DE102017003238A1

DE102017003238A1 - Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid

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Publication number: DE102017003238A1
Application number: DE102017003238.6A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-04-04
Filing date: 2017-04-04
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2037-04-05
Also published as: CN110392770B; CN110392770A; WO2018184612A1; WO2018184612A4; DE102017003238B4

Abstract

Kohlendioxid hat im Vergleich zu Wasser eine niedrigere Wärmekapazität. In seinem kritischen und energiedichten Bereich müssen aber die verwendeten Materialien hohem Druck und hoher Temperatur standhalten. Wegen seines niedrigen kritischen Punkts lässt es sich doch zur Energieumwandlung von Naturwärme in Arbeit effizient nutzen.
Dazu wird eine große Menge CO₂ in Behälter abgefüllt und mit Wärme wie z.B. klimatischer Wärme angeheizt. Damit ist die Grundlage für die CO₂-Entspannung in Wärmekraftmaschinen geschaffen. Vor der Entspannung werden die CO₂-Druckschwankungen geglättet und die CO₂-Fluide während ihrer Zuströme zu den Wärmekraftmaschinen weiter geheizt. Nach der Entspannung sind sie z.B. durch klimatische Kälte zu verflüssigen. Zur Erlangung klimatischer Kälte oder Wärme braucht man eine örtliche bzw. zeitliche Überbrückung durch ein CO₂-Transportsystem bzw. eine CO₂-Speicheranlage. Die CO₂-Speicheranlage besitzt neben der Speicherfunktion noch Heiz- und Kühlfunktionen, die auf die Leistung der Wärmekraftmaschinen abgestimmt sind. Damit ist das Problem langsamer Wärmeübertragung der Wärmeaustauscher gegenüber schnellem Betriebslauf der Wärmekraftmaschinen behoben. Außerdem laufen die CO₂-Prozesse in den Behältern der CO₂-Speicheranlage wie etwa Wärmeübertragung nicht kontinuierlich ab sondern batchweise. Deswegen ist der CO₂-Kreislaufprozess in der CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage ein instationärer Fließprozess.
Somit löst man wirtschaftlich effizient die Probleme Klimawandel und Energiemangel, ggf. bekämpft man auch die Desertifikationen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Anlagensystem zur Energieumwandlung von Wärme in Arbeit mit Kohlendioxid als Arbeitsmedium. Dabei wird eine große Menge CO₂ mit hohem Druck und passender Temperatur benötigt, um die CO₂-Prozessführungen wie z.B. die Wärmeübertragungen in den einzelnen Behältern der CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage so zu gestalten, dass sie nicht kontinuierlich stattfinden, sondern in einer Batchweise mit gewisser Zufälligkeit für Batchstart und -dauer. Der damit gebildete Kreislauf in der CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage ist daher vielmehr ein instationärer CO₂-Fließprozess.
Im Vergleich mit dem bekannten Stand der Technik, wo in der Regel mit dem stationären Fließprozess mittels Kohlendioxid als Arbeitsmedium kontinuierlich gearbeitet wird, wird mit der vorliegenden Erfindung normalerweise im CO₂-Niedertemperaturbereich instationär und batchweise operiert. Somit können gängige Messgeräte, Maschinen und Materialien bei Bedarf für die Erfindung eingesetzt werden. Andererseits ist es auch bekannt, dass man derzeit intensiv versucht, die kostengünstigen Materialien zur Herstellung von Maschinen und Geräten zu finden, welche hohem CO₂-Druck und gleichzeitig hoher CO₂-Temperatur standhalten können. Zum Beispiel, Bau eines solchen Modells für die Wärmekraftmaschinen, in denen sich Kohlendioxid mit hoher Energiedichte entspannen kann. Im Weiten strebt man bekanntlich wie seit der Dampfmaschinenerfindung nach den ständigen Wirkungsgradverbesserungen durch sorgfältige Maschinengestaltung und optimierte Prozessführung. Vor allem wird dabei nur begrenzte Menge der CO_2-Masse für die Energieumwandlungen verwendet. Die vorliegende Erfindung schlägt indes teilweise in eine andere Richtung, nämlich massenhafter Einsatz des Kohlendioxids als Arbeitsmedium sowie kostengünstige Ausnutzung der natürlichen Temperaturgefälle zum Heizen und zum Kühlen vom Kohlendioxid für die Energieumwandlung, und zwar durch eine integrative Anwendung der gängigen Techniken in einem instationären und batchweise operierenden Fließprozess der CO₂-Fluide. Somit lässt sich eine große Menge natürlicher Wärmeenergie in Arbeit wirtschaftlich effizient umwandeln. Hierbei sind zwar großflächige Grundstücke zur CO₂-Speicherung oder zum CO₂-Transport unter Umständen erforderlich, sowie die errechneten Enthalpiegefälle vom Kohlendioxid für die Wärmekraftmaschinen gegenüber denen vom Wasser in der Regel auch niedrig. Mit der vorliegenden Erfindung löst man aber die Probleme Klimawandel und Energiemangel, ggf. bekämpft man auch die fortschreitenden Desertifikationen.
