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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung von Energie
in Kraft/Wärme-Kopplung.
Genauer betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur gekoppelten
Erzeugung von Strom und Wärme
zur dezentralen Versorgung.
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Gegenwärtig wird
vor allem in den entwickelten Ländern
die Versorgung einzelner Gebäude
wie Haushalten oder Betrieben mit Strom über ein öffentliches Stromnetz mit zentralen
Kraftwerken sichergestellt. Dabei werden in den Stromkraftwerken
wie z.B. Gas- oder Kohlekraftwerken fossile Rohstoffe zur Stromerzeugung
verbrannt. Wärme
wird vorwiegend lokal durch Verbrennen fossiler Rohstoffe wie Öl oder Gas
erzeugt. Die Verwendung fossiler Brennstoffe benötigt eine öffentliche Infrastruktur zur
Aufbereitung und Verteilung dieser Rohstoffe.
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Aufgrund
des Anstiegs der Rohstoffpreise über
die letzten Jahrzehnte, sowie der Endlichkeit der Reserven an fossilen
Brennstoffen wurde in letzter Zeit gefordert, den Primärenergieverbrauch
durch wirtschaftlicheren Einsatz zu senken Dies hat zu vermehrtem
Einsatz von Anlagen in Kraft/Wärme-Kopplung-Technologie
geführt,
wobei Primärenergie gleichzeitig
zur Erzeugung von Strom und Wärme eingesetzt
wird. Als ein Beispiel solcher Kraft/Wärme-Kopplungsanlagen werden
von verschiedenen Unternehmen wie etwa den Firmen Vaillant oder
fuel cell GmbH Brennstoffzellen-Heizgeräte zur Versorgung vom Häusern propagiert
und angeboten, in denen Erdgas zunächst reformiert und dann in
einer Brennstoffzelle zu elektrischem Strom umgesetzt wird, wobei
die in diesem Prozess anfallende Wärmeenergie zum Beheizen der
baulichen Einheit verwendet wird. Zur Unterstützung und vor allem zur Abdeckung
eines erhöhten
Wärmebedarfs
in kalten Jahreszeiten kann zusätzlich
Erdgas auch verbrannt werden, wobei allein Wärmeenergie gewonnen wird. In
diesen Brennstoffzellen-Heizgeräten
kann die über Verbrennung
von Erdgas zusätzlich
bereit gestellte thermische Leistung diejenige des Brennstoffzellenmoduls
um ein mehrfaches übersteigen.
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Wenn
diese Kraft/Wärme-Systeme
auch den wirtschaftlicheren Einsatz von Primärenergie erlauben, so verbleiben
dennoch die Nachteile, dass auf eine öffentliche Infrastruktur, sowohl
zur Verteilung der fossilen Brennstoffe, als auch zur Stromverteilung,
nicht verzichtet werden kann. Dies verhindert oder erschwert den
Einsatz in Gebieten und Gegenden, die nicht über entsprechende Infrastruktureinrichtungen
verfügen.
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Weiter
wird durch diese Technologie der Einsatz fossiler Rohstoffe zwar
vermindert, jedoch nicht überwunden.
Gerade mit Hinblick auf die Endlichkeit der Lagerstätten fossiler
Brennstoffe, sowie die politischen und wirtschaftlichen Risiken,
welche die Verteilung der verbleibenden Lagerstätten mit sich bringt, und nicht
zuletzt Umweltrisiken des Einsatzes fossiler Brennstoffe macht es
wünschenswert,
Strom und Wärme
vollständig
auf Basis regenerativer Rohstoffe, wie Solarenergie, zu erzeugen.
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Gleichzeitig
ist es für
die Realisierbarkeit einer regenerativen und dezentralen Versorgung
mit Strom und Wärme
unabdingbar, dass ein solches System mit minimalen Kosten pro Nennleistung
an erzeugter Energieeinheit realisiert werden kann.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System zur
gekoppelten Erzeugung von Strom und Wärmeenergie bereit zu stellen,
welches die oben genannten Nachteile überwindet.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System
zur dezentralen Erzeugung von Strom und Wärmeenergie bereit zu stellen,
das einen hohen, möglichst
optimalen Systemwirkungsgrad bei möglichst geringen Kosten bietet.
