DE102011100381A1

DE102011100381A1 - Block type thermal power station used for simultaneous generation of heat and electric power from nuclear energy, has controller that controls nuclear heat generator and steam power module

Info

Publication number: DE102011100381A1
Application number: DE102011100381A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-05-04
Filing date: 2011-05-04
Publication date: 2012-11-08

Abstract

A nuclear heat generator (A) has a reactor (1) that operates a fluid control system, a pump (3), an actuator, a sensor, and a security device. An expansion engine (6) is connected to a generator (5), a condenser (4) and pump. Waste heat of condenser is used as external fluid circuit usage heat. The fluid circuits of heat generator and a steam power module (B) are thermally coupled by a heat exchanger (2). The heat generator and steam power module are controlled by a controller (7) with a user interface. The initialization energy for reactor is supplied from network.

Description

Trotz wachsender Bedeutung von Windkraft, Photovoltaik und Solarthermie für die Bereitstellung von Nutzenergie in Form von Elektrizität und Wärme wird, mangels Speichermöglichkeit, auch zukünftig ein nicht unwesentlicher Anteil unserer Nutzenergie aus unterbrechungsfrei verfügbarer Primärenergie generiert werden müssen. Derzeit werden dafür maßgeblich Primärenergieträger wie Kohle, Erdöl, Erdgas, Pflanzenöl, Biogas und Holz verbrannt. Dadurch wird deren chemische Energie genutzt. in verschiedenen Verfahren wird dann aus der entstehenden Wärme die gewünschte Nutzenergie erzeugt. Wegen ihrer universellen Verwendbarkeit und der Möglichkeit ihres verlustarmen Transportes selbst über weite Strecken, steigt der Bedarf an elektrischer Energie seit Jahrzehnten beständig an. Die erzielbaren Wirkungsgrade für ihre Erzeugung liegen bei maximal etwa 50%, typisch jedoch unter 40%, der eingesetzten Primärenergie. Bezugswert für die den Primärenergieaufwand ist deren Heizwert. Der ungenutzte Anteil der Wärme wird aus dem Prozess abgeführt. Diese Abwärme ist wegen des hohen technischen Aufwandes und wegen der auftretenden Verluste nicht über weitere Strecken zu transportieren. Bei großen Kraftwerken wird diese Wärme daher oft an die Umwelt abgegeben. Der chemische Energiegehalt der Primärenergieträger wird somit zu maximal 50% genutzt. Soll elektrische Energie in thermischen Verfahren gewonnen werden, so bietet nur die Erzeugung an Orten, an denen die Abwärme genutzt werden kann, die Möglichkeit signifikanter Steigerung des Gesamtwirkungsgrades. Diese Feststellung gilt für alle thermischen Umwandlungsverfahren zur Gewinnung elektrischer Energie.Despite the increasing importance of wind power, photovoltaics and solar thermal energy for the provision of useful energy in the form of electricity and heat, a not insignificant proportion of our useful energy will have to be generated from uninterrupted availability of primary energy. Currently, primary energy sources such as coal, crude oil, natural gas, vegetable oil, biogas and wood are being burned. This uses their chemical energy. In various processes, the desired useful energy is then generated from the resulting heat. Because of their universal applicability and the possibility of their low-loss transport even over long distances, the demand for electrical energy has been steadily increasing for decades. The achievable efficiencies for their production are at most about 50%, but typically below 40%, of the primary energy used. Reference value for the primary energy consumption is their calorific value. The unused portion of the heat is removed from the process. This waste heat can not be transported over longer distances because of the high technical complexity and because of the losses occurring. For large power plants, this heat is therefore often released to the environment. The chemical energy content of the primary energy sources is thus used to a maximum of 50%. If electrical energy is to be obtained in thermal processes, only the production in places where the waste heat can be used offers the possibility of a significant increase in the overall efficiency. This statement applies to all thermal conversion processes for the production of electrical energy.