Zur detaillierten Formulierung der Erfindung wird im Folgenden angenommen, dass die Lufttemperatur in Winter unter minus 30 °C und in Sommer über plus 30 °C liegt, sowie Flusswasser oder anderes natürliches Kühlmittel höchstens eine Temperaturhöhe von 20 °C hat. Unter dieser Annahme wird die vorliegende Erfindung beschrieben, derer Arbeitsverfahren vier folgende Arbeitsschritte enthalten kann.

1) CO₂-Sammeln. CO₂-haltiges Gas wie das gereinigte Rauchgas aus den Kohlekraftwerken oder anderen Verbrennungsanlagen enthält gewissen CO₂-Massenanteil, beispielsweise 15%. Um Wärme aus dem Gas zu gewinnen und es noch weiter zu reinigen, werden die Wärmeaustauscher- und Sedimentationsanlagen z.B. in Winterzeit eingesetzt. Dabei entsteht aus ihm neben dem kondensierten Wasser und anderen Kondensaten auch ein getrocknetes Gas, in dem der CO₂-Anteil erstrebenswert gestiegen ist.
2) CO₂-Verflüssigen. Es wird vorzugsweise winterliche Luftkälte genutzt, um die Temperatur des im o.g. Schritt 1) behandelten Rauchgases unter minus 30 °C zu bringen. Danach ist es durch einen Gaskompressor zu verdichten, um den CO₂-Partialdruck im Rauchgas weit über 15 bar zu erhöhen. Damit wird Kohlendioxid zum Großenteil aus dem Rauchgas flüssig abscheiden. Die abgeschiedene CO₂-Flüssigkeit wird erst einmal für die Elektrizitätserzeugung verwendet und dann in einen CO₂-Flüssigkeitsbehälter des Anlagensystems geleitet. Jeder solche Behälter ist mit CO_2-Flüssigkeit voll abzufüllen. Das nach der CO₂-Abscheidung gebliebene Restliche vom Rauchgas wird ebenfalls zu weiterer Nutzung oder Behandlung geführt. Übrigens ist es wichtig zu erwähnen, dass hier auch andere CO₂-haltige Fluide als Rauchgas zur CO₂-Abscheidung bzw. -Verflüssigung angewendet werden können. Und der Prozess vom CO₂-Verflüssigen in der Wärmekraftmaschinenanlage wird in der nachfolgenden Erläuterung zur Zeichnung 7 ausführlich beschrieben, und er kann zusammen mit dem hier vorliegenden CO₂-Verflüssigen kombiniert ablaufen.
3) CO₂-Heizen. Mithilfe sommerlicher Warmluft oder durch Nutzung von Abwärme bzw. Geotherme, Solarwärme und so andere Naturwärme wird die in den Behältern voll abgefüllten CO₂-Flüssigkeit geheizt, die z.B. aus dem o.g. Schritt 2) hervorkommen kann und vor dem Heizen eventuell noch umgelagert werden soll. Durch das Heizen steigt ihre Temperatur über die Höhe von 30 °C, damit erreicht ihr Druck unter der isochoren Bedingung eine entsprechende Höhe von 700 bar oder noch höher. Darüber hinaus lässt sich die Temperatur von CO₂-Fluiden während ihrer Zuströme zu den Wärmekraftmaschinen weiter steigern, indem beispielsweise die Wärme aus den Solarthermie-Anlagen dazu verwendet wird und ggf. auch die Wärme aus Verbrennung von CO₂-neutralen Brennstoffen in einer Brennkammer.