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Diese
und weitere Aufgaben werden durch ein System gemäß Anspruch 1 gelöst. Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Das
System der vorliegenden Erfindung erlaubt es, Wärme und Strom allein auf Basis
regenerativer Energien zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, unabhängig von
fossilen Brennstoffen zu sein. Somit wird auch keine Infrastruktur
zur Versorgung des Systems mit fossilen Brennstoffen benötigt, was
den Einsatz des Systems der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft
zum Einsatz in abgelegenen Gebieten macht.
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Auf
vorteilhafte Weise wird in dem System Wasserstoff durch elektrolytische
Zerlegung erzeugt um Energie zu speichern, wobei zur Zerlegung photovoltaisch
erzeugter Strom verwendet wird. Der Wasserstoff kann zu einem späteren Zeitpunkt
in einem Reaktor wie z.B. einer Brennstoffzelle in elektrischen
Strom zur Versorgung eines lokalen Netzes umgewandelt werden. Weiter
können
in diesem System agrarisch erzeugte Nutzstoffe verbrannt werden, um über eine
Heißdampfturbine
und einen Generator ebenfalls elektrischen Strom zur Abgabe in das
lokale Netz erzeugt werden. Die anfallende Prozesswärme der
Brennstoffzelle und der Verbrennung können ebenfalls z.B. in Form
von Warmwasser an ein lokale Netz für Wärme abgegeben werden. Auf diese
Weise erlaubt das System einen allein auf Basis solar erzeugter,
regenerativer Energien, eine lokale, dezentrale Versorgung baulicher
Einheiten wie einzelne Häuser,
oder Gebäudekomplexen
wie Krankenhäuser,
Unternehmensniederlassungen oder ähnliches.
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Das
System der Erfindung erlaubt in vorteilhafter Weise auch einen gemischten
Betrieb mit Wasserstoff und agrarischem Nutzstoff, wobei zusätzlich auch
eine Verbrennung von Wasserstoff möglich ist, und wobei es auch
möglich
ist, in der Brennstoffzelle erzeugten Strom zur Wärmegewinnung
einzusetzen. So erlaubt das System im Betrieb je nach nachgefragter
Leistung an Strom und/oder Wärme,
je nach Füllstand
der Vorräte
an Wasserstoff und agrarischem Nutzstoff und je nach Wirkungsgrad der
einzelnen Teilprozesse eine möglichst
effiziente Versorgung.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend beschrieben werden mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen:
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1 zeigt
schematisch eine Ausführungsform
des Systems zur dezentralen Erzeugung von Strom und Wärmeenergie
gemäß der vorliegenden Erfindung;
und
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2 zeigt
eine Heißdampfturbine
als Komponente des Systems gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform.
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Mit
Bezug auf 1 wird nun das System zur dezentralen
Erzeugung von Strom und Wärmeenergie
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Wie die 1 zeigt,
besteht das System aus zwei Teilsystemen unterschiedlicher Technologie.
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In
einem ersten Teilsystem wird Sonnenlicht als Energiequelle genutzt,
um in einer Photovoltaikanlage 110 elektrischen Strom zu
erzeugen. In einem Zerleger 114, der mit dem photovoltaisch
erzeugten Strom betrieben wird, findet ein elektrochemischer Zerlegungsprozess
statt, um durch Zerlegen eines Flüssigspeichermediums die Energie
zu speichern. Das zerlegte Speichermedium wird in einem Vorratsbehälter 118 gespeichert.
In einem Reaktor 120 findet ein Reaktionsprozess auf Basis
des zerlegten Speichermediums statt, bei welchem die in dem zerlegten
Speichermedium gespeicherte Energie unter Erzeugung elektrischen
Stroms freigesetzt wird. Dieser so erzeugte Strom wird in ein lokales
Stromnetz, wie ein Hausnetz 130 eingespeist.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird in dem System Wasserstoff als zerlegtes
Speichermedium verwendet, welcher wiederum bevorzugt aus Wasser als
Flüssigspeichermedium
gewonnen wird.
