DE102015208338A1

DE102015208338A1 - Gepulstes Druckluftwasserkraftwerk

Info

Publication number: DE102015208338A1
Application number: DE102015208338.1A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-09
Filing date: 2015-05-06
Publication date: 2015-11-12

Abstract

Es wird ein Druckluftspeicherkraftwerk beschrieben, bei dem Wasser durch expandierende Druckluft beschleunigt wird. Dabei wird nicht, wie im Stand der Technik üblich, schon während der Expansion und kontinuierlich Arbeit aus der durch die Druckluftexpansion hervorgerufene Wasserbewegung gewonnen, sondern dies geschieht zum wenigstens allergrößten Teil erst nach dem Ende der möglichst reibungsfrei gehaltenen Beschleunigungsphase des Wassers. Außerdem werden einzelne voneinander getrennte Wasser“pakete“ durch einzelne von der Gesamtdruckluftmenge abgezweigte, expandierende Druckluft“pakete“ beschleunigt. Es wird also im „Pulsbetrieb“ gearbeitet. Die vom Kraftwerk erzeugte Gesamtenergie setzt sich aus der kinetischen Energie der einzelnen Wasserpakete zusammen. Die Wasserpulse können A.) direkt eine Arbeitsmaschine betreiben oder B.) entgegen der Schwerkraft auf ein höheres Niveau aufsteigen, wobei sie ihre kinetische Energie in Lageenergie umwandeln und dann fast nach Verlust ihrer Bewegungsenergie in einen kleinen bis mittelgroßen Speicher eintreten. Aus diesem leistungsausgleichend wirkenden Speicher fließt das Wasser dann durch eine für die Fallhöhe optimierte übliche Turbine nach unten und erzeugt mechanische Arbeit. Das Wasser hinter der Arbeitsmaschine kann wieder erneut zur Beschleunigung durch Druckluft verwendet werden. Die expandierende Druckluft wird während des Expansionsvorganges durch Wasser temperiert, so daß der Prozeß näherungsweise isotherm abläuft.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Druckgasspeicherkraftwerks, speziell eines Druckluftspeicherkraftwerks, das (abgesehen vom Druckgasspeicher selbst) ohne geschlossene großräumige Druckbehälter auskommt. Die Erfindung betrifft auch den Aufbau eines solchen Kraftwerkes.
Stand der Technik
In der DE 10 2012 108 222 A1 wird ein angenähert isotherm arbeitendes Druckluftwasserkraftwerk beschrieben, bei dem die Druckluft in Wasser eingedüst wird oder Wasser in die Druckluft eingedüst wird und dabei ein kontinuierlicher Flüssigkeits-/Luftgemischstrom erzeugt wird, der nach angenähert isothermer Expansion, während der er sich beschleunigt, auf eine peltonartige Turbine trifft, an der er seine Bewegungsenergie abgibt und mechanische Arbeit erzeugt, die in elektrische Energie umgewandelt werden kann.
Der sich mit abnehmendem Druck der Luft volumenmäßig vergrößernde und dabei aufgefächerte Strahl führt zu einer relativ geringen Leistung pro Fläche getroffener Turbinenschaufel. Das heißt, die Turbinenschaufeln müssen wesentlich größer gebaut werden als für ein Wasserkraftwerk üblich, um eine vergleichbare Leistung liefern zu können. Auch der Durchmesser der Turbine muß wesentlich größer werden, damit das Verhältnis von Schaufelauftreffpunkt zu Radius nicht zu stark variiert, denn idealerweise soll bei einer peltonartigen Turbine die Bewegungsgeschwindigkeit der Schaufel ungefähr der Hälfte der Geschwindigkeit des auf sie auftreffenden Mediums betragen, um einen möglichst vollständigen Impulsübertrag zu erzielen, der mit einem hohen Wirkungsgrad verbunden ist.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckluftwasserkraftwerk, allgemein Druckgasflüssigkeitskraftwerk, anzugeben, das die zuvor geschilderten Probleme nicht aufweist.
Das Druckgasspeicherkraftwerk soll zudem im Regelbetrieb näherungsweise isotherm und daher mit hohem Wirkungsgrad arbeiten. Es soll aber auch ohne technische Probleme adiabatisch geführt werden können oder „hypotherm“ in einem Zwischenbereich zwischen adiabatischer Führung und isothermer Führung. Es soll auch „hypertherm“ geführt werden können, womit gemeint ist, daß Flüssigkeit mit höherer Temperatur als das Druckgas mit dem Druckgas in Kontakt kommt.
