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Anwendungsgebiet
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Diese
Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff
des Anspruchs I
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Stand der Technik
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Gegenwärtig wird
Strom, sowie Heizungs- und Bewegungsenergie überwiegend aus folgenden fossilen
Energieträgern
gewonnen:
- 1) Kohle
- 2) Gas
- 3) Öl
- 4) Radioaktivem Material
sowie aus den so genannten
regenerativen Energien: - 5) Sonnenenergie
- 6) Wasser
- 7) Wind
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Nachteile des Standes der
Technik
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Bei
deren Nutzung entstehen vielfältige
Probleme, bei den fossilen Brennstoffen insbesondere
- – Erzeugung
von Schadstoffen wie CO, SO2, Ruß und Feinstaub,
die direkt die menschliche Gesundheit gefährden; bei der in dieser Beziehung "sauberen" Kernenergie wird
hochgefährlicher,
radioaktiver Abfall produziert, dessen Endlagerung bis zum heutigen
Tage ungelöst
ist;
- – Endlichkeit
der Nutzung durch Erschöpfung
der Vorkommen, und dadurch bereits im Vorfeld ständig steigenden Preisen;
- – Emission
von Treibhausgasen, besonders zu nennen CO2,
dem ein bedeutender Anteil an der globalen Erwärmung zugeschrieben wird.
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Bei
den regenerativen Energien unter anderem:
- – Sonnenenergie
kann nur mit relativ teurer, aufwendiger Technik in Strom umgewandelt
werden. Sie steht, je nach Tages- und Jahreszeit sowie dem Wetter
nur eingeschränkt
oder gar nicht zur Verfügung.
Dort, wo die meiste Energie benötigt wird,
herrschen in den meisten Fällen
ungünstige Bedingungen.
- – Wasser
lässt sich
in großem
Stil nur durch aufwendige und kostspielige Maßnahmen zur Gewinnung von elektrischer
Energie nutzen. In der Regel ist die Errichtung von Dämmen und
Stauseen erforderlich, welche die Landschaft verschandeln und Lebensraum
zerstören.
- – Wind
kann nur bei geeigneten Wetterbedingungen nutzbare Energie erzeugen.
Daher gibt es weder Kontinuität,
und Planbarkeit nur im Durchschnitt über längere Zeiträume.
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Die
aufgeführten
Nachteile sind lange bekannt. Daher wird auch seit einiger Zeit
intensiv an der Erforschung neuer Energieträger gearbeitet, insbesondere
an der Verwendung von Wasserstoff. In erster Linie zu nennen ist
der direkte Einsatz von Wasserstoff z.B zum Antrieb von Motoren
von Kraftfahrzeugen oder als Antrieb von Turbinen z.B für die Stromerzeugung
sowie zur direkten Stromerzeugung in Brennstoffzellen.
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Dass
sich der Wasserstoff trotz aller unbestreitbarer Vorteile bisher
nicht durchsetzen konnte, ist bedingt durch die Nachteile der bisher
bekannten Verfahren:
Soll Wasserstoff direkt verwendet
werden, so muss er in der Regel zuerst aus Wasser gewonnen werden. Das
gebräuchlichste
Verfahren hierzu ist die Elektrolyse; zu deren Funktion wird sehr
viel elektrische Energie benötigt.
Daher ist das Verfahren überhaupt
nur rentabel, wenn Strom zur Verfügung steht, der sowohl billig,
als auch Schadstoff- und CO2-frei hergestellt
ist, da ansonsten die Probleme: Kosten und Umweltbelastung, nur
an eine andere Stelle der Erzeugungskette verlagert werden.
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Doch
selbst wenn dies gelungen sein sollte, ist auch die Verwendung von
Wasserstoff nicht unproblematisch, und daher mit erheblichen Kosten und
Risiken verbunden:
Generell ist Wasserstoff in Mischung mit
Sauerstoff, also auch gewöhnlicher
Luft, hochexplosiv.
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Zur
wirtschaftlichen Nutzung hat er gasförmig zu wenig Energie für sein Volumen;
unter Druck kann er zwar bis zu ca. 350 bar in speziellen Tanks gespeichert
werden, was neue Probleme durch die erforderliche Stabilität und Dichtigkeit
der Tanks bewirkt.
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Zur
Verflüssigung
muss er mit erheblichem Aufwand bis auf –253 Grad Celsius gekühlt werden; der
Energiebedarf dieses Aufwands liegt bei etwa einem Drittel der dadurch
gespeicherten Energie.