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Es
wird jedoch von den Fachleuten verstanden werden, dass in diesem
Teilprozess auch andere flüssige
Medien, insbesondere wasserstoffhaltige Medien wie z.B. Alkohole,
etc. verwendet werden können,
um Wasserstoff als zerlegtes Speichermedium zu erhalten. Insbesondere
können
auch andere Stoffe, die durch Einsatz von Strom im Zerleger 114 zerlegbar
sind und unter Abgabe von Strom im Reaktor 120 reagieren
können,
als das zerlegte Speichermedien verwendet werden.
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Wenn
in dem System Wasserstoff bzw. Wasser als Speichermedien verwendet
werden, ist der Zerleger 114 als Elektrolyseur und der
Reaktor 120 als Brennstoffzelle ausgebildet. Der Vorratsbehälter 118 speichert
dabei Wasserstoff bevorzugt in flüssiger Form. Alternativ kann
der Vorratsbehälter 118 auch
als Druckbehälter,
in dem Wasserstoff in gasförmigem
Zustand gespeichert wird, oder als Speicher auf Basis von Metallhydriden
oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen
ausgestaltet sein, in denen Wasserstoff durch Einlagerung gespeichert
wird.
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Um
die Erzeugung des zerlegten Speichermediums wie z.B. Wasserstoff
in dem Zerleger 114 von der Speicherung in dem Vorratsbehälter 118 des zerlegten
Speichermediums zu entkoppeln, wird vorzugsweise in dem System ein Übergangsbehälter 116 vorgesehen.
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Weiter
bevorzugt wird das flüssige
Speichermedium wie z.B. Wasser, das als Ergebnis der Reaktion im
Reaktor 120 erzeugt wird, wieder dem Vorratsspeicher 112 zugeführt. Auf
diese Weise wird ein geschlossener Kreislauf erhalten.
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Weiter
können
im System 100 für
die jeweiligen Einheiten Zerleger 114, Übergangsbehälter 116, Vorratsbehälter 118 und
Reaktor 120 je nach Erfordernis Kühlsysteme 146 bereitstellen,
welche elektrisch aus dem im System erzeugten Strom und/oder durch
einen Akkumulator 142 zur Aufrechterhaltung der Betriebsbereitschaft
gespeist werden.
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In
einem zweiten Teilsystem werden Nutzstoffe fester oder flüssiger Form
in einem entsprechenden Vorratsbehälter 138 vorrätig gehalten.
Diese Nutzstoffe werden in einem Brenner 122, in dem ein
Verbrennungsprozess stattfindet, verbrannt, um so Wasser in einem
Dampfkessel 124 zu erhitzen und Heißdampf 126 zu erzeugen.
Der so erzeugte Heißdampf 126 treibt
eine Heißdampfturbine 128 an, die über einen
Generator (nicht gezeigt) und gegebenenfalls ein zwischengeschaltetes
Getriebe (nicht gezeigt) Strom zur Einspeisung in das lokale Netz, wie
das Hausnetz 130 erzeugt. Der entspannte Dampf, der die
Heißdampfturbine 128 verlässt, wird über einen
Kondensator (nicht gezeigt), in dem der Dampf gekühlt wird
und zu Wasser auskondensiert, zum Dampfkessel 124 zurückgeführt.
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Besonders
bevorzugt ist dabei die Verwendung agrarisch erzeugter Nutzstoffe,
wie zum Beispiel Pellets aus Pflanzen- oder Holzabfall, Stroh, usw,.
Dies erlaubt einen vollständig
auf regenerativen Energien basierenden Betrieb des Systems und erlaubt
einen vollständig
autarken und dezentralen Betrieb, ohne auf fossile Rohstoffe oder
auf Infrastruktur zu deren Verteilung angewiesen zu sein.
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In
diesem zweiten Teilsystem ist auch ein Warmwasserboiler 134 vorgesehen,
in dem mit Hilfe des Verbrennungsprozesses 122 Wasser erwärmt wird,
um Wärmeenergie
in Form von Warmwasser für ein
lokales Netz wie ein Hausnetz 310 bereit zu stellen.
