DE102014002336A1

DE102014002336A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erzeugung von Energie, insbesondere elektrischer Energie

Info

Publication number: DE102014002336A1
Application number: DE102014002336.2A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Nawar Andrews De
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2015-08-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie, in dem ein unter Druck stehendes Gas über eine Antriebseinheit geleitet wird, die einen Generator antreibt. Es ist vorgesehen, dass ein flüssiges Gas erwärmt wird, so dass es in seine gasförmige Phase übergeht; das unter einem Druck (P1) stehende Gas über die Antriebseinheit geleitet wird, das aus der Antriebseinheit austretende Gas mit einem zweiten Druck (P2), der niedriger als der erste Druck (P1) ist, entspannt und somit verflüssigt wird und das flüssige Gas anschließend dem Kreislauf wieder zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mit einem durch eine Turbine antreibbaren Generator. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen kinetischer Energie.
Elektrische Energie wird bekanntermaßen in Kraftwerken erzeugt, die fossile Brennstoffe oder spaltbares Atommaterial nutzen. Auch sind Energieerzeugungseinrichtungen auf Basis so genannter regenerativer Energie, wie Sonnenenergie, Windenergie oder Wasserkraft, bekannt. Den bekannten Energieerzeugungseinrichtungen ist gemeinsam, dass diese große Investitionen erfordern und, insbesondere bei Benutzung fossiler Brennstoffe, zu einem starken Kohlendioxidausstoß führen. Auch die Nutzung der Atomenergie ist mit Risiken verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erzeugung von Energie, insbesondere kinetischer und/oder elektrischer Energie, zu schaffen, mittels denen elektrische Energie und/oder kinetische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad erzeugt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass ein flüssiges Gas erwärmt wird, so dass es in seine gasförmige Phase übergeht und unter einem Druck P1 steht und über eine Antriebseinheit geleitet wird, die einen Generator antreibt. Dadurch, dass das aus der Antriebseinheit austretende Gas mit einem zweiten Druck P2, der niedriger als der erste Druck P1 ist, entspannt wird und somit verflüssigt wird und das flüssige Gas anschließend dem Kreislauf wieder zugeführt wird, ist es vorteilhaft, in einfacher Weise flüssiges Gas und eine Wärmequelle als Ausgangsenergie für die Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen und so einen vollständigen Zyklus zur Gewinnung elektrischer Energie zu schaffen, der sich durch einen hohen Wirkungsgrad auszeichnet.
Das flüssige Gas muss nur zur Initialisierung des Verfahrens einmalig bereitgestellt werden, während als Wärmequelle eine Umgebungswärme zur Erwärmung des flüssigen Gases genutzt wird. Diese steht jederzeit zur Verfügung. Insbesondere dadurch, dass das erwärmte Gas unter einem Druck P1 über die Antriebseinheit geleitet wird, der deutlich höher ist als für den Betrieb der Antriebseinheit erforderlich, wird erreicht, dass an der Ausgangsseite der Antriebseinheit das Gas unter einem Druck P2 anliegt, der ausreicht, das Gas mittels des an sich bekannten Linde-Verfahrens wieder zu verflüssigen und im Kreislauf wieder zur Verfügung zu stellen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das flüssige Gas durch eine Umgebungswärme erwärmt wird. Hierdurch wird eine quasi nicht versiegende Wärmequelle zur Erzeugung kinetischer bzw. elektrischer Energie genutzt. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit mit einem sehr hohen Wirkungsgrad betrieben werden.
Darüber hinaus ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das flüssige Gas durch eine Abwärme des Generators erwärmt wird. Hierdurch wird zusätzlich erreicht, dass während des Verfahrens zum Erzeugen elektrischer Energie die anfallende Abwärme in das Verfahren zurückgeführt werden kann, so dass sich hierdurch der Wirkungsgrad weiter verbessert. Es werden somit die inneren Energieverluste in Form einer zusätzlichen Wärmeenergie neben der Umgebungswärme genutzt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das flüssige Gas einmalig von einer externen Quelle bereitgestellt wird. Hierdurch wird vorteilhaft möglich, die Erzeugung kinetischer Energie mit einer einmaligen Zufuhr, das heißt mit Erstbefüllung, mit flüssigem Gas zu starten.
