskreislauf für die Kraftübertragung. Die Variante vom Typ B stellt eine Technik dar mit flüssigem CO₂ sowohl als An trieb als auch als Kraftübertragung.

Bei der Kraftmaschine mit CO₂-Flüssigkeitskreislauf und Druckaufbau einrichtung gemäss Typ A verfügt diese Kraftmaschine über zwei Hauptkomponenten. Die eine Komponente ist eine Maschine, welche über den isochoren Druckabbau von einer unter Druck stehenden variablen Flüssigkeitsmenge mittels einer Flüssigkeitsturbine mechanische Lei stung bzw. über einen von der Turbine angetriebenen Generator elek trische Leistung gewinnt. Die andere Komponente besteht aus einer Anzahl von Druckaufbaueinheiten (DAE), welche den Druck in der Flüssigkeit wieder aufbauen und die Flüssigkeit mit hohem Druck der Komponente 1 wieder zur Verfügung stellen. Die beiden Komponenten sind miteinander über Druckrohrleitungen verbunden und verfügen über eine übergeordnete elektronische Steuereinrichtung. Die Maschine zur Energiewandlung arbeitet mit einer CO₂-Flüssigkeit als Arbeitsmedi um. Die CO₂-Flüssigkeit dient auch gleichzeitig als ein Kühlmittel für die Gasmengen in den Druckaufbaueinheiten (DAE). Diese Druck aufbaueinheiten (DAE) arbeiten mit einem Gas als Arbeitsmedium (z. B. Helium) und mit flüssigem CO₂ für die Kraftübertragung sowie teilweise für die Kühlung der Gasvolumina. Die Druckaufbaueinheiten (DAE) geben die aus der thermischen Energie durch Volumenausdeh nung des Arbeitsgases (z. B. Helium) gewonnene mechanische Energie in Form einer unter Druck stehenden Flüssigkeit an die Komponente 1 ab. Beide Komponenten und das Zusammenwirken werden anhand eines Beispieles erläutert.

Im Flüssigkeitskreislauf wird über die Erwärmung der CO₂-Flüssig keit eine innere potentielle Energie (Druck der Flüssigkeit) auf gebaut. Diese innere potentielle Energie einer erwärmten CO₂-Flüs sigkeit wird dann isochor entspannt über z. B. eine Flüssigkeitstur bine. Gleichzeitig wird mittels der Druckaufbaueinheiten (DAE) die gleiche Menge an flüssigen CO₂ wieder in den Hauptbehälter zurück gefördert. Der Rücktransport der CO₂-Flüssigkeit in den Hauptbehäl ter erfolgt über die Volumenänderung der Gasvolumina in den einzel nen Druckaufbaueinheiten (DAE) durch wechselweises Erwärmen bzw. Abkühlen der Gasvolumina. Das Gas für den Betrieb der Druckaufbau einheiten (DAE) kann hierbei aus verschiedenen geeigneten Gasen gewählt werden, abhängig von der zur Verfügung stehenden Temperatur, der den Prozess treibenden Wärmeenergie und von den physikalischen sowie thermodynamischen Eigenschaften des Gases. Vorzugsweise wird für das Arbeitsgas in den Druckaufbaueinheiten (DAE) das Gas Heli um eingesetzt.

Die Druckaufbaueinheiten (DAE) nehmen flüssiges CO₂ mit niedrigem Druck auf bzw. geben gleichzeitig flüssiges CO₂ mit hohem Druck ab und unterstützen hierbei den Flüssigkeitskreislauf durch Bereitstel lung bzw. Rücktransport der erwärmten CO₂-Flüssigkeit in dem Haupt behälter. Um diese Aufgabe verrichten zu können, werden der Druck und das Volumen des Gases in den Druckaufbaueinheiten (DAE) durch Erwärmung bzw. Abkühlung der einander gegenüberliegenden Zylinder kammern zyklisch verkleinert bzw. vergrößert (im Prinzip ein Stir lingmotor mit CO₂ als Kühlflüssigkeit und Kraftübertragungsflüssig keit). Das flüssige CO₂ dient somit als Kraftübertragungsflüssigkeit für den Antrieb der Flüssigkeitsturbine und als Kühlmittel für das Arbeitsgas in den Druckaufbaueinheiten (DAE).

Der Flüssigkeitskreislauf arbeitet aus folgenden Gründen mit CO₂ als Arbeitsmedium:

- CO₂ hat eine niedere Erstarrungstemperatur als z. B. Wasser.
- Die Dichte einer CO₂-Flüssigkeit ändert sich bei einer Tempera turänderung relativ stark und damit umgekehrt auch der Druck bei isochorer Erwärmung. Dadurch kann eine Pufferung mit einem rela tiv kleinen Volumen des Pufferbehälters realisiert werden.
- Der Arbeitsbereich der Maschine kann unter 0°C gehen (z. B. bis minus 20°C) ohne Gefahr, dass die Maschine einfriert.
- Die erforderliche Wärmeenergie zum Erwärmen bzw. dem Druckaufbau in flüssigen CO₂ ist relativ klein (im Vergleich zu Wasser bei spielsweise).
- Die aufgenommene Wärme für den isochoren Druckaufbau in der CO₂- Flüssigkeit wird bei der isochoren Entspannung wieder abgegeben. Dies bedeutet, dass der CO₂-Kreislauf selbstkühlend arbeitet bzw. teilweise als Kühlflüssigkeit für das Arbeitsgas (z. B. Helium) genutzt werden kann.

Beschreibung des Verfahrens (siehe Fig. 2 und Fig. 3)

Beschreibung von Fig. 2: Prinzipschema einer CO₂-Kraftstation mit wenigstens einer Druckaufbaueinheiten (DAE) vom Typ A. Der Kreis lauf gemäß Fig. 2 zeigt einen Flüssigkeitskreislauf mit einem Haupt druckbehälter 31 und zwei Druckaufbaueinrichtungen 50. Der Haupt druckbehälter 31 besteht aus einem zylindrischen Druckbehälter, wel cher in der Mitte über eine ortsfeste Trennwand 32 verfügt. Durch die Trennwand 32 führt eine Verbindungsstange 33 eines Doppelkolbens 34, 35. Mittels dieses Doppelkolbens und der Trennwand 32 werden in dem Hauptdruckbehälter 31 vier variable Kammerbereiche 36, 37, 38 und 39 gebildet. Die beiden inneren Kammern 37, 38 enthalten jeweils flüssiges CO₂ und die äußeren Kammern 36 und 39 Druckluft oder Stickstoff als Puffergas. Die CO₂-Flüssigkeiten in den beiden inne ren Kammern 37 und 38 haben unterschiedliche Temperaturen und damit auch unterschiedliche Drücke. Der Druck in der Kammer 37 liegt z. B. bei 50 bar mit 10°C und der Druck in der Kammer 38 liegt z. B. bei 100 bar mit einer Temperatur von 20°C. Der Druckluftpuffer in der Kammer 39 steht auch unter ca. 50 bar Druck (das ist der Differenz druck zwischen Kammer 37 und 38) und der Druck in der Kammer 36 steht auf normalem atmosphärischen Druck. Von der Hochdruckkammer 38 führt eine Vorlaufdruckleitung 40 über einen Absperrschieber 43 zu einer Turbine 41 und einem zweiten Absperrschieber 43 in die Rammar 37. Eine Rücklaufdruckleitung führt über zwei Absperrschieber 44 und 45 und den Druckleitungen 46, 47 mit zwei Druckaufbaueinrichtungen 50 von der Kammer 37 zurück zur Kammer 38. Aus der Kammer 38 fließt CO₂-Flüssigkeit mit hohem Druck über die Turbine 41 zur Kammer 37. Dabei wird der Druck über die Flüssigkeitsturbine 41 entspannt (von z. B. 100 bar auf 50 bar) und die Turbine gibt diese Antriebskraft über eine Welle an einen Generator weiter. Parallel erfolgt über die Rücklaufdruckleitungen 46 und 47, gespeist von den Druckaufbauein heiten (DAE) 50, die gleichfalls einen Doppelkolben 34, 35, eine verbindende Stange 33 und eine Trennwand 32 aufweisen, ein erneuter Druckaufbau in der CO₂-Flüssigkeit und der Rücktransport in die Kammer 38.