Darstellung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Die Erfindung löst das Problem folgendermaßen:
Flüssigkeit (vorzugsweise Wasser oder eine wässrige Lösung) wird durch expandierendes Druckgas (vorzugsweise Druckluft) beschleunigt. Dabei wird nicht, wie im Stand der Technik (z.B. WO 2014124637 A2 ) üblich, schon während der Expansion und kontinuierlich Arbeit aus der durch die Druckgasexpansion hervorgerufenen Flüssigkeitsbewegung gewonnen, sondern dies geschieht zum wenigstens allergrößten Teil erst nach dem Ende der möglichst reibungsfrei gehaltenen Beschleunigungsphase der Flüssigkeit durch das expandierende Druckgas, wenn also das expandierende Druckgas seine in ihm und seiner thermisch leitfähig angeschlossenen Umgebung gespeicherte Energie schon möglichst vollständig auf die beschleunigte Flüssigkeit übertragen hat. Außerdem werden einzelne voneinander getrennte Flüssigkeits“pakete“ (also zusammenhängende Flüssigkeitsmenegn) durch einzelne von der Gesamtdruckgasmenge abgezweigte Druckgas“pakete“ (wie durch einen Treibsatz) beschleunigt. Es wird also im „Pulsbetrieb“ gearbeitet.
Die vom Kraftwerk erbrachte Gesamtenergie setzt sich im zum größten Teil, und volumenmäßig darauf konzentriert, aus der kinetischen Energie der einzelnen Flüssigkeitspakete zusammen. Die bewegte Gasmenge enthält aber ebenfalls noch Energie. Da die Gasmenge erfindungsgemäß aber gewichtsmäßig viel geringer ist, als die Flüssigkeitsmenge, sitzt die Hauptmenge der Energie nach der Expansion vor allem konzentriert in der bewegten Flüssigkeit. Vorzugsweise beträgt das Massenverhältnis von Gas zu Flüssigkeit weniger als 1:5, bevorzugt weniger als 1:10, noch bevorzugter weniger als 1:20.
Die beschleunigten Flüssigkeitspakete können

A.) direkt eine Arbeitsmaschine betreiben oder
B.) entgegen der Schwerkraft auf ein höheres Niveau aufsteigen, wobei sie ihre kinetische Energie in Lageenergie umwandeln und dann fast nach Verlust ihrer Bewegungsenergie oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche in einen kleinen bis mittelgroßen Flüssigkeitsspeicher eintreten. Aus diesem leistungsausgleichend wirkenden Speicher fließt die Flüssigkeit dann durch eine für die Fallhöhe optimierte übliche Turbine nach unten und erzeugt mechanische Arbeit.

Die Flüssigkeit hinter der Arbeitsmaschine kann wieder erneut durch Druckgas beschleunigt werden. Das expandierende Druckgas wird während des Expansionsvorganges durch in das Gas eingesprühte Flüssigkeit (vorzugsweise chemisch die gleiche Flüssigkeit wie die beschleunigte Flüssigkeit) temperiert, so daß der Prozeß näherungsweise isotherm abläuft. Es kann auch Flüssigkeit eingesprüht werden, die eine höhere Temperatur aufweist als das Druckgas. Auf diese Weise kann z.B. Abwärme genutzt oder der Wirkungsgrad durch Erhöhung des Wärmeüberganges Flüssigkeit/Gas erhöht werden.
Anstatt in das expandierende Druckgas Flüssigkeit einzusprühen, kann auch das noch nicht expandierte Druckgas in die Flüssigkeit eingebracht werden, vorzugsweise als kleine Blasen, die eine große relative Oberfläche zur Flüssigkeit aufweisen. Das Druckgas wird dabei nur in einen kleineren Teil der Flüssigkeit eingebracht, der größere Teil bleibt gasfrei. Zudem erfolgt das Einbringen an der geschlossenen Seite des Behälters, in dem sich die zu beschleunigende Flüssigkeit befindet. In einer einfachen Ausführung ist der Behälter wie ein Kanonenrohr gebaut und das Druckgas wird am (mindestens während der Expansion) geschlossenen Ende des Rohres als „Treibsatz“ eingebracht und beschleunigt dann die vor ihm befindliche Flüssigkeit entlang des Rohres. Am Ende des Rohres tritt die Flüssigkeit dann aus und trifft auf eine Arbeitsmaschine (Variante A), oder sie bewegt sich gegen das Schwerkraftfeld, sich wieder verlangsamend, nach oben und fließt/fällt dort in einen Flüssigkeitsspeicher.