Ferner ist in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das in der gasförmigen Phase vorliegende Gas mit einem Druck von beispielsweise 300 bar–500 bar, vorzugsweise von 400 bar, der Antriebseinheit, beispielsweise einer Turbine, zugeführt wird. Hierdurch wird erreicht, dass der Druck so bemessen ist, dass einerseits genügend kinetische Energie zur Erzeugung der elektrischen Energie zur Verfügung steht und andererseits der Druck an der Ausgangsseite der Turbine noch ausreichend hoch für eine nachfolgende Verflüssigung des Gases ist, ohne dass es der weiteren Zuführung externer Energie bedarf.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Rückverflüssigung des Gases mit dem Linde-Verfahren erfolgt. Mit dem an sich bekannten Linde-Verfahren kann unter Ausnutzung des Julie-Thomson-Effekts in einfacher Weise ohne Zuführung externer Energie eine Verflüssigung der Gase erfolgen.
Schließlich ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass als flüssiges Gas Stickstoff verwendet wird. Flüssiger Stickstoff lässt sich zur Initialisierung des Verfahrens in einer externen Quelle in einfacher Weise herstellen und steht in ausreichendem Maße zur Verfügung. Es können alle idealen Gase mit einem niedrigen Siedepunkt verwendet werden. Stickstoff ist bevorzugt gewählt (keine Verbrennungsgefahr und bei Austritt keine Umweltverschmutzung). Stickstoff besitzt einen sehr niedrigen Siedepunkt (–195,8°C) und besitzt eine große Temperaturdifferenz zur Umgebungswärme.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ferner durch ein Verfahren mit den in Anspruch 6 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass das aus der Antriebseinheit austretende Gas mit einem zweiten Druck P2 durch eine Verbindungsleitung weitergeleitet werden kann. Diese Verbindungsleitung läuft durch Erwärmungsbehälter und wird somit von flüssigem Stickstoff umgeben. Dadurch findet ein gegenseitiger Temperaturaustausch zwischen dem flüssigen Stickstoff in den Erwärmungsbehältern und dem zur Verflüssigung geleiteten Gas statt. Dadurch arbeiten die Erwärmungsbehälter als Kondensatoren, indem sie das unter dem Druck P2 geleitete Gas abkühlen und auf die notwendige Verflüssigungstemperatur bringen, während das Gas mit dem Druck P2 als Kernerwärmungsmedium fungiert, indem es seine Abwärme an den flüssigen Stickstoff abgibt.
Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung mit den in Anspruch 7 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass ein mit flüssigem Gas gefüllter Behälter mit wenigstens einem Erwärmungsbehälter verbunden ist, der Erwärmungsbehälter mit einer ersten Druckkammer verbunden ist, die Druckkammer mit einer Eingangsseite einer Antriebseinheit verbunden ist, eine Ausgangsseite der Antriebseinheit mit einer zweiten Druckkammer verbunden ist, die zweite Druckkammer mit einem Gasverflüssiger verbunden ist und der Gasverflüssiger mit dem Behälter für das flüssige Gas verbunden ist, ist vorteilhaft möglich, einen geschlossenen Kreislauf zur Verfügung zu stellen, der lediglich mit einer externen Umgebungsluft-Wärmequelle verbunden ist und somit in einfacherer Weise eine Antriebseinheit, beispielsweise eine Turbine, antreiben kann, die mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie gekoppelt ist.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung kinetischer und/oder elektrischer Energie;
2 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Verflüssigung von Gas;
3 eine schematische Perspektivansicht (Explosionsdarstellung einer möglichen konkreten Bauform;
4 ein Erwärmungsmodul in einer schematischen Perspektivansicht;
5 ein Antriebsmodul in einer schematischen Perspektivansicht;
6 einen Druckregulator in einer schematischen Perspektivansicht;
7 einen Aufbau eines Verflüssigers in einer schematischen Perspektivansicht; und
8 eine Vorrichtung zur Erzeugung kinetischer Energie in einer schematischen Perspektivansicht;
9 ein Erwärmungsbehälter mit einer integrierten Funktion als Kondensator in einer schematischen Perspektivansicht;
1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Vorrichtung zum Erzeugen kinetischer und/oder elektrischer Energie. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Behälter 12, der mit flüssigem Stickstoff 14 befüllt ist. Der Behälter 12 ist über Verbindungsleitungen 16 mit Erwärmungsbehältern 18 verbunden. Im gezeigten Beispiel sind 5 Verbindungsleitungen 16 und Erwärmungsbehälter 18 vorgesehen. Die Anzahl kann selbstverständlich variieren. Zur Erzielung einer möglichst großen Kontaktoberfläche ist die Anordnung mehrerer kleiner Erwärmungsbehälter vorteilhaft. Die Erwärmungsbehälter 18 sind über Verbindungsleitungen 20 mit einer ersten Druckkammer 22 verbunden. Die Druckkammer 22 ist über eine Verbindungsleitung 24 mit einem Gehäuse 26 verbunden, das eine Antriebseinheit 28 umfasst. Das Gehäuse 26 ist mit einem Druckregulator 31 verbunden. Der Druckregulator 31 ist mit einem Verflüssiger 32 verbunden, der wiederum mit dem Behälter 12 verbunden ist.