Anhand der Fig. 3 erfolgt nun eine Beschreibung des Prinzipschemas eines Beispieles für eine Druckaufbaueinrichtung (DAE) vom Typ A. Eine solche vom Typ A besteht aus folgenden Teilen:

- einem zylindrischen Hochdruckbehälter 120 mit einer Trennwand 121 und einem Doppelkolben 124-126,
- zwei Wärmetauschern 139A und 139B für die CO₂-Flüssigkeit im Hochdruckbehälter 120,
- zwei Wärmetauschern 150A und 150B für die Erwärmung bzw. Abküh lung der Gasvolumina 122A und 123B,
- einer Druckausgleichsleitung 142 zwischen den Wärmetauschern 150A und 150B mit Absperrventilen 129A und 129B,
- verschiedenen Druckleitungen 140, 141, 137 und 138 für Wärme- bzw. Kälteaustausch inklusive Absperrventilen,
- einem externen Wärmespeicher 144 bzw. Kältespeicher 145 (gemein same Speicher für mehrere Druckaufbaueinrichtungen (DAE)) sowie
- Ventilen für Zuführung von CO₂-Niederdruckflüssigkeit 134A und 134B über die Druckleitung 47 und Ventile für die Weiterleitung von CO₂-Hochdruckflüssigkeit 135A und 135B über die Drucklei tung 46.

Zentrales Teil jeder Druckaufbaueinrichtung (DAE) ist ein zylind rischer Hochdruckbehälter 120. Dieser Behälter ist mittels einer Trennwand 121 in zwei gleich große Kammern 122 und 123 unterteilt. Durch die Trennwand 121 ist die Verbindungsstange 124 eines Doppel kolbens geführt. Die Verbindungsstange 124 verbindet die Kalben 125, 126 miteinander. Mittels dieser Kolben und der Trennwand 121 werden vier variable Kammern 122A, 122B, 123A und 123B im Hochdruckbe hälter 120 gebildet. In den beiden äußeren Kammern 122A und 123B befindet sich das Arbeitsgas mit unterschiedlichem Druck bzw. Tempe ratur. In den Kammern 122B und 123A befindet sich flüssiges CO₂ mit unterschiedlichen Drücken bzw. auch unterschiedlichen Temperatu ren. Die Druckaufbaueinrichtung (DAE) arbeitet in zwei Schritten, d. h. es gibt eine Transportphase und eine Abkühlphase bzw. eine Aufheizphase, d. h. der Kolben bewegt sich für einen vollen Arbeits zyklus jeweils einmal nach links oder einmal nach rechts. Bei der Bewegung des Kolbens nach rechts wird das zuvor abgekühlte Arbeits gas (z. B. Helium) in der linken Kammer 122A mittels des Wärme tauschers 150A erwärmt, und das Gas in der rechten Kammer 123B wird mittels des Wärmetauschers 150B abgekühlt. Das Gasvolumen in den Wärmetauschern 150A und 150B beträgt hierbei ein Mehrfaches des Kammervolumens der Arbeitskammern 122A bzw. 123B (das Volumen ist dabei abhängig von den Temperaturdifferenzen in den beiden Ar beitskammern 122A und 123B). Das Gas in der linken Kammer 122A wird erwärmt, der Druck im Gas steigt und gleichzeitig wird das Gas in der rechten Kammer 123B abgekühlt, d. h. hier sinkt der Gasdruck. Die Abkühlung erfolgt hierbei in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird als Kühlmittel die CO₂-Flüssigkeit in der Kammer 122B verwen det, wobei diese CO₂-Flüssigkeit bis zu einer bestimmten Temperatur erwärmt wird. Bei Erreichen dieser gewünschten Temperatur erfolgt die Umschaltung auf einen externen Kältespeicher 145. Die Abkühlung des Arbeitsgases erfolgt hierbei über den Wärmetauscher 139A und die Leitung 140. Die weitere Abkühlung des Arbeitsgases erfolgt durch einen Kältespeicher 145, den Wärmetauscher 150B und die Lei tung 138. Durch die Abkühlung des Arbeitsgases mittels der CO₂- Flüssigkeit, werden die Temperatur und damit auch der Druck in der CO₂-Flüssigkeit erhöht. Bei Erreichen eines ausreichenden Diffe renzdruckes zwischen den beiden Kammern 122A und 123B und des ge wünschten Druckes in der CO₂-Flüssigkeit (Druck in der CO₂-Flüs sigkeit muss mindestens den Druck des Puffergases im Hauptbehälter 101 erreicht haben) werden die Ventile für die CO₂-Flüssigkeiten geöffnet (Ventil 135A und 134B), und damit die Bewegung des Dop pelkolbens 124 freigegeben. Durch den steigenden Gasdruck in der linken Kammer und dem fallenden Gasdruck in der rechten Kammer dehnt sich das Gas in der linken Kammer aus und schiebt den Doppelkolben nach rechts. Dabei wird gleichzeitig flüssiges CO₂, unter Hochdruck stehend, an den Hauptdruckbehälter 31 (siehe Fig. 2) abgegeben (aus der Kammer 122B über Ventil 135A) und gleichzeitig das gleiche Volumen an flüssigem CO₂, unter Niederdruck stehend, aus dem Hauptdruckbehälter 31 aufgenommen (in die Kammer 123A über Ventil 134B). Nach dieser Transportbewegung des Doppelkolbens nach rechts erfolgt über die Ausgleichsverbindung 142 zwischen den Wärmetau schern 150A und 150B ein Druckausgleich zwischen den beiden Volu mina des Arbeitsgases durch kurzzeitiges Öffnen der Ventile 129A und 129B. Dadurch gleicht sich der Druck in beiden Arbeitsvolumina an, aber nicht die Temperatur. Dies bedeutet, dass bei gleichem Druck die Dichte des Arbeitsgases in den Wärmetauschern 150A und 150B unterschiedlich ist. Nach dem Druckabgleich werden die Ventile 129A und 129B wieder geschlossen und ein neuer Druckaufbau erfolgt nun in umgekehrter Richtung. Im ersten Schritt erfolgt ein Tempera turausgleich zwischen den Wärmetauschern 150A und 150B durch einen thermischen Kurzschluss der Kühlmittel von beiden Wärmetauschern, d. h. die beiden Wärmetauscher werden auf eine mittlere Temperatur ge bracht. Danach wird das Gas in der linken Kammer 122A abgekühlt, indem die Wärme an die kalte CO₂-Flüssigkeit abgegeben wird und gleichzeitig wird das Gas in der rechten Kammer 123B erwärmt über den Wärmetauscher 150B. Die hierzu erforderliche Wärme kommt aus einem Wärmespeicher 144 (z. B. Wärme aus Sonnenkollektoren oder geothermische Wärme etc.) Das Arbeitsgas in der linken Kammer kann ebenfalls durch externe Kältezuführung noch weiter abgekühlt werden (über den Wärmetauscher 150A mit Kälte aus dem Kältespeicher 145). Nach der Erwärmung des Gases in der einen Kammer bzw. Abkühlung in der anderen Kammer sowie der Erwärmung der CO₂-Flüssigkeit erfolgt mit den erzeugten Drücken in den einzelnen Kammern mit dem Doppel kolben eine Bewegung nach links. Mit dieser Bewegung wird wieder un ter Hochdruck stehende CO₂-Flüssigkeit abgegeben (aus der Kammer 123A) und unter Niederdruck stehende CO₂-Flüssigkeit aufgenommen (in Kammer 122B). Nach dieser Transportbewegung erfolgt wieder eine Aufwärmphase und so setzt sich der Prozess alternierend fort.

