DE102013112196A1 - Method for recovering mechanical energy from compressed gas in compressed gas reservoir, involves controlling quasi-isothermal expansion of compressed gas, to produce electrical energy from mechanical work of working machine - Google Patents
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Abstract
Description
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft ein angenähert isotherm arbeitendes Druckgasspeicherkraftwerk, speziell ein Druckluftspeicherkraftwerk. Das Kraftwerk soll auch die Möglichkeit bieten, bei kurzfristiger hoher Leistungsanforderung aus dem Stromnetz störungsfrei teiladiabatisch oder nahezu völlig adiabatisch betrieben zu werden. The invention relates to an approximately isothermally operating compressed gas storage power plant, especially a compressed air storage power plant. The power plant should also offer the opportunity to be operated at short-term high power demand from the power grid trouble-free teiladiabatisch or almost completely adiabatic.
Stand der Technik State of the art
Bei Druckluftspeicherkraftwerken tritt das Problem auf, daß Gas während der Entspannung beim Durchlaufen der Gasturbine durch die Arbeitsverrichtung abkühlt und Feuchtigkeit auskondensiert und dann die Turbine schädigt. Das expandierende Gas darf also nicht zu stark abkühlen! Zudem geht ein erheblicher Anteil der Energie verloren, die bei der Herstellung der Druckluft aufgebracht werden mußte, denn dabei entsteht Wärme, und bei der Expansion holt sich das Gas die Energie zur Arbeitsverrichtung aus seiner inneren Energie, und dies ist vor allem seine Molekülgeschwindigkeit bzw. Wärme. Von daher wird versucht, die bei der Herstellung der Druckluft entstandene Wärme dem Gas vor dessen Expansion wieder zuzuführen. Solche bisherigen Druckluftspeicherkraftwerke mit Wärmerückgewinnung weisen zwischen Druckluftspeicher (häufig eine Salzkaverne) und Arbeitsmaschine (häufig eine Gasturbine) einen Wärmespeicher auf, nach dessen Durchlaufen die Luft näherungsweise adiabatisch expandiert. Man spricht daher von adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerken. Um einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung thermischer in mechanische und letztlich 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 mechanische (und letztlich elektrische Energie) ist maximal so groß wie der Wirkungsgrad einer sogenannten Carnot-Maschine. Dieser beträgt:
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, die vom Enddruck abhängig ist, auf den 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. Durch eine mehrstufige Führung des Expansionsprozesses in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsmaschinen mit Wiederaufwärmung der teilexpandierten Luft zwischen den einzelnen Arbeitsmaschinen in einem Wärmespeicher läßt sich dieses Problem verringern, aber nicht ganz beheben. The adiabatic heat storage device according to the prior art must therefore, in order to absorb the heat generated during the compression of the air during loading of the compressed air reservoir and to be able to release it again with high efficiency, for high temperatures greater than 400 ° C, preferably greater than 500 ° C. or even greater than 600 ° C be designed. This necessary temperature tolerance is a consequence of the (quasi) adiabatic compression of the air resulting heat, which depends on the final pressure to which the air is to be compressed. The work machine / turbine must be designed for these temperatures. These high temperatures in combination with high pressures, both in the heat storage, as well as in the work machine, require expensive materials, which still have disadvantages compared to low-temperature materials. By a multi-stage leadership of the expansion process in several successive work machines with reheating the parts-expanded air between the machines in a heat storage can reduce this problem, but not completely resolve.
Um die beschriebenen Probleme zu umgehen werden daher im Stand der Technik isotherme bzw. quasiisotherme Druckluftspeicherkraftwerke beschrieben. In der
Diese Druckluftwasserkraftwerke nach Stand der Technik benötigen große Volumina für Druckluft und arbeitsverrichtendes Wasser. Das liegt daran, daß die Druckluft beim Expandieren an Volumen zunimmt, bei einem isothermen Expandieren von 60 auf z.B. 2 bar um den Faktor 30! Der wasserenthaltende Raum muß somit noch größer sein als das Speichervolumen der Druckluft. Dies führt nicht nur zu höheren Herstellungskosten dieses Hohlraumes aufgrund der Größe, sondern auch zu Stabilitätsproblemen, da der Hohlraum mindestens anfangs unter dem gleichen hohen Druck wie das Arbeitsgas steht und die Wandung zudem abwechselnd der Wirkung des Wassers und der Luft ausgesetzt ist. These prior art compressed air hydro power plants require large volumes of compressed air and working water. This is because the compressed air increases in volume as it expands, with an isothermal expansion of 60 to e.g. 2 bar by a factor of 30! The water-containing space must therefore be greater than the storage volume of the compressed air. This not only leads to higher manufacturing costs of this cavity due to the size, but also to stability problems, since the cavity is at least initially under the same high pressure as the working gas and the wall is also exposed alternately to the action of water and air.
Die Regelung solcher Druckluftkraftwerke ist zudem steuerungstechnisch aufwendig, da der Druck des Gases mit der Zeit abnimmt und die Turbine sich an den abnehmenden Druck anpassen muß, um ihren Wirkungsgrad hinreichend hoch zu halten, gleichzeitig aber die Durchströmungsmenge ebenfalls geändert werden muß, um die im Elektrizitätsnetz geforderten schwankenden Leistungsanforderungen bedienen zu können. In der
Aufgabe der Erfindung Object of the invention
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckgasspeicherkraftwerk, speziell Druckluftspeicherkraftwerk, anzugeben, das im Regelbetrieb quasiisotherm arbeitet. Das Druckgasspeicherkraftwerk soll aber auch unempfindlich darauf reagieren, ob es quasiisotherm (Regelbetrieb) oder zeitweise (hohe Leistungsanforderung) mit hohem adiabatischem Anteil betrieben wird. The object of the invention is to provide a compressed gas storage power plant, especially compressed air storage power plant, which operates quasiisothermally in normal operation. The compressed gas storage power plant should also react insensitive to whether it is operated quasi-isothermally (regular operation) or temporarily (high power requirement) with a high adiabatic proportion.
Darstellung der Erfindung Presentation of the invention
Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Das Druckgasspeicherkraftwerk wird dadurch zu einem Druckgasflüssigkeitskraftwerk. Die Erfindung geht hierbei von einem isothermen bzw. angenähert isothermen Verfahren der Expansion von Druckluft aus, denn die Theorie besagt, daß es vorteilhaft wäre, ein Druckluftspeicherkraftwerk, oder allgemeiner Druckgasspeicherkraftwerk, annähernd isotherm zu betreiben. Im folgenden wird mit isotherm immer angenähert isotherm bzw. quasiiotherm gemeint, da ein ideal isothermes Verhalten nur theoretisch existiert und in der Praxis wegen der Endlichkeit der Zeit nicht realisiert werden kann. Man kann diese Zeiten etwas abkürzen, indem man es zu keinem vollständigen Temperaturausgleich kommen läßt, sondern einen deutlichen Resttemperaturgradienten 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 ein Feststoff 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 meistens länger Zeit lassen kann, muß beim Entladen des Speichers bedarfsweise sehr schnell Wärme übertragen werden, um Energieanforderungen des Stromnetzes kurzfristig bedienen zu können! Im folgenden wird der Einfachheit halber zur Abschätzung der Effekte stets vom Verhalten eines idealen Gases ausgegangen, da die Berechnungen realer Gase extrem kompliziert sind. Die dadurch entstehenden Abweichungen sind aber bei Gasen wie Luft noch nicht allzu groß. (Anders sieht das z.B. bei Kohlendioxid oder Erdgas aus.) Am Prinzip der Erfindung ändert aber auch die Verwendung solcher realer Gase nichts (selbst wenn kondensierte Phasen auftreten) auch wenn die Berechnung komplizierter wird! The object is solved by the features specified in the characterizing part of
Weiterhin wird im folgenden oft allgemein von Gas oder Flüssigkeit gesprochen. Erfindungsgemäß ist aber die Verwendung von Luft und Wasser oder wässrigen Lösungen (z.B. Salzwasser) bevorzugt. Furthermore, in the following is often spoken of gas or liquid. However, according to the invention, the use of air and water or aqueous solutions (e.g., salt water) is preferred.
Die maximale Volumenarbeit, die ein (ideales) Gas bei isothermer Expansion von einem Volumen V1 auf ein Volumen V2 verrichtet, beträgt:
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. Die quasiisotherme Expansion des Gases ist der Kompromiß zwischen dem theoretisch Möglichen und dem praktisch sinnvoll Machbaren. Als besonders günstig hat sich erfindungsgemäß erwiesen, wenn Gas, dessen Druck sich durch Expansion auf die Hälfte verringert, seine Temperatur nur um weniger als die Hälfte, vorzugsweise weniger als ein Fünftel des Betrages, noch bevorzugter um weniger als ein Zehntel des Betrages verändert, um den sich diese Temperatur bei einer adiabatischen Expansion vermindert hätte! (Man könnte näherungsweise sagen, der isotherme Anteil an der Expansion soll größer als 50%, vorzugsweise größer als 80%, noch bevorzugter größer als 90%, sein.) Für ein ideales Gas gilt gemäß Poisson für die Temperatur nach einer adiabatischen Expansion (oder Kompression) und speziell für Luft mit κ = 1,4: The invention achieves energy-efficient energy storage in a compressed gas by quasi-isothermal expansion of the gas. Preferably, the gas is also quasiisothermally compressed to load the memory. The quasi-isothermal expansion of the gas is the compromise between the theoretically possible and the practically meaningful. It has proven to be particularly favorable according to the invention, when gas whose pressure is reduced by half expansion, its temperature only by less than half, preferably less than one-fifth of the amount, more preferably by less than one-tenth of the amount changed, by which this temperature would have decreased with an adiabatic expansion! (It might be approximated that the isothermal rate of expansion should be greater than 50%, preferably greater than 80%, more preferably greater than 90%.) For an ideal gas, according to Poisson, for the temperature after adiabatic expansion (or Compression) and especially for air with κ = 1.4:
Erfindungsgemäß soll daher als Definition der Quasiisothermie allgemein, bzw. speziell für den Fall Luft, gelten: vorzugsweise: noch bevorzugter: According to the invention, therefore, the definition of quasi-isothermia in general, or in particular for the case of air, should be: preferably: even more preferred:
Für eine Temperatur T1 von 20 °C (293 K) soll also für den (bevorzugten) Spezialfall der Luft die Temperaturänderung bei einer Halbierung des Druckes erfindungsgemäß so gesteuert werden, daß sie kleiner ist als 26,3°C, vorzugsweise kleiner als 10,5 °C, noch bevorzugter kleiner als 5,3 °C (anstatt wie bei einer rein adiabatischen Expansion 52,7 °C). Auf diese Weise gelingt es, einen für wirtschaftliche Zwecke hinreichend hohen Wirkungsgrad bei der Gasexpansion zu erzielen. Auch wenn es natürlich theoretisch gesehen günstig ist, die Isothermie so perfekt wie möglich anzustreben, so ist es erfindungsgemäß doch noch ausreichend, sich im oben erwähnten Bereich der Temperaturänderung des Gases bei einer Halbierung des Gasdruckes zu bewegen! Dies macht die Steuerung des Betriebes des Kraftwerkes einfach! In ganz besonders bevorzugter Ausführung soll auch am Ende des ganzen Expansionsprozesses keine Temperaturänderung im expandierenden Druckgas stattgefunden haben, die größer ist als 20°C. Die hier definierte Quasiisothermie umfaßt sowohl eine geringfügige Hypothermie (Gas ist nach der Expansion etwas kälter), als auch eine Hyperthermie (Gas ist nach der Expansion noch etwas wärmer), denn sie ist durch die Veränderung um den Betrag der Temperaturdifferenz definiert und nicht durch die Verminderung der Temperatur! Als geringfügige Hypothermie wird hier der häufigste Anwendungsfall der Erfindung bezeichnet, wenn nämlich das Gas unter Kontakt mit einer Flüssigkeit expandiert, die anfangs gleiche oder etwas geringere Temperatur aufweist als das Gas, so daß das Gas nachher etwas abgekühlt ist. Als geringfügige Hyperthermie wird hier der Fall bezeichnet, wenn das Gas unter Kontakt mit einer Flüssigkeit expandiert, die anfangs eine höhere Temperatur als das Gas aufweist. Dies kann z.B. auftreten, wenn die temperierende Flüssigkeit z.B. durch Abwärme (z.B. aus den Kompressionsmaschinen oder/und anderen Abwärmequellen) über ihre Ursprungstemperatur und über die anfängliche Druckgastemperatur aufgewärmt wurde, oder die temperierende Flüssigkeit sogar elektrisch mittels im Überschuß produzierter elektrischer Energie (z.B. aus regenerativen Energiequellen) auf diese erhöhte Temperatur aufgeheizt wurde. Die Flüssigkeit, die eigentlich dem Temperieren des Gases während der Expansion dient, stellt dann gleichzeitig einen sehr großen Energiespeicher für Überschußenergie in Überschußproduktionszeiten dar! Aber selbst, wenn die zum Temperieren des expandierenden Gases eingesetzte Flüssigkeit zu Beginn der Expansion eine etwas höhere Temperatur aufweist, als das Gas, kann der Prozeß natürlich auch so geführt werden, daß die Temperatur des Gesamtsystems Gas/Flüssigkeit nach der Expansion etwas unter der Anfangstemperatur des Gases liegt. Der Prozeß verläuft in so einem Falle dann zuerst hypertherm, dann hypotherm. Sowohl bei hyperthermischer Prozeßführung als auch bei hypothermischer Prozeßführung enthält der Gesamtprozeß eine kleine adiabatische Komponente, die aber erfindungsgemäß weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 20%, noch bevorzugter weniger als 10% zur Energieerzeugung beitragen soll! For a temperature T 1 of 20 ° C (293 K), therefore, for the (preferred) special case of the air, the temperature change with a halving of the pressure should be controlled so that it is less than 26.3 ° C, preferably less than 10 , 5 ° C, more preferably less than 5.3 ° C (instead of 52.7 ° C as in a purely adiabatic expansion). In this way, it is possible to achieve a sufficiently high efficiency in gas expansion for economic purposes. Although it is of course theoretically favorable to aim for isothermism as perfectly as possible, it is still sufficient according to the invention to move in the above-mentioned range of the temperature change of the gas at a halving of the gas pressure! This makes the control of the operation of the power plant easy! In a particularly preferred embodiment, even at the end of the entire expansion process no change in temperature in the expanding compressed gas should have taken place, which is greater than 20 ° C. The quasi-isothermia defined here includes both a slight hypothermia (gas is slightly colder after expansion), and hyperthermia (gas is slightly warmer after expansion), because it is defined by the change by the amount of temperature difference and not by the Reduction of temperature! As a slight hypothermia here the most common application of the invention is referred to, namely, when the gas expands under contact with a liquid which initially has the same or slightly lower temperature than the gas, so that the gas is subsequently cooled slightly. Poor hyperthermia is the case here when the gas expands under contact with a liquid which initially has a higher temperature than the gas. This can occur, for example, if the tempering liquid was heated, for example by waste heat (eg from the compression machines and / or other waste heat sources) above its original temperature and the initial pressure gas temperature, or the tempering liquid even electrically by means of excess electrical energy produced (eg regenerative Energy sources) was heated to this elevated temperature. The liquid, which actually serves to temper the gas during expansion, then simultaneously represents a very large energy store for excess energy in excess production times! But even if the liquid used for tempering the expanding gas at the beginning of the expansion has a slightly higher temperature than the gas, of course, the process can also be performed so that the temperature of the entire gas / liquid system after expansion slightly below the initial temperature of the gas. In such a case, the process is then hyperthermic, then hypothermic. Both in hyperthermic process control and in hypothermic process control, the overall process contains a small adiabatic component, but according to the invention should contribute less than 50%, preferably less than 20%, more preferably less than 10% to energy production!
Das Grundprinzip der Erfindung sieht folgende Merkmale vor:
- a.) Ein Druckgas wird als als mechanischer Energiespeicher ähnlich einer mechanischen Feder eingesetzt.
- b.) Zur Energiegewinnung aus dem Druckgas wird eine in einem druckstabilen Expansionsraum mit starren Wänden befindliche Flüssigkeit durch in diesem Expansionsraum befindliches und dort expandierendes Druckgas in Bewegung versetzt und aus diesem verdrängt.
- c.) Die Expansion des Druckgases im Expansionsraum wird so gesteuert, daß sie in dem Maße quasiisotherm verläuft, daß bei einer Druckhalbierung nur eine Temperaturänderung des Gases auftritt, die weniger als die Hälfte, vorzugsweise weniger als ein Fünftel, noch bevorzugter weniger als ein Zehntel derer beträgt, die bei einer volladiabatischen Expansion aufträte.
- d.) Die Quasiisothermie wird dadurch erreicht, daß im Inneren (!) des Expansionsraumes mindestens ein Teil der reinen Flüssigkeit oder ein Teil der Flüssigkeit, in der noch mindestens ein anderer Stoff gelöst ist, auch zum Temperieren des Druckgases während (!) der Expansion verwendet wird oder zum Wiederaufwärmen eines im Expansionsraum befindlichen Feststoffes dient, der zur Temperierung des im Expansionsraum expandierenden Druckgases während (!) dessen Expansion verwendet wird und hierzu die Eigenschaft eines temporären Kurzzeitwärmespeichers und Wärmetauschers aufweist.
- e.) Die Verdrängung der Flüssigkeit durch das expandierende Gas aus dem Expansionsraum heraus erfolgt über eine Öffnung im Mantel des Expansionsraumes hindurch über eine Zuleitung in mindestens eine außerhalb des Expansionsraumes befindliche Arbeitsmaschine für Flüssigkeiten (z.B. Wasserturbine) hinein. Die durch die Arbeitsmaschine strömende Flüssigkeit erzeugt dort mechanische Arbeit. Die mechanische Arbeit der Arbeitsmaschine wird dabei vorzugsweise mittels eines Generators weiter in elektrische Energie umgewandelt, sie kann aber auch direkt verwendet werden.
