DE102008036917A1

DE102008036917A1 - Verfahren zur Wandlung thermischer Energie in mechanische und weiter in elektrische Energie

Info

Publication number: DE102008036917A1
Application number: DE200810036917
Authority: DE
Inventors: Heinz Manfred Bauer; Michael Bauer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-05
Filing date: 2008-08-05
Publication date: 2010-02-11

Abstract

Das hier vorgestellte Verfahren ermöglicht die Nutzung regenerativer Energie in einer Art und Weise, wie dies bisher nicht möglich war. Das Verfahren benötigt keine Speichermöglichkeiten, da die Energie zu jedem Zeitpunkt, unabhängig von Faktoren wie zum Beispiel Sonne oder Wind elektrischen Strom zur Verfügung stellen kann, immer dann, wenn dieser benötigt wird. Die kontinuierliche Betriebsbereitschaft erlaubt eine hohe Netzpräsenz und damit eine sehr gute Effektivität. Der Wärmelieferant, zum Beispiel Erde oder Wasser, wie auch alle anderen im Verfahren vorgesehenen Energiequellen ist jederzeit und uneingeschränkt verfügbar, so dass das Verfahren universal Anwendung finden kann. Die bevorzugten Ausführungen nach den Ansprüchen 3 bis 13 erweitern den Einsatzbereich wesentlich und erhöhen somit die Nutzung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie und weiterhin in elektrische Energie. Dazu genutzt werden Wärmetauscher, Verdampfer, Wärmepumpe, Turbine und Generator. Das Verfahren ist auch ohne Wärmepumpe möglich. Gegenstand der Erfindung sind beide Varianten. Anwendung findet das Verfahren unter Nutzung aller denkbaren, geeigneten Wärmequellen wie z. B. den Wärmequellen Geothermie, natürliche und künstliche Wasservorkommen, wie Seen, Bäche, Flüsse, Stauseen und sonstige Wasservorkommen aller Art, auch maritime, die geeignet sind Wärme abzugeben, industrielle Kühlwasser oder sonstige künstliche Wärmequellen wie Abwässer aus Papierwerken, oder Kühlwasser von Kraftwerken, Wasser aus Bergwerken, Wasser in Bergwerken, Brunnen, unterirdischen Seen und Wasserläufe, ebenso wie andere Wärmeentzugsabläufe, direkt oder über Sonden und auch aus der Luft.
Aus dem Stand der Technik, z. B. DE 36 19 547 oder GB 11301214 und auch EP 1 702 140 B1 , sind eine Vielzahl von Verfahren zur Wandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie und darüber hinaus auch in elektrische Energie bekannt. Zum Beispiel gibt es Wärmekraftanlagen die in einem Kessel ein Arbeitsmittel erwärmen und unter hohem Druck zum Sieden bringen und verdampfen. Der Dampf wird anschliessend in einer Turbine entspannt, wobei Arbeit verrichtet wird. Anschließend wird das Arbeitsmittel wieder verflüssigt und dem Kessel beigefügt, wodurch ein Kreislauf entsteht. Bei diesem Arbeitsmittel handelt es sich in der Regel um Wasser, in anderen Verfahren auch um Fluide wie Ammoniak-Wasser-Gemische oder sonstige organische Verbindungen und weitere den einzelnen Verfahren dienliche Substanzen. Überwiegend wird bei solchen Anlagen die geleistete Arbeit mittels Generator in Elektrizität umgewandelt. Grundsätzlich kann hier jede Wärmekraftmaschine angeführt werden. Diese Verfahren arbeiten überwiegend mit der Erwärmung von Wasser und der Erzeugung möglichst hoher Drücke. Die zur Verwendung kommenden Drücke, vor der Entspannung des verwendeten Arbeitsmittels, vorwiegend Wasserdampf, liegen in Bereichen oberhalb von 15 bar. Die Nachteile, die sich daraus ergeben betreffen, neben den hohen Drücken auch die in Betracht kommenden hohen Temperaturen, die eine untere Schwelle für die technische Nutzung aufbauen, die grosse Energievorräte ausschließen. So sind zum Beispiel geothermische Energievorkommen in den Bereichen bis 500 Metern Tiefe weitestgehend ausgeschlossen. Man nutzt diese zwar, aber nur zur Gewinnung der Wärme. Ebenso wie Thermalwasser, Kühlwasser und Luft, die zwar sporadisch eine Anwendung finden, jedoch nicht in einem so komplexen Verfahren, dass daraus elektrische Energie gewonnen werden kann, sondern nur um einen örtlich begrenzten Wärmebedarf, zum Beispiel einer Heizung zu decken. Die hier in Kauf genommenen Nachteile verursachen erhebliche wirtschaftliche Begrenzungen. So würde das Energiepotenzial, welches in der Erde bis zu einer Tiefe von 200 Metern zur Verfügung steht, mehr als ausreichen, den gesamten Energiebedarf der Menschheit zu decken. Auch der Teilbereich, der in unseren ehemaligen Kohlebergwerken schlummert, ist grösser als der Energiebedarf der Bundesrepublik Deutschland, ebenso, wie ähnlich hohe Reserven in anderen Bergbaugebieten innerhalb und ausserhalb Europas. Auch die thermischen Energievorräte in den Meeresgewässern reichen aus, den Energiebedarf der Menschheit auf Dauer zu befriedigen. Gerade die Vorräte in maritimen Gewässern sind leicht nutzbar und durch entsprechende technische Apparate zu erschliessen. Wir denken hier an das Ansaugen oberflächennahem Wassers, welches in großen Teilen der Meere durchaus Temperaturen zwischen 20°C und 30°C dauerhaft, erreicht. Man kann die thermische Energie des Wassers auch mittels Sonden der Umgebung entziehen. Dieses Wasser dann in dem hier vorgeschlagenen Verfahren nutzbar zu machen ist eine, auch heute schon lösbare technische Aufgabe. Wird die ganze Apparatur in Küstennähe betrieben, ist auch die Einspeisung von Strom in die Netze der Verbraucher kein Problem. Nur, allein es fehlt ein Verfahren diese Vorräte zu nutzen. Dazu ist diese Erfindung, neben anderen Einsatzgebieten, gedacht.