Wenngleich die führenden Industrienationen durch Programme für Effizienzsteigerung und zur Energieeinsparung das Wachstum ihres Primärenergiebedarfs reduzieren oder gar stoppen, so ist, wegen der wirtschaftlichen Entwicklung in Schwellen- und Entwicklungsländern, dennoch etwa mit einer Verdoppelung des Primärenergieverbrauches in den nächsten 40 Jahren zu rechnen. Derzeit decken noch maßgeblich fossile Energieträger diesen Bedarf. Schon vor Jahrzehnten wurde erkannt, dass deren Vorräte spätestens gegen Ende diesen Jahrhunderts zur Neige gehen werden. Die Knappheit dieser Ressourcen, sowie die steigenden Erschließungs- und Förderkosten spiegeln sich in der Vervielfachung ihrer Marktpreise über die letzten Jahrzehnte wieder. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch, dass fossile Primärenergieträger, wie z. B. Erdöl, für viele Industriebereiche als Rohstoff in der Produktion verwendet werden. Die Nutzung als Energieträger oder als Rohstoff damit in Konkurrenz. Deren Ersatz als Rohstoff ist in vielen Fallen noch nicht möglich. Im Hinblick auf die Verfügbarkeit der betroffenen Produkte ist die Einsparung fossiler Primärenergieträger geboten.Although leading industrialized nations are reducing or even stopping the growth of their primary energy needs through efficiency and energy saving programs, economic development in emerging and developing economies is expected to double primary energy consumption over the next 40 years. Currently, fossil fuels are still the main source of demand. Decades ago, it was recognized that their supplies would run out by the end of this century at the latest. The scarcity of these resources, as well as the rising development and production costs are reflected in the multiplication of their market prices over the last decades. It is also important in this context that fossil primary energy sources such. As petroleum, are used for many industries as a raw material in production. Use as an energy source or as a raw material with it in competition. Their replacement as raw material is not possible in many cases. In view of the availability of the affected products, the saving of fossil primary energy sources is required.

In zunehmendem Maße werden auch nachwachsende Primärenergieträger eingesetzt. Deren zunehmende Nutzung führt zu stark ausgeweiteten Anbauflächen, die schon heute in direkter Konkurrenz zu Anbauflächen für Nahrungsmittel stehen. Damit treibt der Energiebedarf auch einen Preisanstieg für Grundnahrungsmittel.Renewable primary energy sources are also increasingly being used. Their increasing use leads to greatly expanded cultivation areas, which are already in direct competition with cultivation areas for food. As a result, energy demand is also driving up prices for staple foods.

Eine generelle Verringerung des Primärenergieaufwandes sollte sich langfristig dämpfend auf die Preisentwicklung fossiler Energieträger und unserer Grundnahrungsmittel auswirken.A general reduction in primary energy consumption should have a long-term dampening effect on the price development of fossil fuels and our staple foods.

Als maßgebliche Ursache für eine Erwärmung unserer Erde wurde der Kohlendioxid-Gehalt unserer Atmosphäre identifiziert. Dieses Gas wird bei der Verbrennung fossiler Primärenergieträger in großen Mengen in unsere Atmosphäre freigesetzt, wird also wesentlich bestimmt durch den Energiebedarf der Menschheit. Die Verbrennung nachwachsender Energieträger gilt dagegen als Kohlendioxid-neutral. Der Ersatz fossiler Primärenergieträger durch nachwachsende Energieträger ist deswegen von Vorteil, wird jedoch in absehbarer Zeit, wegen der benötigten Anbauflächen, an Grenzen stoßen. Nicht auf Verbrennung basierende Konzepte zur Bereitstellung von Nutzenergie minimieren den Einfluss unseres Energiebedarfes auf das globale Klima.The decisive reason for the warming of our earth was the carbon dioxide content of our atmosphere. This gas is released into our atmosphere when large quantities of fossil primary energy sources are burned, so it is essentially determined by the energy needs of humankind. The combustion of renewable energy sources, however, is considered to be carbon dioxide-neutral. The replacement of fossil primary energy sources by renewable energy sources is therefore an advantage, but in the foreseeable future, because of the required acreage, will reach its limits. Non-combustion based concepts for providing useful energy minimize the impact of our energy needs on the global climate.

Die Energiedichte der in der Verbrennung genutzten chemischen Energieträger ist, verglichen mit z. B. mechanischen Energieträgern und -speichern, sehr hoch. Ihre Handhabung von der Gewinnung bis zur Umwandlung in Nutzenergie wurde über lange Zeit optimiert. Sie kann mit vorhandenen technischen Mitteln und vorhandener Infrastruktur gewährleistet werden. Diese Energieträger gelten in Bezug auf Versorgunglage als auch in Bezug auf Gefährdung von Mensch und Umwelt als sicher. Dennoch ist der Aufwand für deren Gewinnung, Transport und Lagerung, wegen der zu handhabenden Volumina und Massen, enorm. Konzepte zur Nutzung von Energieträgern mit höherer Energiedichte entlasten die benötigte Infrastruktur und reduzieren damit den Aufwand für die Bereitstellung von Primärenergie.The energy density of the used in the combustion of chemical energy sources is compared with z. As mechanical energy sources and storage, very high. Their handling from extraction to conversion into useful energy has been optimized for a long time. It can be guaranteed with existing technical means and existing infrastructure. These sources of energy are considered safe in terms of supply situation as well as in terms of endangering people and the environment. Nevertheless, the cost of their extraction, transport and storage, because of the volumes and masses to be handled, enormous. Concepts for using energy sources with a higher energy density relieve the required infrastructure and thus reduce the effort for the provision of primary energy.