Der Gasverflüssiger 32 umfasst Entspannungsrohre 37, die über eine Verbindungsleitung 41 mit einem Zwischenbehälter 43 verbunden sind, sowie einen Kühler 40, der über eine Verbindungsleitung 42 mit einem Zwischenbehälter 43 verbunden ist.
Der Druckregulator 31 besteht aus zweiten Druckkammern 29 und umfasst Kolbenzylindereinheiten 90 (6), die einerseits über die Verbindungsleitung 35 mit dem Kühler 40 und andererseits über die Verbindungsleitung 21 mit einem Druckausgleichsbehälter 23 verbunden sind. Der Druckausgleichsbehälter 23 ist über Verbindungsleitungen 25 mit den Erwärmungsbehältern 18 verbunden.
Anhand des in 1 dargestellten Schemas 10 soll das Verfahren zur Erzeugung kinetischer bzw. elektrischer Energie verdeutlicht werden.
Zunächst wird zur Initialisierung der Behälter 12 mit einer Erstbefüllung mit flüssigem Stickstoff versehen. Der flüssige Stickstoff kann von einer externen Quelle bezogen werden.
Über die Verbindungsleitungen 16 gelangt der flüssige Stickstoff 14 in die Erwärmungsbehälter 18. Flüssiger Stickstoff hat einen Siedepunkt von –195,85°C. In dem Behälter 12 herrscht beispielsweise ein Druck von 1 bar. Die Erwärmungsbehälter sind auf geeignete Weise der Umgebung ausgesetzt, so dass durch Austausch mit der Umgebungstemperatur der flüssige Stickstoff 14 erwärmt wird Die Erwärmung führt dazu der Stickstoff 14 in seine gasförmige Phase übergeht und über die Verbindungsleitungen 20 in die Druckkammer 22 gelangt. Die Druckkammer 22 hat ein Volumen V1. Die Temperatur des Stickstoffes steigt beispielsweise auf einen Wert zwischen –10 und –30°C an, was zu einer Steigerung des Druckes in der Druckkammer 22 führt. Der Druck steigt hier beispielsweise auf einen Wert von 400 bar an.
Der unter dem Druck P1 (z. B. 400 bar) anliegende gasförmige Stickstoff wird über die Verbindungsleitung 24 in das Gehäuse 26 und in den Druckregulator 31 geleitet. Der Druckregulator 31 regelt den Druck in dem Gehäuse 26, einen überschüssigen oder Restdruck aus dem Erwärmungsbehälter 18 – über die Verbindungsleitung 21 und den Druckausgleichsbehälter 23 – und einem überschüssigen Gas aus dem Kühlungssystem in dem Verflüssiger 32 über die Verbindungsleitung 35.
Der Druckregulator 31 besitzt ein Volumen V2. Der in der Druckkammer 22 unter dem Druck P1 anliegende Stickstoff gelangt über Ventile in den Druckregulator 31 und passiert hierbei die Antriebseinheit 28 innerhalb des Gehäuses 26. Die Antriebseinheit 28 wird hierdurch angetrieben. Die Antriebseinheit 28 ist beispielsweise mit einem hier nicht dargestellten Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden. Die Antriebseinheit 28 kann beispielsweise eine Turbine oder auch ein Kolben sein. In der zweiten Druckkammer 29 stellt sich ein Druck P2 von beispielsweise 200 bar ein.