Auch für den Fall des Einsprühens von Flüssigkeit in das expandierende Druckgas ist eine einfache Ausführung prinzipiell wie ein Kanonenrohr gebaut. Nur die Temperierung des als „Treibsatz“ dienenden expandierenden Gases erfolgt etwas anders.
Da Gas leichter ist als Flüssigkeit, ist es bevorzugt so, daß das „Kanonenrohr“ nicht gerade ist. Vielmehr zeigt das (mindestens während der Expansion) geschlossene Ende vorzugsweise nach oben. Dadurch drückt die in diesem Teil des Rohres expandierende, durch Flüssigkeit temperierte Gasmasse nach unten auf einen geschlossenen Flüssigkeitsspiegel, so wie auf einen Kolben, und schiebt die Flüssigkeit unterhalb des Flüssigkeitsspiegels beschleunigend vor sich her. Vorzugsweise erfolgt dann spätestens ab der Stelle, ab der das Gas auf Enddruck expandiert ist, eine Umlenkung des Rohres zur Seite oder sogar nach oben.
Als Arbeitsmaschinen für Variante A eignen sich vor allem Freistrahlturbinen/Gleichdruckturbinen wie z.B. die Pelton-Turbine, Turgo-Turbine oder Banki- bzw. Michell- oder Ossberger-Turbine.
Noch einmal in anderen Worten:
Druckgas und Flüssigkeit werden beim erfindungsgemäßen Kraftwerk „gequantelt“ eingesetzt und jedes Druckgas“quant“ für sich expandiert, wobei es seine in ihm gespeicherte Druckenergie möglichst vollständig an ein Flüssigkeits“quant“ abgibt, bevor dieses beschleunigte Flüssigkeitsquant dann auf eine Turbine trifft, die zum größten Teil nach dem Aktionsprinzip arbeitet (Variante A), oder gegen das Erdschwerefeld nach oben geführt wird und dort in einem Flüssigkeitsspeicher landet, aus dem dann die gesammelten Flüssigkeitsquanten wieder nach unten durch eine übliche geeignete Flüssigkeitsturbine strömen und dabei in der Turbine mechanische Arbeit erzeugen (Variante B).
Große Flüssigkeitsmengen, die in weiten „Rohren“ durch relativ kleine Druckgasmengen auf nicht so hohe Geschwindigkeiten beschleunigt werden, sind vom Wirkungsgrad her günstiger, weil die Rohrreibung (und dadurch der Energieverlust) in weiten Rohren bei geringerer Geschwindigkeit geringer ist als bei hochbeschleunigten kleinen Flüssigkeitsmengen in engeren „Rohren“.
Bei Variante A wird die Turbine also von keinem konstanten Flüssigkeitsstrahl getroffen, wie bei üblichen Freistrahlturbinen, sondern gepulst, nämlich von geschoßähnlich einprasselnden Flüssigkeitsquantsalven. Jedes durch die Druckgasexpansion beschleunigte Flüssigkeitsquant hat dabei vorzugsweise ungefähr die gleiche Energie und daher, bei vorzugsweise gleicher Masse, auch die gleiche Geschwindigkeit. Dadurch kann auch die Rotationsgeschwindigkeit der Turbine konstant gehalten werden, und die von der Turbine verrichtete Arbeit wird durch das Auftreffen von mehr oder weniger Flüssigkeitsquanten vergrößert oder verkleinert.
Die Gesamtleistung des Kraftwerks errechnet sich aus der Summe der pro Zeiteinheit auf die Turbine einprasselnden Flüssigkeitsquanten und der Energie dieser Quanten, die wiederum abhängig ist von der Geschwindigkeit des Wasserquants und dessen Masse. Hinzu kommt auch noch ein geringerer Anteil an Energie des bewegten Druckgases.
Jedes Flüssigkeitsquant wird durch ein expandierendes Druckgasquant beschleunigt.