Kern der Aufgabe unten beschriebener Erfindung ist die Bereitstellung eines Konzepts, das den Ersatz derzeit verwendeter chemischer Primärenergieträger durch Energieträger atomarer Natur in dezentralen Aggregaten (BHKW) zur Gewinnung elektrischer Energie ermöglicht.The core of the object of the invention described below is the provision of a concept which makes it possible to replace currently used primary chemical energy carriers by atomic-type energy sources in decentralized aggregates (CHPs) in order to obtain electrical energy.

Ziele der Entwicklung sind:

– Ersatz fossiler und nachwachsender chemischer Energieträger in BHKW durch einen nuklearen Energieträger, bzw. durch ein nukleares Verfahren.
– Wirtschaftlich und ausreichender Menge verfügbarer nuklearer Energieträger
– Sichere Gewinnung des Energieträgers.
– Sichere Entsorgung verbrauchter Energieträger. Keine langfristige radioaktive Strahlung
– Kompakte Bauweise des BHKW durch integrierten Reaktor
– Nutzung bekannter dampfbetriebener Verfahren für die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie

Goals of the development are:

- Replacement of fossil and renewable chemical energy sources in CHP by a nuclear energy source, or by a nuclear process.
- Economical and sufficient amount of available nuclear energy
- Safe extraction of the energy source.
- Safe disposal of used energy sources. No long-term radioactive radiation
- Compact design of the CHP by integrated reactor
- Utilization of known steam-powered processes for the conversion of heat into electrical energy

Stand der TechnikState of the art

Die hier beschriebene Erfindung basiert auf dem Stand der Technik in den Bereichen Kraftmaschinen und Kernkraft.The invention described herein is based on the state of the art in the fields of engines and nuclear power.

Folgende Verfahren sind Stand der Technik bei Kraftmaschinen, die, unter Nutzung chemischer Energieträger, Nutzwärme und elektrische Energie generieren. Diese Aggregate werden vorzugsweise dort eingesetzt, wo lokal Wärme und elektrische Energie benötigt werden.The following methods are state of the art in power machines which, using chemical energy sources, generate useful heat and electrical energy. These units are preferably used where local heat and electrical energy are needed.

Die Energieträger werden in diesen BHKW durch Verbrennung in Wärme umgesetzt, die in weiteren Umwandlungsschritten in mechanische Energie und dann in elektrische Energie umgewandelt wird. Die Energiedichte der üblichen Energieträger liegt grob zwischen 10 × 10^6 J/kg und 40 × 10^6 J/kg. Die Umwandlung in elektrische Energie kann in verschiedenen Verfahren erfolgen:
Verfahren mit „innerer Verbrennung”, bei Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen. Diese Kraftmaschinen werde mit einem Generator gekoppelt. Hubkolbenmotoren und mehrstufige Gasturbinen sind hierzu, mit unzähligen konstruktiven Feinheiten verbessert, seit vielen Jahrzehnten im Einsatz.The energy sources are converted into heat in this CHP plant by combustion, which is converted into mechanical energy and then into electrical energy in further conversion steps. The energy density of the conventional energy sources is roughly between 10 × 10 ^ 6 J / kg and 40 × 10 ^ 6 J / kg. The conversion into electrical energy can be done in different ways:
Process with "internal combustion", in internal combustion engines or gas turbines. These engines are coupled with a generator. Reciprocating engines and multi-stage gas turbines are improved for this purpose, with countless structural refinements, for many decades in use.

Verfahren mit „äußerer Verbrennung” und nachgeschaltetem Prozesskreis für Dampf- oder Heissgaskraftmaschinen. Die Umwandlung in mechanische Energie erfolgt in Dampfturbinen, Dampfmotoren oder Heissgasmotoren wie etwa dem Stirlingmotor. Die Kraftmaschinen treiben wiederum Generatoren an. Auch diese Verfahren sind seit Jahrzehnten bekannt und wurden durch ständige technische Verfeinerung in bezüglich Wirkungsgrad, Betriebsverhalten und Dauerhaftigkeit optimiert.Outer combustion and downstream process cycle for steam or hot gas engines. The conversion to mechanical energy occurs in steam turbines, steam engines or hot gas engines such as the Stirling engine. The engines in turn drive generators. These methods have been known for decades and have been optimized by constant technical refinement in terms of efficiency, performance and durability.