Der in dem Druckregulator 31 unter dem Druck P2 stehende Stickstoff wird dem Verflüssiger 32 zugeführt und dort durch das an sich bekannte Linde-Verfahren – schematisch in 2 näher erläutert – verflüssigt und als flüssiger Stickstoff 14 wieder dem Behälter 12 zugeführt. Der flüssige Stickstoff steht dann im Behälter 12 wiederum für die Zuführung zu den Erwärmungsbehältern 18 zur Verfügung.
Zur Energieerzeugung wird also ein in sich geschlossener Kreislauf mit einem flüssigen Gas, z. B. Stickstoff, genutzt. Zum Betreiben der Vorrichtung 10 ist lediglich eine Erstbefüllung des Behälters 12 mit z. B. flüssigem Stickstoff 14 erforderlich. Anschließend erfolgt jeweils eine Umwandlung des flüssigen Gases mit Hilfe der Umgebungswärme in die gasförmige Phase. Nach Erzeugen von kinetischer Energie mittels der Antriebseinheit 28 erfolgt eine Rückverflüssigung über den Verflüssiger 32. Es stehen somit der flüssige Stickstoff und als Energiequelle die Umgebungswärme zur Erzeugung der kinetischen bzw. elektrischen Energie zur Verfügung. Die Umgebungswärme liegt als dauerhafte Energiequelle vor und muss nicht zusätzlich erzeugt werden. Das einmalige Erzeugen der Grundbefüllung mit dem flüssigen Stickstoff 14 erfolgt extern und erfordert eine einmalige Zuführung von Energie zu der Vorrichtung 10, die mit der Verflüssigung des Stickstoffes in der externen Quelle zusammenhängt. Eventuell im geringen Maße auftretende Leckagen oder dergleichen können durch wiederholtes geringfügiges Nachfüllen von flüssigem Stickstoff 14 in den Behälter 12 ausgeglichen werden.
Es gilt, dass die Druckkammer 22 und der Druckregulator 31 (mit dem Gehäuse 26) ein geschlossenes System bilden, die über Ventile verbunden sind. Die Ventile können gegebenenfalls mit Hilfe eines Drucksensors zu einem Zeitpunkt geöffnet werden, in dem der Druck in der Druckkammer 22 einen vorbestimmten Wert, beispielweise P₁ = 400 bar, erreicht hat, weiter auch zu einem Zeitpunkt, in dem der Druck zwischen dem Gehäuse 26 und der zweiten Druckkammer 29 des Druckregulators 31 einen vorbestimmten Wert von beispielsweise 200 bar erreicht hat.
Die Verflüssigung des. Stickstoffes erfolgt nunmehr in dem bekannten Linde-Verfahren unter Ausnutzung des Joule-Thomson-Effekts. Dieser Joule-Thomson-Effekt besagt, dass sich ein Gas abkühlt, wenn es sich ohne Arbeitsleistung und Wärmeaustausch mit der Umgebung entspannt. Dies führt dazu, dass dann, wenn man das Gas entspannt, die Gasmoleküle beim Entspannen Arbeit gegen die inneren Anziehungskräfte leisten müssen. Wird nun diese Energie nicht von außen zugeführt, wird sie dem Gas selbst entnommen, das dadurch weiter abkühlt.
2 verdeutlicht diese Verflüssigung des Stickstoffes im Verflüssiger 32 durch Entspannung. Über den in 2 gezeigten Kreislauf wird somit erreicht, dass der Stickstoff entsprechend dem dargestellten Linde-Verfahren ohne weitere Energiezufuhr von außen auf Temperaturen ≤ –190°C gebracht und verflüssigt wird und als flüssiger Stickstoff 14 in den Behälter 12 zurückgeführt werden kann.
3 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht – in Explosionsdarstellung – eine mögliche konkrete Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie.
Die Vorrichtung 10 besteht insgesamt aus vier Hauptbestandteilen. Dies sind ein Erwärmungsmodul 60, ein Antriebsmodul 62, der Druckregulator 31 sowie der Verflüssiger 32.
Die einzelnen Hauptbestandteile sind in den nachfolgenden 4 bis 7 nochmals einzeln in schematischen Perspektivansichten in vergrößerter Darstellung gezeigt.