Die Endgeschwindigkeit des Flüssigkeitsquants ist abhängig vom Massenverhältnis Flüssigkeitsquant/Druckgasquant, dem Druckabfall und dessen zeitlichen Verlauf im Druckgasquant, dem Temperaturübergang zwischen temperierender Flüssigkeit und Druckgas und außerdem natürlich Reibungsverlusten in den Rohrleitungen.
Der zeitliche Verlauf des Druckabfalles im Druckgasquant ist abhängig von der Art der Expansion. Idealerweise verläuft diese isotherm oder sogar, z.B. durch Eintrag von Abfallwärme (z.B. auch der, die bei der Druckgaskompression anfällt), hypertherm, das heißt, die Luft ist nach der Expansion sogar etwas wärmer als vorher, weil die Flüssigkeit mehr Wärme einträgt, als vom Druckgas für die Expansion verbraucht wird.
Die Turbine wird natürlich auch vom expandierten Druckgas getroffen, doch ist dessen Masse vorzugsweise wesentlich geringer als die der Flüssigkeit, und die in ihr verbliebene Energie ist daher ebenfalls gering. Es kann daher auch um die Turbine herum geleitet werden, wodurch die Größe der Turbinenschaufeln klein gehalten werden kann: Auf sie trifft nur der gebündelte Flüssigkeitsstrahl.
Eine angenähert isotherme Expansion des Druckgases wird erreicht, indem das Druckgas beim Entspannen in innigen Kontakt mit Flüssigkeit gebracht wird, von der es während (!) der Expansion Wärmeenergie aufnimmt. Die Flüssigkeit kann sich unterhalb oder oberhalb ihres Siedepunktes bei demjenigen Druck, bei dem sie eingebracht wird, befinden.
Obwohl es vorteilhaft ist, wenn die Flüssigkeit während des gesamten Expansionsprozesses Kontakt mit dem expandierenden Gas hat, so ist es dennoch auch möglich, das Gas nur zu bestimmten Zeiten der Expansion zu temperieren und dazwischen eine ungefähr adiabatische Expansion zu erlauben, gefolgt von einer hyperthermen Expansion, wenn nämlich dann die Flüssigkeit mit dem bei der adiabatischen Expansion abgekühlten Gas in Kontakt gebracht wird.
Das In-Kontakt-Bringen von expandierendem Gas und temperierender Flüssigkeit kann z.B. durch Einblasen des Gases in Flüssigkeit erfolgen oder vorzugsweise durch Eindüsen von Flüssigkeit in das Druckgas (vor, während, oder vor und während der Expansion).
Ist die das Druckgas temperierende Flüssigkeit durch Abwärme oder andere wärmeliefernde Prozesse erwärmt, ist ein hyperthermer Verlauf der Expansion möglich oder, bei sehr schneller Expansion, ein zumindest deutlich weniger adiabatischer Verlauf.
Es ist (unter Berücksichtigung der Aufheizenergie) unter Wirkungsgradverlust gegenüber einer isothermen Expansion möglich, vor, in oder auch nach der Düse in das Druckgas überhitzte Flüssigkeit (Temperatur höher als der Siedepunkt beim im Ausdehnungsrohr herrschenden Druck) einzudüsen. Je nach Flüssigkeitsmenge und deren Temperatur verdampft diese während des Ausdehnungsvorganges des Gases vollständig oder bleibt ganz oder teilweise flüssig, wobei ein Kondensieren von zuvor überhitztem Flüssigkeitsdampf in der Mischung eine große Wärmemenge (große Kondensationswärme = Verdampfungswärme der Flüssigkeit!) freisetzt, wodurch die Temperatur relativ konstant gehalten wird. Die überhitzte Flüssigkeit kann entweder Flüssigkeit sein, welche durch die Kompression des Druckgases (keine adiabatische sondern polytrope Kompression) erwärmt wurde, oder/und sie kann auch elektrisch mit Überschußenergie aus der regenerativen Energiegewinnung aufgeheizt sein.
Wenn z.B. kein reines Wasser, sondern Wasser mit darin löslichen Zusätzen verwendet wird (z.B. wasserlösliche Salze oder andere Stoffe, wie z.B. Alkohole), gefriert diese Mischung erst bei tieferen Temperaturen und man kann die Expansion auch bis zu tieferen Temperaturen ausführen lassen. (Dies ist dann aber natürlich weniger angenähert isotherm!)