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Weiter
kann in dem System 100 das Wasser im Warmwasserboiler 134 auch
durch die Prozesswärme,
die im Reaktor 120 erzeugt wird, erwärmt werden. Dazu ist ein Wärmetauscher 136 vorgesehen,
der die Prozesswärme
des Reaktors 120 in den Warmwasserboiler 134 einleitet.
Auf ähnliche
Weise kann auch Abwärme,
die im Kondensator des Dampfkreises anfällt, eingespeist werden.
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Auch
ist es möglich,
die Funktionen des Dampfkessels 124 und des Warmwasserboilers 134 zu
kombinieren, indem der Dampfkessel 124 auch die Funktion
des Warmwasserboilers 134 übernimmt und Warmwasser direkt
oder über
einen Wärmetauscher
aus dem Dampfkessel 124 bereit gestellt wird.
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Auf
diese Weise kann das System 100, welches in Kraft/Wärme-Kopplung
arbeitet, einen lokalen Bedarf sowohl an Strom als auch an Wärme decken.
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Das
System 100 weist ferner eine Steuerung und Regelung 140 auf,
welche als zentrale Einheit die Zustände aller Bestandteile des
Systems überwacht
und den Betrieb der Bestandteile steuert bzw. regelt. Bevorzugt
wird durch die Steuerung und Regelung 140 der Betrieb des
Systems 100 insgesamt so gesteuert und/oder geregelt, dass
das System 100 bei maximalem Gesamtwirkungsgrad und/oder
bei minimalem Verbrauch an zerlegtem Speichermedium bzw. Nutzstoff
gefahren werden kann.
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Weiter
weist das System 100 vorzugsweise einen Akkumulator 142 auf,
der elektrische Energie speichert, um den kontinuierlichen Betrieb
des Systems sicher zu stellen. Dieser Akkumulator kann auch als
Pufferspeicher für
den im System erzeugten elektrischen Strom dienen, um den im System
erzeugten Strom zur Abgabe an das Hausnetz 130 oder zur
Zerlegung im Zerleger 114 zu ergänzen. Auf diese Weise kann
der Akkumulator 142 auch kurzfristige Schwankungen in Stromangebot
und/oder Stromnachfrage ausgleichen.
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Das
System 100 erlaubt, über
die zwei weitgehend unabhängig
voneinander steuerbaren Teilprozesse Reaktor 120 und Brenner 122 bzw.
Heißdampfturbine 128 jeweils
Strom als auch Wärme
zu erzeugen und auf diese Weise den Bedarf an lokal erzeugtem Strom
und Wärmeenergie
sowohl durch Einzelbetrieb des Reaktors 120 oder des Verbrennungsprozesses 122,
als auch in einem gemischten Betrieb dieser zwei zu decken. Dies
erlaubt es, unter Steuerung der Steuerung und Regelung 140,
den nachgefragten Bedarf an Energie in Form von Strom und/oder Wärme durch
geeignete Auswahl von zerlegtem Speichermedium und/oder Nutzstoff
und Steuerung je nach Füllstand
der einzelnen Vorräte 118, 138 sicher
zu stellen. So kann zum Beispiel vorgesehen werden, dass der Nutzstoff
im Vorratsbehälter 138 zur
Verbrennung im wesentlichen während der
kalten Jahreszeiten, in denen ein erhöhter Bedarf an Wärmeenergie
erwartet wird, aufgespart wird.
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Der
im System 100 bevorzugt mögliche gemischte, gleichzeitige
Betrieb mit Reaktionsprozess 120 und Verbrennung 122 erlaubt
es, eine maximale Gesamtleistung an erzeugter Strom und/oder Wärmeenergie
des Systems zur Versorgung eines Hausnetzes 130, 132 bereit
zu stellen, welche im wesentlichen der Summe der maximalen Einzelleistungen des
Reaktionsprozesses 120 und des Verbrennungsprozesses 122 bzw.
der dem Verbrennungsprozess zugehörigen Turbinen- und Generatorleistung
entspricht. Dies hat den Vorteil, dass die einzelnen Systemkomponenten
für eine
gegebene maximale Systemleistung lediglich auf entsprechend kleinere
Einzelleistungskapazität
dimensioniert sein müssen.