Aufgrund dieser schrittweisen Arbeitsweise der Druckaufbaueinrich tung (DAE) sind für einen kontinuierlichen Betrieb der Flüssig keitsturbine mindestens zwei Druckaufbaueinrichtungen (DAE) erfor derlich, die im Gegentakt arbeiten, so dass die Versorgung der Flüs sigkeitsturbine mit unter Hochdruck stehender CO₂-Flüssigkeit nahe zu kontinuierlich erfolgt. Dies hat zur Folge, dass der Druck des flüssigen CO₂ im Hauptbehälter 31 trotz des schrittweisen Betriebs der Druckaufbaueinrichtungen (DAE) weitgehend konstant gehalten wird. Aufgrund dieser schrittweisen Arbeitsweise sind für eine Kraftmaschine normalerweise mehrere solcher Druckaufbaueinrichtungen (DAE) erforderlich, welche untereinander so gesteuert werden, dass der intermittierende Betrieb der Druckaufbaueinrichtungen (DAE) im Verbund nahezu kompensiert wird. Damit wird in der Vorlaufleitung der Flüssigkeit, bedingt auch durch die Pufferung mit Druckluft oder Stickstoff im Hauptbehälter 31, eine nahezu kontinuierliche Strömung der CO₂-Flüssigkeit durch die Flüssigkeitsturbine ermöglicht.

Für das Aufheizen der CO₂-Flüssigkeit (innerer Druckaufbau) kann vorzugsweise die Wärme aus dem Gaskreislauf genutzt werden und die ser Gaskreislauf damit gekühlt werden. Eine darüber hinaus gehende Kühlung des Arbeitsgases erfordert die Zuführung von externer Kälte leistung. Das Aufheizen des Arbeitsgases in den Druckaufbaueinrich tungen (DAE) benötigt für den Aufbau des erforderlichen Differenz druckes einen in der Regel höheren Temperaturhub (z. B. ein Kälte speicher mit minus 20°C und ein Wärmespeicher mit ca. 65°C). Ab hängig von der zur Verfügung stehenden Temperatur der Wärme- bzw. Kältequelle wird ein geeignetes Arbeitsgas ausgewählt (vorzugsweise Helium) mit entsprechend hohem Basisdruck. Die erforderliche Kälte leistung kann z. B. aus Heizkreisläufen mit Wärmepumpentechniken als "Abfallprodukt" zur Verfügung gestellt werden.

Energiebilanz für CO₂-Kraftstationen mit Druckaufbaueinrichtungen (DAE) vom Typ A:
Neben einer Abschätzung des Wirkungsgrades ist auch von Interesse, inwieweit fossile Primärenergie (wie z. B. aus Kohle oder Erdgas) eingespart werden kann.

Der Wirkungsgrad für die CO₂-Kraftstation ergibt sich aus dem Ver hältnis von eingebrachten Mengen an Wärme- und Kälteenergie zu den daraus gewonnenen mechanischen bzw. elektrischen Energiemengen.

Der CO₂-Flüssigkeitskreislauf dient als Ersatz für eine mechanische Kraftübertragung von den einzelnen Zylindern der Druckaufbaueinrich tungen (DAE) auf die Flüssigkeitsturbine. Die Temperaturen der CO₂-Flüssigkeiten liegen bei ca. 10°C mit 50 bar Druck für die un ter Niederdruck stehende CO₂-Flüssigkeit und ca. 20°C mit 100 bar Druck für die unter Hochdruck stehende CO₂-Flüssigkeit. Die für die Erwärmung der CO₂-Flüssigkeit erforderliche Wärmemenge kann norma lerweise aus vorhandener Umweltwärme oder aus dem zuvor erwärmten Arbeitsgas bei dessen Abkühlung gewonnen werden. Daher kann diese Wärmemenge in erster Näherung durch die Abkühlung der zuvor erwärm ten Gasmenge des Arbeitsgases berücksichtigt werden. Nach dem Druck ausgleich zwischen den beiden Gaskammern nach jedem Erwärmungs schritt erfolgt auch ein Wärmeaustausch zwischen den beiden Wärme tauschern 150A und 150B und damit eine Einsparung an aufzubringen der Wärmeenergie für die nachfolgende Erwärmung der zuvor abgekühl ten Kammer.

Anhand zweier Beispiele wird die Energiebilanz einer Kraftstation überschlägig ermittelt.