Das Erwärmungsmodul 60 umfasst zunächst den Behälter 12 zur Aufnahme des flüssigen Stickstoffs 14. Für die Erstfüllung mit flüssigem Stickstoff ist ein verschließbarer Anschlussstutzen 64 vorgesehen. Der Behälter 12 ist mit einer Vielzahl in einem kreisförmigen Gehäuse 66 angeordneten Erwärmungsbehältern 18 verbunden. Die Erwärmungsbehälter 18 werden von senkrecht durch das Gehäuse 66 verlaufenden rohrförmigen Kanälen 68 gebildet. Im Inneren des Gehäuses 66 ist ein Rotor 74 eines Generators 70 angeordnet. Aufbau und Wirkungsweise von Generatoren sind allgemein bekannt und sollen im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher erläutert werden. Der Generator 70 umfasst eine Antriebswelle 72 für den Rotor 74. Ein Stator 76 des Generators 70 wird von dem Gehäuse 66 gebildet. Der Rotor 74 trägt ein Flügelrad 78, mittels dem Umgebungsluft 80 zur Abkühlung des Rotors 74 in den Innenraum des Generators transportiert wird. Die Umgebungsluft 80 wird hierbei über einen Trockner 82 geführt, so dass Vereisungen innerhalb des Erwärmungsmoduls 60 vermieden werden können. Die getrocknete Umgebungsluft wird mit der Umgebungswärme und Abkühlungswärme zu Kanälen 68 zwischen den Erwärmungsbehältern 18 durch das Gehäuse 66 geleitet. Hierdurch findet zwischen dem in den Behältern 18 vorhandenen flüssigen Stickstoff und der in den Kanälen 68 eintretenden getrockneten Umgebungsluft 80 ein Temperaturaustausch statt, der zu einer Erwärmung des flüssigen Stickstoffs 14 führt, so dass dieser in seine gasförmige Phase übergeht.
Die Erwärmungsbehälter 18 sind mit dem Druckausgleichbehälter 23 verbunden, der über die Verbindungsleitungen 21 mit dem Druckregulator 31 verbunden ist.
Wie 3 und 4 noch verdeutlichen, ist der Behälter 12 über die Verbindungsleitung 38 mit dem Verflüssiger 32 verbunden.
Die Erwärmungsbehälter 18 sind über Verbindungsleitungen 20 mit der ersten Druckkammer 22 verbunden (5). Die Druckkammer 22 ist über die Verbindungsleitung 24 mit dem Gehäuse 26 verbunden. Innerhalb des Gehäuses 26 ist eine Antriebseinheit, hier eine Turbine 84, angeordnet. Die Turbine 84 umfasst eine Vielzahl von Turbinenschaufeln 86, die an einer gemeinsamen Drehachse rotierbar innerhalb des Gehäuses 26 gelagert sind. Die Drehachse der Turbine 84 ist mit der Antriebswelle 72 des Generators 70 wirkverbunden.
Das Gehäuse 26 ist über vier Auslassöffnungen 88 mit dem Druckregulator 31 (6) verbunden. Die Anzahl kann variieren, abhängig davon, wie viele Druckkammern sich öffnen.
Der Druckregulator 31 umfasst vier Kolbenzylindereinheiten 90, wobei jede Kolbenzylindereinheit 90 einer Auslassöffnung 88 des Gehäuses 26 zugeordnet ist. Die Anzahl kann variieren, je nach Generatorleistung und Turbinengröße. Die Zylinder 92 sind oberhalb der Auslassöffnungen 88 auf diesen angeordnet. Die Zylinder 92 sind einerseits mit der Verbindungsleitung 21 vom Druckausgleichsbehälter 23 und andererseits über die Verbindungsleitung 33 mit dem Verflüssiger 32 verbunden. Ferner sind die Zylinder 92 über die Verbindungsleitung 35 mit dem Kühler 40 des Verflüssigers 32 verbunden. Obwohl in 6 nicht alle Verbindungsleitungen dargestellt sind, ist klar, dass jeder der Zylinder 92 mit den Verbindungsleitungen 21, 33 und 35 verbunden ist. Immer zwei Kolben 94 von zwei Kolbenzylindereinheiten 90 sind über eine Kurbelwelle 96 miteinander gekoppelt. Die Kopplung erfolgt hierbei derart, dass dann, wenn ein Kolben 94 einer ersten Kolbenzylindereinheit 90 seinen tiefsten Punkt erreicht hat, der Kolben 94 der zweiten Kolbenzylindereinheit 90 seinen höchsten Punkt erreicht hat. Die Kopplung erfolgt hierbei über exzentrisch gelagerte Kurbelscheiben 98.