Auf diese Weise kann das System insgesamt in kleineren Abmessungen
und zu geringeren Kosten realisiert werden, was wiederum die Wirtschaftlichkeit
des Systems erhöht.
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Weiter
ist es in dem System bevorzugt auch möglich, Strom, der von der Photovoltaikanlage 110 und/oder
dem Reaktor 120 erzeugt wird, zur Erwärmung von Brauchwasser in dem
Warmwasserboiler 134 zu nutzen. Dazu kann eine elektrische
Heizspirale in dem Wärmetauscher 136 vorgesehen
werden. Besonders bevorzugt werden die metallenen Rohrleitungen
des Wärmetauschers 136 selbst
als elektrische Heizspirale verwendet, um Bauteile und Systemkosten
zu reduzieren. Diese Umwandlung von erzeugter elektrischer Energie
ist vor allem in solchen Betriebszuständen des Systems 100 sinnvoll,
in denen mehr Wärme
und weniger Strom nachgefragt wird, als das System normalerweise
ohne diese Umwandlung bereitstellen würde. Auf diese Weise kann in
dem System 100 vermieden werden, dass, wenn aufgrund eines
vollständig
aufgeladenen Akkumulators 142 überschüssiger Strom nicht weiter in
diesem gespeichert werden kann, dass Strom mangels entsprechender
Nachrage im Hausnetz 130 nutzlos im Überschuss erzeuget wird.
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Bevorzugt
ist es in dem System auch möglich,
das im Vorratsbehälter 118 gespeicherte
zerlegte Speichermedium wie z.B. Wasserstoff zur Verbrennung im
Brenner 122 zu verwenden, um so Wärme und Strom zu erzeugen.
Auf diese Weise ist es zum Beispiel möglich, dass trotz Verwendung
allein des Energieträgers
Wasserstoff das System 100 mit der vollen Gesamtleistung
Energie zur Belieferung eines Hausnetzes 130, 132 erzeugen
kann, ohne allein auf die Einzelleistung des Reaktors 120 beschränkt zu sein.
Es findet folglich eine Entkopplung der Energieerzeugung von dem
einzusetzenden Energieträger
statt. Dies kann vor allem in Situationen sinnvoll sein, in denen
lange nach der letzten Vegetationsperiode die Vorräte an agrarisch
erzeugten Nutzstoffen im Vorratsbehälter 138 erschöpft sind.
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Insbesondere
ist es bevorzugt, das der Brenner 122 in der Lage ist,
im Rahmen des Verbrennungsprozesses sowohl Nutzstoff aus dem Vorratsbehälter 138,
als auch das zerlegte Speichermedium wie z.B. Wasserstoff aus dem
Vorratsbehälter 118 zu verbrennen.
So kann durch die zusätzliche
Verbrennung von Wasserstoff in dem Brenner 122 die Temperatur
des Heißdampfes
erhöht
werden, bzw. durch Erhöhung
des Lastzustandes des Dampf-Turbinen-Kreises der Wirkungsgrad dieses
Kreises verbessert werden. Auf diese Weise kann durch die Steuerung
und Regelung 140 über
eine Verminderung der Wasserstoffzufuhr zum Reaktor 120 und
einer entsprechenden zusätzlichen
Zufuhr von Wasserstoff zum Brenner 122 der Gesamtwirkungsgrad des
Systems abhängig
vom Lastfall, insbesondere bei Teillast der Heißdampfturbine, bei ansonsten
im wesentlichen gleicher erzeugter Strom- und Wärmeleistung verbessert werden.
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Weiter
ist es in dem System 100 bevorzugt auch möglich, die
Verbrennungstemperatur im Verbrennungsprozess 122 durch
Zugabe von Sauerstoff zu erhöhen.