Für das Beispiel 1 gilt:
Das erste Beispiel verfügt über eine Wärmequelle von ca. 65°C und ausreichend nutzbaren Kältemengen von z. B. ca. minus 20°C (die Kälte kommt z. B. von einer Heizung mit Wärmepumpenanlage). Durch die Flüssigkeitsturbine sollen 10 Liter/s flüssiges CO₂ fliessen und dabei von 100 bar auf 50 bar entspannt werden. Bei einem angenomme nen Wirkungsgrad von jeweils 90% für die Turbine und für den Genera tor ergibt sich eine elektrische Leistung von ca. 40 kW. Die erfor derliche Wärmeleistung bei den Druckaufbaueinrichtungen (DAE) be rechnet sich aus der Erwärmung von ca. dem vierfachen Volumen an He liumgas unter hohem Druck. Bei einem vierfachen Volumen an Helium mit 100 bar (d. h. von 40 Liter/s) und einer angenommenen Tempera turdifferenz von 40°C zwischen den Kammern für das Arbeitsgas er gibt dies die Erwärmung von ca. 1 kg Helium um 40°C. Die niedrige Temperaturdifferenz ergibt sich durch den vorangehenden Wärmeaus gleich, d. h. nur etwas mehr als die Hälfte der Temperaturdifferenz ist aufzubringen. Bei einer spezifischen Wärmekapazität von ca. 5 kJ/kg °K für Helium ergibt dies ca. 200 kJ an aufzubringender Wärme energie pro Sekunde. Der Wirkungsgrad liegt damit bei ca. 20%. Für die Erwärmung der CO₂-Flüssigkeit von 10°C auf 20°C wird eine Wärmeenergie von ca. 200 kJ für 10 Liter benötigt, d. h. mittels der CO₂-Arbeitsflüssigkeit kann ein großer Teil der Wärmeleistung aus dem erwärmten Gas rückgewonnen werden.

Bei Wärmequellen mit höheren Temperaturen erhöht sich der Wirkungs grad. Wärmequellen mit ca. 65°C sind mittels Sonnenkollektoren ein facher Bauart realisierbar stehen aber auch als Verlustwärme von vielen anderen Prozessen zur Verfügung.

Für das Beispiel 2 gilt:
Eine Sonnenkollektoranlage mit Hochtemperaturkollektoren liefert Wärme mit 180°C. Durch die Erwärmung der CO₂-Flüssigkeit von je weils 10°C auf 20°C liegt damit die Temperatur der Gaskammer mit niedrigerem Druck auf 20°C und die Kammer mit Hochdruckgas bei 180°C. Die gesamte Temperaturdifferenz beträgt bei diesem Beispiel 160°C. Der Basisdruck des Arbeitsgases (Helium) kann durch die höhere Temperaturdifferenz niedriger gewählt werden als im vorange henden Beispiel 1. Eine analoge Berechnung wie für das Beispiel 1 ergibt einen Wirkungsgrad von ca. 30%. Solche Kraftmaschinen können damit einen wesentlichen Beitrag zur Verringerung des Einsatzes von fossilen Brennstoffen für die Stromerzeugung leisten und durch die Nutzung von Solarwärme bzw. sonstiger Abfallwärme von Industriepro zessen zur Minderung von CO₂-Emissionen beitragen.

Kraftmaschine mit CO₂-Flüssigkeitskreislauf mit Druckaufbaueinrich tung vom Typ B

Beschreibung der Kraftstation mit einer Druckaufbaueinrichtung vom Typ B (siehe Fig. 4):
Gemäß der Erfindung verfügt diese Kraftmaschine über zwei Hauptkom ponenten. Die eine Komponente ist eine Maschine, welche über den isochoren Druckabbau von einer unter Druck stehenden, variablen Flüs sigkeitsmenge mittels einer Flüssigkeitsturbine mechanische Leistung gewinnt bzw. über einen von der Turbine angetriebenen Generator elektrische Leistung gewinnt. Die andere Komponente ist eine Anzahl von Wärmetauschern (in Form von Druckbehältern), die mit flüssigem CO₂ gefüllt sind und mittels mechanischer Kopplungen eine geschlos sene Kette bilden. Diese Kette von Wärmetauschern (WT) reicht von der Wärmequelle zur Kältequelle und von dort wieder zurück. Dabei gleichen die in Gegenrichtung verlaufenden Wärmetauscher in einzel nen Schritten ihre Temperaturen an, d. h. jeweils ein Wärmetauscher (WT) nimmt Wärme auf und der andere Wärmetauscher (WT) gibt Wär me ab. Mit der schrittweisen Abkühlung der CO₂-Flüssigkeit inklusi ve der Behälter (d. h. der kompletten Wärmetauscher) erfolgt auch ein schrittweiser Druckabbau der CO₂-Flüssigkeit in den Wärmetau schern. Dadurch wird ein Nachfüllen mit flüssigem CO₂ in die in Richtung zur Kältequelle laufenden, d. h. in die abgekühlten Wärme tauscher auf niedrigem Druckniveau ermöglicht. Durch dieses Nachfül len erhöht sich die Dichte der CO₂-Flüssigkeit in den abgekühlten Wärmetauschern. Über eine schrittweise Erwärmung der Wärmetauscher im Gegenstrombetrieb wird aus den Wärmetauschern wieder CO₂-Flüs sigkeit mit hohem Druck für die Energiewandlung geliefert. Die CO₂- Flüssigkeit mit hohem Druck wird hierbei in mindestens einem Zwi schenpuffer (eine Art von Ausdehnungsgefäß) übergeführt, aus dem oder denen dann die Energiewandelmaschine mit unter Hochdruck ste hender CO₂-Flüssigkeit versorgt wird. Die verschiedenen Komponenten sind miteinander über Druckrohrleitungen verbunden und verfügen über eine übergeordnete elektronische Steuereinrichtung. Die Maschine zur Energiewandlung arbeitet mit einer CO₂-Flüssigkeit als Arbeitsmedi um und mit einem Gas wie z. B. Stickstoff oder Druckluft als Aus gleichspuffer bzw. Koppelmedium. Der Aggregatzustand der CO₂-Flüs sigkeit ändert sich hierbei nicht (im Gegensatz zu konventionellen Dampfkraftwerken), wohl aber die Temperatur und damit auch der in nere Druck der CO₂-Flüssigkeit. Der mechanische bzw. elektrische Energiegewinn ergibt sich aus der für eine Flüssigkeit relativ gro ßen Volumenänderung der CO₂-Flüssigkeit bei Erwärmung bzw. Abküh lung. Die einzelnen Teile einer solchen CO₂-Kraftstation werden an hand eines Beispieles erläutert.