Die einzelnen Öffnungen in den Druckkammern 29 wirken mit in den Figuren nicht dargestellten Ventilen zusammen. So ist zwischen den Druckkammern 29 und den Auslassöffnungen 88 jeweils ein Ventil angeordnet, das entweder die Verbindung sperren oder die Verbindung öffnen kann. Ferner ist in der Verbindungsleitung 21 ein Rückschlagventil angeordnet, das nur in Richtung der Druckkammern 29 öffnet und in Richtung des Druckausgleichsbehältnisses 23 schließt. In den Verbindungsleitungen 35 sind ebenfalls Rückschlagventile angeordnet, die in Richtung der Druckkammern 29 öffnen und in Richtung des Kühlers 40 schließen. In den Verbindungsleitungen 33 sind Ventile angeordnet, die in Richtung des Verflüssigers 32 öffnen und in Richtung der Druckkammer 29 schließen.
Die nicht dargestellten Ventile können über eine Steuerung, die elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch arbeitet, angesteuert werden.
Der Druckregulator 31 zeigt folgende Funktion.
Der Druckregulator 31 besteht aus einer oder mehreren Druckkammern 29, die ein Volumen V2 haben. Der Druckregulator 31 hat eine Hauptfunktion und zwei Nebenfunktionen. Die Hauptfunktion ist, das aus der Turbinenausgangsseite austretende Gas mit seinem Druckwert P2 in den Verflüssiger 32 zu pumpen. Dafür werden je zwei Druckkammern 29 miteinander verbunden und mit Hilfe von zwei gekoppelten Kolben 94 fortlaufend befüllt und entleert.
Wenn sich die Auslassöffnung 88 öffnet, wird ein Kolben 94 durch den Gasdruck nach oben gedrückt und so die erste verbundene Druckkammer 29 mit Gas befüllt. Der gekoppelte Kolben wird dadurch gleichzeitig nach unten gedrückt und so die zweite Druckkammer 29 entleert. Zum gleichen Zeitpunkt schließt sich die Auslassöffnung 88 der nun mit Gas befüllten ersten Druckkammer 29 und es öffnet sich die Auslassöffnung 88 der nun leeren zweiten Druckkammer 29. Wenn der Gasdruck P2 den zweiten Kolben wiederum nach oben drückt und so die zweite Druckkammer mit Gas befüllt, wird die in der ersten Druckkammer 29 vorhandene Gasmenge mit Hilfe des gekoppelten Kolbens 94 durch die Verbindungsleitung 33 in den Verflüssiger 32 gepumpt.
Die erste Nebenfunktion des Druckregulators 31 ist es, das Restgas aus dem Druckausgleichbehälter 23 des Verflüssigers herauszupumpen, wenn das Restgas den Druckwert P2 erreichte. Zu diesem Zeitpunkt bleibt die Auslassöffnung 88 einer leeren Druckkammer 29 geschlossen, stattdessen wird das Restgas durch ein Austrittsventil in die leere Druckkammer 29 geleitet und so der Kolben 94 angetrieben.
Die zweite Nebenfunktion des Druckregulators 31 ist es, das überschüssige Gas aus dem Kühler 40 des Verflüssigers wieder in den Verflüssiger zurück zu pumpen, wenn der Gasdruck und die Temperatur auf einen bestimmten Wert steigen. Zu diesem Zeitpunkt bleibt die Auslassöffnung 88 einer leeren Druckkammer 29 geschlossen, stattdessen wird das überschüssige Gas dem Kühler 40 durch ein Austrittventil in die leere Druckkammer 29 geleitet und so der Kolben 94 angetrieben. 7 verdeutlicht den Aufbau des Verflüssigers 32. Die Verbindungsleitungen 33 münden über die Drosseln 36 in die Entspannungsrohre 37 (2). Über die Verbindungsleitungen 42 besteht eine Rückkopplung zum Kühler 40, über die das nach der Gasentspannung verbliebene Restgas zurückgeführt wird. Schließlich führt die Verbindungsleitung 35 zum Druckregulator 31 und die Verbindungsleitung 38 zum Behälter 12. Über die Verbindungsleitung 38 gelangt der im Verflüssiger 32 verflüssigte Stickstoff wieder in den Behälter 12 und steht erneut für eine Erwärmung zur Verfügung. Hierdurch ist der in sich geschlossene Kreislauf für den Stickstoff hergestellt. Der Kühler 40 ist von einem Isoliermantel 30 umgeben.
