DE102012108222A1

DE102012108222A1 - Druckluftwasserkraftwerk

Info

Publication number: DE102012108222A1
Application number: DE201210108222
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-04-09
Filing date: 2012-09-04
Publication date: 2013-10-10

Abstract

Es wird ein Druckluftspeicherkraftwerk beschrieben, das angenähert isotherm und daher mit hohem Wirkungsgrad arbeitet. Dies wird erreicht, indem die Druckluft beim Entspannen in innigen Kontakt mit flüssigem Wasser gebracht wird, von dem sie während (!) der Expansion Wärmeenergie aufnimmt. Dies kann z.B. durch Einblasen der Luft in Wasser erfolgen oder durch Eindüsen von Wasser in die Luft. Die beschleunigte Mischung aus Luft/Wasser wird dann durch eine Turbine (z.B. eine Peltonturbine) geleitet, die der Mischung ihre Energie entzieht. Oder die Mischung wird dazu verwendet, nach dem Prinzip der Mammutpumpe Wasser auf eine höhere potentielle Energie zu bringen, von der aus es durch übliche Wasserturbinen herabstürzt und mit hohem Wirkungsgrad Arbeit verrichtet, die in einem Generator zu elektrischer Energie umgewandelt wird. Dieses Prinzip kann auch an schon bestehenden Wasser- und Pumpspeicherkraftwerken dazu eingesetzt werden, den Wasserspeicher in einem Kreislauf durch Druckluftenergie ständig wieder aufzufüllen. Die potentielle Energie der Druckluft wird beim Entspannen in kinetische Energie der Luft umgewandelt, bzw. mit Hilfe z.B. einer Mammutpumpe auch in Lageenergie. Die beim Entspannen durch Arbeitsverrichtung oder Joule-Thomson-Effekt verbrauchte Wärme holt sich die Luft durch den innigen Kontakt mit dem Wasser fast augenblicklich zurück, so daß es sich quasi um eine isotherme Expansion der Druckluft handelt, zumal die Wärmekapazität der Luft verglichen mit der des Wassers gering ist. Das Wasser wird (abhängig natürlich von der Menge des Wassers im Verhältnis zur Luft und deren Anfangsdruck) durch die in ihm expandierte Luft nur um wenige Grad Celsius abgekühlt. Beim Beladen des Druckluftspeichers wird die Luft bevorzugt gekühlt, um bei gleichem Druck mehr Luftmasse in den Druckluftspeicher hinein zu bekommen. Die Kühlung kann mit Wasser erfolgen, z.B. auch in dem, welches auch später bei der Expansion wieder benutzt wird. Die Kühlung kann auch an Luft erfolgen. Man kann auch die Luft mit durch die Kompression hoher Temperatur in den Druckluftspeicher einleiten und dort einfach der Abkühlung über die Wandung überlassen, oder mittels im Druckluftspeicher angeordneten Kühlrohren kühlen. Wenn dadurch der Druck im Druckluftspeicher sinkt, kann nachgefüllt werden. (Jedes Beladen des Druckluftspeichers gegen einen Druck, der höher ist, als der für den idealen isothermen Fall, führt jedoch zu Wirkungsgradminderung!) Beim Beladen des Druckluftspeichers kann die Druckluft auch direkt durch Wasser geleitet werden, wodurch ein sehr schneller Wärmeaustausch erfolgt. Dieses Wasser steht dabei unter dem gleichen Druck wie die Druckluft. Als Wasser kann das Wasser eines schon vorhandenen Gewässers (z.B. Fluß, See, Meer) dienen, welches durch die eingespeiste Druckluft beschleunigt oder angehoben wird. Es kann auch das Wasser eines Wasserkraftwerkes oder Pumpspeicherkraftwerkes vor dessen Turbinen durch die Druckluft weiter beschleunigt, bzw. unter Druck gesetzt werden, so daß die Druckluft sozusagen eine höhere Fallhöhe des Wassers simuliert.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein annähernd isothermes Druckgasspeicherkraftwerk, speziell ein annähernd isotherm geführtes Druckluftspeicherkraftwerk.
Stand der Technik
Bisherige Druckluftspeicherkraftwerke mit Wärmerückgewinnung weisen zwischen Druckluftspeicher (häufig eine Salzkaverne) und Arbeitsmaschine (häufig eine Gasturbine) einen Wärmespeicher auf, der näherungsweise adiabatisch arbeitet und daher als adiabatischer Wärmespeicher bezeichnet wird.
Um einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung thermischer in elektrische Energie zu erzielen, wurde dabei bislang fälschlicherweise eine möglichst hohe Temperatur des Wärmespeichers angestrebt, denn der Wirkungsgrad η der Umwandlung von reiner Wärme in elektrische Energie ist maximal so groß wie der Wirkungsgrad einer sogenannten Carnot-Maschine. Dieser beträgt: η = (T_hoch – T_tief)/T_hoch wobei T_hoch die Temperatur ist, mit der das in der Maschine arbeitsverrichtende Medium in die Carnot-Maschine eintritt und T_tief die Temperatur, mit der es nach Verrichtung mechanischer Arbeit aus der Maschine austritt.
Keine zyklisch arbeitende (reine) Wärmekraftmaschine kann einen höheren Wirkungsgrad als die Carnot-Maschine besitzen! (Ansonsten wäre die Konstruktion eines Perpetuum Mobile zweiter Art möglich!) Da die tiefe Temperatur T_tief meistens in der Größenordnung der Umgebungstemperatur liegt, folgt aus der Gleichung eine hohe Temperatur T_hoch, um einen hohen Wirkungsgrad η erzielen zu können.
Als Material für einen Hochtemperaturwärmespeicher, welches hohe Temperaturen aushält, ist z.B. Keramik bekannt.
Ein solcher Speicher zum Zwecke der Erwärmung von Druckluft, welche in einem unterirdischen Druckluftspeicher gespeichert wurde, ist z.B. in der EP 1857614 B1 beschrieben.
Durch solche und andere Wärmespeicher läuft die Druckluft bei der Beladung des Druckluftspeichers vom Kompressor zum Druckluftspeicher hindurch und gibt dabei ihre durch die Kompression erzeugte Wärme in ihn ab.
Der Entladevorgang des Druckluftspeichers erfolgt durch den Wärmespeicher hindurch in eine Arbeitsmaschine, in der dann die Druckluft ihre um die Wärmeenergie des Wärmespeichers angereicherte Energie teilweise in mechanische Arbeit umwandelt.
Teilweise wird, zur weiteren Erhöhung der Temperatur der Druckluft und damit von deren Energiegehalt, auch noch ein brennbares Gas (z.B. Erdgas) in der Druckluft verbrannt.
Die beschriebenen Druckluftkraftwerke arbeiten bei Drucken der Druckluft am Eintritt in die Arbeitsmaschine von etwa 50 bis 60 bar und am Austritt von ungefähr Normaldruck (1 bar).
Aufgrund des großen Druckgefälles benötigt der Wärmespeicher eine sehr hohe Temperatur, damit bei der Expansion und Arbeitsverrichtung des Gases in den Gasturbinen keine schädlichen Kondensationsvorgänge auftreten, die die Turbinenschaufeln schädigen würden.
Der adiabatische Wärmespeicher nach Stand der Technik muß also, um die bei der Kompression der Luft beim Beladen des Druckluftspeichers entstehende Wärme aufnehmen und unter Erzielung eines hohen Wirkungsgrades wieder abgeben zu können, für hohe Temperaturen größer als 400°C, bevorzugt größer als 500°C oder sogar größer als 600°C ausgelegt sein. Diese notwendige Temperaturtoleranz ist eine Folge der bei der (quasi)adiabatischen Kompression der Luft entstehenden Wärme, je nachdem, auf welchen Enddruck die Luft komprimiert werden soll. Auch die Arbeitsmaschine/Turbine muß für diese Temperaturen ausgelegt sein.