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Sowohl
in gasförmiger
als auch flüssiger Form
lassen sich Risiken beim Transport und der Aufbewahrung nie ganz
ausschließen;
mit steigender Sicherheit ist mitzunehmenden Kosten zu rechnen.
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Metallhydridspeicher
sind, zumindest noch zur Zeit, zu teuer und zu wenig leistungsfähig; auch wenn
dem abgeholfen werden könnte,
verbleibt doch das Problem mit dem zuvor aufwendig herzustellenden
Wasserstoff.
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Brennstoffzellen
stellen eine anspruchsvolle technische Lösung dar; gegen den alltäglichen
Einsatz stehen heute noch die hohen Kosten und zahlreiche noch nicht
gelöste
technische Schwierigkeiten.
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Aufgabe der Erfindung
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Mit
dieser Erfindung sollen die Vorteile des Wasserstoffs nutzbar gemacht
werden, ohne dass die oben geschilderten Nachteile in Kauf genommen werden
müssen.
Die Energie ist in der völlig
ungefährlichen
Form gewöhnlichen
Wassers anzuliefern; die Erzeugung des Knallgases soll ohne Einsatz
von Strom erfolgen; Transport und Speicherung, in welchem Aggregatzustand
auch immer, soll vermieden werden. Die Vorteile des Wasserstoffs:
Schadstofffreie Verbrennung, fehlender CO2-Ausstoß und niedrige
Kosten sollen dabei weitestgehend erhalten bleiben.
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Lösung der Aufgabe
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Diese
Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
I gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
weist folgende Vorteile auf:
Wasserstoff ist in der Form von
Wasser fast überall auf
der Welt, wo in der Gegenwart Energie in nennenswertem Umfang benötigt wird,
in nahezu unbegrenzter Menge vorhanden. Es wird in der westlichen Welt
durch Rohre in jedes Haus geliefert; dadurch ist keinerlei neue
Infrastruktur erforderlich. Auf Tanks, die heutzutage mit Öl betriebene
Anlagen charakterisieren, kann verzichtet werden; wenn nicht, kann
die Anlage auch mit Brauchwasser, Regenwasser etc. versorgt werden,
da Trinkwasserqualität
nicht erforderlich ist. Auch in diesem Fall entfallen alle heutigen Risiken
der Grundwassergefährdung
durch undichte Tanks oder bei Belieferung und Transport, da die Tanks
nur Wasser enthalten, z.B. auf dem eigenen Dach aufgefangenes Regenwasser.
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Die
Erzeugung des zu verbrennenden Knallgases wird auf einfache Weise
durch thermische Zersetzung des Wassers mit von außen zugeführter Energie
eingeleitet; ist der Prozess erst einmal in Gang gesetzt, kann er
durch die Knallgasverbrennung ganz oder zumindest zu einem großen Teil
thermisch erhalten werden, so dass keine oder nur wenig Energie
anderer Art zugeführt
werden muss.
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Das
Verfahren eignet sich für
die Beheizung von Häusern,
ggf. in Verbindung mit der Erzeugung der benötigten elektrischen Energie
des Haushalts mit einem Generator, soweit nicht die Heizung in diesem
Fall sinnvollerweise gleich durch Strom erfolgt. Bei Neubauten können dadurch
die wassergefüllten Heizkörper und
deren gesamte Verrohrung eingespart werden.
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Denkbar
ist auch die Verwendung in Form von Blockheizkraftwerken z.B. zur
Versorgung ganzer Straßen,
wodurch sich der Aufwand und die Kosten noch einmal vermindern dürften, vor
allem, wenn die Energie konsequent nur als Strom erzeugt und verbraucht
wird.
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Diese
Energie-Erzeuger würden
auch in Wohngebieten keine Probleme aufwerfen, da sie keine Schadstoffe
erzeugen und ausstoßen.
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Weiterhin
eignet sich das Verfahren zum Einsatz in Großkraftwerken; überall,
wo bisher Wärme erzeugt
wird, um dann über
geeignete Verfahren, wie z.B. Turbinen, Strom zu erzeugen, stationär oder auch
mobil, z.B. in Schiffen.
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Die
hohe erzeugte Prozeßwärme ermöglicht einen
hohen Wirkungsgrad beispielsweise beim Betrieb von Turbinen.