Im Flüssigkeitskreislauf wird über die Erwärmung der CO₂-Flüssig keit eine innere potentielle Energie (Druck der Flüssigkeit) auf gebaut. Diese innere potentielle Energie einer erwärmten CO₂-Flüs sigkeit wird dann isochor entspannt über z. B. eine Flüssigkeitstur bine. Gleichzeitig wird mittels der Wärmetauscher und der Ausdeh nungsgefäße die gleiche Menge an flüssigem CO₂ wieder für den Haupt behälter bereitgestellt. Durch einen Austausch von Puffergas aus dem Hauptzylinder mit CO₂-Flüssigkeit aus den Ausdehnungsgefäßen wird der CO₂-Hauptzylinder wieder mit flüssigem CO₂ gefüllt, und die Ausdehnungsgefäße werden mit Druckluft gefüllt und können wieder flüssiges CO₂ mit hohem Druck aufnehmen. Der Druck der CO₂-Flüssig keit in den Wärmetauschern nimmt bei der Abkühlung stark ab und er möglicht daher einen Rücktransport des flüssigen CO₂ mit niedrigem Druck aus dem Turbinenrücklauf in die abgekühlten Wärmetauscher. Da bei erhöht sich die Dichte der CO₂-Flüssigkeit in den Wärmetau schern. Durch die nachfolgende Erwärmung der Wärmetauscher erhöht sich der Druck in den Wärmetauschern, bedingt durch die hohe Dichte in den Wärmetauschern, relativ stark, so dass ein Teil der erwärmten CO₂-Flüssigkeit wieder in die Ausdehnungsgefäße überführt wird. Dieser Überlauf der CO₂-Flüssigkeit aus den Wärmetauschern in die Ausdehnungsgefäße erfolgt gegen den Druck des Luftdruckpuffers für die Flüssigkeitsturbine. Das flüssige CO₂ dient somit als Arbeitsme dium für die Bereitstellung des Arbeitsdruckes und als Kraftübertra gungsflüssigkeit für die Flüssigkeitsturbine.

Beschreibung von Fig. 4: Prinzipschema einer CO₂-Kraftstation mit einer Druckaufbaueinrichtung vom Typ B:
Der Kreislauf gemäß Fig. 4 zeigt ein Prinzipschema für den Flüssig keitskreislauf. Der Flüssigkeitskreislauf besteht aus einem Haupt druckbehälter 201, welcher als Pufferbehälter für die erwärmte Hoch druckflüssigkeit 204 und die abgekühlte Niederdruckflüssigkeit 205 dient, einer Vorlaufleitung mit einer Flüssigkeitsturbine 218 und einer Rücklaufleitung bestehend aus zwei Druckleitungen 220 und 221, welche zu den einzelnen Geräten der Druckaufbaueinrichtungen führen. Der Hochdruckteil und der Niederdruckteil im Hauptdruckbehälter 201 sind durch eine Trennwand 208 getrennt. Grundsätzlich könnten an stelle eines gemeinsamen Behälters auch zwei getrennte Behälter be nutzt werden, analog wie dies im Rahmen der Beschreibung des Ausfüh rungsbeispieles nach Fig. 1 gezeigt wurde. Von dem Hauptbehälter 201 führen Druckleitungen für CO₂ mit hohem Druck über Absperrorgane (nicht dargestellt) zu einer Flüssigkeitsturbine 218, welche wie derum einen elektrischen Generator 219 antreiben kann. Die entspann te und dabei auch abgekühlte CO₂-Flüssigkeit wird über Druckleitun gen 221 wieder in abgekühlte Wärmetauscher 210 eingeleitet. Der Gas puffer 206 dient als Ausgleich für die nicht völlig gleichmässig in die abgekühlten Wärmetauscher 210 fliessende Niedrigdruck CO₂-Flüs sigkeit. Die einzelnen Wärmetauscher 210 werden im Gegenstromverfah ren schrittweise gekühlt bzw. erwärmt. Abhängig von der Anzahl der Schritte (und damit auch der Anzahl der Wärmetauscher) wird die er forderliche Energiezuführung für die Wärme bzw. die Kühlleistung stark reduziert. Bei zum Beispiel 10 Schritten wird ca. 90%-95% der eingesetzten Wärme bzw. Kälte rückgewonnen und der Energiebe darf an Kälte bzw. Wärme stark reduziert. Die für den Arbeitskreis lauf nutzbare Menge an CO₂-Flüssigkeit ergibt sich aus der Menge an CO₂-Flüssigkeit, welche bei der Erwärmung der Wärmetauscher 210 in die Ausdehnungsgefäße 215 übergeführt wird. Dies ist bei einer Ab kühlung auf z. B. minus 20°C und anschließende Erwärmung auf 20°C ca. ¼ der gesamten CO₂-Flüssigkeitsmenge in den Wärmetauschern. Das Nachfüllen der Hochdruckkammer des Hauptbehälters 204 mit unter Hochdruck stehender CO₂-Flüssigkeit erfolgt hierbei durch den Aus tausch der im Hauptbehälter angesammelten Druckluft in der Kammer 203 gleichen Druckes mit der in den Ausdehnungsgefäßen 215 angesam melten unter Hochdruck stehenden CO₂-Flüssigkeit. Die Zwischenpuf ferung der unter Hochdruck stehenden CO₂-Flüssigkeit in den Ausdeh nungsgefäßen 215 dient dem Temperaturangleich der CO₂-Flüssigkeit in den Ausdehnungsgefäßen 215 und da Hauptdruckbehälter 204, d. h., die in den Ausdehnungsgefäßen 215 angesammelte CO₂-Flüssigkeit mit hohem Druck wird auf die gewünschte Temperatur erwärmt (z. B. auf 20°C). Die für den Prozess erforderliche Hauptmenge an Wärme bzw. Kälte wird jeweils den Wärmetauschern am warmen bzw. am kalten Ende der im Gegenstrom arbeitenden Wärmetauscherkette zugeführt. Die im Gegenstrom laufenden Wärmetauscher werden schrittweise erwärmt bzw. abgekühlt. Diese gegenläufige Temperaturanpassung kann z. B. in nach oben offenen Wasserbecken 211 erfolgen, gefüllt mit frostgeschütztem Wasser, in welchen die beiden Wärmetauscher paarweise eingebracht werden. An den einzelnen Wärmetauschern 210 befinden sich Anschluss einrichtungen 224 (Kupplungen) für die Zufuhr von flüssigem unter Niederdruck stehendem CO₂ im Falle der Abkühlung der Wärmetauscher und Anschlusseinrichtungen 225 für die Abgabe von flüssigem unter Hochdruck stehendem CO₂ an die Ausdehnungsgefäße 215 bei der Erwär mung der Wärmetauscher 210.