4) CO₂-Energieumwandeln. Das geheizte Kohlendioxid mit dem hohen Druck aus dem o.g. Schritt 3) lässt sich in Wärmekraftmaschinen wie Kolbenkraftmaschinen oder Turbinen expandieren, um z.B. die Elektrizität zu erzeugen. Vor dem CO_2-Eintritt in die Wärmekraftmaschinen werden die starken CO₂-Druckschwankungen hinreichend geglättet. Nach dem CO₂-Austritt daraus ist das expandierte Kohlendioxid mithilfe der Kälte aus Flusswasser, Kaltluft, oder anderen natürlichen Kühlmitteln erneut zu verflüssigen, wobei es unter Umständen noch zu verdichten ist. Das verflüssigte Kohlendioxid wird dann wieder in die CO₂-Behälter voll abgefüllt. Somit geht der Prozess zum o.g. Schritt 3) über, und ein expandierender CO₂-Kreislauf lässt sich dann bei Bedarf mit hinzufließender CO₂-Masse bilden, die fortlaufend aus dem o.g. Schritt 2) stammen kann.

Bei jedem von vier o.g. Schritten versucht man lediglich natürliche Kälte oder Wärme auszunutzen, was aber schon darauf hinweist, dass die vorliegende Erfindung zur Erzielung überdurchschnittlicher Wirtschaftlichkeit nur bedingt anwendbar ist, und zwar in den Regionen wo es in Winter bzw. in Sommer eine kalte bzw. eine warme Lufttemperatur herrscht, wie z.B. in Nordchina oder in Ägypten. Am besten wäre es an einem Ort kalt in Winter aber auch heiß in Sommer.
Zeichnungen: Als folgt wird die Erfindung mit sieben Zeichnungen weiter erläutert.
Erläuterung zur Zeichnung 1: Die erste Zeichnung dient der Darstellung der Systemübersicht. Wie die Zeichnung zeigt, enthält das Anlagensystem mehrere von fünf folgenden Bestandteilen: Wärmeaustauscheranlage, Sedimentationsanlage, CO₂-Verflüssigungsanlage, CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage und CO₂-Fluidspeicheranlage. Die CO_2-Fluidspeicheranlage, kurz CO₂-Speicheranlage genannt, kann sich wiederum aus zwei Teilanlagen der CO₂-Gasspeicheranlage und der CO_2-Flüssigkeitspeicheranlage zusammensetzen. Vor der Wärmeaustauscheranlage steht CO₂-haltiges Gas, z.B. gereinigtes Rauchgas, das aus Quellen wie Kohlekraftwerken hervorkommen kann. Um dies zu kühlen und Wärme daraus zu gewinnen, wird die Wärmeaustauscheranlage zum Beispiel in Winterzeit eingesetzt. Dabei entsteht gekühltes Rauchgas, das in der anschließenden Sedimentationsanlage durch Sedimentation entfremdet und durch weitere Abkühlung abgetrocknet wird, ggf. ist es noch über einen Staubfilter zu filtern. Somit bekommt man ein getrocknetes und noch mehr gereinigtes Rauchgas, das in der nachfolgenden CO₂-Verfüssigungsanlage noch weitgehend tiefer abgekühlt und adäquat verdichtet wird, um Kohlendioxid in Form der Flüssigkeit aus dem Rauchgas abzuscheiden. Diese abgeschiedene CO₂-Flüssigkeit lässt sich erst einmal für die Elektrizitätserzeugung verwenden und dann voll in den Behältern der CO₂-Flüssigkeitspeicheranlage abspeichern. Die abgespeicherte CO₂-Flüssigkeit braucht sich künftig unter Umständen noch umzulagern. In der kommenden Sommerzeit ist sie dann durch die Luftwärme, Solarwärme oder andere natürliche Wärmequellen anzuheizen, oder sie in einer früheren Zeit durch anwendbare Wärmequellen wie Abwärme, Geotherme, Verbrennungswärme usw. unverzüglich anzuheizen, um z.B. die Elektrizität durch ihre Entspannung in der Wärmekraftmaschinenanlage mit Generatoren zu erzeugen. Dabei gasförmig gewordenes Kohlendioxid kann anschließend in der CO₂-Gasspeicheranlage aufbewahrt werden und mithilfe der Kaltluft in der kommenden Winterzeit wieder verflüssigt, oder in einer früheren Zeit ist es durch seine Abkühlung mit der Kälte aus Flusswasser oder ähnlichen natürlichen Kühlmitteln erneut in die flüssige Phase umzuwandeln.