Nachteil der klassischen Verfahren mit innerer und äußerer Verbrennung ist der Verbrauch ausschließlich fossiler oder nachwachsender Energieträger. Diese erfordern in ihrem Umfeld zusätzlichen baulichen Aufwand für die Lagerung oder, wie z. B. bei Biogasanlagen, hohen technischen und logistischen Aufwand zur Gewinnung des Primärenergieträgers in ausreichender Menge.Disadvantage of the classical methods with internal and external combustion is the consumption of exclusively fossil or renewable energy sources. These require in their environment additional construction costs for storage or, such. As in biogas plants, high technical and logistical effort to obtain the primary energy source in sufficient quantity.

Im Bereich Dampfkraftanlagen sind als Stand der Technik Niedertemperatur Dampfprozesse wie z, B. Organic-Rankine-Cycle-Aggregate (ORC) für die Erzeugung elektrischer Energie bekannt. Die Verbrennung des Energieträgers erfolgt dabei außerhalb des Aggregates. Typische Temperaturniveaus der Wärmequelle liegen zwischen 400 K und 800 K. Wegen dieses vergleichsweise niedrigen Temperaturniveaus kann – neben Verbrennungswärme – in Niedertemperatur-Aggregaten auch Wärme aus beliebigen anderen Quellen wie z. B. Solarthermie oder Geothermie verwendet werden. Abhängig vom Temperaturniveau der Wärmequelle werden diese Prozesse mit unterschiedlichsten Fluiden betrieben. So kommen neben fluorierten Kohlenwasserstoffen auch Alkohole, silikonbasierte Flüssigkeiten und auch Wasser zum Einsatz. Der technische Aufbau dieser Anlagen variiert durch vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten bezüglich Temperaturniveaus, Prozessführung, Fluidauswahl usw. sehr stark. Lediglich die grundsätzlich für Dampfkraftprozesse notwendigen Komponenten Speisepumpe, Verdampfer, Expansionsmaschine und Kondensator sind allen Aggregaten gemein.In the field of steam power plants are known as low-temperature steam processes such as, for example, Organic Rankine Cycle Aggregates (ORC) for the generation of electrical energy. The combustion of the energy carrier takes place outside the unit. Typical temperature levels of the heat source are between 400 K and 800 K. Because of this comparatively low temperature levels can - in addition to heat of combustion - in low-temperature aggregates and heat from any other sources such. As solar thermal or geothermal energy can be used. Depending on the temperature level of the heat source, these processes are operated with a wide variety of fluids. Thus, in addition to fluorinated hydrocarbons, alcohols, silicone-based liquids and also water are used. The technical structure of these systems varies greatly by a wide range of design options with regard to temperature levels, process control, fluid selection, etc. Only the components necessary for steam power processes feed pump, evaporator, expander and condenser are common to all units.

Nachteil der Niedertemperaturprozesse ist die Notwendigkeit einer nutzbaren Wärmequelle. Sie können nicht unabhängig betrieben werden und sind deswegen nur als Zusatzaggregate zu einer Hauptinstallation zu sehen.Disadvantage of the low-temperature processes is the need for a usable heat source. They can not be operated independently and are therefore only to be seen as additional units to a main installation.

Ein weiterer wesentlicher technischer Aspekt für die Realisierbarkeit der hier beschriebenen Erfindung ist eine neuartige nukleare Energiequelle:
In WO 2009125444 ”METHOD AND APPARATUS FOR CARRYING OUT NICKEL AND HYDROGEN EXOTHERMAL REACTIONS” wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gewinnung von Wärme aus einer nuklearen Reaktion beschreiben. Dieses Verfahren ist derzeit in Erprobung. Es zeichnet sich dadurch aus, dass offensichtlich keine längerfristig radioaktiven Stoffe entstehen. Die Halbwertszeiten der beteiligten und der entstehenden Stoffe bewegen sich im Bereich von wenigen Minuten bis zu etwa 60 h. Weiter wird in WO 2009125444 beschrieben, wie die im Betrieb entstehende Strahlung innerhalb des Reaktors gehalten werden kann. Als Energieträger bzw. Ausgangsmaterial wird dabei Nickel verwendet. Bezogen auf das beschriebene Verfahren beträgt die Energiedichte von Nickel 20 × 10^15 J/kg entsprechend 570 to Öläquivalent je 1 g Nickel. Diese Energiedichte entspricht etwa 500 × 10^6-fachen herkömmlicher chemischer Energieträger.Another essential technical aspect for the feasibility of the invention described herein is a novel nuclear energy source:
In WO 2009125444 "METHOD AND APPARATUS FOR CARRYING OUT NICKEL AND HYDROGEN EXOTHERMAL REACTIONS" will describe a method and apparatus for recovering heat from a nuclear reaction. This process is currently being tested. It is characterized by the fact that apparently no longer-term radioactive substances arise. The half-lives of the substances involved and of the substances occurring range from a few minutes to about 60 hours. Next will be in WO 2009125444 describes how the radiation generated during operation can be kept within the reactor. Nickel is used as the energy carrier or starting material. Based on the method described, the energy density of nickel is 20 × 10 15 J / kg, corresponding to 570 tons of oil equivalent per 1 g of nickel. This energy density corresponds to about 500 × 10 ^ 6 times conventional chemical energy sources.