Diese hohen Temperaturen in Kombination mit hohen Drücken, sowohl im Wärmespeicher, als auch in der Arbeitsmaschine, erfordern teure Materialien, die dazu noch gegenüber Niedertemperaturmaterialien Nachteile aufweisen. Die Regelung solcher Druckluftkraftwerke ist zudem steuerungstechnisch aufwendig. Auch die Betriebssicherheit ist aufgrund der hohen Drücke im Verein mit den hohen Temperaturen und den großen Volumina bedenklich.
Ein Druckluftspeicherkraftwerk ist nun aber gar keine Wärmekraftmaschine für die das Carnot-Gesetz streng gelten würde! Es ist vielmehr eine „Rückumwandlungsmaschine für gespeicherte potentielle Energie“ die möglichst viel der bei der Speicherung freigesetzten Wärmeenergie zurückgewinnen soll.
Angedacht sind daher nun auch auch mehrstufige Verfahren, die den Kompressionsund Entspannungsvorgang der Luft zwar weiterhin (quasi)adiabatisch durchführen, durch die Aufteilung in mehrere Stufen jedoch die dabei auftretenden Temperaturen deutlich reduzieren können, wodurch die benötigten Wärmespeicher pro Stufe billiger werden. Ein solches Verfahren ist z.B. in der WO 2011/056283 A2 beschrieben und ebenso in der WO 2012/009569 A2 . Dennoch sind Wärmespeicher nötig, die gegenüber der Umgebung wärmeisoliert sein müssen.
In der JP 2007231760 A wird ein Perpetuum mobile mit einem geschlossenen Wasserkreislauf beschrieben, bei dem mit elektrischer Energie eine Luftpumpe betrieben wird. Die Luft dieser Luftpumpe betreibt eine Mammutpumpe, die Wasser auf eine höhere Lage in ein Becken befördert. Am Austritt aus der Mammutpumpe wird eine Impulsturbine angetrieben, die wieder elektrische Energie erzeugt. Das Wasser im höher gelegenen Becken strömt zudem durch ein Fallrohr in ein unteres Becken und treibt dabei ebenfalls eine Turbine an, die elektrische Energie erzeugt.
In der WO 2012/017243 A1 wird eine Mammutpumpe mit einer Vielzahl von Steigrohren, in die elektrisch betriebene Kompressoren Luft einbringen, und einem Fallrohr, in dem eine Turbine zur Gewinnung von elektrischer Energie angeordnet ist, beschrieben. Die beschriebenen Mammutpumpen sind für die Verwendung von unter hohem Druck stehender Druckluft wegen eines nur geringen Wirkungsgrades wenig geeignet.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckluftspeicherkraftwerk, allgemein Druckgasspeicherkraftwerk, anzugeben, das die zuvor geschilderten Probleme nicht aufweist.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Erfindungsmäßig wurde erkannt, daß die Probleme bei Druckluftspeicherkraftwerken durch die Eigenschaften des Arbeitsmittels „Gas“ und die adiabatische Komprimierung bzw. Expansion hervorgerufen werden. Durch die großen Volumenänderungen bei Kompression und Expansion kommt es (bei allen, auch idealen Gasen!) gemäß der Adiabatengleichung zu starken Temperaturänderungen. Wird die bei der Kompression erzeugte Wärmeenergie nicht in einem wärmeisolierten Wärmespeicher zwischengespeichert, geht sie mit der Zeit verloren.
(Ohne Speicherung beim adiabatischem Komprimieren der Luft und Rückführung der gespeicherten Wärme beim arbeitsverrichtenden Entspannungsvorgang geht z.B. bei Kompression von 1 auf 60 bar und zurück ungefähr 60% der für das Komprimieren aufgewendeten Energie verloren!)
Zusätzlich zur Temperaturänderung, die auch bei idealen Gasen durch die Volumenarbeit am Gas hervorgerufen wird, ergeben sich auch noch Temperaturänderungen aufgrund des Joule-Thomson-Effektes, der auf der Nichtidealität der Gase beruht: Je nach verwendetem Gas und Temperatur, bei der die Expansion des Gases erfolgt, kühlt sich dieses ab (der mit Abstand häufigste Fall) oder erwärmt sich. Entscheidend hierfür ist die sogenannte (vom Druck abhängige) Inversionstemperatur des betreffenden Gases: unterhalb derselben kühlt es sich ab, oberhalb derselben erwärmt es sich.
Der Joule-Thomson-Effekt modifiziert die aus einem Gasvolumen eines bestimmten Druckes bei einer bestimmten Temperatur durch Volumenarbeit gewinnbare Energie. Ein reales Gas unterhalb der Inversionstemperatur (der häufigste Fall, nur Helium und Wasserstoff liegen bei üblichen Temperaturen darüber) erzeugt bei adiabatischer Expansion weniger Volumenarbeit als ein ideales Gas. Es kühlt sich verglichen mit dem idealen Gas bei Expansion um den gleichen Volumenfaktor stärker ab bzw. vergrößert sein Volumen bei Expansion um das gleiche Druckverhältnis weniger stark. Beides bedeutet eine geringere gewinnbare Arbeit. Der Grund hierfür ist, daß unterhalb der Inversionstemperatur die anziehenden Kräfte gegenüber den abstoßenden überwiegen und das Gas bei seiner Expansion gegen diese anziehenden Kräfte ankämpfen muß und hierfür Energie verbraucht, so wie auch ein Ball, der gegen die Erdanziehungskraft nach oben geworfen wird, an Geschwindigkeit verliert.
Bei isothermer Expansion sieht das anders aus: Da die bei der Expansion durch den Joule-Thomson-Effekt verbrauchte Wärme kontinuierlich von außen zugeführt wird, erzeugt die isotherme Expansion eines realen Gases und die eines idealen Gases die gleiche Volumenarbeit! Dies ist ein großer Vorteil der isothermen Expansion gegenüber einer adiabatischen Expansion, wie sie bislang für Druckluftspeicherkraftwerke vorgeschlagen wurde! Der Wärmespeicher des isothermen Druckluftspeicherkraftwerkes muß allerdings etwas größer sein, weil er ja auch die zusätzliche Energie zur Kompensation des Joule-Thomson-Effektes aufbringen muß. Auch der Wärmefluß vom Speichermaterial auf die Druckluft ist beim realen Gas größer.
Dies gilt analog für die Kompression des realen Gases: Es wird hierbei (unterhalb der Inversionstemperatur) für die adiabatische Kompression weniger Volumenarbeit aufgewendet, als für ein ideales Gas, da die Anziehungskräfte der Gasmoleküle untereinander bei der Kompression helfen. (Das reale Gas ist daher auch bei gleichem Druck und gleicher Temperatur dichter als ein ideales Gas, es nimmt also bei gleicher Teilchenzahl weniger Volumen ein.) Das reale Gas heizt sich aber bei Verrichtung der gleichen Volumenarbeit am Gas stärker auf, als das ideale Gas, da die Anzeihungskraft der Gasmoleküle diese aufeinander zu beschleunigt, und Geschwindigkeit der Moleküle ist das mikroskopische Äquivalent der Temperatur. Auch hier hilft der Vergleich mit dem Ball im Erdschwerefeld. Wenn er sich auf die Erde zubewegt, wird er schneller.
Im isothermen Fall der Kompression wird das durch die gegenseitige Molekülanziehung freigesetzte Mehr an Wärmeenergie sofort isotherm in den Wärmespeicher abgegeben. Im adiabatischen Fall der Kompression erhitzt sich das reale Gas stärker als das ideale Gas und der adiabatische Wärmespeicher muß für einen optimalen Wirkungsgrad eine höhere Temperatur aushalten können als der für ein ideales Gas.