In einem geschlossenen System (abgeschlossener Flüssigkeitskreislauf) kann sogar eine ganz andere Flüssigkeit als Wasser eingesetzt werden, die einen noch wesentlich tieferen Gefrierpunkt und auch einen anderen Siedepunkt aufweist!
Entsprechend kann in einem völlig abgeschlossenen System und anderen Druckverhältnissen auch eine gänzlich andere Flüssigkeits/Gas-Kombination eingesetzt werden als Wasser/Luft, z.B. Erdgas/Kohlendioxid, Erdgas/Stickstoff, Wasser/Kohlendioxid oder Wasser/Ammoniak.
Es ist von Vorteil, wenn die Wandung des im Umfang geschlossenen Kanals/Rohres, in dem das Gas expandiert, erwärmt wird. Dies kann z.B. sehr einfach dadurch erfolgen, daß diesers Rohr von erwärmter Flüssigkeit (z.B. der, welche bei der quasiisothermen oder polytropen Kompression der Luft als Kühlflüssigkeit erwärmt wurde) umgeben/umströmt ist.
Die Arbeitsverrichtung erfolgt bei einer Aktionsturbine an der Turbinenschaufel, an der eine Richtungsänderung des Impulses der Flüssigkeit bzw. des Gas/Flüssigkeit-Gemisches stattfindet. Dies führt zu einer Rückstoßkraft auf die Turbinenschaufel und zur Rotation der Turbine, die damit einen elektrischen Generator antreiben kann.
Druckgasflüssigkeitskraftwerke der beschriebenen Art sind überall einsetzbar, sogar in der Wüste, denn man kommt mit einem begrenzten Volumen an Flüssigkeit aus, die im Kreisprozeß geführt und darin immer wieder beschleunigt wird. (Bevorzugt befindet sich hierzu hinter der Arbeitsmaschine eine Beruhigungsstrecke, in der sich Flüssigkeit und Gas trennen können.) Vorzugsweise nützt man aber offene natürliche Gewässer als Flüssigkeitsursprung. Das Gewässer wird dabei gleichzeitig belüftet, was gut für Flora und Fauna ist!
Wenn man mit einer abgeschlossenen, immer wieder verwendeten Menge Wasser arbeitet, so kann man, wie bereits beschrieben, diese auch mit Zusätzen versehen, die den Gefrierpunkt herabsetzen.
Die abgeschlossene Wassermenge würde bei der vorangehenden Kompression der Druckluft während der Druckluftspeicherung vorzugsweise deren Kompressionswärme aufnehmen und später wieder abgeben. Statt mit Druckluft kann bei abgeschlossenen Systemen auch mit einem anderen Gas gearbeitet werden. Zur Temperierung des Druckgases während der Expansion des Druckgaspaketes wird Flüssigkeit vorzugsweise aus mehreren Düsen in das expandierende Druckgas eingesprüht. Die eingesprühte Flüssigkeit kann wärmer sein als das Druckgas zu Beginn der Expansion. Die eingesprühte Flüssigkeit kann hierzu z.B. durch Abwärme aus anderen Prozessen aufgeheizt worden sein.
Die Beschleunigung der Flüssigkeit erfolgt in Rohren/Kanälen, die prinzipiell ähnlich aufgebaut sein können wie großkalibrige Kanonenrohre. Diese weisen vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt auf, um den Reibungswiderstand der Strömung darin gering zu halten.
Am Ende des Rohres kann sich eine geschwindigkeitserhöhende Verjüngung des Rohres befinden, besser ist aber wohl ein Rohr ohne Verjüngung oder zumindest mit nur geringer Verjüngung.
Das Rohr kann am einen Ende des Flüssigkeitspaketes eine Klappe aufweisen, die sich öffnet, wenn das Flüssigkeitspaket zu beschleunigen beginnt.
Das Rohr kann auf der druckgaszugewandten Expansionsseite (also zwischen Druckgas und zu beschleunigender Flüssigkeit) auch einen Schieber/Kolben aufweisen, der die Flüssigkeit durch das Rohr schiebt und nachher wieder in seine Ausgangsposition zurückkehrt, wenn das Rohr neu mit Flüssigkeit befüllt wird.