Man kann hier leicht erkennen, dass die nützlichen Temperaturgefälle der Luft zwischen Sommer- und Winterzeit durch die CO₂-Fluidspeicheranlage zu überbrücken sind. Man bezeichnet dies als zeitliche Überbrückung. Hierbei wird Kohlendioxid in Winterzeit verdichtet und verflüssigt, sowie in Sommerzeit erwärmt und entspannt, dazwischen kann es in der CO₂-Fluidspeicheranlage aufbewahrt werden. Darüber hinaus steht noch eine örtliche Überbrückung zwischen warmen und kalten Orten mittels eines CO₂-Transportsystems wie etwa Fernleitungsröhren oder Kanäle in Betracht. Hierbei wird Kohlendioxid am kalten Ort verflüssigt und dann zum warmen Ort transportiert, dort wird es erwärmt und dann in den Wärmekraftmaschinen entspannt. Nach der Entspannung wird es wieder zum kalten Ort zurücktransportiert. Darüber hinaus kann diese örtliche Überbrückung in horizontaler oder vertikaler Weise erfolgen, z.B., zwischen der Arktis und dem Erdäquator wird sie als horizontale Überbrückung bzw. zwischen dem Fuß und dem Gipfel vom Everest-Gebirge als vertikale Überbrückung bezeichnet. Selbstverständlich können die zeitlichen und örtlichen Überbrückungen auch in kombinierter Weise erfolgen. Nicht zuletzt ist doch die Ausnutzung des Temperaturgefälles zwischen Luft und Flusswasser an einem Ort und in einem Tag.
Erläuterung zur Zeichnung 2: Wie allgemein bekannt, ist das Rauchgas aus den Kohlekraftwerken oder anderen Verbrennungsanlagen schon gereinigt und mit einer hohen Temperatur versehen. Normalerweise ist es über einen hohen Schornstein in die Luftatmosphäre freizulassen, aber jetzt zu einem Wärmeaustauscher der Anlage umgeleitet. Es fließt nämlich über die Einfuhr von Gas (1) in die Metall-Leitung (5) des Wärmeaustauschers herein. Die Leitung in runder oder platter Form wird innerhalb eines Stahlbetonbehälters von oben nach unten beispielsweise in einer spiralförmigen oder geradlinigen Weise gelegt. Der Stahlbetonbehälter selber wird teilweise an seiner Außenwand z.B. mit Wärmedämmungsmaterial thermisch isoliert. In der Leitung fließt das Rauchgas vom oben nach unten über die Ausfuhr von Gas (2) aus der Anlage heraus. Das Kaltwasser fließt von oben über die Einfuhr von Kaltwasser (3) durch eine Leitung in den untersten Teil des Behälters hinein, und dann strömt es entlang oder kreuz der Leitungsaußenfläche von unten nach oben, schließlich überläuft es als Heizwasser über die Ausfuhr von Heizwasser (4) aus dem Behälter heraus. Innerhalb der Leitung strömt auch das dort kondensierte Wasser zur nachfolgenden Sedimentationsanlage. Übrigens, eine Wärmeaustauscheranlage sollte aus zwei solchen Wärmeaustauschern bestehen.