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Thermolytische
Wasserkraftwerke, um sie einmal so zu bezeichnen, könnten somit
Kohle- Gas- Öl-
und Atom-betriebene Kraftwerke auf Dauer ersetzen; auch die z.T.
nicht unproblematische Erzeugung regenerativer Energien, hierbei
insbesondere gedacht an Wasserkraft in Verbindung mit Stauseen oder
Windkraft und die Umweltproblematik, könnte überflüssig werden.
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Der
nächste
Schritt ist der vollständige
Verzicht auf Großkraftwerke,
da jedes Haus oder jede Straße
eigene Energie erzeugt; durch Vernetzung mehrerer Anlagen ist auch
eine gute Betriebssicherheit beim Ausfall einzelner Anlagen zu erreichen. Dies
hätte dann
auch die Möglichkeit
des Verzichts auf Überland-Hochspannungsleitungen
zur Folge.
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Mit
Ausnahme einiger Öl
oder Gas produzierender Länder
käme es
zu einer enormen finanziellen Entlastung bei den Energiekosten,
angefangen bei jedem einzelnen Haushalt bis hin zu ganzen Volkswirtschaften:
In
vielen Bereichen können
teure Öl-
und Gas-Importe vermieden werden; die Folgekosten der Verhinderung
und ggf. Beseitigung von Umweltschäden entfallen; die Gefahren
der Atomenergie wären
passe; die Erwärmung
der Erde durch CO2-Ausstoß könnte gebannt
werden; selbst auf Gebieten, in denen nicht auf den Einsatz herkömmlicher
Brennstoffe verzichtet werden kann oder soll, ergäben sich
Vorteile: Durch die stark gesunkene Nachfrage nach z.B. Öl sinkt
der Preis; das alleine ist ein Vorteil für die Bezieher, aber auch indirekte
Vorteile sind nicht zu übersehen:
Bei niedrigen Treibstoffkosten können
z.B. Verbrennungsmotoren für
minimalen Schadstoff-Ausstoß optimiert
werden, so dass sie zwar mehr verbrauchen, dabei aber deutlich weniger
Schadstoffe produzieren.
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Davon
abgesehen ist mit dem Einsatz geeigneter Materialien auch der direkte
Einsatz in Fahrzeugen denkbar, z.B. durch Erzeugung von Strom zum
Antrieb von Elektromotoren zum Fahrzeugantrieb, oder dem Antrieb
von Schiffen oder anderen Fortbewegungsmitteln; oder in indirekter
Weise, indem für
Verbrennungsmotoren Wasserstoff erzeugt wird, was bei Einsatz der
Erfindung in der geforderten preiswerten und umweltschonenden Weise
geschehen kann.
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Beschreibung der Erfindung
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In
der einfachsten Form stelle man sich eine heute handelsübliche Heizungsanlage
mit einem Ölbrenner
vor. Der Ölbrenner
wird ersetzt durch eine oder mehrere Vorrichtungen, durch die das
zu zersetzende Wasser unter Druck in die Brennkammer gespritzt wird.
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In
der Brennkammer befindet sich an geeigneter Stelle ein Festkörper, ggf.
hohl, der zur Einleitung der Thermolyse des Wassers auf eine hohe Temperatur
vom z.B. 2000, besser 3000 Grad Celsius oder mehr gebracht wird.
Dies kann geschehen in der Form von Metallbrand oder Redox-Reaktionen, beispielsweise
mit Thermit, womit die geforderten Temperaturen ohne weiteres und
preisgünstig
zu erreichen sind. Diese Hitze ist auch nicht verloren, sondern
geht in die erzeugte Nutzwärme
mit ein.
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Auf
diesen heißen
Körper
wird, nach Erreichen der gewünschten
Temperatur, das Wasser unter Druck gespritzt. Dabei kommt es ohne
weiteres bereits zu einer teilweisen thermischen Zersetzung des
Wassers zu Wasserstoff und Sauerstoff, bezeichnet als Knallgas,
welches sofort wieder verbrennt und die eigentliche Nutzwärme erzeugt.
Der Wirkungsgrad hängt
von der Temperatur der Zersetzung ab; bei 3000 Grad sollten ca.
20% des Wassers in Knallgas umgewandelt werden, der Rest wird aufgefangen
und in Form eines offenen Kreislaufs wieder als Brennstoff eingespritzt.