Das Rohr ist im Expansionsbereich des Druckgases mit Einsprühvorrichtungen für Flüssigkeit versehen. Das Rohr kann auch, was bevorzugt ist, in dem Bereich, in dem das Druckgas expandiert, abwärts gerichtet sein, so daß das Druckgas von oben auf einen Flüssigkeitsspiegel drückt und kein Schieber/Kolben notwendig ist. Der Flüssigkeitsspiegel selbst ist dann die Kolbenfläche.
Anstatt einer Klappe, die das Auseinanderfließen des Flüssigkeitspaketes vor der beschleunigungsphase verhindert, kann das Rohr auch aus der Abwärtsrichtung nach oben gekrümmt sein, so daß ein stabiler schwerkraftbedingter Flüssigkeitsspiegel entsteht. Nach einer weiteren Umlenkung der beschleunigten Flüssigkeitsmenge ungefähr in die Horizontale kann das Flüssigkeitspaket dann aus dem Rohr austreten und in die Arbeitsmaschine eintreten.
Es kann auch ohne horizontale Umlenkung weiter direkt nach oben „geschossen werden, z.B. für eine Verwendung gemäß Variante B.
Das Flüssigkeitspaket bleibt aufgrund der Beschleunigung beisammen und fließt nicht auseinander.
Als Beschleunigungsrohre für größere Flüssigkeitsmengen eignen sich z.B. Rohre für Erdgaspipelines. Diese sind oft sogar druckfester als für viele Anwendungen erforderlich.
Der Bereich, in dem das Druckgas expandiert kann einen größeren Durchmesser aufweisen, als das Rohr, in dem das Flüssigkeitspaket beschleunigt wird. Das Flüssigkeitspaket, das aber zuvor mindestens teilweise auch in diesem Bereich größeren Durchmesser gewesen ist, soll aber diesen Bereich größeren Durchmessers bis spätestens Erreichen des Enddruckes des Gases verlassen haben, weil sonst nicht das ganze Flüssigkeitspaket als Gesamtheit beschleunigt wird.
Vorzugsweise finden Druckluftwasserkraftwerke nach Variante B Verwendung direkt neben bereits bestehenden Wasserkraftwerken oder Pumpspeicherkraftwerken, bzw. sie sind dann Bestandteil derselben. Dadurch verbilligen sich diese Druckluftwasserkraftwerke, weil keine Turbinen und Generatoren benötigt werden, sondern bereits bestehende und sehr ausgereifte Systeme zur Elektrizitätserzeugung verwendet werden können!
Da solche Druckluftwasserkraftwerke nur eine begrenzte Wassermenge benötigen, die im Kreisprozeß geführt wird, ermöglichen es Druckluftwasserkraftwerke dieser Art, ihre Wasserturbinen so lange laufen zulassen, bis die Druckluftenergie aufgebraucht ist. Hierzu sind prinzipiell nur sehr kleine Wasserspeicher nötig, die nicht einmal als oberirdische Seen ausgeführt sein müssen, sondern auch, umweltunschädlich und unsichtbar, hochgelegene unterirdische Kavernen sein können.
Erfindungsgemäß können neben bestehenden Wasserkraftwerken und Pumpspeicherkraftwerken druckluftdichte unterirdische Kavernen hergestellt werden, die mit Hilfe überschüssiger regenerativer Energie mit Druckluft gefüllt werden. Bei Energiebedarf fangen nun die Wasserkraftwerke an, elektrische Energie zu erzeugen, wobei gleichzeitig oder auch erst etwas später die Druckluft die hochgelegenen Wasserspeicher immer wieder mit Wasser auffüllt, so daß diese so lange Wasser enthalten, wie hinreichend Druckluftenergie verfügbar ist, diese aufzufüllen.
Vorteilhaft ist es bei Variante B, diese annähernd isotherm arbeitenden Vorrichtungen dazu zu verwenden, ständig und im optimalen Lastbereich arbeitend Wasser“pakete“ von unten nach oben in das obere Speicherbecken zu „schießen“, aus dem es dann je nach Energiebedarf über die üblichen Turbinen abgezapft wird. Das obere Speicherbecken dient dabei als Puffer, so daß die Wasserpumpe unabhängig vom momentanen Energiebedarf des Netzes gleichmäßig weiterlaufen kann oder auch ausgeschaltet werden kann, während das klassische Wasserkraftwerk ständig lastabhängig die geforderte elektrische Leistung erzeugt.