Erläuterung zur Zeichnung 3: Einfuhr von Gas (6) ist mit der in Zeichnung 2 gezeigten Ausfuhr vom Gas (2) verbunden. Die Höhe ihrer Lage ist niedriger als die der Ausfuhr von Gas (2), damit die Kondensate aus dem Rauchgas in einen Stahlbetonbehälter der Sedimentationsanlage leicht einströmen. Sie werden durch das Doppelventil (7) separat gezielt extrahiert, d.h., das kondensierte Wasser mit manchen Fremdstoffen wird nach der Sedimentation zu einer in Zeichnung 3 nicht gezeigten Wasseranlage abgeleitet, alle festen Sedimente werden nach ihrer Entnahme über das Doppelventil (7) auch adäquat weiter behandelt. Der Wärmeaustauscher (10) dient hier der weiteren Abkühlung des Rauchgases z.B. mithilfe der winterlichen Kaltluft. Dadurch wird es weitgehend abgetrocknet und dann fließt durch das Sperrventil (9) über die Ausfuhr von Gas (8) heraus zur nachfolgenden CO₂-Verflüssigungsanlage. Bei Bedarf kann es auch durch einen noch zu installierenden Gasventilator aus dem Behälter herausgefördert werden, und vor dem Sperrventil (9) kann man, wenn nötig, einen Staubfilter installieren, um große und leichte Partikel aus dem Rauchgas zu filtern. Übrigens, eine Sedimentationsanlage sollte aus zwei solchen Stahlbetonbehältern bestehen.
Erläuterung zur Zeichnung 4: Hier wird anhand des getrockneten Rauchgases aus der Sedimentationsanlage der CO₂-Verflüssigungsprozess beschrieben. Dabei kann man stattdessen auch andere CO₂-haltige Gase in analoger Weise zur CO₂-Verflüssigung benutzen. Das getrocknete Rauchgas aus der Sedimentationsanlage wird hier auf eine Druckhöhe von über 300 bar verdichtet, und zwar durch eine mehrstufige Gasverdichtungsanlage mit Zwischenkühlungen dank winterlicher Luftkälte. Dabei kann viel Verdichtungswärme mit über 100 °C entstehen, die in zwei Wärmeströmen A und B zu den Wärmeaustauschern 1 und 2 abgeführt wird. Nach der Verdichtung und der Abkühlung befindet sich das Rauchgas auf einem thermodynamischen Zustand von über 300 bar und unter minus 30 °C, was für CO₂-Verflüssigung ausreicht. Das verdichtete Rauchgas fließt dann weiter in einen zuvor evakuierten Behälter hinein, und dort unter eventuell weiterer Abkühlung trennt es sich in zwei Teile: CO₂-Flüssigkeit und Sonstiges, genannt als Restgas. Die beiden Teile werden separat aus dem Behälter jeweils durch den CO₂-Strom D und den Restgas-Strom C abgeführt, ihre Temperaturen werden alsdann jeweils über Wärmeaustauscher 1 bzw. 2 auf eine Höhe von über 100 °C angehoben. Die dazu nötige Wärme kommt eben von der o.g. mehrstufigen Gasverdichtungsanlage oder vom in der Wärmeaustauscheranlage gewonnenen Heizwasser oder andere verwendbare Wärme. Danach werden sie jeweils über eine oder mehrere Wärmekraftmaschinen mit elektrischen Generatoren, z.B. Kolbenkraftmaschine oder Turbine, auf einen möglichst niedrigen Druck entspannt. Das CO₂-Fluid wird beispielsweise auf einen Druck von 15 bar entspannt und danach in einen Behälter der CO₂-Flüssigkeitspeicher-anlage geleitet und dort abgespeichert. Für das Restgas gilt es analog, z.B. es auf 1 bar zu entspannen. Das entspannte Restgas lässt sich dann in die Luftatmosphäre freilassen, oder zu weiteren Verwendungen führen, z.B. mithilfe der bei Entspannung entstehenden Kälte und durch die geeigneten Techniken wie z.B. Linde-Verfahren die Sauerstoffe und Stickstoffe aus dem Restgas zu trennen.
Es ist somit vielversprechend und erstrebenswert, eine vollständige Nutzung vom gereinigten Rauchgas wirtschaftlich zu realisieren, wobei einige wichtigen und neuen Stoffformen entstehen können, z.B. flüssiges Kohlendioxid und Heizwasser. Dazu ist jedoch elektrische Energie beispielsweise für den Antrieb der Gasverdichtungsanlagen aufzuwenden. Durch Nutzung der Verdichtungs- und Heizwasserwärme wird aber elektrische Energie auch in großer Menge erzeugt, so dass nach Bilanz noch ein Überschuss elektrischer Energie ausgewiesen werden kann. Allerdings wird dazu notwendig sein, ein großes Volumen von Behältern zum Speichern der CO₂-Flüssigkeit bereitzustellen, was folglich eine massive Investition für ihre Errichtung anfordert. Sie lässt sich jedoch über weitere elektrische Stromerzeugung mit Wärmekraftmaschinen wieder zurückholen, und zwar durch die Entspannung der zuvor in den Behältern gespeicherten und noch zu heizenden CO₂-Flüssigkeit in der kommenden Sommerzeit, oder in einer früheren Zeit an einem warmen Ort bzw. per Ausnutzung der verwendbaren Abwärme, Geotherme und so weiter.