Dies hat erhöhte
Temperaturen im Dampfkessel 124 zur Folge und führt über dementsprechend
höhere
Heißdampftemperaturen
und -drücke
zu einer Verbesserung des Wirkungsgrades der Heißdampfturbine. Der dazu notwendige
Sauerstoff kann aus der Umgebungsluft stammen, oder kann bevorzugt
bei der Zerlegung durch Elektrolyse von Wasser in Wasserstoff im
Zerleger 114 als zweites Elektrolysegas abgefangen und
in einem eigenen Vorratsbehälter
gespeichert werden.
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Wie
bereits erwähnt,
wird das zerlegte Speichermedium, bevorzugt Wasserstoff, im Vorratsbehälter 118 vorzugsweise
in flüssiger
Form gespeichert. Wasserstoff wird jedoch in der Reaktionseinheit 120 und/oder
dem Brenner 122 als Gas unter Normaldruck verwendet. Folglich
unterliegt der Wasserstoff vom Speicher 118 auf dem Weg
zur Reaktionseinheit 120 bzw. dem Brenner 122 einem
Wechsel von der flüssigen
in die Gasphase, wobei der Umgebung aufgrund der nötigen Verdunstungsenergie und
des Absinken des Drucks Wärme
entzogen wird. Vorteilhafterweise wird dieses Kühlpotential dazu verwendet,
zur Kühlung
im Kondensator beizutragen. Dadurch kann die ansonsten für den Kondensator bereit
zu stellenden Energie bzw. das bereit zu stellende Kühlwasser
ganz oder zumindest teilweise eingespart werden, was zu einer weiteren
Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades des Systems führt. Dazu wird
der flüssige
Wasserstoff aus dem Speicher 118 zur Druckminderung und
Verdunstung in geeigneten Röhren
und anderen Mitteln durch den Kondensator 220 hindurch
oder an diesem vorbeigeleitet, um so dem Kondensator 220,
und auf diesem Wege dem entspannten Dampf Wärme zu entziehen.
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Weiter
kann in dem System zusätzlich
ein Reformer vorgesehen werden, der die agrarisch erzeugten Nutzstoffe
in Wasserstoff oder wasserstoffhaltige Verbindungen umwandelt, die
im Vorratsbehälter 118 gespeichert
werden. Auf diese Weise kann eine weitere Entkopplung der Teilsysteme
des Systems erreicht werden, und auf vorteilhafte Weise ein eventuelles,
beispielsweise jahreszeitlich bedingtes Ungleichgewicht der Füllstände an Energieträgern in den
Vorratsbehältern 118 und 138 ausgeglichen
werden. Damit verbunden ist eine entsprechend kleinere Dimensionierung
des Vorratsbehälters 138 möglich, was
wiederum zur Senkung der Systemkosten beiträgt und die Wirtschaftlichkeit
des Systems erhöhen kann.
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Weiter
ist es auch möglich,
den von der Photovoltaikanlage 110 erzeugten elektrischen
Strom ohne vorherige Zwischenspeicherung durch Zerlegung im Zerleger 114 direkt
an das Hausnetz 130 abzugeben.
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Um
ein System realisieren zu können,
das mit möglichst
geringen Kosten und Abmaßen
errichtet werden kann und welches einfach wartbar ist, ist es bevorzugt
eine Heißdampfturbine
einzusetzen, welche eine einfache Konstruktion aufweist und welche
unter dem Druck des Heißdampfs
hohe Drehzahlen erreichen kann, so dass ein entsprechend geringes
Bauvolumen notwendig ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
einer Heißdampfturbine,
welche diese Vorteile aufweist, wird nun mit Bezug auf die 2 beschrieben
werden. Wie in 2 gezeigt, weist die Heißdampfturbine 200 einen trichterförmigen,
Schraubenradabschnitt 210 auf, der sich in Dampfflussrichtung
(in der Zeichnung von unten nach oben) im Querschnitt verjüngt. In
dem Schraubenradabschnitt 210 ist ein Schraubenrad 211 angeordnet,
das mit einer Turbinenwelle 230 in Rotation fest verbunden
ist. Das Schraubenrad 211 besteht bevorzugt aus einer Vielzahl
von Flügeln 212, die
hintereinander auf Lücke
gestaffelt sind. Der Schraubenradabschnitt 210 ist von
einer feststehenden Wand 113 umgeben.