- f.) Es tritt also kein Gas als Gasphase in die Arbeitsmaschine ein! Lediglich durch in der Flüssigkeit gelöstes Gas oder durch Verwirbelung von Gasblasen treten eventuell geringfügige Gasmengen in die Arbeitsmaschine ein.
- a.) A compressed gas is used as a mechanical energy storage similar to a mechanical spring.
- b.) To generate energy from the pressurized gas, a liquid located in a pressure-stable expansion chamber with rigid walls is set in motion by displaced gas in this expansion space and expanding there, and displaced therefrom.
- c.) The expansion of the pressurized gas in the expansion space is controlled to be quasi-isothermal to the extent that at half pressure only a temperature change of the gas occurs which is less than one half, preferably less than one fifth, more preferably less than one tenth which occurs in a fully adiabatic expansion.
- d.) The Quasiisothermie is achieved by the fact that in the interior (!) Of the expansion space at least a portion of the pure liquid or a portion of the liquid in which at least one other substance is dissolved, also for tempering the compressed gas during (!) Expansion is used or used for reheating a solid located in the expansion space, which is used to control the temperature of the expanding expansion gas in the expansion space during expansion (!) and this has the property of a temporary short-term heat storage and heat exchanger.
- e.) The displacement of the liquid by the expanding gas from the expansion space takes place via an opening in the shell of the expansion space through a feed line into at least one outside of the expansion space located working machine for liquids (eg water turbine) into it. The liquid flowing through the working machine generates mechanical work there. The mechanical work of the work machine is preferably further converted by means of a generator into electrical energy, but it can also be used directly.
- f.) Thus, no gas enters the working machine as a gas phase! Only by dissolved in the liquid gas or by turbulence of gas bubbles may occur small amounts of gas in the machine.
Die Erfindung ist gemäß mehrerer Varianten ausführbar: The invention can be carried out according to several variants:
Variante A: Option A:
Das Druckgas tritt über eine Zuleitung chargenweise aus einem externen Druckgasspeicher in einen als Expansionsraum dienenden Druckbehälter ein, der wenigstens zum größten Teil mit Flüssigkeit gefüllt ist. Der Expansionsraum ist der Arbeitsraum, in dem die im Druckgas gespeicherte mechanische Energie quasiisotherm freigesetzt wird. The compressed gas enters via a supply line in batches from an external compressed gas storage in serving as an expansion space pressure vessel, which is filled at least for the most part with liquid. The expansion space is the working space in which the mechanical energy stored in the compressed gas is released quasi-isothermally.
Als Expansionsraum wird der Raum zwischen Einfüllöffnung(en) und Flüssigkeitsaustrittsöffnung verstanden, der mit Fluid füllbar ist und in dem das Gas expandiert. Der Expansionsraum kann also auch ein Hohlraum sein, in dem sich noch zusätzlich Körper mit geschlossener fester Oberfläche befinden (z.B. Gesteinschüttung, unten offene Rohre oder flüssigkeitsgefüllte Gefäße). Jede Druckgascharge wird für sich expandiert. Die Expansion des Druckgases im Druckgasspeicher erfolgt also in aufeinanderfolgenden Zyklen im Expansionsraum, so daß also eine neue Druckgascharge erst wieder dem Expansionsraum zugeführt wird, wenn der vorhergehende Expansionszyklus/Arbeitszyklus des Gases vollendet ist. Der mit Flüssigkeit immer wieder befüllte Expansionsraum arbeitet also wie der Zylinder eines Motors, kann aber anders als dieser wesentlich beliebiger geformt sein, da der sich in der Höhe über der Austrittsöffnung ändernde Flüssigkeitsspiegel einem sich selbst (!) gegen die Wandung abdichtenden Kolben entspricht! The expansion space is understood to mean the space between the filling opening (s) and the liquid outlet opening, which can be filled with fluid and in which the gas expands. The expansion space may thus also be a cavity in which there are additionally solids with a closed, solid surface (for example, bedrock, pipes open at the bottom, or vessels filled with liquid). Each print batch is expanded on its own. The expansion of the compressed gas in the compressed gas storage thus takes place in successive cycles in the expansion space, so that a new compressed gas charge is only returned to the expansion space when the previous expansion cycle / duty cycle of the gas is completed. The expansion space filled with liquid again works like the cylinder of a motor, but unlike this one can be shaped much more arbitrarily, since the liquid level changing in height above the outlet opening corresponds to a piston sealing itself (!) Against the wall!
Variante B: Variant B:
Das gesamte Druckgas befindet sich während eines Expansionszyklus und Kompressionszyklus schon innerhalb des Expansionsraumes. Der Expansionsraum ist also gleich dem Druckgasspeicher. Die folgenden Untervarianten a.) und b.) sind möglich:
- a.) Das Druckgas ist durch eine stabile, gut wärmeleitende, aber verformbare Schicht von der das expandierende Gas temperierenden Flüssigkeit getrennt. Das Gas befindet sich somit in vielen kleineren Behältern mit verformbarer Wandung ähnlich Ballons, die von Flüssigkeit umgeben sind. Auf diese Weise weist das Druckgas eine große relative Oberfläche zur Flüssigkeit auf. Außer dem Gas können die kleinen geschlossenen Gasbehälter auch noch andere Stoffe enthalten, z.B. Flüssigkeiten oder Feststoffe.
- b.) Das Druckgas befindet sich in langgestreckten, senkrechten oder geneigten, unten offenen Behältern, die auch eine starre Wand aufweisen können. Das Druckgas füllt dabei nur einen Bruchteil des Volumens im obersten Bereich dieser Behälter aus und zwar nur so wenig davon, daß es nach vollständiger Expansion noch nicht unten aus dem Behälter austritt, sondern dort nur Flüssigkeit hinausdrängt, die zuvor darin war.
- a.) The compressed gas is separated by a stable, good heat-conducting, but deformable layer of the expanding gas-tempering liquid. The gas is thus in many smaller containers with deformable wall similar to balloons, which are surrounded by liquid. In this way, the compressed gas has a large relative surface area to the liquid. In addition to the gas, the small closed gas containers may also contain other substances, such as liquids or solids.
- b.) The compressed gas is in elongated, vertical or inclined, open-bottomed containers, which may also have a rigid wall. The compressed gas fills out only a fraction of the volume in the uppermost region of these containers and indeed only so little that it does not exit the bottom of the container after complete expansion, but there pushes out only liquid that was previously in it.
Die kleinen Gasbehälter gemäß Untervarianten a.) oder b.), die im folgenden als Kleingasbehälter bezeichnet werden, befinden sich in einem als Expansionsraum dienenden Druckbehälter, dessen Restvolumen wenigstens großteils, bevorzugt vollständig, mit Flüssigkeit gefüllt ist. Der Expansionsraum ist der Arbeitsraum, in dem die im Druckgas gespeicherte Energie quasiisotherm freigesetzt wird. The small gas containers according to sub-variants a.) Or b.), Which are referred to below as small-scale gas tanks, are located in a pressure vessel serving as an expansion space, the residual volume of which is at least mostly, preferably completely, filled with liquid. The expansion space is the working space in which the stored energy in the compressed gas is released quasiisothermic.
Die Kleingasbehälter sind vorzugsweise relativ zum Druckbehälter fixiert, jeder Kleingasbehälter bleibt also während einer Gasexpansion an seinem Platz. Kleingasbehälter der Untervariante a.) können aber auch frei im Expansionsraum schwimmen. Der Expansionsraum weist mindestens eine Öffnung auf, durch die die Flüssigkeit bei Expansion des Gases in den Kleingasbehältern aus dem Expansionsraum entweichen und in eine Arbeitsmaschine für Flüssigkeiten (z.B. eine Wasserturbine) eintreten kann. Die trennende Schicht zwischen Druckgas und Flüssigkeit ist vorzugsweise dünn. In einer einfachen Ausführung ist das Druckgas z.B. in dehnbaren Elastomerballons gespeichert. Eine andere Ausführung sieht vor, nichtdehnbare Ballons zu verwenden, die bei hohem Innendruck im Expansionsraum Falten aufweisen oder schlaff sind, und bei Gasexpansion praller werden (ähnlich wie sogenannte Stratosphärenballons, in denen sich mit zunehmender Höhe über dem Erdboden und dabei fallendem Luftdruck das Trägergas immer mehr ausdehnen kann). Als Ballonhülle eignen sich dünne, dehnungsfeste Folien, vor allem bidirektional gestreckte Folien, wie beispielsweise Mylar. Aufgrund des Dichteunterschiedes zwischen Flüssigkeit und Gas sammelt sich das Gas stets im oberen Teil des Kleingasbehälters, bis dieser Bereich völlig gefüllt ist. Erst dann füllt sich der Kleingasbehälter weiter nach unten hin mit dem expandierenden Gas. Da das Gas in den Kleingasbehältern bleibt, muß das gesamte Druckgas außen von einem Druckbehälter als Expansionsraum umgeben sein. Damit dieser Druckbehälter nicht zu groß wird, können mehrere oder viele solcher Druckbehälter als expansionsräume vorgesehen werden, von denen jeder einen Teil des gesamten Druckgases in Kleingasbehältern enthält, in denen das Gas sein Volumen mit dem Druck ändern kann. Jeder der Expansionsräume weist eine Verbindungsleitung zu einer Arbeitsmaschine auf, durch die als Folge der Gasexpansion in den Kleingasbehältern die Flüssigkeit aus den Expansionsräumen austritt. Jeder der Expansionsräume kann eine eigene Arbeitsmaschine aufweisen, oder eine Arbeitsmaschine kann mehreren Expansionsräumen zugeordnet sein und sukzessiv oder gleichzeitig von diesen mit Flüssigkeit durchströmt werden. Dabei muß darauf geachtet werden, daß nur solche Expansionsräume gleichzeitig mit der Arbeitsmaschine in Verbindung stehen, wenn der Druck in den Expansionsräumen gleich ist, denn sonst kann Flüssigkeit vom einen Expansionsraum zurück in einen anderen fließen, und selbst wenn man dies durch Ventile verhindert, sinkt der Wirkungsgrad der Umwandlung von Druckgasenergie in mechanische Arbeit. Jeder Expansionsraum kann auch Verbindung zu mehreren Arbeitsmaschinen haben, die für bestimmte Druckbereiche optimale Wirkungsgrade für die Umwandlung von Flüssigkeitsdruck in mechanische Energie aufweisen. Diese Arbeitsmaschinen werden dann mit fallendem Druck im Expansionsraum nacheinander entsprechend ihrem optimalen Arbeitsbereich von der Flüssigkeit aus dem Expansionsraum durchströmt. The small gas containers are preferably fixed relative to the pressure vessel, so each small gas tank remains so during a gas expansion in place. Small gas tanks of sub-variant a.) Can also float freely in the expansion space. The expansion space has at least one opening through which, upon expansion of the gas in the small gas tanks, the liquid can escape from the expansion space and enter a fluid machine (e.g., a water turbine). The separating layer between compressed gas and liquid is preferably thin. In a simple embodiment, the pressurized gas is e.g. stored in stretchy elastomeric balloons. Another embodiment envisages using non-expandable balloons which are wrinkled or flaccid at high internal pressure in the expansion space and become more pliable upon gas expansion (similar to so-called stratospheric balloons in which the carrier gas always increases with increasing altitude above the ground and with decreasing air pressure can stretch more). As a balloon envelope are thin, stretch-resistant films, especially bidirectionally stretched films, such as Mylar. Due to the density difference between liquid and gas, the gas always collects in the upper part of the small gas tank until this area is completely filled. Only then does the small gas tank continue to fill down with the expanding gas. Since the gas remains in the small gas tanks, the entire pressure gas must be outside surrounded by a pressure vessel as an expansion space. To prevent this pressure vessel from becoming too large, several or many such pressure vessels may be provided as expansion spaces, each of which contains a portion of the total compressed gas in small gas tanks in which the gas can change its volume with pressure. Each of the expansion spaces has a connection line to a work machine through which the liquid exits the expansion spaces as a result of gas expansion in the small gas tanks. Each of the expansion spaces can have its own work machine, or a work machine can be assigned to a plurality of expansion spaces and be successively or simultaneously flowed through by them with liquid. It must be ensured that only such expansion spaces are simultaneously connected to the working machine when the pressure in the expansion chambers is the same, otherwise fluid can flow from one expansion space back to another, and even if this is prevented by valves, sinks the efficiency of the conversion of compressed gas energy into mechanical work. Each expansion space can also be linked to several work machines that have optimum efficiencies for the conversion of fluid pressure into mechanical energy for certain pressure ranges. These machines are then flowed through with decreasing pressure in the expansion space successively according to their optimal working range of the liquid from the expansion space.
Die Varianten A und B können auch gleichzeitig in einem Expansionsraum vorkommen. The variants A and B can also occur simultaneously in an expansion space.
Sowohl Variante A als auch Variante B zeichnen sich dadurch aus, daß die Flüssigkeit, die durch das expandierende Gas durch die Arbeitsmaschine getrieben wird, eine fast konstante Temperatur aufweist, die weit genug vom Gefrierpunkt entfernt ist, so daß keine Gefahr der Vereisung der Arbeitsmaschine besteht. Dies gilt auch im Falle eines aus der Regel fallenden Betriebes im nicht quasiisothermen Bereich, während dessen die Temperatur des Gases unter die Gefriertemperatur der Flüssigkeit absinken kann. Diejenigen Teile der Flüssigkeit, die mit dem erkalteten Gas in Kontakt kommen, haben aber keinen unmittelbaren Zugang zur Arbeitsmaschine ohne vorher durch andere Flüssigkeitsanteile erwärmt worden zu sein! Das erfindungsgemäße Kraftwerk ist, anders als bekannte Kraftwerke, in seinem Betrieb extrem redundant, kann also unter sehr variablen Bedingungen völlig störungsfrei betrieben werden! Es ist sehr tolerant gegenüber plötzlichen Änderungen der Betriebsbedingungen! Both variant A and variant B are characterized in that the liquid which is driven by the expanding gas through the working machine, has an almost constant temperature, which is far enough from the freezing point, so that there is no risk of icing of the working machine , This also applies in the case of a normally falling operation in the non-quasi-isothermal region, during which the temperature of the gas can drop below the freezing temperature of the liquid. However, those parts of the liquid which come into contact with the cooled gas have no direct access to the working machine without being previously heated by other liquid parts! The power plant according to the invention is, unlike known power plants, extremely redundant in its operation, so it can be operated completely trouble-free under very variable conditions! It is very tolerant to sudden changes in operating conditions!
Im Regelbetrieb läuft das Kraftwerk aber wie definiert quasiisotherm! Sowohl bei Variante A als auch bei Variante B sollen hierfür die relativen Oberflächen von Flüssigkeit und Gas, ohne oder mit Trennschicht dazwischen, groß sein um eine schnelle Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeit und Gas zu ermöglichen! Bei Variante A haben das expandierende Druckgas und die temperierende Flüssigkeit bzw. der temperierende Festkörper (Kurzzeitwärmespeicher) bei direktem Kontakt eine hinreichend große relative Oberfläche gemein. Bei Variante B befindet sich mindestens teilweise eine wärmeleitende Trennschicht dazwischen. Mit hinreichend großer relativer Oberfläche ist gemeint, daß die Kontaktfläche zwischen temperierender Flüssigkeit und expandierendem Gas so groß ist, daß der Vorgang im vorgegebenen Zeitfenster quasiisotherm gemäß der zuvor gegebenen Definition abläuft, eine geringfügige Hypothermie oder Hyperthermie ist also möglich. Weiterhin wird vorzugsweise darauf eingewirkt, daß wärmeisolierende ruhende Gasschichten zwischen expandierendem Druckgas und temperierender Flüssigkeit zerstört werden. Dies geschieht durch ausreichende relative Bewegung von Gas und Flüssigkeit zueinander. In normal operation, however, the power plant runs as defined quasi-isothermally! For both Variant A and Variant B, the relative surfaces of liquid and gas, with or without a separating layer in between, should be large enough to allow rapid heat transfer between liquid and gas! In variant A, the expanding compressed gas and the tempering liquid or the tempering solid (short-term heat storage) in direct contact have a sufficiently large relative surface in common. In variant B is at least partially a heat-conducting separating layer in between. With a sufficiently large relative surface is meant that the contact area between tempering liquid and expanding gas is so large that the process in the given time window quasiisothermally according to the definition given above, a slight hypothermia or hyperthermia is therefore possible. Furthermore, it is preferably acted upon that thermally insulating stationary gas layers are destroyed between expanding pressurized gas and tempering liquid. This is done by sufficient relative movement of gas and liquid to each other.
Es gibt für Variante A mehrere Möglichkeiten, die Oberfläche hinreichend groß zu halten:
- 1.) Die das expandierende Druckgas temperierende Flüssigkeit (vorzugweise die gleiche, wie die, die auch als aus dem Expansionsraum verdrängte Arbeitsflüssigkeit in der Arbeitsmaschine, z.B. Turbine, dient; es kann aber auch eine andere sein, z.B. eine Salzlösung statt normalem Wasser, wenn normales Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet wird, oder Süßwasser, wenn Meerwasser als Arbeitsflüssigkeit dient) wird in Tropfen- oder Tröpfchenform in das expandierende Druckgas eingebracht, z.B. eingesprüht. Eine ausreichende relative Bewegung von Gas und temperierender Flüssigkeit bzw. temperierendem Flüssigkeitsanteil zueinander ist hierbei meistens gewährleistet. Die temperierende Flüssigkeit, die in Tropfen-/Tröpfchenform eingebracht wird, kann a.) von gleicher Temperatur sein wie die schon im Expansionsraum befindliche Flüssigkeit, die als Arbeitsflüssigkeit dient b.) eine andere Temperatur aufweisen als die im Expansionsraum befindliche Flüssigkeit; insbesondere kann sie eine höhere Temperatur aufweisen, die z.B. von Abwärmeaufnahme oder Überschußenergieeintrag aus regenerativen Energiequellen herrührt.