Erläuterung zur Zeichnung 5: CO₂-Flüssigkeit fließt über die Einfuhr für CO₂-Flüssigkeit (11) durch Sperrventil (13) in den zuvor evakuierten Behälter hinein, der ein außenseitig geschickt wärmeisolierter Stahlbetonbehälter sein kann. Dabei wird sie, falls nötig, durch Pumpe (12) gefördert, ansonsten fließt sie über einen in der Zeichnung nicht gezeigten schaltbaren Bypass neben der Pumpe (12) zum Sperrventil (13). Der Behälter kann intern mit einem Wärmeaustauscher (16) zur Wärmeübertragung mit Außen ausgestattet werden und hat eine Ausfuhr für CO₂-Flüssigkeit (14) mit Sperrventil (15), sowie besitzt mindestens einen in der Zeichnung nicht gezeigten Sicherheitsexit. Er lässt CO_2-Flüssigkeit automatisch aus dem Behälter ausfließen, falls ihr Druck im Behälter über eine bestimmte Höhe zum Beispiel von 70 bar übersteigt.
Es kann mehrere solche CO₂-Flüssigkeitbehälter geben, die miteinander über Ventile verbunden werden können und alle diese zusammen die CO₂-Flüssigkeitspeicheranlage bilden. Der Wärmeaustauscher (16) von solchen Behältern kann mit unterschiedlicher Leistungshöhe der Wärmeübertragung implementiert werden. Beispielsweise brauchen die Wärmeaustauscher derjenigen Behälter eine sehr hohe Wärmeübertragungsleistung, von denen CO₂-Fluid unmittelbar für eine CO₂-Strömung zu den Wärmekraftmaschinen geliefert wird. Die sonstigen Wärmeaustauscher lassen sich mit niedriger Wärmeübertragungsleistung ausstatten, insbesondere, wenn ihre Wärmeübertragung für eine lange Zeit abläuft, z.B. für mehrere Monate von Winter zu Sommer.
Erläuterung zur Zeichnung 6: CO₂-Gas fließt über die Einfuhr von CO₂-Gas (17) durch Sperrventil (19) in den zuvor evakuierten Behälter hinein, der z.B. ein außenseitig eventuell wärmeisolierter Stahlbetonbehälter ist und mit CO₂-Flüssigkeitbehältern kombiniert gebaut werden kann. Dabei wird es, falls nötig, durch Ventilator (18) gefördert, ansonsten fließt es über einen in der Zeichnung nicht gezeigten schaltbaren Bypass neben dem Ventilator (18) zum Sperrventil (19). Der Behälter kann mit einem Wärmeaustauscher (22) zur Wärmeübertragung mit Außen ausgestattet werden und hat eine Ausfuhr von CO₂-Gas (20) mit Sperrventil (21), sowie besitzt mindestens einen in der Zeichnung nicht gezeigten Sicherheitsexit. Er lässt CO₂-Gas automatisch aus dem Behälter ausfließen, falls sein Druck im Behälter über eine bestimmte Druckhöhe beispielsweise von 5 bar übertrifft.
Es kann mehrere solche CO₂-Gasbehälter geben, die miteinander über Ventile verbunden werden können und alle diese zusammen die CO₂-Gasspeicheranlage bilden. Der Wärmeaustauscher (22), falls installiert, sollte wenige Wärmeübertragungsleistung besitzen, wenn seine Wärmeübertragung für eine lange Zeit abläuft, z.B. für mehrere Monate von Sommer zu Winter.