Es ist auch möglich, Wasser in mehreren Etappen bis auf große Höhen zu befördern, falls das Speicherniveau sehr hoch gelegen ist und die übliche Druckluftenergie (z.B. 60 bar) hierzu nicht ausreicht. Der Transport erfolgt dann vorzugsweise über Zwischenwasserspeicher, von denen aus dann mit Hilfe der üblichen verfügbaren Druckluftenergie (z.B. 60 bar) der Weitertransport in größere Höhen erfolgt.
Hierzu können entweder separate Druckluftspeicher in Höhe der Wasserzwischenspeicher bestehen, oder es bestehen Druckluftverbindungen von einem zentralen Druckluftspeicher zu diesen Wasserzwischenspeichern.
Ein angenähert isotherm geführtes Druckluftwasserkraftwerk der beschriebenen Art (allgemein Druckgasflüssigkeitskraftwerk) kann auch mit Druckluft (allgemein Druckgas) von wesentlich höherem Druck betrieben werden, als die bislang angedachten einstufigen adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerke! Der Grund hierfür liegt darin, daß sämtliche Kompressionswärme bei der Herstellung der Druckluft einfach bei niedriger Temperatur relativ zeitnah während des Komprimierens abgeführt wird und die Druckluft nie hohe, die Behältnisse/Leitungen oder Arbeitsmaschinen belastende Temperaturen aufweist! So kann Luft (Gas) auch isotherm ein- oder mehrstufig auf z.B. ungefähr 300 bar komprimiert werden. Für die isotherme Volumenarbeit eines idealen Gases gilt: W = n·R·T·ln(p_hoch/p_niedrig) = n·R·T·ln(V_groß/V_klein) (W Arbeit, n Molzahl, R allgemeine Gaskonstante, T absolute Temperatur, ln natürlicher Logarithmus aus hohem Druck durch niedrigen Druck bzw. Volumen nach der Entspannung durch Volumen vor der Entspannung; n·R·T beträgt für einen Kubikmeter Luft bei 1 bar und 300 Kelvin ungefähr 100 kJ)
Demnach enthalten z.B. 300 Kubikmeter Luft von 1 bar, die isotherm auf 1 Kubikmeter mit 300 bar komprimiert wurden, bezogen auf eine spätere isotherme Expansion auf wieder 1 bar eine Energie von ungefähr 30.000 kJ·ln300 = 170.000 kJ. Die Energiedichte der Druckluft von 300 bar beträgt also für eine isotherme Expansion auf 1 bar 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 Expansion auf wieder 1 bar, eine Energie von ungefähr 30.000 kJ·ln60 = 123.000 kJ. Diese nehmen aber das 5-fache Volumen ein, so daß die Energiedichte der Druckluft von 60 bar nur ungefähr 25.000 kJ pro Kubikmeter beträgt. Das bedeutet, daß die Energiedichte bei 300 bar immerhin fast 7-mal so hoch ist wie bei 60 bar! Ein Druckluftspeicher von 100.000 Kubikmetern Inhalt beherbergt daher bei 300 bar eine über einen isothermen Prozeß als mechanische Arbeit wiedergewinnbare Energie von ungefähr 17 Milliarden Kilojoule (17 Billionen Joule) gegenüber nur ungefähr 2,5 Milliarden Kilojoule (2,5 Billionen Joule) bei 60 bar.
17 Billionen Joule entsprechen der Lageenergie von 1,7 Billionen Kilogramm (1,7 Milliarden Tonnen) in 1 Meter Höhe oder von 17 Millionen Kubikmeter Wasser in einem 100 Meter hoch gelegenen Speichersee! Dies ist immerhin ein Speichersee von 1 Quadratkilometer Fläche und 17 Metern Durchschnittstiefe! Man sieht, daß durch relativ kleine unterirdische Druckluftspeicher relativ große, landschaftsverbrauchende oberirdische Speicherbecken ersetzt werden können!
Man sieht auch, daß annähernd isotherm arbeitende Druckluftspeicherkraftwerke geringere Speicherkosten aufweisen können als adiabatisch arbeitende, weil sie (aufgrund der geringeren Temperaturen und daher größeren Stabilität der Materialien) mit höheren Drücken arbeiten können.
