DE102013218427B4

DE102013218427B4 - Verfahren zur Umsetzung thermischer Energie einer aus einem Auslass einer maritimen Hydrothermalquelle am Meeresboden aufsteigenden Heißwasserströmung in elektrische Energie

Info

Publication number: DE102013218427B4
Application number: DE102013218427.1A
Authority: DE
Inventors: Roland Rosta; Tim van Zoest; Pawel Ziolkowski
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-09-13
Filing date: 2013-09-13
Publication date: 2018-02-01
Anticipated expiration: 2033-09-14
Also published as: DE102013218427A1

Abstract

Verfahren zur Umsetzung thermischer Energie einer aus einem Auslass (16) einer maritimen Hydrothermalquelle (10) am Meeresboden (12) aufsteigenden Heißwasserströmung in elektrische Energie, wobei bei dem Verfahren – ein Gestell (14) mit einem von diesem gestützten Ringelement (18) bereitgestellt wird, – mindestens ein thermoelektrischer Generator (20) bereitgestellt wird, der eine Kaltkontaktfläche (22) und eine Warmkontaktfläche (24) sowie mindestens zwei Anschlüsse aufweist, zwischen denen eine Thermospannung erzeugbar ist, – der thermoelektrische Generator (20) derart angeordnet wird, dass seine Warmkontaktfläche (24) an dem Ringelement (18) angeordnet und thermisch mit diesem gekoppelt ist, und seine Kaltkontaktfläche (22) thermisch mit einem Wärmeleitelement (26) gekoppelt ist, und – das Gestell (14) auf dem Meeresboden (12) mit oberhalb des Auslasses (16) der Hydrothermalquelle (10) angeordnetem Ringelement (18) positioniert wird, wobei das Ringelement (18) von dem Heißwasser durchströmt wird und die Warmkontaktfläche (24) des thermoelektrischen Generators (20) vermittels des Ringelements (18) mit der Heißwasserströmung thermisch gekoppelt sowie die Kaltkontaktfläche (22) des thermoelektrischen Generators (20) vermittels des mindestens einen Wärmeleitelements (26) mit die Hydrothermalquelle (10) umgebendem Meerwasser thermisch gekoppelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Umsetzung thermischer Energie einer aus einem Auslass einer maritimen Hydrothermalquelle am Meeresboden aufsteigenden Heißwasserströmung in elektrische Energie.
Die Ausnutzung von Temperaturgradienten zur Erzeugung elektrischer Energie ist grundsätzlich bekannt. Beispielsweise arbeiten thermoelektrische Generatoren (TEG) nach diesem Prinzip. Ein thermoelektrischer Generator weist eine Kaltkontaktfläche und eine Warmkontaktfläche auf, die im Betrieb des Generators unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind. Über zwei Anschlüsse des thermoelektrischen Generators entsteht dann eine Spannung, nämlich die sogenannte Thermospannung.
Im Zusammenhang mit der Nutzung natürlicher Energiequellen, insbesondere Wärmeenergiequellen zur Umsetzung in elektrische Energie, sind auch schon Vorschläge unterbreitet worden, natürliche Wärmeenergiequellen zur Umsetzung thermischer Energie in elektrische Energie zu nutzen (siehe z. B. US 2009/0217664 , 8). Ferner hat man versucht (beispielsweise bei Geothermiequellen), die Wärme über ein Wärmemedium zum thermoelektrischen Generator zu transportieren, um dann dort elektrische Energie zu erzeugen.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Nutzung thermischer Energie zur Umsetzung in elektrische Energie weiter zu verbessern und insbesondere natürliche Energiequellen zu nutzen, die bisher noch nicht im Fokus dieses Betätigungsfeldes waren.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Umsetzung thermischer Energie einer aus einem Auslass einer maritimen Hydrothermalquelle am Meeresboden aufsteigenden Heißwasserströmung in elektrische Energie gemäß dem einzigen Patentanspruch vorgeschlagen.
Der erfindungsgemäße Ansatz ist also darin zu sehen, eine maritime o. dgl. Hydrothermalquelle zu nutzen, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierbei ist der thermoelektrische Generator mit einem Ringelement gekoppelt, das ein sich ggf. aufweitendes Rohr aufweist, durch das hindurch das warme/heiße Wasser strömt. Die Außenseite des Rohres ist dann dem kalten Wasser nahe dem Meeresboden ausgesetzt. Dort herrschen erfahrungsgemäß Temperaturen von etwa konstant 2°C. Mit anderen Worten können also Temperaturgradienten von bis zu 250 K einstellen, die zur Umsetzung in elektrische Energie genutzt werden können.
Nach der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kaltkontaktfläche, also in dem Ausführungsbeispiel des thermoelektrischen Generators mit Rohr die Außenseite des Rohres, mit mindestens einem Wärmeleitelement gekoppelt ist, das nach Art einer cool pipe in thermischem Kontakt mit dem meeresbodennahen Wasser in einem weiter entfernt vom Thermogenerator liegenden Bereich steht. Durch die Meeresströmung wird dafür gesorgt, dass sich die Umgebung der Hydrothermalquelle im Laufe der Zeit nicht erwärmt, insoweit also konstant eine Temperatur von etwa 2°C gegeben ist.