Die Ausführungen zeigen, daß es vorteilhaft wäre, ein Druckluftspeicherkraftwerk, oder allgemeiner Druckgasspeicherkraftwerk, annähernd isotherm zu betreiben. Ein Gas verhält sich nämlich, wie oben aufgeführt, bei isothermer Kompression und Expansion über einen Wärmetauscher („Kühler“, bzw. umgekehrt „Erwärmer“) energetisch wesentlich günstiger! Doch sind hierfür „unendlich lange“ Zeiten notwendig, weil der Wärmeaustausch Zeit benötigt. Man kann diese Zeiten etwas abkürzen, indem man es zu keinem Temperaturausgleich kommen läßt, sondern einen deutlichen Rsettemperaturgradienten aufrechterhält, wodurch natürlich der Wirkungsgrad schlechter wird. Dennoch bleibt die hinreichend schnelle Übertragung von Wärme aus dem Arbeitsgas in das Speichermaterial (z.B. Wasser, aber auch Luft oder ein anderer Stoff) des Wärmetauschers hinein und vor allem zur Arbeitsverrichtung aus dem Speicher heraus ein Problem! Denn während man sich zum Beladen des Wärmespeichers länger Zeit lassen kann, muß beim Entladen des Speichers bedarfsweise sehr schnell Wärme übertragen werden, um Energieanforderungen des Stromnetzes bedienen zu können!
Die maximale Volumenarbeit, die ein Gas bei isothermer Expansion von einem Volumen V₁ auf ein Volumen V₂ verrichtet, beträgt: W = –nRT·ln(V₂/V₁) wobei n die Anzahl der Mole an Gas bedeutet, R die allgemeine Gaskonstante (8,314 J/(Mol·K)) ist und T die absolute Temperatur in Kelvin (K).
Außerdem gilt für ein ideales Gas: pV = nRT
pV beträgt für 1 Kubikmeter eines idealen Gases, das unter 100 bar Druck (ungefähr 10⁷ N/m²) steht, 10⁷ Nm, also 10⁷ Joule. Die Arbeit, die ein solcher Kubikmeter Gas bei isothermer Expansion ausgehend von einem Druck von 100 bar (10 MPascal) auf Umgebungsdruck von 1 bar lieferte (Expansion von 1 Kubikmeter auf 100 Kubikmeter), betrüge also 10⁷·ln100 Joule = 10⁷·4,605 Joule, also etwa 46 MJ.
Die gleiche Energie wäre in 1 Kubikmeter Wasser enthalten, der in etwa 4600 Meter Höhe lagerte und von dort herabfiele, wodurch er unten eine Geschwindigkeit von ungefähr 303 Meter pro Sekunde erreicht hätte. Oder sie wäre in 920 Kubikmetern Wasser enthalten, die sich mit 10 Metern pro Sekunde bewegten, wozu sie z.B. 1 Sekunde im Erdschwerefeld frei fallen müßten, was 5 Metern Höhe entspräche.
Die Erfindung erreicht die energieeffiziente Energiespeicherung in einem Druckgas durch quasiisotherme Expansion des Gases. Bevorzugt wird das Gas zur Beladung des Speichers auch quasiisotherm komprimiert. Als quasiisotherm wird bei der Erfindung eine Temperaturänderung vom komprimierten Gas zum entspannten Gas von weniger als 20°C pro 10 bar Druckänderung verstanden, bevorzugt von weniger als 10°C pro 10 bar Druckänderung.
Erfindungsgemäß wird hierzu eine Mischung aus Wasser und Druckluft (allgemein Flüssigkeit und Druckgas) aus einem Druckgasspeicher, in dem die Luft komprimiert auf Vorrat gehalten wurde, eingesetzt, um dadurch auf möglichst isothermem Wege dem Gemisch daraus eine höhere kinetische oder dem Wasser darin eine höhere potentielle Energie zuzuführen, und diese Energie wird dann dazu verwendet, über Arbeitsmaschinen und Generatoren elektrische Energie nach bekannten Verfahren herzustellen. Es ist auch eine Kombination aus beiden erfinderischen Prinzipien möglich, daß also die Mischung sowohl höhere kinetische Energie, wie auch höhere Lageenergie erhält und deren Anteile durch geeignete Arbeitsmaschinen daraus extrahiert werden. So verwenden Peltonartige Turbinen zwar lediglich den kinetischen Anteil der Energie (sogenanntes „Aktionsprinzip“ der Turbine), die meisten anderen Turbinentypen hingegen extrahieren potentielle Energie/Lageenergie (sogenanntes „Reaktionsprinzip“ der Turbine) und kinetische Energie. Es wird also entweder

A.1.) – eine Wassermasse durch vorzugsweise in Strömungsrichtung des Wassers gerichtetes Einblasen von aus dem Speicher stammender Druckluft beschleunigt, wobei die Luft expandiert, dabei abkühlt, aber fast gleichzeitig vom Wasser wieder annähernd auf die Wassertemperatur erwärmt wird (das Wasser kühlt sich dabei etwas ab), oder
A.2.) – eine aus dem Speicher stammende Druckluftmasse durch (bevorzugt in Strömungsrichtung der Luft) eingedüstes Wasser während (!) deren Expansion temperiert, wobei auch hier die Temperatur der Luft stets nicht weit unterhalb der des Wassers liegt (auch hier kühlt sich das Wasser etwas ab),

B.) Wasser durch für diesen Spezialeinsatzzweck optimierte Mammutpumpen/Geysirpumpen oder für diesen Spezialeinsatzzweck optimierte Druckluftmotorpumpen angehoben (Zuführung potentieller Energie).

Hierzu wird im Falle der Mammutpumpen/Geysirpumpen Druckluft aus dem Druckluftspeicher ebenfalls bevorzugt in Strömungsrichtung des Wassers eingeblasen. Das gerichtete Einblasen erhöht den Wirkungsgrad etwas, allerdings nicht sehr, da der Haupteinfluß von der gegenüber Wasser verringerten Dichte des Wasser/Luft-Gemisches in der aufsteigenden Wasser/Luftsäule stammt.
Während des Anhebens des Wassers ist dieses in Bewegung, besitzt also kinetische Energie. Es ist daher auch möglich, durch eine Turbine einen Teil dieser Bewegungsenergie abzuzapfen und in elektrische Energie umzuwandeln. Der Anteil der Bewegungsenergie, der abgezapft wird, beeinflußt aber die mögliche Förderhöhe (spätere Lageenergie) des Wassers (Energieerhaltungssatz).
Zu A.1.) und A.2.):
Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist es günstig, wenn der Druckunterschied zwischen der Druckluft und dem (größtenteils) hydrostatischen Druck des Wassers an der Einblasstelle nicht groß ist, sondern wenn das Wasser mindestens an der Einblasstelle unter fast dem gleichen Druck steht, wie die eingeblasene Luft. Beim Einblasen der Luft aus dem Druckluftspeicher würde die Luft sonst schlagartig entspannt und verbrauchte einen beträchtlichen Teil ihrer Energie im Wasser zur Wirbelbildung und letztendlich der Erzeugung von schwer nutzbarer Wärmeenergie („Big whirls have little whirls that feed on their velocity, and little whirls have lesser whirls and so on to viscosity.“).
Es ist daher günstiger, das unter Druck stehende Wasser mit dem unter Druck stehenden Gas zu versetzen und dieses dann durch eine Düse entweichen zu lassen, die dann auf eine Turbine mit Aktionsprinzip trifft (Pelton-Turbine oder ähnlich). Hinter der Düse (zu der hin im Wasser/Luftgemisch schon ein kleiner Druckabfall vorliegt) entspannt sich dann die Druckluft und reißt das Wasser feinverteilt mit. Dabei entzieht sie dem Wasser Wärme und hält damit ihre eigene Temperatur relativ konstant. (Es ist prinzipiell möglich, die Druckluft dem Wasser, oder das Wasser der Druckluft, vor, in oder direkt hinter der Düse zuzuführen. Es ist auch möglich, das Wasser an unterschiedlichen Stellen des Expansionsvorganges der Druckluft zuzufügen.)
Der Temperaturabfall darf nur so stark sein, daß keine Eisbildung hervorgerufen wird, weil dies für übliche Arbeitsmaschinen schädlich wäre. Hierzu muß die Wassermenge der Luftmenge angepaßt werden. Auch die Temperatur der Druckluft oder des Wassers kann zusätzlich entspechend angepaßt werden, auch über eine Heizung, was aber den Wirkungsgrad der Gesamtvorrichtung senkte, es sei denn, es handelte sich um Abfallwärme oder zwischengespeicherte Wärme aus einer nicht ganz isothermen Kompression.