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Wie
aus der Figur weiter ersichtlich, schließt sich in der Heißdampfturbine 200 an
den trichterförmigen
Schraubenradabschnitt 210 ein Drehkörper 220 an. Der Drehkörper 220 in
Form einer Dose ist aus einer zylindrischen Wand gebildet, innen
hohl und auf der dem Schraubenradabschnitt 210 abgewandten
Stirnseite durch eine Wand abgeschlossen. Der Drehkörper 220 ist
ebenfalls mit der Turbinenwelle 230 in Rotation fest verbunden.
In der zylindrischen Wand des Drehkörpers 220 ist eine
Vielzahl von Düsen
ausgebildet, durch die Heißdampf,
der vom Schraubenradabschnitt 210 einströmt, durch
die zylindrische Wand nach außen
strömen
kann. Unter der Wirkung der durch die einzelnen Düsen austretenden
Heißdampfstrahlen
wird ein Rückstoßeffekt erzeugt,
welcher ein Drehmoment erzeugt, das auf die Turbinenwelle 230 übertragen
wird und diese antreibt.
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Die
Düsen sind
vorzugsweise mittels Laserstrahl als Feinröhrchen ausgebildet und ringförmig in der
zylindrischen Wand des Drehkörpers 220 gegeneinander
versetzt angeordnet, so dass die Düsen sich gegenseitig in der
Drehmomenterzeugung durch den Rückstoßeffekt
unterstützen.
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Zur
Lagerung der Turbinenwelle 230 ist bevorzugt eine Lagereinheit 270 bereitgestellt,
in welcher die Turbinenwelle fliegend gelagert ist. Die Turbinenwelle 230 kann
jedoch auch auf andere bekannte Weisen gelagert sein.
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Weiter
weist die Heißdampfturbine 200 vorzugsweise
einen feststehenden, zylindrischen Ring 250 auf, in dessen
Innerem im Wesentlichen konzentrisch der Drehkörper 220 angeordnet
ist. Auf der Innenseite des feststehenden Rings 250 sind
spiralförmige
Auffangflächen 251 so
angeordnet, die aus den Düsen
austretenden Heißdampfstrahlen
aufzufangen und zu einer Auslassöffnung 160 abzuleiten.
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Die
Flügel 212 sind
besonders bevorzugt auf an sich bekannte Weise mechanisch, hydraulisch oder
elektrisch verstellbar. Dadurch kann das Schraubenrad 211 an
unterschiedlich hohe Dampfdrücke,
wie sie je nach zur Dampferzeugung verwendetem Brennstoff erzeugt
werden, angepasst werden.
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Das
Schraubenrad 211 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass
es im Betrieb bei Nenndrehzahl als Kompressor für den Heißdampf arbeitet, welcher eintretenden
Heißdampf
im Druck weiter erhöht
und in den Drehkörperabschnitt 220 hinein
presst. Auf diese Weise wird der Druck des aus den Düsen austretenden
Heißdampfes
erhöht
und der Drehmoment erzeugende Rückstoßeffekt
verstärkt.
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Während sich
die Heißdampfturbine 200 in der
Phase des Anlaufens befindet und das Schraubenrad 211 noch
eine geringe Drehgeschwindigkeit aufweist, findet keine Kompression
des Heißdampfes statt.
Vielmehr übt
in dieser Phase der Heiß dampf Druck
auf das Schraubenrad 211 aus, was ein Drehmoment auf die
Turbinenwelle 230 zur Folge hat und so das Anlaufen der
Heißdampfturbine
fördert.
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Die
auf diese Weise ausgebildete Heißdampfturbine 200 erlaubt
es, aufgrund der mit ihr erzielbaren hohen Drehzahlen, eine Heißdampfturbine von
relativ kleinem Leistungsvolumen und folglich geringen Kosten pro
Leistung zu verwirklichen.
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Insbesondere
lassen sich diese Vorteile der mit Bezug auf 2 beschriebenen
Heißdampfturbine
auch im System zur Erzeugung von Energie in Kraft/Wärme-Kopplung gemäß der Erfindung
erzielen und tragen zur Wirtschaftlichkeit dieses Systems bei.