8 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht – teilweise aufgeschnitten – in einer weiteren Ausführungsvariante eine Vorrichtung zur Erzeugung kinetischer Energie. Die Vorrichtung ist hierbei als Antriebsmotor ausgebildet. Zur Verdeutlichung sind die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet, um klarzustellen, um welche Bestandteile der' Vorrichtung es sich handelt. Der Behälter 12 zur Aufnahme des flüssigen Stickstoffes ist mit den Erwärmungsbehältern 18 verbunden. Diese münden in die Druckkammer 22. Die Druckkammer 22 ist Ober Verbindungsleitungen 24 mit Antriebseinheiten 28 verbunden. Die Antriebseinheiten 28 werden von Kolbenzylindereinheiten gebildet. Die Kolben, im gezeigten Beispiel drei Kolben, sind mit einer Kurbelwelle 96 gekoppelt. Die Zylinder der Antriebseinheit 28 sind durch ein Druckventil über Verbindungen 102 mit dem Druckregulator 31 verbunden, der wiederum über Verbindungsleitungen 33 mit der zweiten Druckkammer 29 verbunden ist. Die Druckkammer 29 ist von einer Kühlkammer 40 umgeben, die der Rückkühlung des gasförmigen Stickstoffs dient. Dieser wird über die Drosseln 36 geführt und entspannt und gelangt somit in flüssiger Form wieder in den Behälter 12. Die Erwärmung des flüssigen Stickstoffs in den Erwärmungsbehältern 18 erfolgt wiederum über getrocknete Luft, die über ein Gebläse 106 zugeführt wird.
Die gesamte Vorrichtung ist in ein Gehäuse 108 kompakt eingebettet, so dass die Vorrichtung als kompakter Antrieb zur Verfügung steht. Ein erzeugtes Drehmoment kann an einer Ausgangswelle 110 der Kurbelwelle 96 abgegriffen werden.
Das Erwärmungssystem kann gemäß 9 aufgebaut werden: Hier bilden die Erwärmungsbehälter jeweils ein zusätzliches, zeitabhängiges Kühlungssystem, das bei Bedarf die Abwärme des Hochdruckgases aus der zweiten Druckkammer ausgleicht. Der flüssige Stickstoff in Erwärmungsbehälter 18 fungiert zunächst als Kühler für das durch die Verbindungsleitung 33 geleitete Gas. Nach Abkühlung des Gases in der Verbindungsleitung 33 wird dieses durch das Entspannungsventil 36 verflüssigt und gelangt in den Flüssigen-Stickstoff-Behälter 12. Dieser flüssige Stickstoff in Behälter 12 wird taktweise in den Erwärmungsbehälter 18 geleitet. Nach einiger Zeit steigen durch den Wärmeaustausch zwischen Verbindungleitung 33 und Erwärmungsbehälter 18 Temperatur und Druck des flüssigen Stickstoffs im Erwärmungsbehälter auf einen bestimmten Wert. Zu diesem Zeitpunkt verliert der Erwärmungsbehälter seine Kühlungsaufgabe, wird durch die einströmende warme Luft weiter erwärmt und übernimmt nun die eigentliche Aufgabe der Gasproduktion. Das Hochdruckgas aus der zweiten Druckkammer wird nun durch eine andere Verbindungsleitung 33 zu einem anderen Erwärmungsbehälter 18 geleitet, der mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist und nun die Kühlungsaufgabe übernimmt. Die verbleibende Gasmenge in dem Stickstoffbehälter wird nach Bedarf entweder durch die Verbindungsleitung 35 zur zweiten Druckkammer geleitet oder als Kühlmittel im Kühler des Verflüssigers verwendet.
