DE102009057613A1

DE102009057613A1 - Kraft-/Kältekopplung zur Energiegewinnung

Info

Publication number: DE102009057613A1
Application number: DE200910057613
Authority: DE
Inventors: Jens-Werner Kipp
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2011-06-16

Abstract

Kraft-/Kältekopplung zur Energiegewinnung

Description

Die Kraft-Wärme Kopplung ist bekannt und wird eingesetzt zur gleichzeitigen Gewinnung von mechanischer Energie, die in der Regel unmittelbar in Elektrizität umgewandelt wird und nutzbare Wärme für Heizzwecke oder für Produktionsprozesse (Prozesswärme) in einem Heizkraftwerk. Im Gegensatz zu thermischen Wärmekraftwerken, die ausschließlich auf Stromproduktion ausgelegt sind und dadurch nur einen Wirkungsgrad bis 45% erreichen, wird bei der Kraft-Wärme Kopplung ein sehr viel höherer Wirkungsgrad erreicht.
Es ist weiter bekannt, dass die bei den Verbrennungsprozessen z. B. in Kohle-, Gas-, Holz- oder Heizölkraftwerken entstehenden CO2-Abgase nach einer Abreinigung Gewächshäusern zugeführt werden, wo sie zur Photosynthese benötigt und damit klimaunschädlich beseitigt werden. Da freigesetztes CO2 prinzipiell klimaschädigend wirkt, wird zudem z. Z. daran gearbeitet, die bei Verbrennungsprozessen in riesigen Mengen entstehenden CO2-Abgase zu verflüssigen und dann unterirdisch zu verpressen. Dadurch soll verhindert werden, dass das CO2 in die Atmosphäre gelangt. Flüssiges Gas wird für viele Zwecke eingesetzt. Flüssiges CO2 wird z. B. durch Entspannung teilweise in feste Partikel umgewandelt. Diese Partikel werden dann teilweise noch gepresst und als Trockeneis oder Trockenschnee zur Kühlung und auch zu Reinigungszwecken eingesetzt.
Ziel und Zweck der Erfindung ist es, flüssiges Gas, beispielsweise flüssiges CO2 oder flüssigen Stickstoff, mittels einer Kraft-Kälte Kopplung zu nutzen. Das verflüssigte Gas weist einen Druck auf, der sich in Flaschen oder so genannten Mittel- oder Hochdrucktanks durch die Umgebungstemperatur bestimmt und z. B. für CO2 bis ca. 80 bar betragen kann. Zudem gibt es Niederdrucktanks, die zumeist doppelwandig und vakuumisoliert ausgebildet sind. Hier weist das flüssige Gas, beispielsweise CO2, beispielsweise eine Temperatur von ca. –20° bei einem Druck von ca. 20 bar auf. Bei einer Entnahme aus dem Tank mittels einer Druckleitung entsteht eine starke Strömung des flüssigen Gases, die erfindungsgemäß einer Turbine oder einem vergleichbarem Apparat zugeführt wird, diese Turbine bzw. diesen Apparat antreibt und dadurch mechanische Energie erzeugt, die direkt genutzt oder in Elektrizität umgesetzt werden kann. Durch die Bewegungsenergie an, in und nach der Turbine entsteht Wärme, die Erweiterung des Leistungsquerschnittes der Förderleitung mit dem einhergehenden Druckverlust des Kohlendioxids führt zudem zu einer Entspannung des flüssigen Gases, beispielsweise CO2. Durch diese mit einer hohen zusätzlichen Abkühlung – bei CO2 auf bis zu –70° und mehr Kälte – verbundenen Entspannung wandelt sich das flüssige Gas als Kaltgas in gasförmigen Zustand um, das Volumen erhöht sich dadurch um das Mehrhundertfache. Bei der Nutzung von CO2 entstehen zusätzlich zunächst noch Trockenschneepartikel, die durch die durch die Bewegungsenergie der Turbine bzw. eines vergleichbaren Apparates entstehende Erwärmung ebenfalls in gasförmigen Zustand übergehen. Dadurch entsteht eine tiefkalte gasförmige Strömung mit einem stark reduzierten Druck. Dieser tiefkalte Gasstrom wird erfindungsgemäß einer Druckerhöhungsstation/Verdichter, gegebenenfalls zusätzlich einer Kühlvorrichtung zugeführt. Da das gasförmige Medium noch eine erhebliche Kälte von beispielsweise bei Kohlendioxid bis zu –70° und mehr aufweist, reicht eine relativ geringe Druckerhöhung aus, um den Gasstrom in Trockeneis bzw. flüssiges Kohlendioxid umzuwandeln, dass vorzugsweise einem Druckbehälter zugeführt wird. Die restlose Umwandlung des vorhandenen Trockeneis in flüssiges Kohlendioxid durch Erwärmung erfolgt vorzugsweise ohne zusätzliche Energiezufuhr nur durch die Umgebungstemperatur bzw. durch die Nutzung von Abwärme. Vorzugsweise wird auch die Abwärme der Druckerhöhungsstation/Verdichter genutzt. Durch weitere Erwärmung dehnt sich das flüssiges Gas im Druckbehälter aus, der Druck wird entsprechend erhöht. Wenn der gewünschte Druck erreicht ist, wird das flüssiges Gas wieder der Turbine zugeführt, der Kreislauf beginnt aufs Neue. Um unterbrechungsfrei arbeiten zu können, können mehrere Druckbehälter für eine Turbine eingesetzt werden Da ein Teil der erforderlichen Energie aus der Umgebungstemperatur bzw. aus vorhandener Abwärme gewonnen wird, steigt der Wirkungsgrad des Verfahrens entsprechend.