- 2.) Das expandierende Druckgas wird im unteren Bereich des Expansionsraumes als Gasblasen in die temperierende und als Arbeitsflüssigkeit in der Arbeitsmaschine dienende Flüssigkeit eingebracht, z.B. eingedüst. Es steigen dann Gasblasen in der Flüssigkeit auf. Je kleiner die Gasblasen sind, umso langsamer steigen sie auf. Beim Aufsteigen findet auch schon der Expansionsprozeß statt, wodurch die Gasblasen größer werden und etwas schneller aufsteigen. Dies alles geschieht außerhalb der Arbeitsmaschine im Expansionsraum. In der Arbeitsmaschine selbst findet praktisch keine Gasexpansion mehr statt, da lediglich in der Flüssigkeit gelöstes Gas in die Arbeitsmaschine eintritt und dort in geringem Umfang durch Druckabfall in der Flüssigkeit austreten kann.
- 3.) Die Flüssigkeit wird im Expansionsraum während der Gasexpansion stark bewegt, so daß z.B. Wellen entstehen, wodurch auch das Gas (vor allem direkt darüber) bewegt wird und wärmeisolierende ruhende Gasschichten oder Flüssigkeitsschichten zerstört werden.
- 4.) Das Druckgas wird aus dem Druckgasspeicher chargenweise in hinreichend kleine Behälter innerhalb des Expansionsraumes eingefüllt und expandiert dann darin. Das expandierte Gas wird nach seiner Arbeitsverrichtung in die „Umgebung“ entlassen. Diese Kleingasbehälter können elastisch ausdehnbar sein. Einfacher ist aber eine unten offene Behälterart, z.B. langgestreckte oben geschlossene Rohre: Das Druckgas befindet sich aufgrund seiner geringeren Dichte im Oberteil dieser Rohre und drückt die darunter befindliche Flüssigkeit während der Expansion hinaus. Die Rohrwandung wird dabei durch die das Rohr umgebende Flüssigkeit temperiert und temperiert dann das darin expandierende Gas. Da die Rohre sich vorzugsweise im druckstabilen Expansionsraum befinden, können sie selbst eine dünne Wandung aufweisen, da zwischen Außenseite und Innenseite praktisch kein Druckunterschied besteht. (Befinden sich die Rohre nicht in einem druckstabilen Expansionsraum, so müssen sie selbst druckstabil sein. Die Rohre stellen dann selbst kleine druckstabile Expansionsräume mit Zuleitung zu einer Arbeitsmaschine dar. Dafür braucht dann ein umgebender temperierender Flüssigkeitstank nicht druckstabil zu sein!)
- 1.) The liquid tempering the expanding pressurized gas (preferably the same as that which also serves as working fluid displaced from the expansion space in the working machine, eg turbine, but it may also be another one, eg saline instead of normal water, if normal water is used as the working fluid, or fresh water when seawater serves as the working fluid) is introduced in droplet or droplet form in the expanding compressed gas, eg sprayed. A sufficient relative movement of gas and tempering liquid or tempering liquid portion to each other is usually ensured here. The tempering liquid, which is introduced in droplet / droplet form, can be a.) Of the same temperature as the liquid already in the expansion space, which serves as working liquid b.) Have a different temperature than the liquid located in the expansion space; In particular, it may have a higher temperature, for example due to waste heat absorption or excess energy input from regenerative energy sources.
- 2.) The expanding compressed gas is introduced in the lower region of the expansion space as gas bubbles in the temperature-controlling and serving as working fluid in the working machine liquid, eg injected. Gas bubbles then rise in the liquid. The smaller the gas bubbles are, the slower they rise. When ascending, the expansion process already takes place, causing the gas bubbles to grow larger and rise slightly faster. All this happens outside the work machine in the expansion room. In the work machine itself virtually no gas expansion takes place, since only dissolved in the liquid gas enters the machine and there may leak to a small extent by pressure drop in the liquid.
- 3.) The liquid is strongly moved in the expansion space during gas expansion, so that, for example, waves, whereby the gas (especially directly above it) is moved and thermally insulating stationary gas layers or liquid layers are destroyed.
- 4.) The compressed gas is filled from the compressed gas storage batchwise into sufficiently small containers within the expansion space and then expands therein. The expanded gas is discharged after its work in the "environment". These small gas containers can be elastically expandable. However, a container type which is open at the bottom is simpler, eg elongated tubes closed at the top: Due to its lower density, the compressed gas is located in the top of these tubes and pushes the liquid underneath during the expansion. The tube wall is tempered by the liquid surrounding the tube and then tempered the expanding gas therein. Since the tubes are preferably in the pressure-stable expansion space, they may themselves have a thin wall, since there is virtually no pressure difference between the outside and the inside. (If the pipes are not in a pressure-stable expansion chamber, they must themselves be pressure-stable.) The pipes then themselves form small pressure-stable expansion chambers with supply to a working machine.
Für Variante B sind die gasenthaltenden Kleingasbehälter hinreichend klein oder weisen eine große Oberfläche auf (z.B. dünn und langgestreckt), so daß die Temperierung des expandierenden Gases durch die die Behälter umgebende Flüssigkeit im Druckbehälter gemäß Definition quasiisotherm ist. Behälter dieser Art werden im folgenden als Kleingasbehälter bezeichnet. Diese Kleingasbehälter dürfen außer Gas auch noch andere Stoffe enthalten, z.B. temperierende Flüssigkeit oder Ballaststoffe. For variant B, the gas-containing small gas containers are sufficiently small or have a large surface area (e.g., thin and elongated), so that the temperature of the expanding gas through the liquid surrounding the containers in the pressure vessel is defined as quasi-isothermal. Containers of this type are referred to below as a small gas tank. These small gas tanks may also contain other substances besides gas, e.g. tempering fluid or fiber.
Das gewählte Verfahren ist davon abhängig, wie viel Zeit für die Temperierung des Gases zur Verfügung steht! Große Expansionsräume bzw. Druckbehälter mit sehr vielen Kleingasbehältern darin erlauben z.B. bei geringerer Expansionsleistung pro Volumen größere Tropfen bzw. Gasblasen oder Kleingasbehälter. Die notwendige Größe der Tropfen bzw. Gasblasen oder Kleingasbehälter läßt sich mit den bekannten Gleichungen zur Wärmeübertragung abschätzen, wenn auch nicht genau ausrechnen. Genauere Anpassungen erfolgen durch einige wenige zusätzliche Versuche. The chosen method depends on how much time is available for the temperature control of the gas! Large expansion chambers or pressure vessels with a large number of small gas tanks in it allow e.g. at lower expansion capacity per volume larger drops or gas bubbles or small gas tank. The necessary size of the droplets or gas bubbles or small gas containers can be estimated with the known equations for heat transfer, although not accurate. More precise adjustments are made by a few additional attempts.
Die Erfindung gemäß Varianten A und B kann
- a.) mit einem begrenzten Flüssigkeitsvolumen durchgeführt werden, das mindestens so groß ist wie das Volumen des Expansionsraumes und von dem für jeden neuen Arbeitszyklus wenigstens ein Teil erneut in den Expansionsraum eingebracht wird, eventuell nach einer vorherigen Erwärmung, z.B. mittels Verlustwärme aus Betriebsprozessen oder auch durch Überschußenergie aus regenerativen Energien. Die Flüssigkeit wird dann in einem geschlossenen Kreislauf geführt.
- b.) mit einem „unbegrenzten“ Flüssigkeitsvolumen durchgeführt werden. Es tritt dann also bei jedem Zyklus neue Flüssigkeit in den Expansionsraum ein. Dies ist dann möglich, wenn die Flüssigkeit Wasser ist, z.B. aus einem Fluß, See oder Meer. Es kann natürlich auch neues Wasser mit schon verwendetem Wasser gemischt im Expansionsraum zur Gastemperierung eingesetzt werden.
- a.) are carried out with a limited volume of liquid which is at least as large as the volume of the expansion space and of which at least a part is introduced again for each new working cycle in the expansion space, possibly after a previous heating, for example by means of heat loss from operating processes or by excess energy from regenerative energies. The liquid is then passed in a closed circuit.
- b.) with an "unlimited" volume of liquid. Thus, new fluid enters the expansion space every cycle. This is possible if the liquid is water, eg from a river, lake or sea. Of course, new water mixed with already used water can be used in the expansion chamber for the gas tempering.
Ein Expansionsraum gemäß Variante A weist folgende Merkmale auf:
- 1.) Der Expansionsraum weist mindestens eine Verbindung zum Druckgasspeicher (oder auch, falls vorhanden, mehreren Druckgasspeichern) auf, die mit einem Ventil geöffnet und verschlossen werden kann. (Als Ventile werden in der gesamten Anmeldung allgemeine Bauteile bezeichnet, die eine Regelung des Durchflusses von Fluiden gestatten, und zwar kontinuierlich oder diskontinuierlich (z.B. offen/geschlossen). Der Begriff Ventil umfaßt also in dieser Anmeldung z.B. auch Bauteile wie Absperrklappen oder Absperrschieber).)
- 2.) Er weist auch (mindestens) eine Öffnung mit Ventil auf, durch die expandiertes bzw. teilexpandiertes Gas den Arbeitsraum ins Freie oder ein druckniedriges Großreservoir („die Umgebung“) verläßt.
- 3.) Er weist mindestens eine Austrittsöffnung auf, durch die die Flüssigkeit aus dem Expansionsraum in die Arbeitsmaschine eintritt. Zwischen Austrittsöffnung und Arbeitsmaschine befindet sich ebenfalls ein Ventil, das geöffnet und geschlossen werden kann, bevorzugt graduell, zur Leistungssteuerung der Arbeitsmaschine. Bevorzugt ist die Arbeitsmaschine oberhalb des Niveaus des Bodens des Expansionsraumes angeordnet und ist mit diesem über ein Steigrohr mit großem Innendurchmesser (daraus folgt eine geringe Strömungsgeschwindigkeit darin) verbunden, das verhindert, daß Gesteinsstücke oder schwerer Grobschmutz in die Arbeitsmaschine geraten. Oder es befindet sich zwischen Expansionsraum und Arbeitsmaschine eine Zuleitung, die mindestens ein solches Steigrohr enthält. Hinter dem Steigrohr darf es dann auch wieder abwärts gehen.
- 1.) The expansion chamber has at least one connection to the compressed gas storage (or, if present, several compressed gas storage), which can be opened and closed with a valve. (As valves throughout the application general components are referred to, which allow a control of the flow of fluids, either continuously or discontinuously (eg open / closed) The term valve thus includes in this application, for example, components such as butterfly valves or gate valve). )
- 2.) It also has (at least) an opening with valve through which expanded or partially expanded gas leaves the working space to the outside or a low-pressure large reservoir ("the environment").
- 3.) It has at least one outlet opening through which the liquid from the expansion space enters the working machine. Between the outlet opening and working machine is also a valve that can be opened and closed, preferably gradually, for power control of the machine. Preferably, the work machine is disposed above the level of the bottom of the expansion space and connected thereto by a riser pipe having a large inner diameter (resulting in a low flow velocity therein) which prevents rock pieces or heavy coarse dirt from entering the work machine. Or it is located between expansion space and work machine a supply line containing at least one such riser. Behind the riser, it may then go down again.
Das Arbeitsverfahren des erfindungsgemäßen Kraftwerkes gemäß Variante A stellt sich folgendermaßen dar:
Das erfindungsgemäße Druckgasflüssigkeitskraftwerk arbeitet wie ein quasiisothermer Druckluftmotor mit selbstabdichtendem Kolben:
Der Expansionsraum ist zu Beginn eines Arbeitstaktes großteils (a.)) oder ganz (b.)) mit Flüssigkeit gefüllt.
- a.) In den verbliebenen Gasraum wird nun Druckgas mit dem im Druckgasspeicher herrschenden Druck eingeleitet. Das Ventil hinter der Austrittsöffnung aus dem Expansionsraum ist dabei vorzugsweise zur Arbeitsmaschine hin ganz oder teilweise geschlossen, so daß sich ein Druck oberhalb der Flüssigkeit aufbaut, der dem Druck im Druckgasspeicher entspricht.
- b.) Ist der Expansionsraum ganz mit Flüssigkeit gefüllt (die bevorzugte Ausführung), ist das Ventil hinter der Austrittsöffnung zur Arbeitsmaschine hin mindestens teilweise geöffnet und das Druckgas schiebt einen Teil der Flüssigkeit durch die Austrittsöffnung in die Arbeitsmaschine, wo die mechanische Energie der Flüssigkeit in eine andere mechanische Bewegung umgewandelt wird. Dies geschieht praktisch isotherm, da der Druckabfall des Druckgases beim Einleiten nur minimal ist, weil der Druckgasspeicher deutlich größer ist als das nun abgezweigte Teilvolumen für den Arbeitszyklus.
The pressurized gas liquid power plant according to the invention works like a quasi-isothermal compressed air motor with a self-sealing piston:
The expansion space is at the beginning of a power stroke largely (a.)) Or completely (b.)) Filled with liquid.
- a.) In the remaining gas space now pressurized gas is introduced with the pressure prevailing in the compressed gas storage pressure. The valve behind the outlet opening from the expansion chamber is preferably completely or partially closed towards the working machine, so that a pressure builds up above the liquid, which corresponds to the pressure in the compressed gas storage.
- b.) Is the expansion space completely filled with liquid (the preferred embodiment), the valve behind the outlet opening to the working machine is at least partially open and the compressed gas pushes a portion of the liquid through the outlet opening in the working machine, where the mechanical energy of the liquid in another mechanical movement is converted. This is practically isothermal, since the pressure drop of the compressed gas during discharge is only minimal, because the compressed gas storage is significantly greater than the now diverted sub-volume for the duty cycle.
Anschließend wird das Ventil in der Verbindung zum Druckgasspeicher geschlossen. Man achtet darauf, daß das vom Druckgas im Expansionsraum eingenommene Volumen nur so groß ist, daß nach der arbeitsverrichtenden Expansion des Gases die Flüssigkeit gerade aus dem Expansionsraum verdrängt ist, oder, bevorzugt, noch etwas Flüssigkeit darin zurückbleibt. Dann besteht nämlich keine Gefahr, daß Gas in die Arbeitsmaschine gerät, bei der es sich um eine mit hohem Wirkungsgrad arbeitende hydrodynamische Maschine handelt und keinen Gasmotor/Gasexpansionsturbine. Subsequently, the valve is closed in the connection to the compressed gas storage. Care must be taken that the volume occupied by the pressurized gas in the expansion space is only so great that, after the working expansion of the gas, the liquid is just displaced from the expansion space or, preferably, some liquid remains therein. In that case, there is no risk of gas entering the work machine, which is a high-efficiency hydrodynamic machine and not a gas engine / gas expansion turbine.