Vor allem aber über die Menge des Wassers und dessen Temperatur läßt sich ein Absinken der Gemischtemperatur Luft/Wasser unter den Gefrierpunkt des Wassers verhindern. Da Wasser gewichtsbezogen ungefähr eine vier mal größere Wärmekapazität besitzt als Luft (ungefähr 4,2 kJ/(kg·K) gegenüber ungefähr 1 kJ/(kg·K)), kann somit relativ wenig Wasser bereits das Absinken unter den Gefrierpunkt verhindern.
Wenn 1 Kilogramm Druckluft (vereinfacht und idealisiert gerechnet) von 293 K (20°C) und 60 bar (ungefähr 12,9 Liter) adiabatisch auf 1 bar expandiert würde, so würde ihr Volumen dabei gemäß der Gleichung
um das 18,6-fache zunehmen.
Mit der allgemeinen Gasgleichung ergibt sich für die Temperatur nach dieser adiabatischen Expansion
R ist dabei die allgemeine Gaskonstante (8,314 J/(Mol·K)) und n die Zahl der Mole „Luft“. Da Luft eine durchschnittliche Molmasse von ungefähr 29 Gramm hat, sind in 1 Kilogramm Luft ungefähr 34,5 Mol enthalten.
Somit beträgt die Temperatur T₂ = 100000·18,6·0,0129 / 34,5·8,314 = 83,6 K
Sie hätte somit ungefähr 210 Grad Temperatur verloren. Zur Erwärmung dieser kalten Luft auf etwa 283 K (10°C) benötigte man dann etwa 200 Kilojoule. Diese Wärmemenge könnte von ungefähr 5 Kilo Wasser abgegeben werden, die dabei von 20°C auf 10°C abgekühlt würden, oder von 10 Kilo Wasser, die von 20°C auf 15°C abgekühlt würden, oder von 1 Kilo Wasser, das von 70°C auf 20°C abgekühlt würde. Würde die adiabatisch expandierte Luft durch Mischen mit Wasser wieder auf ungeföhr 10°C erwärmt, so würde (bei konstant gehaltenem Volumen) ihr Druck ansteigen, und zwar ebenfalls wieder näherungsweise gemäß der allgemeinen Gasgleichung. Da der Druck der absoluten Temperatur proportional ist, stünde die Luft dann unter einem Druck von 213/83·1 bar = 2,56 bar.
Sie könnte dann wieder adiabatisch auf 1 bar expandiert werden, wobei sie sich wieder etwas (aber deutlich weniger als zuvor) abkühlte, dann wieder mittels Wasser erwärmt werden usf., bis man am Ende Luft mit 1 bar bei einer Temperatur von 10°C hätte. Diese vielen hintereinandergeschalteten Prozesse lassen sich zu einem einzigen zusammenführen, in dem bereits während der Expansion des Gases (spätestens aber vor Ende der Expansion) das Wasser zugeführt wird.
Je größer der Temperaturunterschied zwischen der Druckluft und dem Wasser ist, um so schneller (und dem isothermen Verlauf der Expansion angenäherter) läuft der Vorgang ab. Allerdings verliert man an Wirkungsgrad, weil das Wasser zuvor auf die erhöhte Temperatur gebracht werden müßte, wohingegen Wasser von Umgebungstemperatur (jahreszeitlich abhängig schwankend) immer quasi ohne Energieverbrauch zur Verfügung stünde.
Variante A.2.A.):
Es ist unter Wirkungsgradverlust daher auch möglich, vor, in oder auch nach der Düse in die Druckluft überhitztes Wasser (Temperatur höher als 100°C) einzudüsen. Je nach Wassermenge und dessen Temperatur verdampft dieses während des Ausdehnungsvorganges der Luft vollständig oder bleibt ganz oder teilweise flüssig, wobei ein Kondensieren von zuvor überhitztem Wasserdampf in der Mischung eine große Wärmemenge (große Kondensationswärme = Verdampfungswärme des Wassers!) freisetzt, wodurch die Temperatur relativ konstant gehalten wird. Das überhitzte Wasser kann entweder Wasser sein, welches durch die Kompression der Druckluft (keine adiabatische sondern polytrope Kompression) erwärmt wurde, oder/und es kann auch elektrisch mit Überschußenergie aus der regenerativen Energiegewinnung aufgeheizt sein. Wenn das überhitzte Wasser sogar so heiß ist, daß während des Expandierens an den Turbinenstufen keine schädliche Kondensation eintritt, können übliche Gas(expansions)turbinen zur Arbeitsgewinnung verwendet werden. Ansonsten sollten kondensationsunempfindliche Turbinen verwendet werden.
Wenn kein reines Wasser, sondern Wasser mit darin löslichen Zusätzen verwendet wird (z.B. wasserlösliche Salze oder andere Stoffe, wie z.B. Alkohole), gefriert diese Mischung erst bei tieferen Temperaturen und man kann die Expansion bis zu tieferen Temperaturen ausführen lassen. (Dies ist dann aber natürlich weniger angenähert isotherm!)
In einem geschlossenen System (abgeschlossener Flüssigkeitskreislauf) kann sogar eine ganz andere Flüssigkeit als Wasser eingesetzt werden, die einen noch wesentlich tieferen Gefrierpunkt und auch einen anderen Siedepunkt aufweist! Entsprechend kann in einem völlig abgeschlossenen System auch eine gänzlich andere Flüssigkeits/Gas-Kombination eingesetzt werden, z.B. Erdgas/Kohlendioxid, Erdgas/Stickstoff, Kohlendioxid/Wasser oder Ammoniak/Wasser.
In einer Variante von A.2.A.) wird die Rückgewinnung von Energie aus Druckluft mit der Gewinnung von entsalztem Wasser aus Salzwasser kombiniert:
Salzwasser (z.B. Meerwasser) wird unter Druck über seinen Siedepunkt erhitzt. Dieses überhitzte Salzwasser wird dann in die expandierende Druckluft eingespritzt, um dort deren Abkühlung entgegenzuwirken. Die Temperatur des Gemisches Luft/Wasserdampf wird dabei so gesteuert, daß in dem expandierenden Luft/Salzwassergemisch etwas Wasser auskondensiert. Dieses enthält dann in hoher Konzentration das wasserlösliche Salz. Diese Sole wird abgeschieden und der verbliebene, von großen Anteilen des Salzes befreite Luft/Wasserdampfstrom wird in einem Wärmetauscher weiter abgekühlt, wobei das Wasser nun größtenteils als stark entsalztes Wasser auskondensiert. Dieses Wasser ist je nach Steuerung des Prozesses trinkbar oder als Brauchwasser zu verwenden (z.B. auch Pflanzenbewässerung in der Wüste).
Im genannten Wärmeaustauscher wird bereits wieder neues Salzwasser auf erhöhte Temperatur gebracht. Die weitere Temperaturerhöhung erfolgt durch die polytrope Luftkompression bei der Füllung der Druckluftspeicher und/oder durch direktes Aufheizen mit Überschußenergie aus regenerativen Energiequellen. Wüstenstaaten können auf diese Weise Überschüsse an Sonnenenergie in Druckluftspeichern speichern und bei der Energieentnahme aus den Speichern gleichzeitig Wasser entsalzen.
Eine weitere Möglichkeit der Energieerzeugung aus mit Wasser (oder einer anderen Flüssigkeit) gemischtem Druckgas (besosonders Luft) beruht ebenfalls, wie die Peltonturbine, auf dem Rückstoßprinzip. Diesmal trifft aber nicht das expandierende oder expandierte Medium auf Turbinenschaufeln, sondern es tritt aus einer Art Raketendüse aus und beschleunigt dabei diese Düse und alles was daran befestigt ist, durch seinen Rückstoß.Sind mehrere Düsen an einem Rad befestigt, und stoßen das Medium ungefähr senkrecht zum Raddurchmesser (also ungefähr tangential) aus, so wird dieses Rad durch den Rückstoß in Bewegung gesetzt, und diese Bewegung kann dann einen Generator antreiben und elektrische Energie erzeugen.