Bezugszeichenliste

10: Vorrichtung
12: Behälter
14: flüssiger Stickstoff
16: Verbindungsleitung
18: Erwärmungsbehälter
20: Verbindungsleitung
21: Verbindungsleitungen
22: erste Druckkammer
23: Druckausgleichsbehälter
24: Verbindungsleitung
25: Verbindungsleitung
26: Gehäuse
28: Antriebseinheit
29: zweite Druckkammer
30: Isoliermantel
31: Druckregulator
32: Gasverflüssiger
33: Umlauf
34: Verbindungsleitung
35: Verbindungsleitung/Rücklauf
36: Drosseln
37: Entspannungsrohre
38: Verbindungsleitung
40: Kühler
41: Verbindungsleitung
42: Verbindungsleitung
43: Zwischenbehälter
44: Verbindungsleitung
60: Erwärmungsmodul
62: Antriebsmodul
64: Anschlussstutzen
66: kreisförmiges Gehäuse
68: rohrförmige Kanäle
70: Generator
72: Antriebswelle
74: Rotor
76: Stator
78: Flügelrad
80: Umgebungsluft
82: Trockner
84: Turbine
86: Turbinenschaufeln
88: Auslassöffnungen
90: Kolbenzylindereinheiten
92: Zylinder
94: Kolben
96: Kurbelwelle
98: Kurbelscheiben
102: Verbindungen
106: Gebläse
108: Gehäuse
110: Ausgangswelle
P₁: erster Druck
P₂: zweiter Druck
T₁: Temperatur im Druckbehälter
T₂: die Temperatur in der Druckkammer
V₁: Volumen
V₂: Volumen

Claims

Verfahren zum Erzeugen elektrischer Energie, indem ein unter Druck stehendes Gas über eine Antriebseinheit geleitet wird, die einen Generator antreibt, ein flüssiges Gas erwärmt wird, so dass es in seine gasförmige Phase übergeht, das unter einem Druck (P1) stehende Gas über die Antriebseinheit geleitet wird, das aus der Antriebseinheit austretende Gas mit einem zweiten Druck (P2), der niedriger als der erste Druck (P1) ist, entspannt und somit verflüssigt wird und das flüssige Gas anschließend dem Kreislauf wieder zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Gas durch eine Umgebungswärme und durch eine Abwärme des Generators erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Gas einmalig von einer externen Quelle bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das in der gasförmigen Phase vorliegende Gas die Antriebseinheit antreibt und nach dem Antrieb noch ausreichend Druck für das nachfolgende Verflüssigungsverfahren aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückverflüssigung mit dem Linde-Verfahren erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als flüssiges Gas Stickstoff verwendet wird.
Verfahren zur Abkühlung und Kondensierung des Gases, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Antriebseinheit austretende Gas mit einem zweiten Druck (P2) mittels Verbindungsleitung durch die Erwärmungsbehälter (12) weitergeleitet wird, dass das geleitete Gas mit dem Druck (P2) als Kernerwärmungsmedium in seiner Abkühlphase für das flüssige Gas in den Erwärmungsbehältern fungiert, dass die Erwärmungsbehälter in ihrer ersten Verdampfungsphase als Kühler für das Gas mit dem Druck (P2) arbeitet, dass das Gas nach seiner Abkühlungsphase mittels eines Entspannungsventils unter Joule-Thomson-Effekt verflüssigt und in einen weiteren Erwärmungsbehälter geleitet wird.
Vorrichtung zur Erzeugung von elektrischer Energie mit einem durch eine Turbine antreibbaren Generator, wobei ein mit flüssigem Gas gefüllter Behälter (12) mit wenigstens einem Erwärmungsbehälter (18) verbunden ist, der wenigstens eine Erwärmungsbehälter (18) mit Umgebungswärme und Abwärme des Generators (70) beaufschlagbar ist und mit einer ersten Druckkammer (22) verbunden ist, die Druckkammer (22) mit einer Eingangsseite (56) eines Gehäuses (26) verbunden ist, eine Ausgangsseite (58) des Gehäuses mit einer zweiten Druckkammer (29) verbunden ist, die zweite Druckkammer (29) mit einem Gasverflüssiger (32) verbunden ist und der Gasverflüssiger (32) mit dem Behälter (12) für das flüssige Gas verbunden ist.