Mit der Erfindung wird also vorgeschlagen, natürliche Temperaturgradienten bei Hydrothermalquellen für die Umsetzung in elektrische Energie durch thermoelektrische Generatoren zu nutzen. Dabei werden der oder die thermischen Generatoren zum Ort, an dem der Temperaturgradient herrscht, verbracht. Diese Vorgehensweise ist insbesondere dann von Vorteil, wenn diese Orte schwer oder nur durch Inkaufnahme von Gefahren erreichbar sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnung (1) näher erläutert.
Die Erfindung beruht auf der Erzeugung elektrischer Energie aus hydrothermalen Quellen auf dem Meeresgrund. Mit der Erfindung ist es möglich, durchgängig elektrische Energie zu erzeugen, und zwar ohne die Zuhilfenahme von Treibstoffen. Die elektrische Energie wird hierbei durch die Verwendung thermoelektrischer Generatoren (TEG) erzeugt, welche die vorhandenen Temperaturunterschiede bei hydrothermalen Quellen und des sie umgebenden Meerwasser ausnutzen.
Zur Exploration der hydrothermalen Tiefseequellen, lassen sich aus der Literatur lediglich Verwertungsansätze ableiten, welche die Rohstoffvorkommen an diesen Quellen adressieren. Eine energetische in situ Nutzung und im speziellen in Kombination mit der thermoelektrischen Energiegewinnung ist nach diesseitigem Kenntnisstand bislang nicht publiziert worden.
Die energetische Ausnutzung thermischer Energie hydrothermaler Tiefseequellen stellt in hohem Maße Anforderung an die Wandlertechnologie. Auch hier kommen aufgrund der Notwendigkeit einer autarken, wartungslosen sowie langzeitlich funktionierenden Energiebereitstellung klassische Wärme-Kraft Maschinen nicht in Frage. Vergegenwärtigt man sich, dass eine Vielzahl von berichteten Tiefseequellen in einer Meerestiefe unterhalb von 2000 m liegen, sind die Betriebskosten einer gewerblichen Nutzung äußerst ausschlaggebend. Die Erfindung stellt aufgrund ihres thermoelektrischen Wandlungsprinzips auch hier eine ideale Lösung dar, welche schon bereits bei der Versorgung von Raumsonden Betriebszeiten von 30 Jahren und mehr unter Beweis gestellt hat. Die gewerbliche Nutzbarkeit ist im Sinne einer energetischen Ausnutzung zwar nicht unmittelbar gegeben, jedoch sind sowohl entsprechende Vorkommen hydrothermaler Quellen bereits vielerorts lokalisiert worden und auch die Verfügbarkeit der benötigten Technologien zur Erreichung dieser Meerestiefen mittels Robotern und Unterwasserbooten ist gegeben. Da die gemessenen Temperaturen im erreichbaren Bereich thermoelektrischer Wandlersysteme liegen, ist ungeachtet der aktuell noch relativ geringen Wirkungsgrade von TEG mit einem hohen Verwertungspotential zu rechnen. Zahlreiche geophysikalische Untersuchungen des Meeresbodens weisen für Hydrothermalquellen Aktivitätsdauern von mehr als 20 Jahre sowie Wärmeleistungen zwischen 3 MWth und 30 MWth aus. Damit stünden enorme energetische Kapazitäten zur Verfügung, welche im Sinne einer zu etablierenden Energieinfrastruktur am Meeresgrund verteilt werden könnten (sub-mariner Katastrophenschutz, Tiefseestromkabel) oder an die Meeresoberfläche übertragen würden und dort zur Versorgung von Offshore-Plattformen zur Verfügung stünden.
1 zeigt die Verwendung von TEGs im Zusammenhang mit der Nutzung der thermischen Energie von Hydrothermalquellen 10. Auf dem Meeresboden 12 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel ein Gestell 14, das ein oberhalb des Auslasses 16 der Hydrothermalquelle 10 befindliches Ringelement 18 stützt. In dem Ringelement 18 befinden sich mehrere TEGs 20, deren Kaltkontaktflächen 22 nach außen und deren Warmkontaktflächen 24 nach innen weisen. Innerhalb des Ringelements 18 können noch von dem nach oben strömenden heißen Wasser erwärmbare Wärmeleitelemente angeordnet sein, die Wärme zu den Warmkontaktflächen 24 der TEGs 20 transportieren. Außen an dem Ringelement 18 befinden sich zweckmäßigerweise Wärmeleitelemente 26, die als Kälteleitungselemente wirken und die Temperatur des Meerwassers in einigem Abstand zum Ringelement 18 zu diesem transportieren. Das Material, aus dem das Ringelement 18 besteht, ist zweckmäßigerweise thermisch nicht leitend, so dass insoweit die Kaltkontakt- und Warmkontaktflächen 22, 24 der TEGs nicht thermisch ”kurzgeschlossen” sind.
In 1 ist angedeutet, dass mehrere Ringelemente 18 als modularer Aufbau angeordnet werden können.
Im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Ausführungsbeispielen wird also vorgeschlagen, mit der sich aus einer natürlichen Temperaturdifferenz elektrische Energie gewinnen lässt, wobei diese Vorrichtung modular ist bzw. sein und verschieden eingesetzt werden kann.