Beispielrechnungen:

1 Kubikmeter Druckluft von 60 bar (ungefähr 78 Kilogramm) und ungefähr 20°C liefert bei isothermer Expansion ungefähr 24 MJ mechanische Arbeit,
1 Liter Druckluft (ungefähr 0,078 Kilogramm) von 60 bar liefert demnach 24 kJ mechanische Arbeit.

Das ist die Lageenergie, die 1 Kilogramm in 2400 Metern Höhe hat, oder die kinetische Energie von:

1 Kilo Wasser mit 219 Metern pro Sekunde,
5 Kilo Wasser mit 98 Metern pro Sekunde,
10 Kilo Wasser mit 69 Metern pro Sekunde,
20 Kilo Wasser mit 49 Metern pro Sekunde,
50 Kilo Wasser mit 31 Metern pro Sekunde,
100 Kilo Wasser mit 22 Metern pro Sekunde,
500 Kilo Wasser mit 9,8 Metern pro Sekunde, oder
1000 Kilo Wasser mit 6.9 Metern pro Sekunde.

Ungefähr 2,1 Kubikmeter Druckluft von 60 bar, die binnen einer Sekunde isotherm auf 1 bar expandiert werden, verrichten eine Leistung von ungefähr 50 MW.
Um 50 MW zu erzeugen müssen also auch 2,1 Kubikmeter Druckluft von 60 bar binnen einer Sekunde entsprechende Mengen Wasser auf die jeweilige Geschwindigkeit beschleunigen. Dies erfolgt bevorzugt in kleineren Teilmengen.
Vom Wirkungsgrad her günstig ist eine Beschleunigung von großen Mengen Wasser durch kleine Druckluftmengen, weil dann die Druckluftexpansion langsamer erfolgt und damit die Temperierung der Luft während der Expansion einfacher wird. Nachteilig ist aber, daß dann große Wassermengen bewegt werden müssen. Für ein 50 MW-Kraftwerk wären das z.B. 210 Kubikmeter pro Sekunde für den Fall, daß diese auf 22 Meter pro Sekunde beschleunigt werden sollten.
Die Beschleunigung der Wassermengen erfolgt vorzugsweise in kleineren Chargen, z.B. im zuvor genannten Fall beispielsweise in 5 Chargen mit je 42 Kubikmetern oder 50 Chargen mit je 4,2 Kubikmetern.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012108222 A1 [0002]
WO 2014124637 A2 [0006]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Druckgasflüssigkeitskraftwerks, dadurch gekennzeichnet, daß es im Pulsbetrieb betrieben wird, bei dem einzelne Druckgasmengen einzelne zusammenhängende Flüssigkeitsmengen in einer Beschleunigungsstrecke auf eine Endgeschwindigkeit beschleunigen, so daß die kinetische Energie plus Lageenergie jeder einzelnen Flüssigkeitsmenge am Ende der Beschleunigungsstrecke mindestens 70% der in jeder einzelnen Druckgasmenge zwischen Anfangsdruck und Anfangstemperatur und ausgenütztem Enddruck und Endtemperatur gespeicherten Expansionsenergie beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Flüssigkeitsmengen erst nach Erreichen der Endgeschwindigkeit in eine Arbeitsmaschine eintreten.
Druckgasflüssigkeitskraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Flüssigkeitsmengen nach oder etwas vor dem Erreichen der Endgeschwindigkeit in eine Richtung entgegen dem Erdschwerefeld umgelenkt werden, durch dieses verlangsamt werden und nach fast vollständiger Abbremsung wieder in die Horizontale umgelenkt werden und dort in einen hochgelegenen Flüssigkeitsspeicher eintreten, in dem die vorherige kinetische Energie der einzelnen Flüssigkeitsmengen als Lageenergie der Gesamtmenge der einzelnen Flüssigkeitsmengen auf Abruf gespeichert bleibt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf Endgeschwindigkeit beschleunigten einzelnen Flüssigkeitsmengen nacheinander auf eine Freistrahlturbine/Gleichdruckturbine treffen und dort mechanische Energie erzeugen, die als solche verwendet oder in elektrische Energie umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem hochgelegenen Flüssigkeitsspeicher Flüssigkeit bei Energieanforderung wie in einem Wasserspeicher- oder Pumpspeicherkraftwerk nach Stand der Technik durch eine tiefergelegene Turbine herkömmlicher Bauart fließt und dort nach bekanntem Stand der Technik mechanische bzw. elektrische Energie erzeugt.