Beschreibung der einzelnen Teile der Kraftstation (siehe Fig. 4):
Der Hauptdruckbehälter 201 besteht aus einem zylindrischen Hoch druckteil, welcher durch einen beweglichen Trennkolben 202 in zwei variable Bereiche 203 und 204 unterteilt wird. Unterhalb des Kol bens, d. h. in der Kammer 204, befindet sich flüssiges CO₂ mit hohem Druck und oberhalb des Kolbens befindet sich ein Druckgas (wie z. B. Stickstoff oder Druckluft) mit gleichem Druck als Puffergas. Der Druck der CO₂-Flüssigkeit im Hochdruckbehälter beträgt z. B. 100 bar bei 20°C. Der Niederdruckteil besteht ebenfalls aus einem Zy linder, welcher durch einen Trennkolben 207 in zwei Kammern 205 und 206 aufgeteilt wird. In der Kammer 205 befindet sich CO₂-Flüssig keit mit niedrigen Druck und die Kammer 206 dient als Druckluftpuf fer mit Druckluft oder Stickstoff auf dem gleichen Druck (z. B. 50 bar). Von dem CO₂-Hochdruckbehälter 201 führt eine Vorlaufdruck leitung zur Turbine 218 und von dort über die Kammer 205 zur Ring leitung 221 zum Nachfüllen der CO₂-Wärmetauscher über die Absperr organe 224. Eine Rücklaufdruckleitung 220, welche zu den Ausdeh nungsgefäßen 215 führt, bringt wieder unter Hochdruck stehende CO₂- Flüssigkeit in den Hochdruckbehälter, Kammer 204, zurück. In der Vorlaufdruckleitung wird der Druck über die Flüssigkeitsturbine 218 entspannt (von z. B. 100 bar auf 50 bar), und die Turbine gibt diese Antriebskraft über eine Welle an einen Generator weiter. Pa rallel erfolgt über die Rücklaufdruckleitungen 221 und 220 über die Wärmetauscher 210 und den Ausdehnungsgefäßen 215 ein erneuter Druck aufbau der CO₂-Flüssigkeit. Der Rücktransport in die Kammer 204 er folgt durch einen Austausch von Druckluft aus dem Hochdruckbehälter 201 (Kammer 203) durch unter Hochdruck stehende CO₂-Flüssigkeit aus den Ausdehnungsgefässen 215. Die Ventile 224 für die Nachfüllung von flüssigem CO₂ in die einzelnen Wärmetauscher 210 öffnen druckab hängig (d. h. der Druck in dem Wärmetauscher 210 ist niedriger als der Druck stromab der Turbine, d. h. z. B. niedriger als 50 bar). Ebenso öffnen die Ventile 225 für die Abgabe von unter Hochdruck stehender CO₂-Flüssigkeit aus dem einzelnen Wärmetauscher 210 an die Ausdehnungsgefäße 215 druckabhängig (d. h. z. B. bei einem Druck in den Wärmetauschern größer als 100 bar).

Beschreibung der Wärmetauscherkette und der Ausdehnungsgefäße:
Eine CO₂-Kraftstation benötigt für den Druckaufbau im Hauptdruckbe hälter eine bestimmte Anzahl von Wärmetauschern 210 (WT). Die An zahl ist hierbei abhängig von der Anzahl der Schritte bei der Erwär mung bzw. Abkühlung der CO₂-Flüssigkeit im Gegenstromverfahren so wie von den thermodynamischen Daten der CO₂-Flüssigkeit (wie z. B. Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität etc.). Die Wärmetau scher (WT) 210 bilden hierbei einen geschlossenen Kettenring 209 mit jeweils einem Wärmetauscher (WT) am kalten und am warmen Ende, welche von externen Wärmequellen 214 bzw. Kältequellen 213 erwärmt bzw. gekühlt werden. Dazwischen befinden sich mehrere Paare von je weils zwei Wärmetauschern (WT), deren Temperaturniveaus sich in Gegenrichtung bewegen und die ihre Differenzwärme in den einzelnen Wärmetauscherbecken 211 einander angleichen. Jeder Wärmetauscher (WT) 210 besteht hierbei z. B. aus einem fahrbaren Hochdruckbehäl ter mit großer Oberfläche, wie z. B. vielen parallel geschalteten dünnen Rohren eines Röhrenwärmetauschers. Jeder Wärmetauscher (WT) 210 besitzt ein Nachfüllventil 224 mit Rückschlagventil in Entlee rungsrichtung sowie ein Überdruckventil 225 (ebenfalls mit Rück schlagventil) für die Weiterleitung der unter Hochdruck stehenden CO₂-Flüssigkeit in die zylindrischen Ausdehnungsbehälter 215. Die Zuleitung der unter Niederdruck stehenden und die Abgabe der unter Hochdruck stehenden CO₂-Flüssigkeiten mittels gesteuerter Ventile erfolgt für den einzelnen Wärmetauscher (WT) 210 immer von oben. In der oberen Reihe der Wärmetauscher (WT) 210 erfolgt für die dort befindlichen Wärmetauscher (WT) 210 die sukzessive Erwärmung auf die Zieltemperatur und die Abgabe der unter Hochdruck stehenden CO₂-Flüssigkeit an die ortsfest installierten Ausdehnungsbehälter 215. Die Weiterleitung der unter Hochdruck stehenden CO₂-Flüssig keit vom Ausdehnungsbehälter 215 an den Hauptdruckbehälter 201, Kam mer 204, erfolgt abhängig vom Füllstand und der Temperatur (d. h. des inneren Druckes) der CO₂-Flüssigkeit im Ausdehnungsbehälter 215, wobei der Ausdehnungsbehälter 215 im Austausch gleichzeitig mit Hochdruckluft aus dem Druckluftpuffer des Hauptdruckbehälters, Kam mer 203, gefüllt wird. Ein Ausdehnungsbehälter 215 besteht aus einem oder mehreren zylindrischen Druckbehältern. In jedem Druckbehälter befindet sich ein Trennkolben, welcher den Innenraum des Behälters in zwei variable Kammern unterteilt. In der oberen Kammer befindet sich Druckluft und in der unteren Kammer flüssiges CO₂. Die Druck luft in der oberen Kammer ist über eine Hochdruckleitung 222 mit dem Hochdruckluftpuffer 203 des Hauptbehälters 201 verbunden. Der Druck in den Ausdehnungsbehältern ist daher identisch mit dem Druck der Druckluft in der Kammer 203 des Hauptbehälters 201. Die Temperaturen und damit auch die Dichte der CO₂-Flüssigkeit in den einzelnen Aus dehnungsbehältern sind aber unterschiedlich. Die Temperaturen sind hierbei steigend von links nach rechts, parallel zu den Temperaturen der korrespondierenden Wärmetauscher (WT) 210 in der WT-Kette. Für den Temperaturausgleich werden die Ausdehnungsgefäße 215 daher mit einer warmen Flüssigkeit über die Wärmezuführung 217 (z. B. Was ser) beheizt, welche, von links nach rechts fließend, die Ausdeh nungsgefäße umspült, diese dabei erwärmt und dabei selbst sich schrittweise abkühlt. Damit wird eine gestaffelte Erwärmung der CO₂- Flüssigkeiten in den einzelnen Ausdehnungsgefäßen in der gleichen Zeit auf die Zieltemperatur erreicht.

Der Transport der einzelnen Wärmetauscher (WT) 210 kann z. B. als rollbare, hängende Einheiten erfolgen, welche über eine Fahrschiene geführt werden und mittels einer Steuerungsautomatik in den jeweili gen Wärmetauscherbecken 211 kontrolliert Wärme abgeben bzw. überneh men. In den Wärmetauscherbecken werden mittels einer geeigneten Flüssigkeit (z. B. Wasser mit Frostschutzmittel) und eine entspre chende Zwangszirkulation die Temperaturen der beiden gegenläufig ar beitenden Wärmetauscher angeglichen. Der Anschluss an die Ringlei tungen für das Nachfüllen der CO₂-Flüssigkeit bzw. die Anschlüsse für die Ausdehnungsgefäße erfolgen von oben an die Wärmetauscher (WT) über flexible Hochdruckleitungen und Kuppelelemente.