Dadurch muss immer nur das tatsächlich
verbrannte, und nicht wieder als Verbrennungsprodukt entstandene
H2O, welches ebenfalls wieder eingespeist
werden kann, dem System neu zugeführt werden.
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Die
Vorrichtung für
die Wasserzuführung kann
auch zur Verbesserung der Funktion direkt an den Festkörper herangeführt werden.
Im Betrieb erfolgt eine Kühlung
durch das hindurchströmende Wasser;
um eine Überhitzung
in Betriebspausen zu verhindern, wird diese Vorrichtung beweglich/wegschwenkbar
ausgeführt.
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Als
tatsächliche
Arbeitstemperatur wird ein Kompromiss zu finden sein. Je höher die
Temperatur, desto höher
der Anteil des aufgespaltenen Wassers und um so höher die
Ausbeute; jedoch steigen die Ansprüche an die Hitzebeständigkeit
der verwendeten Materialien, insbesondere für den zu erhitzenden Festkörper und
den Brennraum.
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Da
das nicht reagierende Wasser einerseits fast keine Kosten verursacht,
und andererseits auch wieder eingespeist wird, ist in dieser Beziehung
ein hoher Wirkungsgrad nicht zwingend erforderlich. Dabei ist auch
zu bedenken, dass es wünschenswert sein
dürfte,
dass der Festkörper
nach der Anheizphase nicht mehr, oder mit möglichst wenig externer Energie,
z.B. Thermit, Metallpulver etc. versorgt werden muss; Wasserstoff
verbrennt in der im Wasser gegebenen optimalen Zusammensetzung mit
Sauerstoff mit ca. 2350 Grad, so dass diese Temperatur theoretisch
ohne sonstige Energiezufuhr zu halten sein müsste.
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Es
kann auch eine zusätzliche
Zufuhr von Wasser vorgesehen werden, die das Wasser nicht auf den
Festkörper
richtet, sondern direkt in die vom Festkörper ausgehende Flamme.
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Sollte
die Beheizung mit Metallpulver etc. nicht gewünscht sein, z.B. wegen der
entstehenden zu entsorgenden Rückstände/Metalle,
so können auch
geeignete Gase mit ausreichend hoher Brenntemperatur verwendet werden.
Erforderlichenfalls kann der Festkörper so ausgebildet sein, dass
er zum Teil in die erzeugte Flamme hineinragt, um ein Beibehalten
der Betriebstemperatur des Festkörpers
zu ermöglichen.
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Eine
weitere Möglichkeit
ist, das zu zersetzende Wasser in Rohren durch den Brennraum zu leiten,
um eine hohe Eintrittstemperatur zu erreichen, was den Wirkungsgrad
erhöht
und die Abkühlung
des Festkörpers
vermindert. Der durch die Erhitzung erzeugte Druck kann für die Einspritzung,
ggf. ohne weitere Vorrichtungen wie Pumpen etc., genutzt werden.
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Zum
Erreichen dieser, oder auch einer höheren Brenntemperatur, sind
folgende Verfahren, einzeln oder in Kombination, denkbar:
Erhöhung des
Innendrucks im Brennraum. Bei höherem
Druck steigt auf alle Fälle
der Schmelzpunkt der verwendeten Materialien, was z.B. Metall oder
Mineralien sein könnten,
wodurch entweder billigeres Material mit eigentlich ungeeignetem,
niedrigerem Schmelzpunkt verwendet werden kann, oder generell mit
höheren
Temperaturen gearbeitet werden kann. Es ist zu erwarten, dass bei
höherem
Druck auch der Anteil des zersetzten Wassers bei gleicher Temperatur
steigt.
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Zugabe
von Sauerstoff oder sonstigen Gasen zum Knallgas, um die optimale
Brenntemperatur zu erreichen, oder um die Entstehung von nicht gewünschten
Produkten zu verhindern oder herab zu setzen. Diese Zugabe kann
in den Brennraum erfolgen; möglicherweise
kann auch das Wasser damit angereichert werden.
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Das
Wasser kann vorgeheizt werden, was zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads
der Zersetzung führen
sollte. Diese Vorheizung könnte
kombiniert werden mit einer Kühlung
z.B. der Außenwände der
Anlage durch das sich dabei erhitzende Wasser, was die Temperatur
von außen
berührbarer
Teile herabsetzt, bzw. den Einsatz billigeren Materials ermöglicht.