Flüssigkeit, auf deren Oberfläche ein Gasdruck von z.B. 60 bar einwirkt, ist äquivalent dem Wasser eines Speichersees, der ungefähr 600 Meter oberhalb einer Wasserturbine angeordnet ist! Um 60 Kubikmeter (ideales) Gas von Umgebungsdruck (ungefähr 1 bar) isotherm auf 60 bar zu verdichten (es nimmt dann nur noch 1 Kubikmeter Volumen ein), benötigt man ungefähr 24000 kJ an Energie (entspricht ungefähr 6000 kcal). Diese Energie wird bei einer isothermen Expansion auch wieder vom Gas abgegeben, ähnlich, wie bei einer elastischen Feder. Ein Druckgasspeicher mit 100.000 Kubikmetern (idealem) Gas von 60 bar weist also (bei isothermer Expansion bis auf 1 bar) einen Energiegehalt von ungefähr 2,4 Mrd. Kilojoule, also 2,4 Billionen Joule auf. Eine Leistung von 100 MW könnte von diesem Druckgasspeicher 24.000 Sekunden (fast 7 Stunden) lang geliefert werden. Dies gilt aber nur bei einer Umwandlung mit 100% Wirkungsgrad. Dies ist natürlich in der Praxis unmöglich. An einen solchen Druckgasspeicher angeschlossen ist z.B. ein Expansionsraum von 10.000 Kubikmetern. Dieser Expansionsraum ist anfangs mit 10.000 Kubikmetern Flüssigkeit gefüllt, von der anfangs bis zur Schließung des Ventils zwischen Druckgasspeicher und Expansionsraum 150 Kubikmeter durch Druckgas verdrängt werden, wobei diese 150 Kubikmeter Flüssigkeit in der Arbeitsmaschine (z.B. Francis-Turbine) bei einem praktisch konstanten Druck von ungefähr 60 bar eine Energie erzeugen, die 150 Kubikmeter Wasser abgeben würden, die aus 600 Metern Höhe in eine Turbine fielen. Das sind 900.000.000 Joule (900 MJ). Läßt man das Druckgas 9 Sekunden lang aus dem Druckgasspeicher die Flüssigkeit mit gleichmäßiger Geschwindigkeit durch die Arbeitsmaschine schieben, erzeugt man dadurch gerade 100 MW Leistung. Anschließend expandieren diese 150 Kubikmeter Gas quasiisotherm von 60 bar auf 1 bar und dabei auf 9000 Kubikmeter, wobei 8850 Kubikmeter Flüssigkeit verdrängt werden, wobei aber der Druck der Flüssigkeit von 60 bar bis auf 1 bar abnimmt und dabei (gemäß der zuvor angegebenen Gleichung W = –nRT·ln(V2/V1) für isotherme Gasexpansion) ungefähr 3,6 Mrd. Joule (3600 MJ) an Energie erzeugt werden. Benötigt der Gesamtvorgang 36 Sekunden, so hat man wieder eine Leistung von 100 MW erzeugt. Anschließend öffnet man das Entgasungsventil am Expansionsraum, das ins Freie oder in einen Niederdruckgasbehälter („die Umgebung“) führt, schließt das Ventil zur Arbeitsmaschine und flutet den Expansionsraum erneut mit Flüssigkeit. Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung von Luft als Gas, weil nur diese einfach und dennoch wirklich unbedenklich ins Freie entlassen werden kann. Dann schließt man das Entgasungsventil, öffnet erneut das Ventil zum Druckgasspeicher und das zur Arbeitsmaschine und ein neuer Arbeitszyklus beginnt. Dieser startet aber diesmal nicht mehr bei 60 bar, sondern etwas darunter (bei 59,91 bar), da von den 100.000 Kubikmetern ja 150 bereits entnommen wurden. Liquid, on the surface of which a gas pressure of, for example, 60 bar acts, is equivalent to the water of a reservoir lake, which is located approximately 600 meters above a water turbine! To compress 60 cubic meters of (ideal) gas from ambient pressure (about 1 bar) isothermally to 60 bar (it then occupies only 1 cubic meter of volume), it takes about 24000 kJ of energy (equivalent to about 6000 kcal). This energy is also released from the gas in an isothermal expansion, similar to an elastic spring. A compressed gas storage tank with 100,000 cubic meters of (ideal) gas at 60 bar has an energy content of approximately 2.4 billion kilojoules, ie 2.4 trillion joules (with isothermal expansion down to 1 bar). An output of 100 MW could be delivered from this compressed gas storage 24,000 seconds (almost 7 hours). However, this only applies to a conversion with 100% efficiency. Of course, this is impossible in practice. Connected to such a compressed gas storage is, for example, an expansion space of 10,000 cubic meters. This expansion space is initially filled with 10,000 cubic meters of liquid, from the beginning until the closure of the valve between compressed gas storage and expansion space 150 cubic meters are displaced by compressed gas, which 150 cubic meters of liquid in the working machine (eg Francis turbine) at an almost constant pressure of about 60 bar generate an energy that would give 150 cubic meters of water, which fell from a height of 600 meters in a turbine. That's 900,000,000 joules (900 MJ). If you let the compressed gas for 9 seconds from the compressed gas storage, the liquid at a uniform speed through the machine, thereby producing just 100 MW of power. These 150 cubic meters of gas then expand quasiisothermically from 60 bar to 1 bar and 9000 cubic meters, displacing 8850 cubic meters of liquid, but the pressure of the liquid decreases from 60 bar to 1 bar and thereby (according to the equation W = -NRT · ln (V 2 / V 1 ) for isothermal gas expansion) approximately 3.6 billion joules (3600 MJ) of energy are generated. If the total process takes 36 seconds, then one has again generated a power of 100 MW. Subsequently, the degassing valve is opened at the expansion space leading into the atmosphere or into a low-pressure gas container ("the environment"), closing the valve to the work machine and re-flooding the expansion space with liquid. Very particularly preferred is the use of air as a gas, because only this can be released easily and yet really harmless to the outside. Then you close the degassing valve, re-opens the valve to the compressed gas storage and the work machine and a new cycle begins. This time, however, no longer starts at 60 bar, but slightly lower (at 59.91 bar), since 150 out of the 100,000 cubic meters have already been taken.
Durch sich wiederholende Arbeitszyklen wird der Druckgasspeicher mit der Zeit bis auf ein bestimmtes Maß entleert, das z.B. auch davon abhängig ist, welcher Stützdruck an Gas aus Stabilitätsgründen darin verbleiben muß. By repeating cycles of operation, the compressed gas reservoir is evacuated over time to a certain extent, e.g. also depends on which support pressure must remain in gas for stability reasons.
Wird ein (vorzugsweise unterirdischer) Druckgasspeicher z.B. mit sehr grobem Schüttgut gefüllt, so stützt dieses die Wand! Auch wenn dann später Wandteile (z.B. Fels) abbrechen, macht das nichts, denn das Abbrechen hat spätestens dann ein Ende, wenn der Druckgasspeicher überall mit Wandkontakt mit Schüttgut, eben auch Wandabbruchmaterial, gefüllt ist. Da das Schüttgut aber Volumen einnimmt, das nicht von energieenthaltendem Druckgas gefüllt ist, muß der Druckgasspeicherraum deutlich größer gewählt werden. Es läßt sich im Druckgasspeicher durch grobes Schüttgut ein zur Energiespeicherung verwendbares Leervolumen von etwa 20 bis 30% erzielen. Das Schüttgut muß deswegen grob sein, damit die Strömung der Luft nicht behindert wird. Die untereinander verbundenen Leerräume sollten einen mittleren Durchmesser von mehr als 5 Zentimetern haben, bevorzugt mehr als 10 Zentimetern. Ein schüttgutbefüllter Druckgasspeicher hat zwar weniger Füllvolumen als ein leerer Raum, aber er hat den Vorteil, daß er einfacher quasiisotherm mit Druckgas gefüllt werden kann, da das Schüttgut als wärmeaufnehmender Wärmespeicher mit großer Oberfläche dient. If a (preferably subterranean) compressed gas storage, e.g. filled with very coarse bulk material, this supports the wall! Even if later wall parts (for example rock) break off, this does not matter, because the break has an end at the latest when the compressed gas storage is everywhere filled with wall contact with bulk material, just wall demolition material. However, since the bulk material occupies volume that is not filled by energy-containing compressed gas, the compressed gas storage space must be chosen significantly larger. It can be achieved in the compressed gas storage by coarse bulk material usable for energy storage void volume of about 20 to 30%. The bulk material must therefore be coarse, so that the flow of air is not obstructed. The interconnected voids should have an average diameter of more than 5 centimeters, preferably more than 10 centimeters. Although a bulk material-filled compressed gas storage has less filling volume than an empty space, but it has the advantage that it can be filled with gas quasiisotherm easier because the bulk material serves as a heat-absorbing heat accumulator with a large surface area.
Vorzugsweise arbeitet das Gesamtkraftwerk mit mehr als nur einem Expansionsraum, wobei jeder Expansionsraum gerade in einer unterschiedlichen Phase des Arbeitszyklus ist. Das hilft, die Leistungsabgabe des Gesamtkraftwerks zu vergleichmäßigen. Preferably, the entire power plant operates with more than one expansion space, each expansion space being in a different phase of the work cycle. This helps to even out the power output of the entire power plant.
Da der Expansionsraum während eines Arbeitszyklus nicht ständig unter dem Maximaldruck steht, weil ja keine ständig offene Verbindung zum Druckgasspeicher besteht, ist es möglich, den Expansionsraum, in dem der Arbeitszyklus abläuft, in mehrere Teilexpansionsräume aufzuteilen, in denen Teile des Arbeitszyklus bei unterschiedlichen Drücken ablaufen! Dies hat den Vorteil, das man nicht den ganzen Expansionsraum stabil gegen den Maximaldruck ausgestalten muß, was wegen des großen Volumens des Gesamtexpansionsraumes teuer wird, falls der Expansionsraum oberirdisch aufgestellt und nicht in einer unterirdischen Kaverne eingerichtet werden sollte. Man könnte im Falle einer Aufteilung in mehrere Teilexpansionsräume dann z.B. einen ersten Teilexpansionsraum erstellen, der das Druckgas von z.B. 60 bar auf 15 bar entspannte, also eine vierfache Volumenvergrößerung ermöglichte. Dieser erste Teilexpansionsraum wäre, weil noch relativ klein, relativ einfach zu stabilisieren (Näherung: „Kesselformel“) und man könnte ihn auch aus kostengünstigen Materialien, z.B. vorgespanntem Beton (eventuell mit gasdichtem „Inliner“), herstellen. Since the expansion space during a working cycle is not constantly below the maximum pressure, because there is no constantly open connection to the compressed gas storage, it is possible to divide the expansion space in which the work cycle runs into several parts expansion spaces in which run parts of the duty cycle at different pressures ! This has the advantage that it is not necessary to design the entire expansion space stable against the maximum pressure, which is expensive because of the large volume of the total expansion space, if the expansion space should be placed above ground and not set up in an underground cavern. In the case of a division into several parts expansion spaces it would then be possible, e.g. create a first part expansion space containing the compressed gas of e.g. 60 bar to 15 bar relaxed, thus allowing a fourfold increase in volume. This first part expansion space, because it is still relatively small, would be relatively easy to stabilize (approximation: "boiler formula") and could also be made from inexpensive materials, e.g. prestressed concrete (possibly with gas-tight "inliner").
In einem zweiten Teilexpansionsraum würde dann das vorentspannte Gas weiter entspannt, z.B. von 15 bar auf einen Enddruck von ungefähr 1 bis 2 bar oder auch nur auf ungefähr 5 bar. An den zweiten Teilexpansionsraum schlösse sich dann ein dritter, letzter Teilexpansionsraum an. Es versteht sich, daß während des Ablaufs der Teilzyklen die Verbindung zwischen dem/den Teilexpansionsräumen, in denen der Teilzyklus gerade abläuft und dem/den dahinterliegenden Teilexpansionsraum/Teilexpansionsräumen geschlossen ist und die Flüssigkeit über einen separaten Weg in die oder eine Arbeitsmaschine eintritt, und daß erst nach Beendigung des jeweiligen Teilzyklus eine Verbindung zwischen dem vorangehenden Teilexpansionsraum und dem darauffolgenden geöffnet wird, damit das teilexpandierte Druckgas auch in diesem weiterexpandieren und seinen Teilzyklus durch Verdrängung der dort befindlichen Flüssigkeit verrichten kann. Die Teilexpansionsräume können einfach unabhängig voneinander und räumlich getrennt mit Verbindungen zwischen ihnen angeordnet sein. Z.B. kann auch ein Teil der Expansionsräume (z.B. die Hochdruckteilräume, oberirdisch angeordnet sein und die mit niederem Druck, die größere Volumina erfordern, unterirdisch.) In einer anderen Ausführung befinden sich hingegen die jeweils folgenden Teilexpansionsräume zwiebelschalenartig um den ersten Hochdruckteilexpansionsraum herum angeordnet, was Stabilitätsvorteile bringt. Es ergeben sich insbesondere dann Stabilitätsvorteile, wenn das Druckgasflüssigkeitskraftwerk „mehrzylindrig“ ausgeführt wird (also mit mehreren Expansionsräumen A, B, ... ausgestattet ist, in denen phasenverschoben Arbeitszyklen Za, Zb, ... ablaufen) und in dem den ersten Teilexpansionsraum umgebenden Teilexpansionsraum für Arbeitszyklus Za bereits ein Teilarbeitszyklus eines phasenverschobenen Arbeitszyklus Zb eines anderen „Zylinders“ (Expansionsraumes B) ausgeführt wird, denn dann stützt der geringere Druck dieses Arbeitszyklus Zb in diesem umgebenden Teilexpansionsraum die Wand des ersten Teilexpansionsraumes. Es wechseln also in diesem Falle die Teilexpansionsräume der unterschiedlichen Arbeitszyklen Za, Zb, ... der Expansionsräume A, B, ... zeitlich ihren räumlichen Ort, um die Wände, vor allem der unter Hochdruck stehenden Teilexpansionsräume, optimal zu stützen. In a second part expansion chamber, the pre-expanded gas would then be further expanded, for example from 15 bar to a final pressure of approximately 1 to 2 bar or even only to approximately 5 bar. At the second Teilxpansionsraum then enclose a third, last Teilxpansionsraum. It will be appreciated that during the course of the sub-cycles, the connection between the part expansion space (s) where the subcycle is about to run and the subexpansion space (s) is closed and the fluid enters the or a work machine via a separate path, and only after completion of the respective subcycle a connection between the preceding parts expansion space and the subsequent one is opened, so that the partially expanded compressed gas can also expand in this and perform its subcycle by displacement of the liquid located there. The parts expansion spaces may simply be arranged independently and spatially separated with connections between them. For example, a part of the expansion areas (eg the high-pressure part spaces, above ground In another embodiment, however, each of the following parts expansion chambers are onion-like arranged around the first high-pressure part expansion space, which brings stability advantages. This results in particular stability advantages when the compressed gas liquid power plant "mehrzylindrig" is executed (that is equipped with several expansion spaces A, B, ..., in which run phase Za, Zb, ... run) and in which the first part expansion space surrounding Partial expansion chamber for work cycle Za already a partial work cycle of a phase-shifted cycle Zb another "cylinder" (expansion space B) is performed, because then supports the lower pressure of this cycle Zb in this surrounding part expansion space, the wall of the first part expansion space. In this case, therefore, the parts expansion spaces of the different working cycles Za, Zb,... Of the expansion spaces A, B,... Temporally change their spatial location in order to optimally support the walls, in particular the parts expansion areas under high pressure.
Ein Expansionsraum kann sich auch ganz oder teilweise im Boden befinden. In einer Ausführungsvariante ist der Expansionsraum im wesentlichen kegelförmig oder kegelstumpfförmig geformt. Die Kegelwandung muß aber (im Längsschnitt durch den Kegel betrachtet) nicht gerade sein, sondern kann auch geschwungen sein. Auch der Boden und die Spitze des Kegelstumpfes müssen nicht eben sein. Vorzugsweise sind sie sogar gewölbt, um den Innendruck im Expansionsraum besser aufnehmen zu können. Der obere Teil eines solchen (wie zuvor definierten) „Kegels“, in dem das Druckgas sich mit dem höchsten Druck befindet, kann sich auch aufgrund des geringen Radius (hohe Stabilität!) oberhalb des Bodens befinden. Der untere Teil des Kegels ist vorzugsweise im Boden und der Bodendruck stabilisiert die Wände, wodurch sie weniger stabil ausgeführt werden müssen als wenn diese Bereiche oberhalb der Erdoberfläche lägen. Je tiefer sich der „Kegel“ im Boden befindet, umso schwächer können die Wände dieses Expansionsraumes sein. Eine weitere Möglichkeit, kostengünstig einen Expansionsraum in den Boden zu legen, besteht darin, ihn ins Grundwasser zu betten und dieses nachher um den Expansionsraum herum zu vereisen (z.B. mit Gefrierlanzen). Dabei dehnt sich der Boden aus, und die Wände werden unter eine nach innen gerichtete Vorspannung gesetzt, die dem Innendruck im Expansionsraum entgegenwirkt. Falls der Expansionsraum, bei etwas verringertem Wirkungsgrad, mit einer im Kreislauf geführten Flüssigkeit (z.B. einer wässrigen Salzlösung oder Gefrierschutzmischung) betrieben wird, deren Temperatur mindestens 10 °C unter der Gefriertemperatur von Wasser liegt, so hat die Wand des Expansionsraumes eine Temperatur unter 0 °C und der Expansionsraum umgibt sich mit einer stabilen Schicht aus vereistem Boden, so daß die Wände des Expansionsraumes entsprechend schwach sein dürfen. Es ist auch möglich, den gesamten Expansionsraum in einen großen oberirdischen Behälter mit wasserdurchtränktem Boden zu geben, der dann durchgefroren wird. Dann hat man eine Expansionsraumwand, deren Festigkeit zu einem großen Teil von gefrorenem Boden stammt! Werden in den Boden auch noch Fasern eingebracht, so kann dieser „Eisbeton“ auch einen erheblichen Teil Zugkräfte aufnehmen! Und eventuell mit der Zeit entstandene Risse darin ließen sich sehr gut durch Aufschmelzen und Wiedereinfrieren reparieren! Bei sehr hohem Faseranteil könnte auch Eis ohne Bodenanteil als „Eisbetonwand“ eingesetzt werden! Ein besonders billig herstellbarer „Eisbeton“ mit Faseranteil ist Pykrete, der aus 14% Sägespänen und 86% Wasser besteht. Als Zugfestigkeit von Pykrete wird in Wikipedia ungefähr 4,8 MPa angegeben (im Vergleich zu Beton mit 1,7 MPa und Eis mit 1,1 MPa). Als Druckfestigkeit besitzt Pykrete 7,6 MPa (verglichen mit Beton mit 17,2 MPa und Eis mit 3,4 MPa). Die Dichte von Pykrete beträgt 980 Kilogramm pro Kubikmeter (Beton 2500, Eis 910). Durch Verwendung anderer Fasern als Holzspänen läßt sich vor allem die Zugfestigkeit noch deutlich steigern! An expansion area can also be completely or partially located in the ground. In one embodiment, the expansion space is formed substantially conical or frusto-conical. However, the conical wall (viewed in longitudinal section through the cone) need not be straight, but may also be curved. Also, the bottom and the top of the truncated cone need not be even. Preferably, they are even curved in order to better absorb the internal pressure in the expansion space can. The upper part of such a (as previously defined) "cone", in which the compressed gas is at the highest pressure can also be due to the small radius (high stability!) Above the ground. The lower part of the cone is preferably in the ground and the ground pressure stabilizes the walls, making them less stable than if they were above the surface of the earth. The deeper the "cone" is in the ground, the weaker the walls of this expansion space can be. Another way of economically placing an expansion space in the ground is to embed it in the groundwater and subsequently freeze it around the expansion space (e.g., with freezing lances). The soil expands and the walls are placed under an inward bias that counteracts the internal pressure in the expansion space. If the expansion chamber, with somewhat reduced efficiency, with a circulated liquid (eg an aqueous salt solution or antifreeze mixture) is operated, whose temperature is at least 10 ° C below the freezing temperature of water, the wall of the expansion chamber has a temperature below 0 ° C and the expansion space surrounds itself with a stable layer of icy ground, so that the walls of the expansion space may be correspondingly weak. It is also possible to place the entire expansion space in a large above-ground container with water-soaked ground, which is then frozen through. Then you have an expansion space wall whose strength comes to a large extent from frozen ground! If fibers are also introduced into the soil, this "ice concrete" can absorb a considerable amount of traction! And eventually cracks in it could be repaired very well by melting and re-freezing! If the fiber content is very high, ice without a soil component could also be used as an "ice concrete wall"! A particularly cheap to produce "ice concrete" with fiber content is Pykrete, which consists of 14% sawdust and 86% water. The tensile strength of pyrites is about 4.8 MPa in Wikipedia (compared to concrete with 1.7 MPa and ice with 1.1 MPa). Pykrete has a compressive strength of 7.6 MPa (compared to 17.2 MPa concrete and 3.4 MPa ice). The density of pyrites is 980 kilograms per cubic meter (concrete 2500, ice 910). By using fibers other than wood chips, especially the tensile strength can be significantly increased!