Beschreibung der Erfindung Description of the invention

Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein Kompaktaggregat nach vorgeschlagen, das atomare Energie, wie z. B. in WO 2009125444 beschrieben, nutzt, um Wärme zu erzeugen. Die Wärmeerzeugung erfolgt in einem nuklearen Wärmeerzeuger (A) das aus einem oder mehreren nuklearen Reaktoren (1), sowie fluidführenden Elementen, den notwendigen Hilfsaggregaten wie Pumpen, Wärmeübertragern, Sicherheitseinrichtungen, Stellelementen und Sensoren besteht. Eine elektronische Prozessregelung in Modul (A) kann vorgesehen werden. Der Reaktor (1) benötigt eine Initialisierungsenergie, die entweder von extern, durch den Netzanschluss des BHKW (C) oder durch hier nicht dargestellte, im BHKW enthaltene, Akkumulatoren bereit gestellt wird. Eine Schnittstelle zur elektronischen Steuerung (7) ermöglicht dann die Einbindung des nuklearen Wärmegenerators (A) in die Systemregelung. Der nukleare Wärmegenerator (A) besitzt einen separaten Fluidkreislauf. Die Wärme wird durch einen Wärmeübertrager (2) an den Prozesskreis des Dampfkraftmoduls (B) übertragen. Im Wärmeübertrager (2) wird das Prozessfluid des Dampfkraftmoduls (B) verdampft. Der Dampf durchströmt die Expansionsmaschine (6), wobei er mechanische Arbeit abgibt, wird dann im Kondensator (4) kondensiert und weiter durch die Speisepumpe (3) wieder auf den Arbeitsdruck gebracht. Die mechanische Arbeit aus (6) wird an den Generator (5) übertragen, der daraus elektrische Energie erzeugt. Abhängig vom in Modul (B) verwendeten Prozessfluid kann die Verwendung eines Überhitzers (hier nicht dargestellt) notwendig sein. Dieser würde so installiert werden, dass er, vom Reaktorkreislauf aus gesehen, vordem Wärmeübertrager (2) durchströmt wird. Desweiteren sind Fluidführungen, Flüssigkeitsspeicher, ein optionaler Rekupator, Stellelemente, Sensoren und Sicherheitseinrichtungen nicht dargestellt. Deren Einsatz, Anordnung und Ausführung werden dem gewählten Prozess angepasst. Das Prozessfluid des Modules (B) wird abhängig von der im Reaktor zur Verfügung stehenden Temperatur definiert. Diese steht derzeit noch nicht fest, es ist jedoch von maximal etwa 800 K auszugehen. Für Temperaturen bis etwa 470 K werden vorzugsweise fluorierte Kohlenwasserstoffe eingesetzt, für Temperaturen bis etwa 600 K kommen Alkohole oder silikonbasierte Fluide zur Verwendung, für höhere Temperaturen sind Prozesse mit Wasser als Prozessfluid sinnvoll.To solve the task is a compact unit after proposed, the atomic energy, such. In WO 2009125444 described, uses to generate heat. Heat is generated in a nuclear heat generator (A) consisting of one or more nuclear reactors ( 1 ), and fluid-carrying elements, the necessary auxiliary equipment such as pumps, heat exchangers, safety devices, actuators and sensors. An electronic process control in module (A) can be provided. The reactor ( 1 ) requires an initialization energy, which is provided either externally, by the grid connection of the CHP (C) or not shown here, contained in the CHP accumulators. An interface to the electronic control ( 7 ) then allows the integration of the nuclear heat generator (A) in the system control. The nuclear heat generator (A) has a separate fluid circuit. The heat is transferred through a heat exchanger ( 2 ) to the process circuit of the steam power module (B). In the heat exchanger ( 2 ), the process fluid of the steam power module (B) is evaporated. The steam flows through the expansion machine ( 6 ), where he gives off mechanical work, is then in the capacitor ( 4 ) condenses and continues through the feed pump ( 3 ) brought back to the working pressure. The mechanical work from (6) is sent to the generator ( 5 ), which generates electrical energy therefrom. Depending on the process fluid used in module (B), the use of a superheater (not shown here) may be necessary. This would be installed so that it, seen from the reactor cycle, before heat exchanger ( 2 ) is flowed through. Furthermore, fluid guides, liquid storage, an optional recuperator, actuators, sensors and safety devices are not shown. Their use, arrangement and design are adapted to the chosen process. The process fluid of the module (B) is defined depending on the temperature available in the reactor. This is currently not fixed, but it can be assumed that a maximum of about 800 K. For temperatures up to about 470 K fluorinated hydrocarbons are preferably used, for temperatures up to about 600 K, alcohols or silicone-based fluids are used, for higher temperatures processes with water as process fluid are useful.