Claims

(1) Verfahren zur Gewinnung von mechanischer Energie durch flüssiges Gas, beispielsweise Kohlendioxid, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige und unter Druck stehende Gas von einem geeigneten Behälter 1 mittels Zuleitung 2 einer Turbine oder einem ähnlichen Apparat 3 zugeführt wird und die Turbine bzw. den Apparat 3 durch die Strömungsenergie antreibt, wobei die durch die in der Turbine bzw. dem Apparat 3 erfolgende Querschnittsvergrößerung dazu führt, dass das flüssige Gas durch Entspannung als Kaltgas schlussendlich in gasförmigen Zustand übergeht und der Kaltgasstrom über zumindest einen außerhalb oder innerhalb des Behälters oder der Rohrleitung 5 befindlichen Kühlapparat 4 zumindest einem Behälter oder einer entsprechend dimensionierten Rohrleitung 5 zugeführt wird, wobei das Kaltgas durch die Kühlung rückverflüssigt bzw. bei Nutzung von Kohlendioxid zunächst teilweise auch als Trockeneis in einen festen Zustand versetzt wird, um dann in dem Behälter bzw. der Rohrleitung 5 durch die Umgebungstemperatur oder nicht anderweitig genutzter Abwärme auf Temperaturen erwärmt zu werden, durch die das flüssige Gas sich ausdehnt – bzw. bei Nutzung von Kohlendioxid entstandenes Trockeneis zunächst in flüssiges Gas umgewandelt wird – und durch die Erwärmung im Druck soweit erhöht wird, dass es zur erneuten Nutzung wieder der Turbine bzw. dem Apparat 3 zugeführt werden kann.
(2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rückverflüssigung des aus der Turbine/dem Apparat 3 austretenden Kaltgases zuzüglich zu dem Kühlapparat 4 eine Druckerhöhungsstation/Verdichter 6 eingesetzt wird.
(3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Rückverflüssigung des aus der Turbine/dem Apparat 3 austretenden Kaltgases statt des Kühlapparates 4 eine Druckerhöhungsstation/Verdichter 6 eingesetzt wird.
(4) Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Umgebungswärme bzw. Abwärme durch einen speziell ausgebildeten Wärmetauscher 7 zwecks Erwärmung des kalten, flüssigen oder festen Gases, vorzugsweise Kohlendioxid oder Stickstoff, diesem zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter bzw. die Rohrleitung 5 zumindest so druckfest ausgebildet sind, dass es dem Druck des erwärmten flüssigen Gases entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1–2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter oder die Druckleitung 5 mit zumindest einem Überdruckventil versehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ermöglichung einer unterbrechungsfreien Funktion mehrere Behälter bzw. Rohrleitungen 5 einer Turbine zugeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Betrieb des Kühlapparates 4 bzw. der Druckerhöhungsstation/Verdichter 6 erforderliche Energie durch Nutzung regenerativer Energien erzeugt wird.