Um den Wirkungsgrad des Kraftwerkes zu verbessern, ist es möglich, nicht nur eine Art Arbeitsmaschine einzusetzen, sondern zwei oder auch mehr unterschiedliche, von denen jede für einen bestimmten Flüssigkeitsdruckbereich optimiert ist. Für die hohen Flüssigkeitsdrücke (von 70 bis ungefähr 2 bar) wird z.B. eine Francis-Turbine (oder eine verwandte Konstruktion) eingesetzt (Wirkungsgrad ungefähr 90% für Wasser) und für den mittleren oder niedrigen Flüssigkeitsdruckbereich (4 bis 2 bar) eine Kaplan-Turbine (oder eine verwandte Konstruktion) (Wirkungsgrad 80–95% für Wasser). In order to improve the efficiency of the power plant, it is possible to use not only one kind of work machine, but two or more different, each of which is optimized for a particular fluid pressure range. For the high liquid pressures (from 70 to about 2 bar), e.g. a Francis turbine (or related construction) (efficiency about 90% for water) and for the medium or low fluid pressure range (4 to 2 bar) a Kaplan turbine (or related construction) (efficiency 80-95% for water ).
Für Flüssigkeitsdrücke oberhalb 70 bar verwendet man vorzugsweise eine peltonartige Turbine (Wirkungsgrad 90–95% für Wasser). Eine Francis-Turbine ist hierbei über den weitesten Druckbereich verwendbar. Peltonartige Turbinen sind dafür aber am besten bei wechselndem Durchsatz steuerbar. For liquid pressures above 70 bar is preferably used a pelton-type turbine (efficiency 90-95% for water). A Francis turbine can be used over the widest pressure range. However, Pelton-type turbines are best controlled with varying throughput.
Bei Verwendung mehrerer Expansionsräume E1, E2, ... muß nicht jeder Expansionsraum eine oder mehrere Arbeitsmaschinen besitzen, sondern es können die Arbeitsmaschinen je nach Zykluszeitpunkt, in dem sich der Expansionsraum gerade befindet, von unterschiedlichen Expansionsräumen wechselweise angeströmt werden. When using a plurality of expansion spaces E 1 , E 2 , ... Not every expansion space must have one or more machines, but it can be alternately flowed by different expansion spaces depending on the cycle time in which the expansion space is currently the work machines.
Wie bereits erwähnt, sind in einem Kubikmeter komprimierten Druckgases von 60 bar ungefähr 24.000 kJ „isotherme Energie“ enthalten. (Mit „“isothermer Energie“ wird die Energie bezeichnet, die durch isotherme Expansion auf 1 bar als mechanische Arbeit gewinnbar ist. Anders als bei einer adiabatischen Expansion ist dabei die „isotherme Energie“ (eines idealen Gases) unabhängig vom molekularen Aufbau des Gases!) Wird dieser Kubikmeter Druckgas von 60 bar isotherm auf 2 Kubikmeter mit 30 bar expandiert, so enthalten diese 2 Kubikmeter noch ungefähr 20.000 kJ an „isothermer Energie“ (10.000 kJ pro Kubikmeter). Das bedeutet, die isotherme Expansion auf das doppelte Volumen setzt pro Kubikmeter Druckgas von 60 bar etwa 4000 kJ frei. Werden die 2 Kubikmeter Druckgas danach von 30 bar auf 6 Kubikmeter von 10 bar isotherm expandiert, so enthalten diese 6 Kubikmeter dann noch ungefähr 14.000 kJ (2300 kJ pro Kubikmeter). Bei der Expansion von 2 Kubikmetern von 30 bar auf 6 Kubikmeter von 10 bar werden also ungefähr 6000 kJ frei. Werden diese 6 Kubikmeter von 10 bar auf 12 Kubikmeter von 5 bar isotherm expandiert, so enthalten diese 12 Kubikmeter noch ungefähr 9.500 kJ (800 kJ pro Kubikmeter). Bei der Expansion von 6 Kubikmetern Druckgas von 10 bar auf 5 bar werden somit ungefähr 4.500 kJ frei. Werden diese 12 Kubikmeter Druckgas von 5 bar auf 30 Kubikmeter von 2 bar expandiert, so enthalten diese 30 Kubikmeter noch ungefähr 3800 kJ (ungefähr 130 kJ pro Kubikmeter). Bei der Expansion von 12 Kubikmetern Druckgas von 5 bar auf 30 Kubikmeter Druckgas von 2 bar werden somit ungefähr 5.700 kJ frei. Der Restenergiegehalt von 3800 kJ stellt nur noch ungefähr 15 % der Anfangsenergie dar. Ungefähr 85% der Anfangsenergie wurden dem Druckgas entnommen. Das Druckgas von 2 bar kann nun über das Entgasventil entlassen werden und seine Energie wäre dann verloren. Es könnte aber während des Entlassens noch über eine Niederdruckgasturbine laufen und dabei einen Teil seiner restlichen Energie abgeben, wodurch der Gesamtwirkungsgrad erhöht würde. Dies ist vor allem möglich, wenn das Druckgas Luft ist, oder das Druckgas in einen „drucklosen“ Behälter (z.B. expandierbarer Folienbehälter) entlassen würde. As already mentioned, about 24,000 kJ of isothermal energy are contained in one cubic meter of compressed compressed gas of 60 bar. (The term "isothermal energy" refers to the energy that can be recovered as mechanical work by isothermal expansion to 1 bar.) Unlike adiabatic expansion, the "isothermal energy" (of an ideal gas) is independent of the molecular structure of the gas! ) If this cubic meter of compressed gas is expanded from 60 bar isothermally to 2 cubic meters at 30 bar, these 2 cubic meters still contain approximately 20,000 kJ of "isothermal energy" (10,000 kJ per cubic meter). This means that the isothermal expansion to twice the volume releases about 4000 kJ per cubic meter of pressurized gas of 60 bar. If the 2 cubic meters of compressed gas are subsequently expanded isothermally from 30 bar to 6 cubic meters of 10 bar, these 6 cubic meters then still contain about 14,000 kJ (2300 kJ per cubic meter). With the expansion of 2 cubic meters from 30 bar to 6 cubic meters of 10 bar, about 6000 kJ will be released. If these 6 cubic meters are expanded isothermally from 10 bar to 12 cubic meters of 5 bar, these 12 cubic meters still contain about 9,500 kJ (800 kJ per cubic meter). With the expansion of 6 cubic meters of compressed gas from 10 bar to 5 bar, about 4,500 kJ are released. If these 12 cubic meters of compressed gas are expanded from 5 bar to 30 cubic meters of 2 bar, these 30 cubic meters still contain about 3800 kJ (about 130 kJ per cubic meter). With the expansion of 12 cubic meters of compressed gas from 5 bar to 30 cubic meters of compressed gas at 2 bar, approximately 5,700 kJ will be released. The residual energy content of 3800 kJ represents only about 15% of the initial energy. Approximately 85% of the initial energy was taken from the compressed gas. The compressed gas of 2 bar can now be discharged via the degassing valve and its energy would then be lost. However, it could still run during release via a low-pressure gas turbine and thereby release a portion of its remaining energy, which would increase the overall efficiency. This is especially possible if the compressed gas is air, or the compressed gas would be discharged into a "non-pressurized" container (eg expandable film container).
Vorzugsweise würde dabei das Niederdruckgas vorher noch etwas in seiner Temperatur angehoben, um Kondensationserscheinungen in der Turbine zu verhindern. Dies kann z.B. im einfachsten Falle von Luft durch Verbrennen von etwas Erdgas in dieser Niederdruckluft erfolgen. Alternativ könnten, wenn man eine geeignete Niederdruckflüssigkeitsarbeitsmaschine hierfür zur Verfügung hat, die 30 Kubikmeter von 2 bar auch noch weiter isotherm expandiert werden, z.B. auf 40 Kubikmeter von 1,5 bar. In diesen 40 Kubikmeter wären dann noch 2.400 kJ an Energie enthalten (60 kJ pro Kubikmeter). Beim Expandieren würden also nochmals 1400 kJ frei. Damit würde das isotherm expandierte Gas von 1,5 bar nur noch ungefähr 10% der Anfangsenergie enthalten, 90% wären bereits in mechanische Arbeit umgesetzt. Von den verbliebenen 10 % ließe sich ein beträchtlicher Teil mittels einer Gasturbine wiedergewinnen, weil bei der adiabatischen Expansion von 1,5 auf 1 bar keine starke Temperaturänderung mehr einsetzte. Auch hier ist aber eine vorherige Anhebung der Niederdruckgastemperatur noch sinnvoll. Ansonsten könnte man im Falle von Luft diese auch durch das Entlüftungsventil ohne Arbeitsverrichtung einfach entweichen lassen, was den apparativen Aufwand reduzierte. Eine andere Methode, eine Restdruckgasenergie sinnvoll auszunützen besteht darin, mit dieser Energie die zuvor durch das expandierte Gas aus den Expansionsräumen verdrängte Flüssigkeit für den nächsten Arbeitszyklus wieder in einen anderen Expansionsraum hineinzubefördern. Dies ist dadurch erleichtert, daß die Expansionsräume während der Befüllung mit Flüssigkeit eine Verbindung zur Außenluft bzw. zu einem drucklosen Gasbehälter haben und daher drucklos befüllt werden können. Es muß für eine solche Befüllung eine Verbindung des Gasraumes des Expansionsraumes E1, in dem gerade ein Arbeitszyklus beendet ist, mit dem Flüssigkeitsreservoir R vorhanden sein. Dann wird Flüssigkeit aus dem Reservoir R über eine weitere Leitung in einen leeren drucklosen Expansionsraum E2 gedrückt, dessen Entgasungsventil gerade geöffnet ist. Preferably, the low-pressure gas would previously be slightly raised in its temperature in order to prevent condensation phenomena in the turbine. This can be done, for example, in the simplest case of air by burning some natural gas in this low-pressure air. Alternatively, if one has a suitable low pressure liquid working machine available for this, the 30 cubic meters of 2 bar could be further isothermally expanded, eg to 40 cubic meters of 1.5 bar. In these 40 cubic meters would then be 2.400 kJ of energy contained (60 kJ per cubic meter). When expanding so again 1400 kJ would be free. Thus, the isothermally expanded gas of 1.5 bar would contain only about 10% of the initial energy, 90% would already be converted into mechanical work. Of the remaining 10%, a considerable part could be recovered by means of a gas turbine, because in the adiabatic expansion from 1.5 to 1 bar no strong change in temperature began. Again, however, a prior increase in the low-pressure gas temperature is still useful. Otherwise you could easily escape in the case of air through the vent valve without Arbeitsverrichtung what the apparatus required reduced. Another method of making good use of a residual pressure gas energy is to use this energy to bring the liquid previously displaced by the expanded gas from the expansion spaces back into another expansion space for the next work cycle. This is facilitated by the fact that the expansion spaces during the filling with liquid have a connection to the outside air or to a non-pressurized gas container and therefore can be filled without pressure. It must be present for such a filling a connection of the gas space of the expansion space E 1 , in which just finished a cycle with the liquid reservoir R. Then liquid is pressed from the reservoir R via another line in an empty pressure-less expansion space E 2 , the degassing valve is currently open.
Für eine gute Regelbarkeit der Stromerzeugung ist es sinnvoll, den Expansionsraum möglichst groß zu wählen, weil dann die Änderungen des Drucks darin langsamer vor sich gehen und damit besser steuerbar sind. Wie groß man ihn letztendlich wählt, hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab (Standfestigkeit des Gebirges, schon vorhandene Hohlräume, u.a.). Kleinere Expansionsräume oder Teilexpansionsräume lassen sich auch oberirdisch oder in Nähe der Erdoberfläche künstlich anlegen, z.B. auch mit einem Beton- oder Stahlmantel. Eine geringere Größe der Expansionsräume läßt sich durch eine Vielzahl derselben ausgleichen. Die Größe der expansionsräume ist in einem weiten bereich von etwa 1 bis 100.000 Kubikmetern sinnvoll machbar. For a good controllability of the power generation, it makes sense to choose the expansion space as large as possible, because then the changes in pressure in slower going on and thus are more controllable. How big you ultimately choose depends on the local conditions (stability of the mountains, already existing cavities, etc.). Smaller expansion spaces or partial expansion spaces can also be artificially applied above ground or in the vicinity of the earth's surface, e.g. also with a concrete or steel jacket. A smaller size of the expansion spaces can be compensated by a variety of the same. The size of the expansion areas is feasible within a wide range of about 1 to 100,000 cubic meters.
Die Quasiisothermie im Expansionsraum wird durch den Wärmeaustausch mit dort befindlicher Flüssigkeit erreicht. Sinnvoll ist hierbei, die Flüssigkeit in diesem Raum zu versprühen oder von oben herabregnen zu lassen. Hierbei am sinnvollsten sind Methoden ähnlich Rasensprinklern, da hierbei die Flüssigkeit länger Gaskontakt hat, als wenn sie nur von oben herabrieselte. Durch eine schräge Einsprühung von Flüssigkeit läßt sich auch eine Zirkulationswalze des Gases im Expansionsraum erzeugen, wodurch sich der Wärmeaustausch verbessert. Andererseits existiert aber die Möglichkeit, eine passive sehr wartungsarme Berieselung des Gasraumes oberhalb des Flüssigkeitspiegels durchzuführen: Hierzu befinden sich an oder etwas unterhalb der Decke des Expansionsraumes wannenartige Strukturen mit Siebboden oder Behälter mit Siebboden und Entgasungsventilen an der Oberseite. Nach der Füllung des Expansionsraumes mit Flüssigkeit sind diese Wannen bzw. Behälter ebenfalls überflutet/gefüllt. Wenn das Gas expandiert, sinkt der Flüssigkeitsspiegel im Expansionsraum unter den Wannenboden/Siebboden und die in den Wannen befindliche Flüssigkeit rieselt durch die Sieböffnungen (wie aus einem Duschkopf) nach unten und erwärmt/temperiert dabei das sich beim Expandieren abkühlende Gas. Die Wannen müssen also mindestens diejenige Flüssigkeitsmenge enthalten, die benötigt wird, um eine ausreichende Quasiisothermie sicherzustellen und die Öffnungen müssen so klein und gleichzeitig auch so groß sein, daß die Flüssigkeit aus den Wannen ungefähr bis zum Ende des Expansionszyklus des Gases im Expansionsraum ausgeflossen ist. Die notwendige Größe und Anzahl der Öffnungen kann näherungsweise mittels Hagen-Poiseuille-Gesetz abgeschätzt und dann im Versuch optimiert werden. Eine Regelung der Ausflußgeschwindigkeit über die Anzahl der Öffnungen ist einfacher als über den Durchmesser der Öffnungen, da sich der Ausfluß zur Anzahl der Öffnungen linear verhält, wohingegen Größe der Öffnungen und Durchfluß durch dieselben in stark nichtlinearem Zusammenhang stehen. Vorzugsweise ist der Ausfluß aus den Wannen regelbar, z.B. durch die Öffnungen zeitweise abdeckende Schieber. The quasi-isotherm in the expansion space is achieved by the heat exchange with liquid located there. It makes sense here to spray the liquid in this room or rain down from above. The most sensible methods are similar to lawn sprinklers, since in this case the liquid has longer gas contact than if it trickled down only from above. By an oblique injection of liquid can also produce a circulation roll of the gas in the expansion space, whereby the heat exchange improves. On the other hand, there is the possibility to perform a passive very low-maintenance sprinkling of the gas space above the liquid level: For this purpose are at or slightly below the ceiling of the expansion space trough-like structures with sieve bottom or container with sieve bottom and degassing valves at the top. After filling the expansion space with liquid these wells or containers are also flooded / filled. As the gas expands, the liquid level in the expansion chamber sinks below the trough bottom / sieve tray and the liquid in the trough trickles down through the sieve openings (as though from a shower head), warming / tempering the cooling gas as it expands. The tubs must therefore contain at least the amount of liquid needed to ensure sufficient quasi-isothermia and the openings must be so small and at the same time large enough for the liquid to flow out of the tubs until the end of the expansion cycle of the gas in the expansion space. The necessary size and number of openings can be estimated approximately by means of Hagen-Poiseuille law and then optimized in the experiment. Control of the rate of discharge over the number of orifices is simpler than over the diameter of the orifices, since the outflow to the number of orifices is linear, whereas the size of the orifices and flow therethrough are highly nonlinear. Preferably, the outflow from the tubs is controllable, for example through the openings temporarily covering slide.
Über die Menge der Flüssigkeit und deren Temperatur läßt sich ein zu starkes Absinken der Gemischtemperatur Gas/Flüssigkeit im Expansionsraum verhindern. Vor allem Wasser oder wässrige Lösungen erweisen sich hier als sehr günstig! Wasser besitzt gewichtsbezogen ungefähr eine vier mal größere Wärmekapazität als z.B. Luft (ungefähr 4,2 kJ/(kg·K) gegenüber ungefähr 1 kJ/(kg·K)). Es kann somit relativ wenig Wasser bereits ein starkes Absinken der Temperatur während der Gasexpansion verhindern. Beispielrechnung mit Wasser und Luft: Wenn 1 Kilogramm Druckluft (vereinfacht und idealisiert gerechnet) von 293 K (20°C) und 60 bar (das sind dann ungefähr 12,9 Liter Druckluft) adiabatisch auf 1 bar expandiert würde, so würde ihr Volumen dabei gemäß der Gleichung um das 18,6-fache zunehmen. On the amount of liquid and its temperature can be too strong a decrease in the mixture temperature gas / liquid in the expansion space prevent. Above all, water or aqueous solutions prove to be very cheap here! By weight, water has about four times greater heat capacity than air (about 4.2 kJ / (kg · K) versus about 1 kJ / (kg · K)). Thus, relatively little water can already prevent a sharp drop in temperature during gas expansion. Example calculation with water and air: If 1 kilogram of compressed air (simplified and idealized) of 293 K (20 ° C) and 60 bar (that is about 12.9 liters of compressed air) adiabatically expanded to 1 bar, so would their volume according to the equation increase by 18.6 times.