Für das Aufheizen der CO₂-Flüssigkeit (Druckaufbau) in der letz ten Stufe der Wärmetauscherkette wird Wärme über die Zuführung 214 zugeführt. Dafür kann Wärme auf niedrigem Niveau verwendet werden, wie z. B. die Kondensationswärme eines konventionellen Dampfkraft werkes. Die erforderliche Kälteleistung für die Abkühlung des Wärme tauscher (WT) 210 kann am anderen Ende der Gegenstromkette über die Zuführung 213 zugeführt werden. Dies kann z. B. eine Flüssigkeit auf mit z. B. minus 20°C sein, welche z. B. aus der Umwelt oder aus Heizkreisläufen mit Wärmepumpentechniken als "Abfallprodukt" zur Verfügung gestellt werden kann.

Energiebilanz von CO₂-Kraftstationen mit DAE vom Typ B:
Anhand eines Beispieles wird die Energiebilanz einer CO₂-Kraftsta tion mit einer Druckaufbaueinrichtung DAE vom Typ B überschlägig er mittelt.

Das Beispiel verfügt über eine Wärmequelle von ca. 40°C und ausrei chend nutzbare Kältemengen von z. B. ca. minus 20°C (die Kälte kommt hierbei z. B. von einer Heizung mit Wärmepumpenanlage oder Ab sorptionsanlage).

Durch die Flüssigkeitsturbine sollen 100 Liter/s flüssiges CO₂ fließen und dabei von 100 bar mit 20°C auf 50 bar mit 10°C ent spannt werden. Bei einem angenommenen Wirkungsgrad von jeweils 90% für die Turbine und für den Generator ergibt sich eine elektrische Leistung von ca. 400 kW. Die erforderliche Wärmeleistung bei den Wärmetauschern ist abhängig von der Anzahl an Stufen in der Wärme tauscherkette. Bei einer Anzahl von 10 Stufen ist bei jedem Zyklus ca. 5-10% der erforderlichen Gesamtwärme- bzw. -kältemenge eines isolierten einzelnen Erwärmungs- bzw. Abkühlungsvorganges ohne Nut zung des Gegenstromverfahrens zu liefern. Die erforderliche Wärme- bzw. Kälteleistung ergibt sich aus der Enthalpiedifferenz der CO₂- Flüssigkeit. Dabei muss die Gesamtmenge der in einem Zyklus erwärm ten bzw. abgekühlten Einzelmengen berücksichtigt werden. Diese Menge ist mit den Temperaturwerten des Beispieles ca. das Vierfache der Arbeitsmenge (im Beispiel also 400 Liter/s anstelle der 100 Liter/s).

Die Enthalpiedifferenz zwischen einer CO₂-Flüssigkeit mit 100 bar und 20°C und einer CO₂-Flüssigkeit mit 50 bar und minus 20°C be trägt ca. 80 kJ/kg. Pro Sekunde müssen ca. 400 kg erwärmt werden. Dies entspricht einem Wärmeenergiebedarf von ca. 32 MJ. Durch das Gegenstromverfahren werden nur ca. 5-10% als zusätzliche externe Wärmeenergie benötigt, d. h. ca. 1,5 bis 3 MJ. Dazu kommt die erfor derliche Energie für das Erwärmen der 100 Liter CO₂-Flüssigkeit in den Ausdehnungsgefäßen. Hierbei ist eine mittlere Temperaturerhöhung von 20°C anzunehmen. Dies ergibt ca. weitere 4 MJ bei einem Wärme bedarf von ca. 40 kJ/kg. Damit ergibt sich ein Wirkungsgrad von ca. 5-10%. Die Kälteenergie wurde hierbei nicht berücksichtigt, da diese als ein Abfallprodukt aus anderen Prozessen bzw. aus der Um welt verfügbar angenommen wurde. Bei größeren Anlagen empfiehlt sich eine hohe Stufenzahl (von z. B. 10-12 Stufen), und damit ergibt sich auch ein relativ guter Wirkungsgrad.

Zusammenfassend die Vorteile einer CO₂-Kraftstation:

- Die Kraftstation kann mit relativ einfachen mechanischen Kompo nenten aufgebaut werden, bestehend z. B. aus einem Druckzylinder mit einem Trennkolben sowie einer Anzahl von Wärmetauschern und Ausdehnungsgefäßen. Die Energiewandlung erfolgt mittels einer re lativ kleinen Flüssigkeitsturbine.
- Der Temperaturarbeitsbereich ist nach unten erweitert (z. B. bis minus 20°C) und ermöglicht auch bei relativ niedrigen Tempera turen der zur Verfügung stehenden Wärme einen vergleichsweise gu ten Gesamtwirkungsgrad (z. B. für Sonnenkollektoren oder geo thermische Wärmequellen).
- Im Verbund mit einer oder mehreren mittleren bis großen Heizungs anlagen können kleine bis mittlere Stromerzeugungsanlagen (CO₂- Kraftstationen) neben der Wärme auch Kälte und Strom liefern (ohne zusätzlichen Brennstoff), d. h. eine Reduzierung von kli maschädlichen CO₂-Emissionen ist damit möglich.
- Solarthermische Anlagen oder geothermische Anlagen können als CO₂-Kraftstationen auch bei vergleichsweise niedrigeren Tempera turdifferenzen mit verbesserten Wirkungsgraden arbeiten, insbe sondere, wenn gleichzeitig Kältemengen aus anderen Prozessen bzw. aus der Umwelt zur Verfügung stehen.
- Nachgeschaltete CO₂-Kraftstationen können auch bei der Nutzung von Abwärme bei konventionellen Anlagen (Dampfkraftwerken oder Dieselkraftwerken) eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades von konventionellen Kraftwerken bewirken.

Kriterien für die Wahl der Technik betreffend die Druckaufbauein richtung (A oder B):
Die Wahl wird im wesentlichen bestimmt durch das Temperaturniveau der Wärmequelle sowie der für den Prozess nutzbaren Temperaturdiffe renz zwischen der Wärmequelle und der Kältequelle. Bei niedrigen Temperaturen und kleinen Temperaturdifferenzen wird vorzugsweise die Druckaufbaueinrichtung vom Typ B gewählt. Bei Temperaturdifferenzen größer ca. 100°C bietet die Druckaufbaueinrichtung vom Typ A Vor teile (besserer Wirkungsgrad).

Claims

1. Kraftstation (1) mit CO₂-Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit ei ner Vorlaufleitung (6) mit mindestens einer Turbine (17) oder einem Kolbenmotor und einer Rücklaufleitung (7) mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung (14), wobei Vorlaufleitung (6) und Rücklaufleitung (7) einen geschlossenen Flüssigkeitskreis lauf bilden.