Vorzugsweise erfolgt die Zufuhr des Druckgases und der Flüssigkeit über die Achse des Rades, bevorzugtdie Flüssigkeit von der einen Seite, das Druckgas von der anderen Seite.
Die Düse muß nicht linear sein, sondern kann auch gebogen sein und dann auch schon an der Nabe des Rades beginnen und sich dann stetig zu einem solchen Winkel umbiegen, daß das Medium in etwa tangential zum Radius ausgestoßen wird.
Um eine hohe Leistung zu erzielen, werden viele Räder parallel angeordnet oder das ganze als Walze ausgeführt, in der die Düsen verlaufen.
Vorzugsweise wird das Medium nicht genau tangential zum Radius ausgestoßen, sondern etwas mehr nach außen, damit es die Bewegung des Rades weniger behindert.
Es muß auch noch erwähnt werden, daß in dieser Anmeldung unter Temperieren der Luft während der Expansion nicht nur ein kontinuierlicher, sondern auch ein iterativer Prozeß verstanden wird, bei dem die Druckluft erst etwas expandiert, dabei etwas abkühlt, dann durch beigemengtes Wasser wieder erwärmt wird, sich dann wieder expandiert und dabei wieder abkühlt und so weiter.
Wird die Druckluft in unterirdischen Speichern (z.B. Salzkavernen) gespeichert, so hat sie eine Temperatur, die mindestens die Temperatur des umgebenden Bodens in dieser Tiefe hat (plus Restwärme, weil die Kompression doch nicht völlig isotherm verläuft, oder falls man sie absichtlich gar nicht isotherm durchführt). Die Wärme der Druckluft im unterirdischen Speicher ist abhängig von der sogenannten geothermischen Tiefenstufe. Durchschnittlich nimmt die Temperatur mit der Tiefe um etwa 3 Grad Celsius pro 100 Meter zu, in manchen Gegenden mehr, in anderen weniger. In 600 Metern Tiefe ist also durchschnittlich mit Temperaturen von etwa 30 Grad Celsius zu rechnen.
Wenn 13 Liter Druckluft (60 bar) von 20°C (das sind ungefähr 1000 Gramm oder 34,5 Mol Luft) mit 8 Litern (ungefähr 8000 Gramm) Wasser von 20°C vermischt und dann durch eine Düse auf 1 bar entspannt würden, so entstünde also aus einer Mischung, in der Luft und Wasser zuvor volumenmäßig im Verhältnis 13:8 (ungefähr 1,5:1) gemischt wären, nach der fast isothermen Entspannung eine Mischung von ungefähr 10°C, in der der Anteil von Gas zu Flüssigkeit volumenmäßig etwa 780:8 = 97:1 betrüge. (Dies folgt aus der Gleichung W = n·R·T·ln(V₂/V₁) für die bei der isothermen Expansion eines Gases abgegebene Volumenarbeit, die gleich der durch das Wasser zugeführten Wärmemenge ist. Dies allerdings nur, wenn man annimmt, daß dabei kein Wasser vom flüssigen Zustand in die Gasphase übergeht, was strenggenommen nicht der Fall ist, denn es verdampft ja etwas Wasser!)
Hinter der Düse sollte sich also der Strömungskanal aufweiten, um der Luft die Ausdehnung zu ermöglichen. Um die isotherme Ausdehnung möglichst gut anzunähern ist es bevorzugt, den Querschnitt bis ungefähr auf das Maß aufzuweiten, bei dem die Mischung quasiisotherm auf das Ruhevolumen bei 1 bar ausgedehnt ist. Das bedeutet, daß z.B. der Strömungskanal hinter der Düse für Druckluft von 60 bar von der Fläche der Düsenöffnung auf die 60-fache Fläche (ungefähr 8-facher Durchmesser) vergrößert werden müßte. Diese Vergrößerung erfolgte bevorzugt allmählich und in dem Maße, wie die angenähert isotherme Expansion der Luft es erforderte. Die Länge dieses Strömungskanals ist von der Zeit abhängig, die die annähernd isotherme Expansion benötigt (wie schnell also der Wärmeübergang vom Wasser auf die Luft stattfindet) und von der Geschwindigkeit des Gas-Flüssigkeitsstromes. Bei sehr kleinen Wassertröpfchen („Nebel“) in der Luft kann dieser Kanal auch gewunden sein, wohingegen größere Wassertropfen einen geradlinigen Kanal erfordern, da sich die Tropfen sonst an der Wandung abscheiden würden.
Wird der Kanal weniger stark aufgeweitet, muß die Volumenzunahme des gases über eine Beschleunigung der Gasmasse erfolgen, was längere Zeit und damit längere Strecken erfordert.
Diese expandierte Mischung Luft/Wasser wird dann entweder direkt auf eine geeignete Turbine geleitet, die ihren Impuls aufnimmt und in mechanische Energie umwandelt, die dann in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Oder die ausgedehnte Mischung wird nach der Temperaturangleichung von Wasser und Luft durch Verengung des Strömungskanals weiter beschleunigt und trifft erst dann auf eine geeignete Turbine. Diese Vorgehensweise hätte den Vorteil, daß die Turbine kleiner sein könnte. Allerdings finden dann schon geringe Reibungsverluste statt und Wasser kann sich an den Wänden niederschlagen und dort seine kinetische Energie vor der Turbine verlieren. Es ist von Vorteil, wenn die Wandung des Kanals, in dem die Luft expandiert, erwärmt wird. Dies kann z.B. sehr einfach dadurch erfolgen, daß dieser Strömungskanal von erwärmtem Wasser (z.B. dem, welches bei der quasiisothermen oder polytropen Kompression der Luft erwärmt wurde) umgeben/umströmt ist. Dadurch werden eventuell durch Strömungsungleichmäßigkeiten entstehende Eisablagerungen verhindert. Aus gleichem Grunde ist eine Erwärmung der Arbeitsmaschine (z.B. der Turbinenschaufeln) denkbar. Bei Verwendung großer wärmeabgebender Wassermengen reicht aber im allgemeinen die im Wasser enthaltene Wärme zur Verhinderung einer Eisbildung aus. Zur Energieumwandlung sind prinzipiell alle kondensationsunempfindlichen Arbeitsmaschinen/Turbinen geeignet, doch ist es von Vorteil, wenn sie auch kavitationsunempfindlich sind. Einen besonders hohen Wirkungsgrad liefern Turbinen, die ganz oder großteils nach dem physikalischen Pelton-Prinzip („Aktionsprinzip“) arbeiten. Bei diesen nach dem Aktionsprinzip arbeitenden Maschinen erfolgt für den Idealfall (der aber nie völlig gegeben ist!) die Arbeitsverrichtung erst an der Turbine selbst: Nach dem Ausströmen der Druckluft aus der Düse kühlt sich diese erst einmal nur durch den Joule-Thomson-Effekt (also Arbeit gegen die intermolekularen Anziehungskräfte) ab und nicht durch äußere Arbeitsverrichtung. Allerdings findet von der Arbeitsmaschine zur Düse ein Luftrückstau statt, so daß doch schon Teilarbeit gegen diesen Druckanstieg zur Arbeitsmaschine hin zu verrichten ist, so daß auch auf dieser Strecke ein Wärmeaustausch mit Wasser temperaturausgleichend wirkt.
Die Arbeitsverrichtung erfolgt an der Turbinenschaufel, an der eine Richtungsänderung des Impulses des Gas/Wasser-Gemisches stattfindet. Dies führt zu einer Rückstoßkraft auf die Turbinenschaufel und zur Rotation der Turbine, die damit einen elektrischen Generator antreiben kann.