Für die Temperatur nach einer adiabatischen Expansion gilt die Gleichung For the temperature after adiabatic expansion, the equation holds
Somit beträgt die Temperatur Thus, the temperature is
Die expandierte Luft hätte somit ungefähr 202 Grad Temperatur verloren. Zur Erwärmung dieses einen Kilos kalter 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 oder von 30°C auf 20°C abgekühlt würden, oder von 10 Kilo Wasser, die von 20°C auf 15°C oder von 25°C auf 20°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 ungefähr 10°C erwärmt, so würde (bei konstant gehaltenem Volumen) ihr Druck ansteigen, und zwar näherungsweise gemäß der allgemeinen Gasgleichung. Da der Druck bei konstantem Volumen der absoluten Temperatur proportional ist, stünde die Luft dann unter einem Druck von 283/90,9·1 bar = 3,11 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 der Luft (spätestens aber vor Ende der Expansion) das Wasser zugeführt wird. Je größer der Temperaturunterschied zwischen der Druckluft und dem Wasser ist, umso schneller läuft der Wärmeübergang vom Wasser an die Luft ab. Man verliert auch 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. Wie bereits erwähnt könnte aber das temperierende Wasser auch durch Abwärme oder Überschußenergie aus Zeiten von Überproduktion aufgeheizt worden sein, so daß sogar eine höhere Energie aus der gespeicherten Druckluftenergie gewonnen werden könnte, weil ein Teil der thermischen Überschußenergie ebenfalls in mechanische Energie umgewandelt würde! Es ist dies der zuvor als Hyperthermie definierte Fall der Quasiisothermie. The expanded air would thus have lost about 202 degrees of temperature. To heat up that one kilo of cold air to about 283 K (10 ° C) you needed about 200 kilojoules. This amount of heat could be emitted from about 5 kilos of water, which would thereby be cooled from 20 ° C to 10 ° C or from 30 ° C to 20 ° C, or 10 kilos of water, from 20 ° C to 15 ° C or from 25 ° C to 20 ° C, or 1 kilo of water, which would be cooled from 70 ° C to 20 ° C. If the adiabatically expanded air were reheated to approximately 10 ° C by mixing with water, its pressure would increase (with the volume held constant), approximately in accordance with the general gas equation. Since the pressure at constant volume is proportional to the absolute temperature, the air would then be under a pressure of 283 / 90.9 · 1 bar = 3.11 bar. It could then be expanded again adiabatically to 1 bar, where it cooled down a bit (but much less than before), then heated again by means of water, etc., until at the end air at 1 bar at a temperature of 10 ° C would have , These many processes connected in series can be combined into a single one in which the water is already supplied during the expansion of the air (but at the latest before the end of the expansion). The greater the temperature difference between the compressed air and the water, the faster the heat transfer from the water to the air. It also loses efficiency because the water would have to be brought to the elevated temperature beforehand, whereas water from ambient temperature (seasonal fluctuating) would always be available without energy consumption. As already mentioned, however, the tempering water could also have been heated by waste heat or excess energy from times of overproduction, so that even a higher energy could be obtained from the stored compressed air energy because part of the thermal excess energy would also be converted into mechanical energy! This is the case of quasi-isothermia previously defined as hyperthermia.
Eine andere Möglichkeit, eine annähernde Isothermie des expandierenden Gases zu erreichen, ist, den Expansionsraum mit einem wärmespeichernden Feststoff so zu füllen, daß die Flüssigkeit ohne große Reibung durch Hohlräume in ihm hindurchfließen kann, während das Druckgas expandiert und dabei die Flüssigkeit aus dem Expansionsraum verdrängt! Der Feststoff hat hier zwei Funktionen: er temperiert das expandierende Druckgas, und er ist an seiner Oberfläche Träger von Flüssigkeit, die ebenfalls das expandierende Druckgas temperiert. Die Flüssigkeit trieft dabei vom Feststoff herab und berieselt so das expandierende Druckgas. Am Gas abgekühlt, tropft es wieder auf den Feststoff und erwärmt sich als dünner Flüssigkeitfilm dort sehr schnell und kann dann erneut expandierendes Druckgas temperieren. Eigentlich ist sogar die meiste Zeit des Expansionsvorganges ein dünner Flüssigkeitsfilm Überträger von Wärme zwischen Feststoff und Gas. Bei dem Feststoff kann es sich z.B. einfach um eine grobe Felsschüttung handeln, die auch die Wand des Expansionsraumes zu stabilisieren hilft, falls dieser unterirdisch sein sollte. Um den Hohlraumanteil zu erhöhen (dann kann der Druckbehälter nämlich kleiner sein und ist dann einfacher stabil zu bauen), können auch künstlich geschaffene Gebilde, z.B. Betonrohrteile, als Schüttung verwendet werden. Es können aber auch z.B. wabenförmige Konstruktionen oder speziell geschichtete künstliche Körper errichtet werden. Rasengittersteine, gestapelt, ergeben ebenfalls größere Hohlraumanteile, und noch größere, wenn sie geschüttet werden. Der Wärmegehalt des Feststoffs liefert die Wärme, die zur Aufrechterhaltung der Quasiisothermie nötig ist, dabei kühlt sich der Feststoff bei der Duckgasexpansion etwas ab. Er wird jedesmal wieder erwärmt, wenn der Expansionsraum erneut mit Flüssigkeit (die eine höhere Temperatur als der Feststoff hat) gefüllt wird. Da in einem solchen Expansionsraum die Gaszirkulation stark vermindert ist, ist es von Vorteil, wenn der Feststoff im oberen Bereich des Expansionsraumes eine größere relative Oberfläche aufweist als im unteren. Denn dann wird auch der obere Gasanteil, der bei der Expansion nur mit wenig neuem Feststoff in Kontakt kommt, noch gut temperiert. Im Falle einer Gesteinsschüttung bedeutet dies z.B. eine geringere Korngröße. Damit aber die feineren Körner nicht in die darunterliegenden größeren absacken und deren Hohlraumanteil verringern, sind vorzugsweise gut flüssigkeitsdurchlassende Trennschichten notwendig, z.B. Netze oder Maschendraht mit einer Maschenweite, die geringer ist als die Korngröße. Die Gesteinskörnungen können nacheinander schichtweise in den Expansionsraum mit Trennschichten der geeigneten Maschenweite eingebracht werden, oder es werden ganze Säcke des Gesteins in den Expansionsraum eingebracht, wobei das Sackmaterial ein Netz ist. Das Netz kann aus Kunststoff sein, es kann aber auch aus Metall sein und z.B. auch eine Gabione sein. Gabionen lassen sich auch unter Erzeugung noch größerer Hohlraumanteile stapeln. Another way to achieve an approximate isotherm of the expanding gas is to fill the expansion space with a heat-storing solid so that the liquid can flow through it without cavities in it, while the compressed gas expands, thereby displacing the liquid from the expansion space ! The solid has two functions: it tempered the expanding compressed gas, and it is on its surface carrier of liquid, which also tempered the expanding compressed gas. The liquid drips down from the solid and thus sprinkles the expanding compressed gas. When cooled down, it drips again onto the solid and, as a thin liquid film, heats up very quickly there and can then temper again expanding compressed gas. In fact, even most of the expansion process, a thin liquid film is a carrier of heat between solid and gas. The solid may be e.g. simply act around a coarse pile of rock, which also helps stabilize the wall of the expansion space, if it should be underground. In order to increase the void fraction (the pressure vessel may then be smaller and then easier to build stably), artificially created structures, e.g. Concrete pipe parts to be used as a bed. But it can also be e.g. honeycomb structures or specially layered artificial bodies are erected. Grass pavers, stacked, also result in larger voids, and even larger, when poured. The heat content of the solid provides the heat necessary to maintain quasi-isothermicity, with the solid cooling slightly during the expansion of the duckg gas. It is reheated each time the expansion space is refilled with liquid (which has a higher temperature than the solid). Since in such an expansion space, the gas circulation is greatly reduced, it is advantageous if the solid in the upper region of the expansion space has a larger relative surface area than in the lower. Because then the upper gas content, which comes in the expansion with only a little new solid in contact, still tempered well. In the case of a rock bed, this means e.g. a smaller grain size. However, in order to prevent the finer grains from sagging into the underlying larger ones and reducing their void fraction, it is preferable to have well liquid-permeable separating layers, e.g. Mesh or wire mesh with a mesh size smaller than the grain size. The aggregates may be successively introduced layer by layer into the expansion space with separation layers of the appropriate mesh size, or whole sacks of the rock are introduced into the expansion space, the bag material being a net. The net can be made of plastic, but it can also be made of metal and e.g. also be a gabion. Gabions can also be stacked to produce even greater void fraction.
Wird das Druckgas in unterirdischen Speichern (z.B. Salzkavernen) gespeichert, so hat es 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. When the compressed gas is stored in underground reservoirs (eg salt caverns), it has a temperature that is at least the temperature of the surrounding soil at that depth (plus residual heat because the compression is not completely isothermal, or intentionally not isothermal performs). The heat of the compressed air in the underground storage depends on the so-called geothermal depth. On average, the temperature increases with the depth by about 3 degrees Celsius per 100 meters, in some areas more, in others less. At a depth of 600 meters, temperatures of about 30 degrees Celsius are expected on average.
Beispielrechnung einer Temperierung von expandierender Luft durch Wasser: Wenn 13 Liter Druckluft (60 bar) von 20°C (das sind ungefähr 1000 Gramm oder 34,5 Mol Luft) während der Expansion mit 8 Litern (ungefähr 8000 Gramm) feinverteiltem Wasser von 20°C vermischt würden, so entstünde also aus einer Mischung, in der Luft und Wasser anfangs volumenmäßig im Verhältnis 13:8 (ungefähr 1,5:1) gemischt wären, nach der fast isothermen Entspannung auf 1 bar eine Mischung von z.B. ungefähr 10°C, in der der Anteil von Luft zu Wasser volumenmäßig etwa 780:8 = 97:1 betrüge. (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 verdunstet ja etwas Wasser bis 100% relative Luftfeuchtigkeit erreicht ist!) Sinnvollerweise wird das Wasser aber nicht auf ein Mal zu Beginn des Expansionsvorganges zugesetzt, sondern kontinuierlich oder in kleinen Intervallen während des gesamten Expansionsvorganges. An der Energieerhaltung und Endtemperatur von Wasser und Luft ändert das aber nichts. Um beim früheren Beispiel eines Expansionsraumes von 10.000 Kubikmetern zu bleiben, in den anfangs 150 Kubikmeter Druckluft von 60 bar eingeleitet werden: Um diese 150 Kubikmeter Druckluft, die etwa 11500 Kilogramm wiegen, um nicht mehr als 10 Grad abkühlen zu lassen, sind ungefähr 92000 Kilogramm Wasser (ungefähr 92 Kubikmeter) der gleichen Temperatur zum Temperieren nötig. Würden diese 92 Kubikmeter Wasser z.B. mit einem Überdruck von 3 bar, wie er in Wasserleitungsnetzen üblich ist, im Expansionsraum mittels Sprinklern versprüht (also dem unter Druck stehenden Bodenwasser im Expansionsraum entnommen und mit einem 3 bar höheren Druck oben wieder eingesprüht), so verbrauchte das eine Energie von W = p·V von 27,6 MJ, was deutlich weniger als 1% der in den 150 Kubikmetern Druckluft gespeicherten „isothermen Energie“ entspräche. Example calculation of a temperature control of expanding air by water: When 13 liters of compressed air (60 bar) of 20 ° C (that is about 1000 grams or 34.5 moles of air) during expansion with 8 liters (about 8000 grams) of finely divided water of 20 ° C would be mixed, so would arise from a mixture in the air and water initially in volume in the ratio 13: 8 (about 1.5: 1) would be mixed, after the almost isothermal relaxation to 1 bar, a mixture of, for example, about 10 ° C. in which the proportion of air to water in volume amounts to about 780: 8 = 97: 1. (However, this only if one assumes that no water from the liquid state into the gas phase passes, which is not strictly the case, because it evaporates so some water to 100% relative humidity is reached!) It makes sense, the water but not on added once at the beginning of the expansion process, but continuously or at small intervals throughout the expansion process. At the conservation of energy and final temperature of water and air that does not change anything. To stay with the earlier example of an expansion chamber of 10,000 cubic meters, into which initially 150 cubic meters of compressed air of 60 bar are introduced: To let this 150 cubic meters of compressed air, which weigh about 11,500 kilograms to cool not more than 10 degrees, are about 92,000 kilograms Water (about 92 cubic meters) of the same temperature for tempering necessary. If these 92 cubic meters of water, for example, with an overpressure of 3 bar, as is common in water networks, sprinkled in the expansion space by sprinklers (ie the pressurized soil water removed in the expansion chamber and sprayed with a 3 bar higher pressure top again), so consumed that is, an energy of W = p · V of 27.6 MJ, which would be significantly less than 1% of the "isothermal energy" stored in the 150 cubic meters of compressed air.
Vorzugsweise finden Druckgasflüssigkeitskraftwerke ihre Anwendung direkt neben bereits bestehenden Wasserkraftwerken oder Pumpspeicherkraftwerken, bzw. sie sind dann Bestandteil derselben. Preferably, pressurized gas liquid power plants find their application directly next to existing hydroelectric power plants or pumped storage power plants, or they are then part of the same.
Ein erfindungsgemäßes Druckgasflüssigkeitskraftwerk wird dann dazu benutzt, Wasser, welches im konventionellen Pumpspeicherkraftwerk herabgestürzt ist und Energie erzeugt hat, wieder nach oben in den Speichersee zu befördern (direkt mittels mechanischer Pumpen oder über den Zwischenschritt der elektrischen Energie und Antrieb elektrischer Pumpen). Dies hat den Vorteil, daß das erfindungsgemäße Druckgasflüssigkeitskraftwerk nicht genau in seiner Leistung geregelt sein muß. Es muß nur über einen langen Zeitraum hinweg betrachtet den Speichersee immer hinreichend voll halten. Die ausgereiften, in ihrer Abgabeleistung regelbaren Generatoren des Pumpspeicherkraftwerks bzw. Wasserkraftwerkes sind es dann, die elektrische Energie genau geregelt ins elektrische Netz einspeisen. Der relativ konstante Wasserspiegel des Sees ermöglicht diese genaue Regelung! Dadurch verbilligen sich die erfindungsgemäßen Druckgasflüssigkeitskraftwerke, weil sie keine teure exakte Leistungssteuerung benötigen! Diese ist ja bereits am Speicherseekraftwerk vorhanden! Besonders bevorzugt für solch einen Fall ist natürlich die Verwendung von Wasser als Flüssigkeit und Luft als Gas. Der Speichersee kann dann zusätzlich zur Lageenergiespeicherung auch als ein sehr großes thermisches Reservoir an Flüssigkeit für ein solches Druckluftwasserkraftwerk verwendet werden. Da solche Druckgasflüssigkeitskraftwerke mit angehängtem Speichersee nur eine begrenzte Wassermenge benötigen, die durch Druckgasenergie im Kreisprozeß geführt wird, ermöglichen es Druckgasflüssigkeitskraftwerke dieser Art, die Wasserturbinen des Speichersees so lange laufen zulassen, bis die Druckgasenergie aufgebraucht ist. Hierzu sind prinzipiell nur relativ 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 bevorzugt mit Hilfe überschüssiger regenerativer Energie mit Druckluft gefüllt werden. (Oberirdische Druckgasspeicher sind natürlich auch möglich, aber meist teurer.) Bei Energiebedarf im Stromnetz fangen nun die Wasserkraftwerke an, elektrische Energie zu erzeugen, wobei gleichzeitig oder auch erst etwas später das Druckgasflüssigkeitskraftwerk die hochgelegenen Wasserspeicher immer wieder mit Wasser auffüllt, so daß diese so lange Wasser enthalten, wie hinreichend Druckgasenergie verfügbar ist, diese aufzufüllen. Um nicht nur über längere Zeit hinweg aus den Pumpspeicherkraftwerken elektrische Energie abzapfen zu können, sondern auch bei Bedarf eine höhere Leistung, ist es sinnvoll, die Pumpspeicherkraftwerke leistungsmäßig auszubauen, z.B. mehr Fallrohre und Turbinen anzulegen. Dies ist möglich, weil das Wasser des Speichersees ständig durch Druckgasenergie nachgefüllt wird. Es ist also auch zur Leistungssteigerung nicht nötig, mehr umweltbeeinträchtigende Pumpspeicherseen anzulegen! A pressurized gas liquid power plant according to the invention is then used to transport water which has fallen down in the conventional pumped storage power station and has generated energy back up into the storage lake (directly by means of mechanical pumps or via the intermediate step of electrical energy and drive of electric pumps). This has the advantage that the compressed gas liquid power plant according to the invention does not have to be regulated exactly in its performance. It only has to keep the storage lake sufficiently full for a long period of time. The matured, adjustable in their power output generators pumped storage power plant or hydroelectric power plant, it is then fed exactly regulated electrical energy into the electrical grid. The relatively constant water level of the lake allows this exact regulation! As a result, the compressed gas liquid power plants according to the invention become cheaper because they do not require expensive exact power control! This is already available at the storage lake power plant! Of course, particularly preferred for such a case is the use of water as liquid and air as gas. The storage lake can then also be used as a very large thermal reservoir of liquid for such a compressed air water power plant in addition to the storage of location energy. Since such compressed gas liquid power plants with attached storage lake require only a limited amount of water, which is guided by pressurized gas energy in the cycle, allow pressurized gas liquid power plants of this type, the water turbines of the reservoir allow run until the compressed gas energy is used up. For this purpose, in principle only relatively small water reservoirs are needed, which do not even have to be designed as aboveground lakes, but also, environmentally harmless and invisible, high-altitude underground caverns can be. According to the invention, in addition to existing hydroelectric power plants and pumped storage power plants, compressed air-tight underground caverns can be produced, which are preferably filled with compressed air with the aid of excess regenerative energy. (Above-ground compressed gas storage are of course also possible, but usually more expensive.) When energy needs in the power grid now start the hydroelectric power plants to generate electrical energy, while or later, the pressurized gas liquid power plant, the high-altitude reservoir repeatedly filled with water, so that they are so Long water will contain how much pressurized gas energy is available to replenish it. In order to not only be able to draw off electrical energy from the pumped-storage power plants over a longer period of time, but also to increase the power if required, it makes sense to expand the pumped-storage power plants in terms of performance, e.g. create more downpipes and turbines. This is possible because the water of the reservoir is constantly refilled by compressed gas energy. So it is not necessary to increase the performance, create more environmentally damaging pumped storage lakes!