Wenn unter Druck in der Brennkammer gearbeitet wird, kann die Vorheizung
auf weit über
100 Grad erfolgen.
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Je
heißer
das eingespritzte Wasser ist, desto weniger Energie wird dem Festkörper entzogen,
was eine höhere
Betriebstemperatur zur Folge haben könnte.
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Es
ist denkbar, dass der Anteil des zersetzten Wassers bei ansonsten
gleichbleibenden Bedingungen steigt, wenn das Wasser mit möglichst
hohem Druck auf den Festkörper
gespritzt wird, da dann eine größere Menge
durch Kontakt mit dem Festkörper,
nach der zwischenzeitlichen Umwandlung in Wasserdampf, die zur Zersetzung
erforderliche Temperatur erreicht.
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Um
die Ausbeute an zersetztem Wasser zu steigern, kann die Oberfläche des
Festkörpers
unregelmäßig ausgeführt sein.
Dadurch vergrößert sich die
Oberfläche,
die mit dem zu zersetzenden Wasserdampf in Berührung kommt, und ein höherer Wirkungsgrad
bei der Aufspaltung wird erreicht.
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Es
kann auch untersucht werden, ob die Bestrahlung des Brennraums stationärer Anlagen
mit Mikrowellen, bevorzugt natürlich,
wenn diese mit durch die Anlage selbst erzeugtem Strom versorgt werden,
eine Verbesserung nicht nur des Wirkungsgrades, sondern in diesem
Fall natürlich
der gesamten Energiebilanz, zur Folge hat.
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Wenn
eine Erhöhung
der Brenntemperatur gewünscht
wird, sei es, weil ansonsten der Festkörper extern nachgeheizt werden
müßte, oder
weil eine höhere
Verbrennungstemperatur gewünscht
wird, als es die Verbrennung von Knallgas, ggf. auch unter Druck,
ermöglicht,
wäre die
Zugabe von Brennmitteln möglich.
Hier ist vor allem an Metallstaub oder ein Gemisch, wie z.B. Thermit,
zu denken, der entweder in den Brennraum geblasen wird, oder, möglicherweise
am einfachsten und wirkungsvollsten, in das zu zersetzende Wasser
eingebracht wird, mit dem verbrennenden Knallgas verbrennt, und
die Temperatur erhöht.
In der Form des beschriebenen offenen Kreislaufs geht auch das nichtverbrannte
Material nicht verloren.
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Da
der Festkörper
nur dann ohne externe Energiezufuhr auf Betriebstemperatur gehalten
wird, wenn die Anlage arbeitet, sollte sichergestellt sein, dass
dies möglichst
ununterbrochen der Fall ist. Allein aus diesem Grund wäre, von
regelrechten Kraftwerken abgesehen, die Versorgung aller Verbraucher
eines Haushaltes, also Heizung, Warmwasser, Strom, sinnvoll; dies
wird durch die niedrigen Kosten der hier erzeugten Energie ohnehin
impliziert. Am einfachsten wäre
das zu gewährleisten,
wenn mit Strom geheizt, nur Strom erzeugt, und der überschüssige Strom
ins öffentliche
Netz eingespeist würde.
Da trotzdem u.U. nicht jederzeit mit gleicher Leistung gearbeitet
werden soll, weil beispielsweise nachts oder im Sommer nicht genügend Nachfrage nach
Strom besteht, könnte
der Festkörper
auch aus mehreren, thermisch voneinander isolierten Teilen bestehen,
die auch von jeweils eigenen Einspritzvorrichtungen angesteuert
werden. Im Idealfall könnte so,
z.B. bei einem dreiteiligen Festkörper, in nachfrageschwachen
Zeiten nur der mittlere Teil angesteuert und auf Betriebstemperatur
sein; die anderen Teile lägen
darunter. Aber auch deren Temperatur sollte hoch genug bleiben,
um eine Zersetzung in geringerem Umfang zu ermöglichen; die Anlage würde also alleine
dadurch hochgefahren werden können,
dass der aktive Teil voll ausgelastet wird, wodurch auch die vorher
nicht benötigten
Teile erhitzt werden; dann werden auch diese mit Wasser angesteuert,
ggf. erst in geringerem Maße,
durch dessen Verbrennung auch deren Temperatur wieder auf die Betriebstemperatur
ansteigt. Sollte dies nicht gewünscht
oder zu aufwendig sein, wäre
eine externe kurzfristige Energiezufuhr z.B. mit Thermit oder anderen
geeigneten Energieträgern
möglich.