Aufgabe der Erfindung ist die Generierung elektrischer Energie aus Wärmevorkommen, wie sie zum Beispiel in der Erdwärme, in Wasser, in Luft und in industriell anfallendem Kühlwassern enthalten ist, unter Vermeidung der Nachteile hoher Temperaturen und hoher Drücke.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen ausgeführt.
Dazu ist erfindungsgemäss vorgesehen, dass eine Turbine als Entspannungsvorrichtung genutzt wird. Diese Entspannungsvorrichtung ist als Niederdruck-Entspannungsvorrichtung ausgebildet. Hier wird eine Turbine als Entspannungsvorrichtung genutzt, die in der Lage ist, bei den herrschenden Drücken den Betrieb aufzunehmen und einen Generator anzutreiben. Aus einer beliebigen Wärmequelle wie anfangs beschrieben, zum Beispiel Erdwärme, Wasser und Luft wird die Wärme entnommen. Hier verfügt das Verfahren erfindungsgemäss über zwei alternative Möglichkeiten. Zum Ersten wird die Wärme direkt entnommen, indem über einen Verdampfer ein Medium die Wärme aufnimmt und bei der herrschenden Prozesstemperatur seinen Aggregatzustand von flüssig in gasförmig wandelt. Weiterhin ist dieses Medium so zusammengesetzt, dass es nach dem Verdampfen einen technisch verwertbaren Druck aufbaut. Dann wird das, jetzt unter einem erhöhten Druck stehende Medium einer Turbine zugeführt, die durch die Entspannung des Mediums angetrieben wird und beispielsweise einen Generator zur Stromerzeugung antreibt. Alternativ wird nach dem Verdampfer das Medium an eine Wärmepumpe weitergeleitet, wo sein Temperaturniveau erhöht wird und es sodann ebenfalls eine Turbine antreibt. Der Vorteil der alternativen Ausführung besteht darin, dass durch die höhere Temperatur, zur Zeit bis zu 65°C möglich, die technische Verwertung vereinfacht wird, da die Temperaturspanne grösser ist. Der weitere Verlauf des Verfahrens ist wieder wie bei der ersten Variante. Möglich ist auch ein Medium das von Verfahrensbeginn her bereits gasförmig ist und keinerlei Änderung seines Aggregatzustandes erfährt, sondern durch Aufnahme der thermischen Energie, lediglich den Druck erhöht und dementsprechend auch nach dem Entspannen wieder verringert. Die für den Betrieb der Wärmepumpe notwendige Energie wird aus dem Verfahren entnommen. Es handelt sich hier um einen linksläufigen Kreisprozess zur Aufnahme der Wärme und einen rechtsläufigen Kreisprozess zur Entspannung des Mediums und damit zum Antrieb der Turbine. Im Betrieb mit der Wärmepumpe sind derzeit technische Grenzen dahingehend gesetzt, dass die Temperatur der Wärmequelle nicht über 20°C liegen darf. Um dies zu gewährleisten wird, sofern die Wärmequelle darüber liegt, die Wärmequelle aufbereitet. Dabei ist besonderer Wert darauf zu legen, dass kein Wärmepotenzial verloren geht. Zum Beispiel kann Wasser mit einer zu hohen Temperatur durch das Mischen mit kälterem Wasser auf das gewünschte Temperaturniveau gesenkt werden und die Wärmemenge durch das jetzt entsprechend grössere Volumen weitestgehend erhalten bleiben. Hierbei kann auf den Einsatz signifikanter Arbeitsleistungen verzichtet werden. Für das Verfahren spielt dies nur eine untergeordnete Rolle und wird in einer anderen Entwicklung verbessert. Das Verfahren ist so konzeptioniert, dass es allen Einsatzmöglichkeiten gerecht wird und universell Anwendung findet.
Nach dem Entspannen in der Turbine kann das Medium auf eine Temperatur nahe 200 K abgekühlt sein, wodurch die Temperaturspanne von cirka 368 K bis cirka 223 K derzeit in diesem Verfahren nutzbar ist. Ausdrücklich sei erwähnt, dass auch andere Temperaturbereiche nutzbar und dem Verfahren entsprechend sind. Nunmehr wird das Medium in Nähe der Erdoberfläche, zum Beispiel flache Erdgräben oder an der freien Luft durch einen Wärmetauscher auf eine Temperatur nahe 273 K aufgeheizt, bevor es der Wärmepumpe erneut zugeführt und der Kreislauf geschlossen wird. Dieser zusätzliche Wärmestrom der hier genutzt wird soll die Erwärmung ohne wesentliche zusätzliche Arbeitsverrichtung durch Wärmeübertragung bewirken. Dadurch soll die Bilanz des Verfahrens verbessert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3619547 [0002]
- GB 11301214 [0002]
- EP 1702140 B1 [0002]