Für den Fall, daß ein erfindungsgemäßes Druckgasflüssigkeitskraftwerk ohne daneben vorhandenem Pumpspeicherkraftwerk eingesetzt werden soll, wird die Leistungsabgabe durch Steuerung der Durchflußgeschwindigkeit durch die Arbeitsmaschine, meistens eine Turbine, geregelt, wodurch automatisch auch die Expansionsgeschwindigkeit des Druckgases im Expansionsraum geregelt wird. Bei Druckgasflüssigkeitskraftwerken mit mehr als einem Expansionsraum vergleichmäßigt sich die Leistungsabgabe, indem sich Ungleichmäßigkeiten bei der Ausdehnung in den unterschiedlichen Expansionsräumen teilweise ausmitteln, ähnlich, wie es ja auch bei Mehrzylindermotoren der Fall ist. Es ist aber auch möglich, die Regelung dadurch zu vereinfachen, daß man das Kraftwerk mit einem oder mehreren Energiespeichern (in diesem Falle keine Pumpspeicher) koppelt, die zeitweise Überschüsse aufnehmen und diese bei einem Leistungsdefizit der Arbeitsmaschine wieder abgeben. Diese Energiespeicher zum Leistungsausgleich müssen nicht groß sein, so daß sie nicht teuer sind. Es kann sich bei ihnen z.B. um einen Schwungradspeicher handeln oder auch um einen Hubspeicher oder Federspeicher. Auch ist es möglich, kurzzeitige Energieübeschüsse wieder zum Komprimieren von Druckgas und Einspeisen desselben in den Druckgasspeicher zu verwenden. Oder die Energiespitzen werden zum Aufheizen der temperierenden Flüssigkeit verwendet. Prinzipiell sind auch Batteriespeicher möglich, so wie auch andere nicht zu teure Speicherarten mit der Möglichkeit der schnellen Ein- und Auskopplung von Energie. In the event that a pressurized gas liquid power plant according to the invention is to be used without existing pumped storage power plant, the power output is controlled by controlling the flow rate through the working machine, usually a turbine, whereby automatically the expansion speed of the pressurized gas is controlled in the expansion space. In pressurized gas liquid power plants having more than one expansion space, the output is made uniform by partially compensating for unevenness in expansion in the different expansion spaces, similarly to the case of multi-cylinder engines. But it is also possible to simplify the scheme by coupling the power plant with one or more energy storage devices (in this case no pumped storage tanks), which temporarily absorb surpluses and release them again in the event of a power shortage of the working machine. These energy storage for power balancing need not be large, so that they are not expensive. It may be with them e.g. to act a flywheel storage or to a Hubspeicher or spring storage. It is also possible to use short time Energieübeschüsse again for compressing compressed gas and feeding it into the compressed gas storage. Or the energy peaks are used to heat the tempering liquid. In principle, battery storage is possible, as well as other not too expensive memory types with the possibility of fast coupling and decoupling of energy.
Ein erfindungsgemäßes Druckgasflüssigkeitskraftwerk weist vorzugsweise im Gasraum des Expansionsraumes mindestens einen Temperaturmeßfühler auf. Der Temperaturmeßfühler kann dabei aber auch ein Infrarotmeßgerät sein oder auch ein Laser ähnlich LIDAR, der Temperaturen und auch Strömungen auch an Stellen entfernt von der Vorrichtung zu messen gestattet. Der Temperaturmeßfühler befindet sich vorzugsweise in dem Volumen des Expansionsraumes, der zu Beginn eines Expansionszyklus mit noch nicht expandiertem Druckgas befüllt ist, denn in diesem Gasvolumen findet im Falle einer Abwesenheit von Konvektion auch die größte Temperaturänderung statt. Der oder die Temperaturfühler sollten vorzugsweise nicht ständig mit temperierender Flüssigkeit in Kontakt kommen, sondern im Falle einer temperierende Flüssigkeit einsprühenden Sprühvorrichtung mit einer gegen die Richtung der Sprühvorrichtung angebrachten Abdeckung versehen sein, damit die temperierende Flüssigkeit nicht dauernd den Temperaturmeßfühler erwärmt. Im Falle von temperierenden Berieselungswannen wäre der Temperaturfühler nach oben z.B. mit einer Art „Lampenschirm“ von der temperierenden Flüssigkeit geschützt. Vorzugsweise enthält der Expansionsraum auch noch einen Druckfühler. Dieser kann sich im Gasraum oder im Flüssigkeitsraum befinden, vorzugsweise aber an einem Ort mit geringer Strömungsgeschwindigkeit, da diese die Druckmessung beeinflußt (Bernoulli). An inventive compressed gas liquid power plant preferably has at least one temperature sensor in the gas space of the expansion space. However, the temperature sensor can also be an infrared measuring device or else a laser similar to LIDAR, which allows temperatures and also flows to be measured even at points away from the device. The temperature sensor is preferably in the volume of the expansion space, which is filled at the beginning of an expansion cycle with not yet expanded compressed gas, because in this gas volume takes place in the absence of convection and the largest temperature change. The temperature sensor (s) should preferably not be constantly with but in the case of a tempering liquid spraying spray device be provided with a mounted against the direction of the spray device cover so that the temperature-controlling liquid does not constantly heated the temperature. In the case of tempering sprinkler baths, the temperature sensor would be protected upwards, for example with a kind of "lampshade" of the tempering liquid. Preferably, the expansion chamber also contains a pressure sensor. This may be located in the gas space or in the liquid space, but preferably in a location with low flow velocity, since this affects the pressure measurement (Bernoulli).
Weiterhin weist das erfindungsgemäße Druckgasflüssigkeitskraftwerk eine automatische Regelvorrichtung auf, die aus den Meßwerten des mindestens einen Temperaturmeßfühlers und eventuell auch eines Druckfühlers die Leistungsabgabe des Druckgasflüssigkeitskraftwerks zu regeln gestattet. Die Leistungsabgabe wird über die Durchflußmenge durch die Arbeitsmaschine in Abhängigkeit vom gerade im Expansionsraum vorherrschenden Druck geregelt. Die Regelvorrichtung vermindert automatisch den Durchfluß durch die Arbeitsmaschine, wenn Meßwerte des mindestens einen Temperaturmeßfühlers anzeigen, daß der eingespeicherte Definitionswert der Quasiisothermie überschritten würde und der Wirkungsgrad daher zu stark abnähme. Vorzugsweise ist in der Regelvorrichtung aber nicht nur ein einziger Definitionswert der Quasiisothermie eingespeichert, der mit einem bestimmten minimalen akzeptablen Wirkungsgrad verbunden ist, sondern es sind mindestens zwei Definitionswerte abgespeichert! Dies erlaubt es der Regelvorrichtung bei ausnahmsweise kurzzeitiger hoher Leistungsanforderung des Stromnetzes, auch diese durch das Druckgasflüssigkeitskraftwerk zu bedienen. Die Regelvorrichtung akzeptiert dann kurzfristig auch eine geringere Qualitätsanforderung an die Quasiisothermie und ermöglicht einen deutlich vermehrten Durchfluß von Flüssigkeit durch die Arbeitsmaschine, allerdings bei verringertem Wirkungsgrad! Die Gastemperatur im Expansionsraum darf in diesen Ausnahmefällen dann niedriger sein, als im Regelfall. Eine weitere Option der Regelvorrichtung ist es, die eingesprühte Menge an Temperierflüssigkeit zu erhöhen oder die Temperierflüssigkeit, die die kleinen Gasbehälter von Variante B umgibt, in verstärkte Konvektion zu versetzen, so daß sich die Wärmeübertragung zwischen Gas und Flüssigkeit erhöht und die Quasiisothermie wieder besser erfüllt wird. In einer Variante der Erfindung erlaubt die Regelvorrichtung zusätzlich auch einen Notbetrieb im fast volladiabatischen Bereich. Technisch ist das erfindungsgemäße Druckgasflüssigkeitskraftwerk nämlich (anders als Druckluftkraftwerke mit Gasturbine) in der Lage, dies schadlos zu überstehen, denn alle Abkühlungen im Expansionsraum wirken sich (abgesehen vom erniedrigten Wirkungsgrad!) nicht schädigend auf die Arbeitsmaschine aus, da das Gas gar nicht in die Arbeitsmaschine eindringt. Nach der erneuten Befüllung des Expansionsraumes mit Flüssigkeit sind auch die zuvor durch das kalte Gas abgekühlten Bereiche sehr schnell wieder auf Flüssigkeitstemperatur hochtemperiert! Furthermore, the pressurized gas liquid power plant according to the invention has an automatic control device, which allows to regulate the power output of the pressurized gas liquid power plant from the measured values of the at least one temperature sensor and possibly also a pressure sensor. The power output is controlled by the flow rate through the work machine depending on the prevailing pressure in the expansion space. The control device automatically reduces the flow through the working machine, if measured values of the at least one temperature sensor indicate that the stored definition value of the quasi-isotherm would be exceeded and the efficiency therefore decreases too much. Preferably, however, not only a single definition value of quasi-isothermia is stored in the control device, which value is associated with a certain minimum acceptable efficiency, but at least two definition values are stored! This allows the control device in exceptionally short-term high power requirement of the power grid to serve them through the compressed gas liquid power plant. The control device then accepted in the short term, a lower quality requirement for the Quasiisothermie and allows a significantly increased flow of liquid through the machine, but at a reduced efficiency! The gas temperature in the expansion area may then be lower in these exceptional cases, as a rule. Another option of the control device is to increase the sprayed amount of heat transfer fluid or the tempering, which surrounds the small gas tank variant B in reinforced convection, so that increases the heat transfer between gas and liquid and the quasi-isothermal again better fulfilled becomes. In a variant of the invention, the control device also allows an emergency operation in almost fully adiabatic area. Technically, the compressed gas liquid power plant according to the invention namely (unlike compressed air power plants with gas turbine) able to withstand this harmless, because all the cooling in the expansion space affect (apart from the reduced efficiency!) Not harmful to the working machine, since the gas is not in the Work machine penetrates. After refilling the expansion chamber with liquid, the areas previously cooled by the cold gas are again heated to high liquid temperature very quickly!
Zum Speicherbetrieb des Druckgasflüssigkeitskraftwerks:
Wie schon bei der Expansion, so ist auch für die Kompression des Gases eine isotherme Kompression thermodynamisch am günstigsten! Das erfindungsgemäße Druckgasflüssigkeitskraftwerk kann aber sowohl mit isotherm bzw. quasiisotherm komprimiertem Druckgas als auch anderweitig, z.B. mehrstufig adiabatisch, komprimiertem Druckgas betrieben werden. 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 die Flüssigkeit geführt werden. Oder die Wärmeabgabe erfolgt durch direkten Kontakt zwischen erwärmtem Gas und Flüssigkeit. Hierzu wird das unter Druck stehende Gas direkt in die in einem Druckbehälter befindliche Flüssigkeit eingeblasen, an der es dann entlangströmt. Geeignet hierfür sind vor allem turmartige Gebilde ähnlich den als Stand der Technik beschriebenen Gaswäschern, in denen das Gas unten eintritt, entgegen der Schwerkraft aufsteigt und die Flüssigkeit hierdurch auch noch gut durchmischt, und dann oben austritt. Die Flüssigkeit in diesen Direktwärmetauschern steht unter dem Druck des komprimierten Gases. Bei mehrstufiger Kompression des Gases steht z.B. hinter jeder Kompressionsstufe ein solcher Direktwärmetauscher und der hinterste in der Reihe steht in Verbindung mit und unter dem Druck des Druckgasspeichers. Hinter der Kompressionsmaschine und vor dem Direktwärmetauscher befindet sich vorzugsweise mindestens ein Rückschlagventil, das ein Zurückströmen von Flüssigkeit in die Kompressionsmaschine verhindert. Vorteilhaft ist zur weiteren Sicherheit 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 von durch Wasser befeuchteter Luft durch übliche Gastrocknungsmethoden vor Eintritt in einen Druckluftspeicher ist nicht unbedingt nötig, vor allem, wenn die Wandungen des Druckluftspeichers wasserunempfindlich sind (z.B. Fels) oder hinreichend dick sind (z.B. Salzkaverne). In langen Zeitabständen könnte dann Wasser oder Sole, die sich am Boden angesammelt hat, abgepumpt werden. For storage operation of the pressurized gas liquid power plant:
As with the expansion, isothermal compression is thermodynamically most favorable for the compression of the gas! However, the compressed gas liquid power plant according to the invention can be operated both with isothermally or quasi-isothermally compressed compressed gas and otherwise, for example multi-stage adiabatic, compressed compressed gas. The delivery of heat to the liquid (preferably water) resulting from the approximate isothermal compression of the gas (preferably air) occurs either indirectly via conventional gas heat exchangers described in the prior art, most simply tubes which are passed through the liquid. Or the heat is released by direct contact between heated gas and liquid. For this purpose, the pressurized gas is injected directly into the liquid in a pressure vessel, where it then flows along. Suitable for this purpose are, above all, tower-like structures similar to the gas scrubbers described in the prior art, in which the gas enters at the bottom, rises against gravity, and the fluid thereby also mixes well, and then exits at the top. The liquid in these direct heat exchangers is under the pressure of the compressed gas. In the case of multi-stage compression of the gas, for example, such a direct heat exchanger is located behind each compression stage and the rearmost in the series is in connection with and under the pressure of the compressed gas storage. Behind the compression machine and before the direct heat exchanger is preferably at least one check valve, which prevents backflow of liquid into the compression machine. A further advantage for further safety is a non-return valve between the compression machine and the direct heat exchanger in which any water flowing back is collected before it can reach the compression machine. The high pressure direct heat exchanger is preferably underground. Drying of water humidified air by conventional gas drying methods prior to entry into a compressed air storage is not absolutely necessary, especially if the walls of the compressed air reservoir are insensitive to water (eg rock) or sufficiently thick (eg salt cavern). At long intervals, water or brine that has accumulated on the floor could then be pumped out.
Ein angenähert isotherm geführtes Druckgasflüssigkeitskraftwerk (z.B. Druckluftwasserkraftwerk) kann auch mit Druckgas (z.B. Druckluft) von wesentlich höherem Druck betrieben werden, als die bislang angedachten ein- oder mehrstufigen adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerke! Der Grund hierfür liegt darin, daß sämtliche Kompressionswärme einfach bei niedriger Temperatur relativ zeitnah während des Komprimierens abgeführt wird und das Druckgas nie hohe, die Behältnisse/Leitungen oder Arbeitsmaschinen belastende Temperaturen aufweist! Denn es ist die Kombination aus hoher Temperatur und gleichzeitig hohem Druck, die die Beherrschbarkeit materialtechnisch so schwierig macht! So kann Gas (z.B. Luft) auch angenähert isotherm ein- oder mehrstufig auf z.B. ungefähr 300 bar komprimiert werden. Für die isotherme Volumenarbeit eines idealen Gases gilt:
Beispielrechnung für Luft: 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 170.000 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 isotherme 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 hohen Druckes 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. Ausgebeutete Erdgaslagerstätten können z.B. bis zu Drücken von 300 bar gefüllt werden! Example calculation for air: Accordingly, e.g. 300 cubic meters of air of 1 bar, which were isothermally compressed to 1 cubic meter at 300 bar, based on a subsequent isothermal expansion to 1 bar again an energy of about 30,000 kJ · ln300 = 170,000 kJ. The energy density of the compressed air of 300 bar is therefore 170,000 kJ per cubic meter for an isothermal expansion. 300 cubic meters of air, which were isothermally compressed from 1 bar to 60 bar and then occupy 5 cubic meters, based on a later isothermal expansion to 1 bar again, an energy of about 30,000 kJ · ln60 = 123,000 kJ. However, these occupy 5 times the volume, so that the energy density of the compressed air of 60 bar only about 25,000 kJ per cubic meter. This means that the energy density at 300 bar is almost 7 times as high as 60 bar! Thus, at 300 bar, a compressed air reservoir of 100,000 cubic meters accommodates an approximately 17 billion kilojoules (17 trillion joules) of energy recoverable through an isothermal process versus only 2.5 billion kilojoules (2.5 trillion joules) at 60 bar. 17 trillion joules corresponds to the potential energy of 1.7 trillion kilograms (1.7 billion tons) in 1 meter height or 17 million cubic meters of water in a 100 meter high storage lake! This is after all a reservoir lake of 1 square kilometer area and 17 meters average depth! It can be seen that by relatively small underground compressed air storage high pressure relatively large, landscape-consuming aboveground storage tanks can be replaced! It can also be seen that approximately isothermal compressed air storage power plants may have lower storage costs than adiabatic ones because they can operate at higher pressures. Exploited natural gas deposits may e.g. be filled up to pressures of 300 bar!