Es ist daher auch möglich, während des Betriebes Wasser auf die Turbinenschaufeloberfläche zu führen, wo dieses durch die ankommende Druckluft beschleunigt und zerstäubt wird, wodurch es eine große Oberfläche erhält, über die fast augenblicklich und noch in Schaufelnähe der Temperaturausgleich stattfindet, den die Temperaturerniedrigung des expandierenden zurückprallenden Gases an der Schaufel nötig macht. Dadurch erhöht sich der Impuls (die Geschwindigkeit) der Gasmoleküle, der ohne Temperaturausgleich am Wasser sonst wesentlich geringer wäre.
Druckluftwasserkraftwerke nach Prinzip A.) sind überall einsetzbar, sogar in der Wüste, denn man kommt mit einem begrenzten Volumen an Wasser aus, das im Kreisprozeß geführt und darin immer wieder beschleunigt wird. (Bevorzugt befindet sich hierzu hinter der Arbeitsmaschine eine Beruhigungsstrecke, in der sich Wasser und Luft trennen können.) Vorzugsweise nützt man aber offene natürliche Gewässer als Wasserursprung. Das Gewässer wird dabei zusätzlich belüftet.
Wenn man mit einer abgeschlossenen, immer wieder verwendeten Menge Wasser arbeitet, so kann man, wie bereits beschrieben, diese auch mit Zusätzen versehen, die den Gefrierpunkt herabsetzen, wodurch bei der Luftentspannung weniger darauf geachtet werden muß, daß es zu keiner Eisbildung kommt. Die abgeschlossene Flüssigkeitsmenge würde bei der vorangehenden Kompression der Druckluft während der Drucckluftspeicherung vorzugsweise deren Kompressionswärme angenähert isotherm aufnehmen und später wieder abgeben.
Statt mit Druckluft kann bei abgeschlossenen Systemen auch mit einem anderen Gas gearbeitet werden, z.B. Kohlendioxid, das sich unter Druck in Wasser sehr gut lösen würde, so daß die Mischung vor Austritt aus der Düse unter Druck sogar noch homogen vorliegen würde.
Bei Druckluft mischt man hingegen inhomogen vor der Düse oder man mischt Wasser und Luft erst in der Düse oder sogar erst kurz nach der Düse (getrennte Düsenöffnungen für Druckluft und Wasser) oder, wie beschrieben, erst kurz vor der Turbine oder in der Turbine/auf den Turbinenschaufeln.
Nach der Arbeitsverrichtung in der Turbine folgt vorzugsweise eine Beruhigungsstrecke, auf der sich Gas und Flüssigkeit trennen können. Dies kann z.B. auch ein Zyklon sein. Die schwerere Flüssigkeit wird dann entweder in das Vorratsgefäß zurückbefördert oder kann im Falle von Wasser auch einfach ins offene Gewässer entlassen werden. Ein Austritt der expandierten Luft ohne Beruhigungsstrecke ist auch möglich, führt aber zu erhöhtem Wasseraustoß in die Umgebungsluft, was in Nähe von Wohngebieten unerwünscht ist, auch wenn der Wirkungsgrad des Kraftwerks dadurch etwas größer ist.
Zu B.) Diese Ausführungsweise der Erfindung sieht vor, Wasser durch Druckluftkraft anzuheben, also dem Wasser eine größere Lageenergie zu geben. Diese höhere Lageenergie wird dann anschließend oder auch erst mit zeitlichem Abstand wie in einem Wasserkraftwerk oder Pumpspeicherkraftwerk mittels einer Arbeitsmaschine in elektrische Energie umgewandelt.
Vorzugsweise finden Druckluftwasserkraftwerke dieser Art Verwendung direkt neben bereits bestehenden Wasserkraftwerken oder Pumpspeicherkraftwerken, bzw. sie sind dann Bestandteil derselben.
Dadurch verbilligen sich diese Druckluftwasserkraftwerke, weil keine Turbinen und Generatoren benötigt werden, sondern bereits bestehende und sehr ausgereifte Systeme zur Elektrizitätserzeugung verwendet werden können!
Da solche Druckluftwasserkraftwerke nur eine begrenzte Wassermenge benötigen, die im Kreisprozeß geführt wird, ermöglichen es Druckluftwasserkraftwerke dieser Art, ihre Wasserturbinen so lange laufen zulassen, bis die Druckluftenergie aufgebraucht ist. Hierzu sind prinzipiell nur sehr kleine Wasserspeicher nötig, die nicht einmal als oberirdische Seen ausgeführt sein müssen, sondern auch, umweltunschädlich und unsichtbar, hochgelegene unterirdische Kavernen sein können.
Erfindungsgemäß können neben bestehenden Wasserkraftwerken und Pumpspeicherkraftwerken druckluftdichte unterirdische Kavernen hergestellt werden, die mit Hilfe überschüssiger regenerativer Energie mit Druckluft gefüllt werden. Bei Energiebedarf fangen nun die Wasserkraftwerke an, elektrische Energie zu erzeugen, wobei gleichzeitig oder auch erst etwas später die Druckluft die hochgelegenen Wasserspeicher immer wieder mit Wasser auffüllt, so daß diese so lange Wasser enthalten, wie hinreichend Druckluftenergie verfügbar ist, diese aufzufüllen.
Die Umwandlung der Druckluftenergie in mechanische Arbeit, die das Wasser wieder in den hochgelegenen Speicher befördert, kann z.B. mit Hilfe von Druckluftmotoren erfolgen, wie sie für Automobile geplant sind/waren.
Vorzugsweise sollten aber möglichst isotherm arbeitende Druckluftmaschinen hierfür verwendet werden, weil diese einen höheren Wirkungsgrad der Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Arbeit aufweisen.
Solche Maschinen können auch direkt zur Umwandlung von Druckluftenergie in mechanische Arbeit und weiter mittels Generator in elektrische Energie verwendet werden. Dann müssen diese Maschinen aber auch genau auf die Bedarfsschwankungen des elektrischen Netzes reagieren können, was nur unter Verlust an Wirkungsgrad möglich ist und zusätzliche Steuermechanismen erfordert!
Vorteilhaft ist es daher, diese annähernd isotherm arbeitenden Maschinen dazu zu verwenden, ständig im optimalen Lastbereich arbeitend Wasser von unten nach oben in das obere Speicherbecken zu pumpen, aus dem es dann je nach Energiebedarf über die üblichen Turbinen abgezapft wird. Das obere Speicherbecken dient dabei als Puffer, so daß die Wasserpumpe unabhängig vom momentanen Energiebedarf des Netzes gleichmäßig weiterlaufen kann oder auch ausgeschaltet werden kann, wohingegen das klassische Wasserkraftwerk ständig lastabhängig elektrische Leistung erzeugt.
Der Transport des Wassers in größere Höhen kann auch durch für diesen Zweck optimierte wartungsarme Mammutpumpen oder Geysirpumpen erfolgen, die so ausgestaltet sind, daß auf der Transportstrecke des transportierten Wassers die angenähert isotherme Ausdehnung der Druckluft ermöglicht wird. Um einen hohen Wirkungsgrad dieses Pumpenprinzips zu erreichen, ist es hierzu günstig, wenn die Druckluft mit nur geringem Überdruck ins Förderrohr eingebracht wird und zudem in Strömungsrichtung des Wassers. Die Höhendifferenz zwischen oben gelegenem Wasserspeicher und energieerzeugender Turbinenanlage ist hierauf anzupassen, bzw. es ist der Luftdruck an diese Höhendifferenz anzupassen. Außerdem sollten die Luftblasen beim Austritt aus der Düse möglichst klein sein, um möglichst gut am Wasser zu „haften“. Beim Aufstieg im Förderrohr dehnt sich die Luft mehr und mehr aus, und die Blasengröße nimmt zu. Aufgrund dessen kann das Förderrohr nach oben hin eine Aufweitung erfahren.