2. Kraftstation (1) mit CO₂-Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit ei nem Hochdruckbehälter (2), einem Niederdruckbehälter (3), ei ner Vorlaufleitung (6) mit mindestens einer Turbine (17) oder einem Kolbenmotor in einer Leitung von einem Hochdruckbehälter (2) zu einem Niederdruckbehälter (3) und einer Rücklauflei tung (7) vom Niederdruckbehälter (3) zum Hochdruckbehälter (2) mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung (14).

3. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckbehälter (2) und der Niederdruckbehälter (3) je weils in mindestens zwei separate Kammern unterteilt sind, wobei die Kammern zum gegenseitigen Volumenabgleich mit Stellmitteln ausgestattet sind.

4. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckbehälter (2) und der Niederdruckbehälter (3) je weils flüssiges CO₂ in einer ersten der separaten Kammern und ein Gas, wie Luft oder Stickstoff, in einer zweiten der separaten Kammern enthalten.

5. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckbehälter (2) und der Niederdruckbehälter (3) je weils über Wärmetauscher (8, 9) mit thermischer Energie beauf schlagt sind.

6. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (17) als eine Flüssigkeitsturbine ausgebildet ist, die einen Generator antreibt (19).

7. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz eines Kolbenmotors der angetriebene Generator als Li neargenerator ausgebildet ist.

8. Kraftmaschine (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücktransport der erwärmten CO₂-Flüssigkeit mit Hilfe von wenigstens einer Druckaufbaueinheit erfolgt.

9. Kraftmaschine (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckaufbaueinheit ähnlich dem Prinzip einer Stirlingma schine arbeitet.

10. Kraftmaschine (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckaufbaueinrichtung für die CO₂-Flüssigkeit als zy linderförmige Hochdruckschiebebehälter mit je einer Trennwand und Doppelkolben ausgestaltet sind.

11. Kraftmaschine (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in den CO₂-Flüssigkeitskreislauf ein integrierter Hauptbe hälter mit einem gemeinsamen Druckluftpuffer geschaltet ist, wo bei die Trennung in zwei CO₂-Flüssigkeitsdruckbereiche und zwei Luftvolumina durch eine Trennwand und einen durch die Trennwand geführten Doppelkolben erfolgt.

12. Kraftmaschine (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckaufbaueinrichtung aus einer Mehrzahl von Druckauf baubehältern besteht, die im Verbund so gesteuert werden, dass eine nahezu kontinuierliche Lieferung von unter Hochdruck stehen der CO₂-Flüssigkeit in den Hauptbehälter erfolgt.

13. Kraftmaschine (1) gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von mehr als einer Druckaufbaueinrichtung die einzelnen Druckaufbaueinrichtungen über Sammelleitungen für unter Niederdruck und unter Hochdruck stehender CO₂-Flüssigkeit sowie Gasleitungen für Puffergas mit dem Hauptbehälter verbunden sind.

14. Kraftmaschine (1) gemäß Anspruch 1 oder 8, dadurch gekennzeich net, dass für eine Änderung der Abgabeleistung der Kraftmaschine die Anzahl der angeschlossenen Druckaufbaubehälter geändert wird.

15. Kraftmaschine (1) gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung in Abhängigkeit vom Druck des Druckluftpuffers im Hauptbehälter die Abgabemenge(-leistung) an unter Hochdruck stehender CO₂-Flüssigkeit aus den Druckaufbaubehältern an den Hauptbehälter steuert.

16. Kraftmaschine (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kältequelle bei Abkühlung des Arbeitsgases unter 10°C in den Druckaufbaueinrichtungen ein Kältepuffer vorgesehen ist, welcher vorzugsweise von einer Wärmepumpenanlage (z. B. Wärme pumpenheizung) mit Kälte versorgt wird.

17. Kraftmaschine (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rücktransport der erwärmten CO₂-Flüssigkeit in den Hauptbehälter mit Hilfe von mit CO₂ gefüllten Wärmetauschern und wenigstens einem Ausdehnungsgefäss erfolgt.

18. Kraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscher (WT) eine geschlossene Kette bilden, in der jeweils die Hälfte der Wärmetauscher (WT) erwärmt wird und die andere Hälfte abgekühlt wird, wobei bei der Erwärmung die Wärmetauscher flüssiges CO₂ abgeben und bei der Ab kühlung die Wärmetauscher flüssiges CO₂ aufnehmen.

19. Kraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass für den Druckaufbau die CO₂-Flüssigkeit in den Wärmetauschern soweit abgekühlt wird, dass der Druck der CO₂- Flüssigkeit in den Wärmetauschern unter z. B. 50 bar sinkt und damit ein Nachfüllen mit der CO₂-Flüssigkeit von der Turbinen niederdruckseite erfolgt.

20. Kraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung bzw. Abkühlung der CO₂-Flüs sigkeit in einem mehrstufigen Gegenstromverfahren erfolgt, wobei jeweils immer zwei Wärmetauscher, deren Temperaturniveaus sich in Gegenrichtung bewegen, ihre Temperaturen aneinander angleichen, insbesondere durch Beaufschlagung in einem gemeinsamen Wasserbad.

21. Kraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckbehälter durch einen Trennkol ben in zwei variable Kammern getrennt ist, wobei die eine Kammer unter Hochdruck stehende CO₂-Flüssigkeit und die andere Kammer ein Druckgas (wie z. B. Druckluft) als Druckluftpuffer enthält.

22. Kraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckluftpuffer des Hochdruckbehälters mit den Druckluftpuffern der einzelnen Ausdehnungsgefäße über ei ne Druckluftleitung verbunden ist.

23. Kraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckaufbaueinrichtung aus einer Anzahl von Wärmetauschern und Ausdehnungsgefäßen besteht, die im Verbund mit dem Druckluftpuffer des Hauptbehälters von einer Steuerung so gesteuert werden, dass eine kontinuierliche Menge an unter Hoch druck stehender CO₂-Flüssigkeit aus dem Hauptbehälter über die Turbine abfliesst.

24. Kraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Wärmetauscher über kuppelbare Druckleitungen für die unter Niederdruck stehende CO₂-Flüssig keit mit dem Niederdruckflüssigkeitsausgang der Flüssigkeitstur bine verbunden sind.

25. Kraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Ausdehnungsgefäße mit Leitun gen für die unter Hochdruck stehende CO₂-Flüssigkeit verbunden sind und dass eine das Puffergas führende Leitung mit dem Haupt behälter verbunden ist.

26. Kraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass für die Kältequelle bei Abkühlung der CO₂- Flüssigkeit unter die Umgebungstemperatur ein Kältepuffer vorge sehen ist, welcher z. B. von Heizungen mit Wärmepumpen oder Ab sorptionsanlagen mit Kälte versorgt wird.