Nicht alle Arten von Kavernen sind aber unter hohen Drücken dicht. Besonders dicht sind zwar auch Salzkavernen, doch kann man diese nur bis etwa 80 bar belasten. Nimmt man (analog wie beim Projekt ADELE eines adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerkes) einen Druckluftspeicher in einer Salzkaverne von 500.000 Kubikmetern an, der ungefähr unter 60 bar steht und aus dem 10% entladen werden (Arbeitsbereich ungefähr 57 bis 63 bar), so werden gemäß der Erfindung einigermaßen isotherm ungefähr 50.000 Kubikmeter Druckluft mit einem durchschnittlichen Druck von etwa 60 bar entnommen und später wieder eingespeist. Diese 50.000 Kubikmeter von etwa 60 bar entsprechen etwa 3.000.000 Kubikmetern von 1 bar. Not all types of caverns are dense under high pressures. Although salt caverns are particularly dense, they can only be loaded up to about 80 bar. Assuming (analogous to the ADELE project of an adiabatic compressed air storage power plant) a compressed air reservoir in a salt cavern of 500,000 cubic meters, which is approximately below 60 bar and unloaded from the 10% (working range about 57 to 63 bar), so according to the invention reasonably isothermally extracted about 50,000 cubic meters of compressed air with an average pressure of about 60 bar and fed back later. These 50,000 cubic meters of about 60 bar correspond to about 3,000,000 cubic meters of 1 bar.
Diese 3.000.000 Kubikmeter Luft wiegen ungefähr 3.900.000 Kilogramm. Eine isotherme Kompression (die, was den thermodynamischen Wirkungsgrad angeht, günstigste Art der Kompression) dieser Gasmenge benötigt ebenso viel Energie, wie sie später bei isothermer Expansion wieder abgeben kann. Gemäß den zuvor angegebenen Zahlenwerten beträgt diese Energie für die 3.000.000 Kubikmeter bei isothermer Kompression bei 300 Kelvin auf einen Druck von 60 bar
Die Figuren zeigen schematisch einige mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung. The figures show schematically some possible embodiments of the invention.
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
Die
In den Figuren sind Leitungen
Der Druck der Flüssigkeit
Zum Füllen des Expansionsraumes E nach Beendigung eines Expansionszyklus fließt Flüssigkeit
In
Die Wiederbefüllung der Expansionsräume mit Flüssigkeit
In
In
Liegt der Flüssigkeitsspiegel im Reservoir R höher als in den Expansionsräumen (ansonsten verwendet man hierzu eine Pumpe), so kann durch einfaches Öffnen des Ventils VRE3 zwischen Reservoir R und Expansionsraum E3 und des Entgasungsventils VE1L am Expansionsraum E1 die Flüssigkeit aus dem Reservoir R in die Expansionsräume zurückfließen. Dies erfolgt in umgekehrter Reihenfolge wie bei der Gasexpansion, also von E3 nach E2 nach E1. Sind die Expansionsräume vollständig flüssigkeitsgefüllt, so werden die Ventile VE1L und VRE3 wieder geschlossen. Es ist auch möglich, die Expansionsräume gleichzeitig mit Flüssigkeit zu befüllen. Hierzu sollten aber alle Expansionsräume über Entgasungsventile verfügen und jeder Expansionsraum benötigt eine Verbindung zum Reservoir R. Prinzipiell kann die Wiederbefüllung auch über einen Bypass an der jeweiligen Arbeitsmaschine vorbei erfolgen. Man spart dann Rohrleitungen
If the liquid level in the reservoir R higher than in the expansion spaces (otherwise be used for this purpose, a pump), so, by simply opening the valve V RE3 between the reservoir R and the expansion chamber E3, and of the vent valve V E1L to the expansion compartment E1, the liquid from the reservoir R in the expansion spaces flow back. This is done in the reverse order of gas expansion, ie from E3 to E2 to E1. If the expansion chambers are completely filled with liquid, the valves V E1L and V RE3 are closed again. It is also possible to fill the expansion chambers with liquid at the same time. For this purpose, however, all expansion chambers should have degassing valves and each expansion space requires a connection to the reservoir R. In principle, the refilling can also take place via a bypass past the respective working machine. You then save pipes
Das Reservoir in den
In
Da die mechanische Leistung (die von einem Generator in elektrische Leistung umgewandelt werden kann) vom Druck und der durchströmenden Volumenmenge abhängt (es gilt ja dW = d(p + V), also die Änderung der Arbeit ist gleich der Änderung des Produktes aus Druck und Volumen), und der Druck anfangs sehr hoch und am Ende sehr niedrig ist, muß zwangsläufig auch die durch die Arbeitsmaschine strömende Flüssigkeitsmenge anfangs klein und am Ende dafür groß sein, wenn die Leistung konstant gehalten werden soll. Dies kann bei hierfür geeigneten Arbeitsmaschinen in einer einzigen Arbeitsmaschine durch Regelung des Durchflusses erzielt werden. Einfachere Arbeitsmaschinen ermöglichen aber nur eine Änderung des Durchflusses innerhalb eines engeren Bereiches, als erforderlich wäre. Für diesen Fall sieht die Erfindung vor, wie in der
Selbstverständlich ist es auch möglich, mit mehr als zwei Expansionsräumen zu arbeiten, die sich in ihrer Funktion als Expansionsräume E und Reservoirs R zeitlich ablösen. Wenn man eine bidirektionale Arbeitsmaschine zur Verfügung hat, so kann man auch zwei Arbeitsmaschinen zwischen zwei Expansionsräumen durch eine solche bidirektionale ersetzen. Of course, it is also possible to work with more than two expansion spaces, which replace each other in their function as expansion spaces E and R reservoir. If you have a bidirectional machine available, so you can also replace two machines between two expansion spaces by such a bidirectional.
In
In der
In
In
Anstatt einem zylindrischen Expansionsraum ist auch ein polygonaler Querschnitt möglich, vor allem bei nicht gar zu hohen Drücken. Je höher der Druck, um so mehr Ecken muß das Polygon aufweisen. Der Expansionsraum kann auch, ähnlich wie ein Faß, aus Teilsegmenten (“Dauben“) zusammengesetzt sein, die durch Spannmittel umfaßt und zusammengehalten werden. In
Die Befestigungen der Rohre Ko an der Wand des Expansionsraumes E und untereinander sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Kleingasbehälter Ko enthalten gegenüber der umgebenden Flüssigkeit kein Gas mit hohem Überdruck und müssen daher nicht starkwandig ausgeführt sein. Sie sollen sogar idealerweise so dünnwandig wie möglich sein, um einen guten Wärmeaustausch zwischen dem Gas im Kleingasbehälter Ko und der umgebenden Flüssigkeit zu ermöglichen. Das Material der Wand muß aber die Lastwechsel zwischen hohem Druck und niedrigem Druck aushalten können, was für die meisten Materialien, die kein oder wenig Gase enthalten, bei den verwendeten Druckbereichen der Fall ist. Gas, das sich unter Druck im Laufe vieler Arbeitszyklen mit der Zeit in der Flüssigkeit löst, wird hin und wieder ersetzt und erneut den Kleingasbehälter Ko zugeführt. Dies kann z.B. durch nicht dargestellte dünne Gasleitungen erfolgen, die von unten ein kleines Stück in das Rohr Ko hineinragen.
In diesem Fall wird der Vereisungsmantel VM durch externe Kühlung erzeugt. In der Figur geschieht dies durch geeignet angeordnete Gefrierlanzen. Die Gefrierlanzen befinden sich vorzugsweise näher am Expansionsraum E als an der Bauwerkswand
Die
Die Kleingasbehälter Kg schwimmen bei dieser Ausführung frei beweglich in der Flüssigkeit
Ist alles Gas
Ein isothermer Arbeitszyklus gemäß Variante A erzeugt also eine mechanische Arbeit von 5,094 + nRT, ein adiabatischer Arbeitszyklus eine solche von 2,724 + nRT. Damit verrichtet ein adiabatischer Arbeitszyklus im Falle einer Prozeßführung nach Variante A immerhin 53% der Arbeit eines isothermen Arbeitszyklus. Das bedeutet, daß ein Verfahren nach Variante A der Erfindung gegenüber einem solchen nach Variante B bei sonst gleicher Gastemperierung einen höheren Wirkungsgrad hat, da dem Verfahren nach Variante B die anfängliche isobare Arbeit fehlt!
- 1.) Die Druckgascharge wird mit 293 Kelvin bei 60 bar in den Expansionsraum eingebracht (Punkt Q1 im Diagramm). Anschließend wird Temperierflüssigkeit eingebracht/eingesprüht, wodurch die Gastemperatur auf 352 Kelvin ansteigt. Dadurch steigt auch der Druck des Gases, nämlich auf 72 bar (Punkt Q4 im Diagramm). Anschließend wird das Gas hypertherm bei 352 Kelvin expandiert, bis es bei 1 bar
ein Volumen von 72 Volumeneinheiten aufweist (von Punkt Q4 bis Punkt Q6). Vorteil dieser Vorgehensweise ist eine höhere Energieausbeute! Nachteil ist aber, daß der Expansionsraum auf den höheren Druck ausgelegt werden muß, also stabiler und damit teurer gebaut werden muß! - 2.) Die Druckgascharge wird mit 293 Kelvin bei 60 bar in den Expansionsraum eingebracht. Anschließend wird sie unter Einbringung von Temperierflüssigkeit isobar (bzw. quasiisobar) expandiert bis Punkt Q5. Ab dem Punkt Q5 findet anschließend eine normale hypertherme Expansion statt bis zum Punkt Q6 bei 72 Volumeneinheiten. Vorteil dieser Vorgehensweise ist, daß der Expansionsraum keine höheren Druckbeanspruchungen erfährt!
- 1.) The compressed gas charge is introduced with 293 Kelvin at 60 bar into the expansion space (point Q1 in the diagram). Subsequently, tempering liquid is introduced / sprayed, whereby the gas temperature rises to 352 Kelvin. This also increases the pressure of the gas, namely to 72 bar (point Q4 in the diagram). Subsequently, the gas is hypertherm expanded at 352 Kelvin until it has a volume of 72 volume units at 1 bar (from point Q4 to point Q6). Advantage of this procedure is a higher energy yield! Disadvantage is that the expansion space must be designed for the higher pressure, so it must be built more stable and therefore more expensive!
- 2.) The compressed gas charge is introduced at 293 Kelvin at 60 bar into the expansion space. Subsequently, it is isobar (or quasi-isobar) expanded with the introduction of tempering liquid to point Q5. From point Q5, normal hyperthermic expansion then takes place up to point Q6 at 72 volume units. Advantage of this procedure is that the expansion chamber does not experience higher pressure loads!
Die hypertherm gewonnene Arbeit aus der Gasexpansion gemäß 1.) beträgt gegenüber der Isotherme bei um 20% erhöhter Temperatur:
(Abwärme läßt sich hingegen in einem hyperthermen Kraftwerk nicht zu 100% nutzen, weil das Fluid mit der enthaltenen Abwärme nach einem Wärmetauscher (vorzugsweise Gegenstromwärmetauscher), in dem es Wärme an die Temperierflüssigkeit abgibt, immer noch die Temperatur aufweist, die der Temperatur der Flüssigkeit am Ende des Temperiervorganges entspricht und mit der diese in den Wärmetauscher einströmt. Eine fast 100%ige Umwandlung von Abwärme in mechanische Arbeit ist hingegen in einem isothermen, ungefähr bei Umgebungstemperatur arbeitenden Druckgasflüssigkeitskraftwerk möglich, da in einem solchen die Temperierflüssigkeit am Ende des Temperiervorganges ungefähr Umgebungstemperatur aufweist und mit Abwärme im Wärmetauscher mit fast 100% Wirkungsgrad wieder auf die spätere Einsprühtemperatur, die vorzugsweise der Temperatur des abwärmetragenden Fluides entspricht, erwärmt werden kann.)
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
- E, En E, E n
- Expansionsraum, Expansionsraum Nr. n mit n = 1, 2, 3, ... Expansion room, expansion room no. N with n = 1, 2, 3, ...
- D, Dn D, D n
- Druckgasspeicher, Druckgasspeicher Nr. n mit n = 1, 2, 3, ... Compressed gas storage, compressed gas storage n. N with n = 1, 2, 3, ...
- R, Rn R, R n
- Flüssigkeitsreservoir (offen oder geschlossen) mit n = 1, 2, 3, ...Liquid reservoir (open or closed) with n = 1, 2, 3, ...
- WR WR
-
Warmreservoir für Flüssigkeit
1 Warm reservoir forliquid 1 - A, An A, A n
- Arbeitsmaschine, Arbeitsmaschine Nr. n mit n = 1, 2, 3, ... Working machine, working machine No. n with n = 1, 2, 3, ...
- P P
- Pumpe pump
- T, Tn T, T n
- flüssigkeitsdurchlässige Trennschicht Nr. n mit n = 1, 2, 3, ...liquid-permeable separating layer No. n with n = 1, 2, 3, ...
- K K
- Kleingasbehälter Small gas containers
- B B
- Boden, „Erd“reich Soil, "earth" rich
- VM VM
- Vereisungsmantel icing jacket
- ZR ZR
- Zwischenreservoir eines Pumpspeicherkraftwerks Intermediate reservoir of a pumped storage power plant
- W W
- Berieselungswanne sprinkling tub
- S S
- Sprühvorrichtung/Sprinkler, Beregnungsvorrichtung Sprayer / sprinkler, sprinkler
- Ko K o
- Kleingasbehälter, unten offen Small gas tank, open at the bottom
- Kg K g
- Kleingasbehälter, geschlossen Small gas tank, closed
- PS PS
- Pumpspeicher, z.B. ein hochgelegener See Pumped storage, e.g. a high altitude lake
- PSK PSK
- Pumpspeicherkraftwerksanlage Pumped storage power plant
- VEA V EA
- Ventil zwischen Expansionsraum E und Arbeitsmaschine A Valve between expansion space E and work machine A
- VAR V AR
- Ventil zwischen Arbeitsmaschine A und Reservoir R Valve between working machine A and reservoir R
- VRE V RE
- Ventil zwischen Reservoir R und Expansionsraum E Valve between reservoir R and expansion space E
- VDE V DE
- Ventil zwischen Druckgasspeicher D und Expansionsraum E Valve between compressed gas storage D and expansion space E
- VEL V EL
- Ventil zwischen Expansionsraum und Umgebung („Luft“), Entgasungsventil Valve between expansion space and environment ("air"), degassing valve
- VRL V RL
- Ventil zwischen Reservoir R und Umgebung („Luft“) Valve between reservoir R and surroundings ("air")
- VEnAm V EnAm
- Ventil zwischen Expansionsraum E Nr. n und Arbeitsmaschine A Nr. m mit n, m = 1, 2, 3, ... Valve between expansion space E no. N and working machine A no. M with n, m = 1, 2, 3, ...
- VAnR V AnR
- Ventil zwischen Arbeitsmaschine A Nr. n und Reservoir R mit n = 1, 2, 3, ... Valve between working machine A no. N and reservoir R with n = 1, 2, 3, ...
- VREn V REn
- Ventil zwischen Reservoir R und Expansionsraum E Nr. n mit n = 1, 2, 3, ... Valve between reservoir R and expansion chamber E no. N with n = 1, 2, 3, ...
- VDEn V DEn
- Ventil zwischen Druckgasspeicher D und Expansionsraum E Nr. n mit n = 1, 2, 3, ...Valve between compressed gas reservoir D and expansion chamber E no. N with n = 1, 2, 3, ...
- VEnL V EnL
- Ventil zwischen Expansionsraum Nr. n und Umgebung („Luft“) mit n = 1, 2, 3, ... Valve between expansion room no. N and surroundings ("air") with n = 1, 2, 3, ...
- VRP V RP
- Ventil zwischen Reservoir R und Pumpe P Valve between reservoir R and pump P
- VEnEm V EnEm
- Ventil zwischen Expansionsraum E Nr. n und Expansionsraum E Nr. m mit n, m = 1, 2, 3, ... Valve between expansion space E no. N and expansion space E no. M with n, m = 1, 2, 3, ...
- VCK V CK
- Ventil zwischen Kompressor C und Kleingasbehältern Ko oder Kg Valve between compressor C and small gas tanks K o or K g
- VDK V DK
- Ventil zwischen Druckgasspeicher D und Kleingasbehältern Ko Valve between compressed gas reservoir D and small gas tanks K o
- VKL2 V KL2
- Ventil zwischen offenen Kleingasbehältern Ko und Umgebung („Luft“)Valve between open small gas tanks K o and surroundings ("air")
- VE1E2f V E1E2f
- Gas/Flüssigkeitsventil zwischen den Expansionsräumen E1 und E2 Gas / liquid valve between the expansion spaces E1 and E2
- VE2E3f V E2E3f
- Gas/Flüssigkeitsventil zwischen den Expansionsräumen E2 und E3 Gas / liquid valve between the expansion spaces E2 and E3
- 1 1
- Flüssigkeit liquid
- 2 2
- Gas gas
- 3 3
- Festkörperschüttung mit Leerräumen Solid bed with voids
- 4 4
- Steigrohr riser
- 5 5
- Erdoberfläche earth's surface
- 6 6
- Wärmeisolationsschicht Thermal insulation layer
- 7 7
- Gefrierlanze freeze lance
- 8 8th
- Leitung Flüssigkeit Lead liquid
- 9 9
- Leitung Gas Pipe gas
- 10 10
- Flüssigkeitsspiegel liquid level
- 11 11
- Bauwerkswand building wall
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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