Alternativ zur Trennung der Fluidkreisläufe im nuklearen Wärmegenerator (A) und im Dampfkraftmodul (B) durch einen zwischengeschalteten Wärmeübertrager (2), kann das BHKW (C) mit einem gemeinsamen Fluidkreislauf betrieben werden. Das Arbeitsfluid durchströmt dafür, entsprechend , nacheinander den nuklearen Wärmegenerator (A) und das Dampfkraftmodul (B). Das Prozessfluid wird dabei im Reaktor (1) verdampft. Das für die Verdampfung verfügbare Temperaturniveau liegt bei dieser Ausführung höher als bei Ausführung nach und ist damit die günstigere Ausführung bei Reaktortemperaturen im unteren erwarteten Bereich.Alternatively to the separation of the fluid circuits in the nuclear heat generator (A) and in the steam power module (B) by an intermediate heat exchanger ( 2 ), the CHP (C) can be operated with a common fluid circuit. The working fluid flows through it, accordingly , successively the nuclear heat generator (A) and the steam power module (B). The process fluid is in the reactor ( 1 ) evaporates. The temperature level available for evaporation is higher with this version than with the version after and is thus the cheaper version at reactor temperatures in the lower expected range.

Die Prozesse im nuklearen Wärmeerzeuger (A) und im Dampfkraftmodul (B) werden durch eine gemeinsame elektronische Steuereinheit (7) geregelt. Diese Steuereinheit beinhaltet neben der Bedienerschnittstelle auch die Schnittstellen zu übergeordneten und nachgeschalteten Systemen, wie z. B. Leitsystemen oder Wärmespeichern. Auch die Komponenten für Netzeinspeisung oder Inselbetrieb der elektrischen Energie sind darin enthalten.The processes in the nuclear heat generator (A) and in the steam power module (B) are controlled by a common electronic control unit ( 7 ). This control unit includes not only the user interface but also the interfaces to higher and downstream systems, such. B. control systems or heat storage. The components for mains supply or island operation of the electrical energy are also included.

Die Module (A) und (B) sind zusammen mit der Steuerung (7) so montiert, dass sich ein einzelnes, transportables, BHKW – Modul (C) – entsteht.The modules (A) and (B) are together with the controller ( 7 ) so that a single, transportable CHP module (C) is created.

Ausgehend von WO 2009125444 , wird die im Dampfprozess genutzte Wärme erzeugt durch einen nuklearen Prozess. Dabei wird ein Element wie z. B. Nickel in ein anderes Element wie z. B. Kupfer umgewandelt. Dieser physikalische Prozess verläuft exotherm. Die entstehende Wärme kann in technischen Prozessen genutzt werden. Zwischen- und Endprodukte des nuklearen Prozesses sind radioaktiv, ihre Halbwertszeit von wenigen Minuten bis zu einigen Stunden erlaubt jedoch eine relativ einfache und sichere Handhabung. Eine Gefährdung von Menschen muss durch überschaubare Maßnahmen auszuschließen sein. Für die in WO 2009125444 gegebenen Parameter wird diese Maßgabe bereits erreicht durch eine Abschirmung die die Strahlung sicher im Reaktor zurück hält. Dies ist die grundlegende Anforderung an den Betrieb eines BHKW mit nuklearer Energiequelle.Starting from WO 2009125444 , the heat used in the steam process is generated by a nuclear process. This is an element such. B. nickel in another element such. B. converted copper. This physical process is exothermic. The resulting heat can be used in technical processes. The intermediate and end products of the nuclear process are radioactive, but their half-life of a few minutes to a few hours allows a relatively simple and safe handling. A threat to humans must be precluded by manageable measures. For the in WO 2009125444 given parameters, this requirement is already achieved by a shield which holds the radiation back safely in the reactor. This is the basic requirement for the operation of a nuclear power plant with a nuclear energy source.