Die geringe Restbewegungsenergie des Wassers, welches aus der Turbine austritt, kann auch schon in vorteilhafter Weise als Aufwärtsbewegung ausgenützt werden, wenn dieses Wasser umgelenkt und gleich wieder mit Druckluft nach oben befördert wird. Es ist auch möglich, Wasser in mehreren Etappen bis auf große Höhen zu befördern, falls das Speicherniveau sehr hoch gelegen ist und die übliche Druckluftenergie (z.B. 60 bar) hierzu nicht ausreicht. Der Transport erfolgt dann vorzugsweise über Zwischenwasserspeicher, von denen aus dann mit Hilfe der üblichen Druckluftenergie (z.B. 60 bar) der Weitertransport in größere Höhen erfolgt. Hierzu können entweder separate Druckluftspeicher in Höhe der Wasserzwischenspeicher bestehen, oder es bestehen Druckluftverbindungen von einem zentralen Druckluftspeicher zu diesen Wasserzwischenspeichern.
Der Transport von Wasser mit Druckluft in höhere Lagen kann auch mit Hilfe von aus dem Stand der Technik bekannten Auftriebskraftwerken erfolgen, bei denen expandierte Luftvolumina in unten offenen und nach oben hin geschlossenen Strukturen, die sich in Wasser befinden, aufgefangen werden, wodurch diese Strukturen einen Auftrieb erfahren, der auch das Wasser bewegt. Die Bewegung der Strukturen muß langsam erfolgen, damit nur wenig Reibungswärme im Wasser erzeugt wird. Zudem muß die Bewegung auch deshalb langsam sein, weil die Luft während ihres Aufstieges stark expandiert und dabei abkühlt und das umgebende Wasser Zeit haben muß, die Luft wieder (quasiisotherm) aufzuwärmen.
Der Wirkungsgrad der optimierten Mammutpumpe ergibt sich aus dem Verhältnis der potentiellen Energie des Wassers, daß mit ihr in das obere Speicherbecken befördert wird, zur isothermen Druckluftenergie.
Die ideale Mammutpumpe arbeitet isotherm. Das heißt, daß die Luft, die sich beim Aufsteigen in der Wassersäule ausdehnt, sofort die bei ihrer Ausdehnung verbrauchte Wärme aus dem umgebenden Wasser herausnimmt. Dies geschieht am schnellsten bei kleinen Luftblasen.
Die ideale Mammutpumpe ist auch reibungsfrei. Es wird keine Druckluftenergie entlang des Transportweges in Wärmeenergie umgewandelt. Eine möglichst laminare Strömung ist hierfür vorteilhaft.
Außerdem darf bei der idealen Mammutpumpe kein Wasser an diesen Luftblasen entlang, der Schwerkraft folgend, nach unten sinken. Die Luftblasen sollen also das sie umgebende Wasser einfach mitschleppen.
Das wiederum ist bei Luftblasen, die das Strömungsrohr vollständig ausfüllen, am besten erfüllt (Geysir-Pumpe), denn diese Luftblasen schieben einfach das über ihnen befindliche Wasser nach oben fort. Diese Verfahrensweise ist aber nur in schlechterer Näherung isotherm! Durch die Länge des Strömungsrohres ist aber dennoch eine hinreichend lange Kontaktzeit zwischen Luftblase und Wasser gegeben, um ein starkes Abkühlen der Luft zu vermeiden. Der Wirkungsgrad wird hierdurch nur geringfügig schlechter, wenn darauf geachtet wird, daß die Luftblase, die das Strömungsrohr ausfüllt, nicht zu lang wird, denn dann ist ihre Kontaktfläche zum Wasser gering und sie kühlt sich während ihrer eigenen Expansion stärker ab. Eine Luftblase, die bei 60 bar noch ein Rohr von 5 Zentimetern Durchmesser ausfüllt und dabei z.B. 20 Zentimeter lang wäre, wäre aber (isotherm expandiert) bei nur noch 1 bar 12 Meter lang! Hier wäre aber keine schnelle Wärmeübertragung zwischen Luft und Wasser mehr gegeben! Daher sieht die Erfindung vorzugsweise vor, daß das Strömungsrohr sich nach oben hin erweitert, so daß die Blase nicht so lang wird (ihre Kontaktfläche zum Wasser relativ zum Blasenvolumen nicht zu klein wird). Zudem ist es vorteilhaft, wenn das sich aufweitende Strömungsrohr in Unterrohre aufgeteilt ist, in das die größer werdende Blase eintritt, so daß aus größer werdenden Blasen wieder mehrere kleinere werden, die Wasser besser transportieren können und gleichzeitig eine größere Oberfläche für den Wärmeaustausch zur Verfügung stellen.
Solche Unterrohre können sich dann wieder in Unterrohre aufteilen usw. Die Wandungen der Rohre und Unterrohre, die einen Teil der Wärme liefern, die auf das expandierende Gas übertragen wird, werden durch das an ihnen ebenfalls vorbeiströmende Wasser ständig und schnell wieder erwärmt, so daß auch die Rohrwandungen zur Wiedererwärmung der vorbeiströmenden Luft beitragen.
Es ist auch möglich, die Druckluftenergie (z.B. von 60 bar Druckluft) aufzuteilen und für mehrere Hebevorgänge einzusetzen, von denen jeder nur einen Bruchteil des maximal möglichen Hebevorganges bewirkt. (60 bar könnten z.B. in einer Stufe Wasser maximal ungefähr 600 Meter emporheben, da eine 600 Meter hohe Wassersäule an ihrem unteren Ende einen hydrostatischen Druck von ungefähr 60 bar aufweist.) Es wird dann eine größere Wassermenge in eine nur geringere Höhe angehoben (z.B. theoretisch die 30-fache Wassermenge auf nur 20 Meter). Aus dieser geringeren Höhe herabfallend würde diese größere Wassermenge dann vermittels einer für diese Höhe geeigneten Turbine (Arbeitsmaschine) Arbeit verrichten und elektrische Energie erzeugen. Zur Aufspaltung der Druckluftenergie läßt man diese mit Hilfe „in Serie“ angeordneter Vorrichtungen Wasser emporheben, wobei die nach jeder Stufe um die Energie des Anhebevorganges in dieser Stufe im Druck verringerte Druckluft in der nächsten Stufe wieder eingesetzt wird, usw..
Ebenso ist es möglich, mit Druckluft von z.B. 60 bar Wasser auf größere Höhen als 600 Meter anzuheben, wenn die Hebung in mehreren aufeinander folgenden Hebevorgängen vor sich geht, wobei am Anfang eines jeden Hebevorganges wieder frische Druckluft von z.B. 60 bar zugeführt wird.
Ein wieder anderes erfinderisches Prinzip zur Anhebung von Wasser möchte ich „ballistisches Anheben“ nennen: Während in Mammutpumpen Luft in Wasser aufsteigt und dabei dieses mitreißt, sieht diese andere Variante ein langes Rohr vor, an dessen unterem Ende Luft aus einer Düse ohne Arbeitsverrichtung nach oben ausströmt und dabei, nach Abkühlung durch den Joule-Thomson-Effekt, eine bestimmte aufwärts gerichtete Geschwindigkeit erhält. Diese Geschwindigkeit verringert sich mit der Höhe über der Düse etwas aufgrund der Wirkung der Schwerkraft, denn auch die Luftmoleküle haben Masse, die potentielle Energie gewinnen, die aus der kinetischen Energie des Gasgeschwindigkeit stammt. In diesen reißenden Luftstrom wird nun Wasser feinstverteilt eingespritzt. Die Menge des Wassers ist dabei so berechnet, daß am Ende des Rohres (an der Wasserabzapfstelle) die Masse des Wassers plus die Masse der Luft die kinetische Energie des Luftstromes fast vollständig in Lageenergie umgewandelt haben. Das heißt, das eingedüste Wasser wird mit der Höhe immer langsamer, bis es fast zum Stillstand kommt. Dort wird der Massenstrom zur Seite umgelenkt und das Wasser aus dem Wasser-Luftgemisch durch einen Abscheider abgeschieden und in ein hochgelegenes Speicherbecken geleitet.
Das feinstverteilte „ballistische“ Wasser gleicht dabei die Abkühlung der Luft durch Arbeitsverrichtung des Anhebens des Wassers hinreichend aus, so daß kein Ausgefrieren an der Rohrwandung erfolgt. (Eine Schneeflockenbildung ohne Festhaften an der Rohrwandung wäre hingegen unschädlich. Der Schnee würde im oberen Speicherbecken wieder tauen.)