Claims

Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie, und weiter in elektrische Energie in der Art, dass über einen Wärmetauscher Energie von einem Wärmelieferanten entnommen und einem Medium zugeführt wird, welches hierdurch seinen Aggregatzustand von flüssig in gasförmig ändert, und einen technisch verwertbaren Druck aufbaut mit dem dann eine Turbine angetrieben wird, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, mit einer einfachen Kraftkupplung einen Generator anzutreiben und elektrischen Strom zu entnehmen, wobei das Medium in der Turbine entspannt und seinen Aggregatzustand in gasförmig wandelt, beziehungsweise dass das Verfahren analog, aber ohne Änderung des Aggregatzustandes allein durch die Änderung des Druckes im Arbeitsmittel vollzogen wird und dem Wärmetauscher wieder zugeführt wird, und des weiteren durch mehr als einen Wärmestrom Energie zugeführt wird, wobei mindestens ein Wärmestrom ohne oder mit minimaler zusätzlicher Verrichtung von Arbeit das Wärmepotenzial des Verfahrens erhöht, zum Beispiel durch Wärmeübertragung, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren in einem Temperaturbereich der Energie liefernden Wärmequelle bis 80°C abläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass das Medium nach dem Entzug der Wärme, aus der Wärmequelle, einer Wärmepumpe zugeführt wird, dadurch auf ein wesentlich höheres Temperaturniveau transformiert und erst dann einer Turbine zugeführt wird, wo dann das Medium erfindungsgemäß entspannt, diese Turbine antreibt, dadurch Strom generiert, der zum Teil dazu verwendet wird, die Wärmepumpe mit Energie zu versorgen und der überschüssige Teil des erzeugten Stromes einem Verbraucher zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmequelle Wasser verwendet wird, das aus den Untertagebauten von Steinkohlebergwerken stammt
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser aus den unterirdischen Grubenbauten während oder nach deren Betrieb gepumpt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme aus den stillgelegten, oder zumindest teilweise stillgelegten Grubenbauten unter Tage mittels durch Bohrungen eingeführte Sonden mit innen zirkulierendem Medium entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme mit durch Bohrung eingeführte Sonden mit innen zirkulierendem Medium aus dem Erdreich entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme industriellen Kühlwassern, zum Beispiel aus Kraftwerken, mit einem Wärmetauscher entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme fliessenden, stehenden und maritimen Gewässern mit Wärmetauschern entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme der Umgebungsluft entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass die Wärme als Abwärme anderer technischer, chemischer, industrieller, biologischer oder solarer Prozesse anfällt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme mit Sonnenenergie erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet dass die Wärme geologischen Prozessen in weitestem Sinne entnommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, gekennzeichnet, dass die Wärme durch nukleare Prozesse erzeugt wird.