Es ist davon auszugehen, dass in naher Zukunft ähnliche Systeme mit anderen Ausgangsstoffen realisiert werden. Sofern diese ähnliche Anforderungen bezüglich der auftretenden Strahlung erfüllen, sind auch diese als nukleare Energiequelle für vorliegende Erfindung geeignet.It can be assumed that similar systems will be realized with different starting materials in the near future. If these meet similar requirements with respect to the radiation occurring, these are also suitable as a nuclear energy source for the present invention.

Massenumsatz und Initialisierungsenergieaufwand für den beschriebenen Prozess sind gering. in der idealisierten Betrachtung aus WO 2009125444 geht der Erfinder aus von 1 g Nickel für 517 to Erdöläquivalent – entsprechend etwa 5000000 kWh. Die Initialisierungsenergie wurde in ersten öffentlich gemachten Versuchsergebnissen mit maximal 5% der am Ausgang des Reaktors anliegenden Wärmeleistung angegeben. Ebenfalls aus den ersten öffentlich gemachten Versuchen ist die Menge des verwendeten Wasserstoffes: Für die Erzeugung von etwa 270 kWh wurden 0,4 g Kohlenwasserstoff benötigt. Bei einem Wasserstoffverbrauch von 0,015 g/kWh und einem Nickelverbrauch von 0,2 × 10^–6 g/kWh würde dies für ein Wohnhaus mit einem jährlichen Gesamtenergiebedarf von etwa 30000 kWh–25000 kWh als Wärme und 5000 kWh elektrische Energie – zu einem Wasserstoffverbrauch von etwa 45 g und zu einem Nickelverbrauch von etwa 0,006 g jährlich führen. Das BHKW kann somit mit Betriebsstoffen für mehrere Jahre, unter Umständen für die gesamte vorgesehene Betriebsdauer betankt werden.Mass conversion and Initialisierungsenergieaufwand for the process described are low. in the idealized view WO 2009125444 The inventor assumes 1 g of nickel for 517 tons of oil equivalent - equivalent to about 5000000 kWh. The initialization energy was given in the first publicly made test results with a maximum of 5% of the thermal power applied at the outlet of the reactor. Also from the first published experiments is the amount of hydrogen used: For the production of about 270 kWh, 0.4 g of hydrocarbon was needed. At a hydrogen consumption of 0.015 g / kWh and a nickel consumption of 0.2 × 10 ^ -6 g / kWh this will result in a residential home with a total annual energy demand of about 30,000 kWh-25,000 kWh as heat and 5,000 kWh of electrical energy - a hydrogen consumption of about 45 g and a nickel consumption of about 0.006 g annually. The CHP can thus be fueled with supplies for several years, possibly for the entire intended operating time.

Die Leistungsregelung des Reaktors erfolgt entsprechend WO 2009125444 durch die Änderung des Wasserstoffdrucks im Reaktor und durch die Zu- und Abschaltung der elektrischen Heizung des Reaktors.The power control of the reactor is carried out accordingly WO 2009125444 by changing the hydrogen pressure in the reactor and by switching on and off the electric heater of the reactor.

Weitere wesentliche Voraussetzung für die Verwendung nuklearer Wärmeerzeuger in BHKW kompakte Abmessungen von Reaktor und notwendigen Hilfskomponenten. Die prognostizierten Abmessungen für einen Reaktor nach WO 2009125444 erscheinen für den beschriebenen Einsatz günstig.Another essential requirement for the use of nuclear heat generators in CHP compact dimensions of reactor and necessary auxiliary components. The projected dimensions for a reactor after WO 2009125444 appear favorable for the described use.

Die beschriebenen Aggregate können verwendet werden für die dezentrale Versorgung mit elektrischer und thermischer Energie, insbesondere in Form von Kraft-Wärmekopplungsanlagen. Diese Aggregate können in ein übergeordnetes elektrisches Netz eingebunden sein oder aber eine autarke lokale Versorgung sicherstellen. Die Erfindung zielt maßgeblich ab – ist jedoch nicht beschränkt – auf BHKW im Leistungsbereich von 1 kW bis 60 kW elektrischer Leistung. Die Art des Prozesses wird dabei sinnvollerweise angepasst an die jeweiligen Anforderungen: Für überwiegenden Bedarf an elektrischer Energie werden Dampfprozesse für hohe Prozesstemperatur eingesetzt, um möglichst hohe elektrische Wirkungsgrade zu erzielen. Bezogen auf die durch den nuklearen Prozess generierte Wärmeenergie sind elektrischen Wirkungsgrade von etwa 13 bis 26% zu erwarten.The described units can be used for the decentralized supply of electrical and thermal energy, in particular in the form of combined heat and power plants. These units can be integrated in a higher-level electrical network or ensure a self-sufficient local supply. The invention aims decisively at - but not limited to - CHP in the power range from 1 kW to 60 kW electrical power. The type of process is usefully adapted to the respective requirements: For predominant need of electrical energy steam processes are used for high process temperature, in order to achieve the highest possible electrical efficiencies. Based on the thermal energy generated by the nuclear process, electrical efficiencies of about 13 to 26% are expected.