Auch hier ist eine Aufweitung des Rohres mit der Höhe sinnvoll, da das Gasvolumen mit abnehmendem Druck zunimmt.
In einem abgeschlossenen System kann bei allen beschriebenen Ausführungen der Erfindung auch ein anderes Gas als Luft eingesetzt werden und auch eine andere Flüssigkeit als Wasser Verwendung finden.
Die Abgabe der bei der angenähert isothermen Kompression des Gases (vorzugsweise Luft) entstehenden Wärme an die Flüssigkeit (vorzugsweise Wasser) erfolgt entweder indirekt über übliche im Stand der Technik beschriebene Gaswärmeaustauscher, einfachstenfalls Rohre, die durch Wasser geführt werden.
Oder die Wärmeabgabe erfolgt durch direkten Kontakt zwischen erwärmter Luft und Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser. Hierzu wird die unter Druck stehende Luft direkt in Wasser eingeblasen, an dem sie dann entlangströmt. Geeignet hierfür sind vor allem turmartige Gebilde ähnlich den als Stand der Technik beschriebenen Gaswäschern, in denen die Luft unten eintritt, entgegen der Schwerkraft aufsteigt und das Wasser hierdurch auch noch gut durchmischt, und oben austritt. Das Wasser in diesen Direktwärmetauschern steht unter dem Druck der komprimierten Luft. Bei mehrstufiger Kompression der Luft steht z.B. hinter jeder Kompressionsstufe ein solcher Direktwärmetauscher und der hinterste in der Reihe steht in Verbindung und unter dem Druck des Druckgasspeichers.
Hinter der Kompressionsmaschine und vor dem Direktwärmetauscher befindet sich vorzugsweise mindestens ein Rückschlagventil, das ein Zurückströmen von Wasser in die Kompressionsmaschine verhindert. Vorteilhaft ist auch ein Rückschlaggefäß zwischen Kompressionsmaschine und Direktwärmetauscher, in dem eventuell zurückströmendes Wasser aufgefangen wird, bevor es die Kompressionsmaschine erreichen kann. Der unter hohem Druck stehende Direktwärmetauscher befindet sich vorzugsweise unterirdisch.
Eine Trocknung des durch das Wasser befeuchteten Gases durch übliche Gastrocknungsmethoden vor Eintritt in den Druckluftspeicher ist nicht unbedingt nötig, vor allem, wenn die Wandungen des Druckluftspeichers wasserunempfindlich sind (z.B. Fels) oder hinreichend dick sind (z.B. Salzkaverne).
Ein angenähert isotherm geführtes Druckluftwasserkraftwerk (allgemein Druckgasflüssigkeitskraftwerk) kann auch mit Druckluft (allgemein Druckgas) von wesentlich höherem Druck betrieben werden, als die bislang angedachten einstufigen adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerke! Der Grund hierfür liegt darin, daß sämtliche Kompressionswärme einfach bei niedriger Temperatur relativ zeitnah während des Komprimierens abgeführt wird und die Druckluft nie hohe, die Behältnisse/Leitungen oder Arbeitsmaschinen belastende Temperaturen aufweist!
So kann Luft (Gas) auch isotherm ein- oder mehrstufig auf z.B. ungefähr 300 bar komprimiert werden.
Für die isotherme Volumenarbeit eines idealen Gases gilt: W = n·R·T·ln(p_hoch/p_niedrig) = n·R·T·ln(V_groß/V_klein) (W Arbeit, n Molzahl, R allgemeine Gaskonstante, T absolute Temperatur, ln natürlicher Logarithmus aus hohem Druck durch niedrigen Druck bzw. Volumen nach der Entspannung durch Volumen vor der Entspannung; n·R·T beträgt für einen Kubikmeter Luft bei 1 bar und 300 Kelvin ungefähr 100 kJ)
Demnach enthalten z.B. 300 Kubikmeter Luft von 1 bar, die isotherm auf 1 Kubikmeter mit 300 bar komprimiert wurden, bezogen auf eine spätere isotherme Expansion auf wieder 1 bar eine Energie von ungefähr 30.000 kJ·ln300 = 170.000 kJ. Die Energiedichte der Druckluft von 300 bar beträgt also für eine isotherme Expansion 1700.000 kJ pro Kubikmeter.
300 Kubikmeter Luft, die isotherm von 1 bar auf 60 bar komprimiert wurden und danach 5 Kubikmeter einnehmen, enthalten bezogen auf eine spätere Expansion auf wieder 1 bar eine Energie von ungefähr 30.000 kJ·ln60 = 123.000 kJ. Diese nehmen aber das 5-fache Volumen ein, so daß die Energiedichte der Druckluft von 60 bar nur ungefähr 25.000 kJ pro Kubikmeter beträgt. Das bedeutet, daß die Energiedichte bei 300 bar immerhin fast 7-mal so hoch ist wie bei 60 bar! Ein Druckluftspeicher von 100.000 Kubikmetern Inhalt beherbergt daher bei 300 bar eine über einen isothermen Prozeß als mechanische Arbeit wiedergewinnbare Energie von ungefähr 17 Milliarden Kilojoule (17 Billionen Joule) gegenüber nur ungefähr 2,5 Milliarden Kilojoule (2,5 Billionen Joule) bei 60 bar.
17 Billionen Joule entsprechen der Lageenergie von 1,7 Billionen Kilogramm (1,7 Milliarden Tonnen) in 1 Meter Höhe oder von 17 Millionen Kubikmeter Wasser in einem 100 Meter hoch gelegenen Speichersee! Dies ist immerhin ein Speichersee von 1 Quadratkilometer Fläche und 17 Metern Durchschnittstiefe!
Man sieht, daß durch relativ kleine unterirdische Druckluftspeicher relativ große, landschaftsverbrauchende oberirdische Speicherbecken ersetzt werden können!
Man sieht auch, daß annähernd isotherm arbeitende Druckluftspeicherkraftwerke geringere Speicherkosten aufweisen können als adiabatisch arbeitende, weil sie mit höheren Drücken arbeiten können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1857614 B1 [0006]
WO 2011/056283 A2 [0015]
WO 2012/009569 A2 [0015]
JP 2007231760 A [0016]
WO 2012/017243 A1 [0017]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Druckgasspeicherkraftwerk, bei dem das Druckgas während der meisten Zeit des arbeitsverrichtenden Teiles des Expansionsvorganges in innigen direkten Kontakt mit einer Flüssigkeit gebracht wird, wodurch der arbeitsverrichtende Prozeß nahezu isotherm (Temperaturänderung des Flüssigkeits-/Gasgemisches um weniger als 20°C pro 10 bar Druckänderung) abläuft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Gas um Luft handelt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Flüssigkeit um Wasser oder, zum Zwecke der Gefrierpunktserniedrigung, Wasser mit Zusätzen handelt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit in mehreren Schritten nacheinander während der Expansionsphase des Gases zugegeben wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas/Flüssigkeitsgemisch eine Turbine betreibt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch eine nach dem Aktionsprinzip arbeitende (peltonartige) Turbine betreibt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas eine flüssigkeitsenthaltende Mammutpumpe/Geysirpumpe betreibt.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Druckluft dem strömenden Wasser eines herkömmlichen Wasserkraftwerkes zu dessen weiterer Beschleunigung vor der Turbine zugesetzt wird, wobei diese Turbine luftblasenunempfindlich ausgeführt ist.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas/Flüssigkeitsgemisch aus Düsen austritt, die mit Abstand zu einer Drehachse ungefähr tangential angeordnet sind und durch Rückstoß (Raketenprinzip) die Düsen und damit die Vorrichtung um die Drehachse in Rotation versetzen.
Druckgasspeicherkraftwerk, bei dem das arbeitsverrichtende Medium ein seine Temperatur um nicht mehr als 20 °C pro 10 bar Druckänderung änderndes Gas/Flüssigkeitsgemisch ist.