Wesentliche Vorteile der beschriebenen Erfindung gegenüber bekannten Blockheizkraftwerken sind:

– Energieträger und Wärmeerzeugung in kleinsten Abmessungen, dadurch kompakte Abmessungen für Gesamtinstallation.
– Überschaubare Maßnahmen zur Erlangung hoher Sicherheit.
– Keine Langzeitgefährdung von Mensch und Umwelt durch Strahlung
– Kohlendioxidneutral durch nuklearen Prozess für Wärmeerzeugung
– Niedrige Betriebskosten durch geringste Mengen verbreitet verfügbarer Betriebsstoffe.

Significant advantages of the described invention over known combined heat and power plants are:

- Energy sources and heat generation in the smallest dimensions, thus compact dimensions for total installation.
- Manageable measures to achieve high safety.
- No long-term hazard to humans and the environment through radiation
- Carbon dioxide neutral through nuclear process for heat production
- Low operating costs due to the lowest quantities of available consumables.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2009125444 [0016, 0016, 0017, 0021, 0021, 0023, 0024, 0025]

Claims

Combined heat and power plant (C) for grid-parallel operation for the simultaneous production of heat and electrical energy from nuclear energy accordingly , This contains at least one nuclear heat generator (A) with at least one reactor ( 1 ) and the necessary for the operation fluid management systems, pumps, actuators, sensors and safety devices. Further, it includes at least one steam power module (B) for recovering mechanical energy and further electrical energy. This consists of an expansion machine ( 6 ), a generator coupled to the expander ( 5 ), at least one liquid-cooled condenser ( 4 ), at least one feed pump ( 3 ) as well as the necessary for operation fluid management systems, actuators, sensors and safety devices. The waste heat from the liquid-cooled condenser ( 4 ) is delivered as useful heat to an external fluid circuit. The fluid circuits of the nuclear heat generator (A) and the steam power module (B) are separated. You can therefore be traversed when needed with different fluids. The thermal coupling of the fluid circuits is carried out by a heat exchanger ( 2 ) which is at the same time evaporator for the steam power module (B). Another component of the combined heat and power plant (C) is a control ( 7 ), which controls the entire process of nuclear heat generator (A) and steam power module (B). The control ( 7 ) also contains the necessary components and the connections for the mains supply of the electrical energy. It also includes the operator interface as well as interfaces to higher or downstream systems. The initialization energy for the reactor ( 1 ) is provided from the network.

Cogeneration plant according to claim 1 with at least one steam superheater in the steam process cycle. This is installed in such a way that, in relation to the fluid circuit of the nuclear heat generator (A), it is located in front of the evaporator.

Cogeneration plant according to claim 1 or 2 with at least one recuperator in the steam process cycle.

Cogeneration plant according to claim 1, 2 or 3 with additional air-cooled condenser for operation without heat.

Cogeneration plant according to claim 1, 2 or 3 with an air-cooled condenser for operation without heat but without a liquid-cooled condenser ( 4 ) for use only as an electric generator.

Cogeneration plant according to claim 1 to 5 for grid-parallel operation. The initialization energy for the reactor ( 1 ) is provided from accumulators.

Cogeneration plant according to claim 1 to 5 for island operation. The initialization energy for the reactor ( 1 ) is provided from accumulators. The control ( 7 ) contains the components for the electric island operation.

Cogeneration plant according to claim 1 to 7, but with only one fluid circuit accordingly , The heat exchanger ( 2 ) deleted. The evaporation takes place in the reactor ( 1 ).

Cogeneration plant according to claim 1 to 7 without generator ( 4 ) for generating only mechanical energy.

Cogeneration plant according to claims 1 to 9 with a fluorinated hydrocarbon as the working fluid in the steam power module (B) or in the common fluid circuit of nuclear heat generator (A) and steam power module (B).

Cogeneration plant according to claims 1 to 9 with an alcohol as the working fluid in the steam power module (B) or in the common fluid circuit of nuclear heat generator (A) and steam power module (B).

Cogeneration plant according to claims 1 to 9 with a siloxane as the working fluid in the steam power module (B) or in the common fluid circuit of nuclear heat generator (A) and steam power module (B).

Cogeneration plant according to claims 1 to 9 with water as the working fluid in the steam power module (B) or in the common fluid circuit of nuclear heat generator (A) and steam power module (B).