Erläuterung zur Zeichnung 7: Die CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage hat eine Wärmekraftmaschinengruppe, die aus den Kolbenkraftmaschinen oder Turbinen mit elektrischen Generatoren besteht. Links und rechts davon ist jeweils verbunden mit einem Wärmeaustauscher, an dem ein Betriebsbehälter L bzw. R angeschlossen ist. Der Betriebsbehälter L bzw. R verknüpft eine Behältergruppe von L1, L2, ... Ln bzw. R1, R2, ..., Rm über ihre Schalter. Die Behälter der beiden Behältergruppen sind jeweils verbunden mit den Wärme- und Kältequellenanlagen auch über ihre aber anderen Schalter. Ebenso verbunden sind die beiden Betriebsbehälter L und R sowie die beiden daran angeschlossenen Wärmeaustauscher mit den Wärme- und Kältequellenanlagen, aber Übersichtshalber sind die Verbindungslinien und die entsprechenden Schalter dafür nicht in der Zeichnung dargestellt. Alle Behälter sind z.B. mit Wärmedämmungsmaterial von außen thermisch isoliert, im Inneren sind sie jeweils mit Wärmeaustauschern zur Wärmeübertragung mit Außen ausgestattet. Die Betriebsbehälter unterscheiden sich insofern von anderen Behältern, als ihre Wärmeübertragungsleistung höher und ihre Festigkeit stärker als die anderen ausgelegt sind. Als Startbedingungen der Anlage sei ohne Einschränkung der Allgemeinheit angenommen: die rechtseitigen Behälter seien evakuiert, die linkseitigen aber mit CO₂-Fluid voll abgefüllt, das einen hohen Druck und eine bestimmte hohe Temperatur aufweist. Diese beiden Zustandsgrößen von Druck und Temperatur werden nachfolgend jeweils als Betriebsdruck bzw. Betriebstemperatur bezeichnet. Das gespannte CO₂-Fluid im Betriebsbehälter L fließt zu den Wärmekraftmaschinen der Gruppe über den linken Wärmeaustauscher, wo es wiederrum erwärmt wird. In den Wärmekraftmaschinen entspannt es sich zur Energieumwandlung auf einen niedrigeren Druck mit einer zugehörigen niedrigeren Temperatur. Diese beiden Größen werden im Folgenden jeweils als Entspannungsdruck bzw. Entspannungstemperatur genannt. Das entspannte Kohlendioxid wird über den Wärmeaustauscher rechts abgekühlt, und fließt weiter zum rechtseitigen Betriebsbehälter R.
Die Behälter L1, L2, ..., Ln werden dem Betriebsbehälter L ihre CO₂-Fluide nacheinander liefern, während ihrer Lieferzeit werden die CO₂-Fluide in den Behältern jeweils über ihre eigenen Wärmeaustauscher erwärmt. Dieser Erwärmungsvorgang oder -prozess wird als Vorgang oder Prozess von Heizen zum Füllen oder Heizen zum Entspannen genannt (Siehe den Anspruch 1). Nach jeweiligem CO₂-Liefer-Ende, das mit einer bestimmten CO₂-Druckhöhe im betreffenden Behälter gekennzeichnet ist, wird der betreffende Behälter zugemacht, und nach dessen Zumachen wird sein Wärmeaustauscher umgeschaltet, nämlich Zusperren der Wärmequelle und dann Freischalten der Kältequelle, um das restliche Kohlendioxid im Behälter abzukühlen. Dieser Kühlvorgang endet, wenn es die Temperatur eines vorgewählten Kühlmittels erreicht. Und er wird als Vorgang oder Prozess von Kühlen zum Füllen genannt (Siehe den Anspruch 1). Dieser Prozess von Kühlen zum Füllen erfolgt in gewissen Zeitabständen früher oder später für jeden linkseitigen Behälter von L1, L2, ..., Ln.
Für die rechtseitigen Behälter empfängt zuerst der rechtseitige Betriebsbehälter R das entspannte Kohlendioxid mit einem Kühlvorgang durch seinen Wärmeaustauscher. Das gekühlte Kohlendioxid strömt dann weiter in die Behälter R1, R2, ..., Rm nacheinander oder parallel, wo es zu seiner Verflüssigung über den jeweiligen Wärmeaustauscher von ihnen weiter abgekühlt wird. Die dazu notwendige Kälte kommt von den angeschlossenen Kältequellen. Nach dem Ende der CO₂-Vollfüllung in den jeweiligen Behälter von R1, R2, ..., Rm durch das strömende Kohlendioxid aus dem Betriebsbehälter R wird der betreffende Behälter zugemacht und nach dessen Zumachen wird sein Wärmeaustauscher umgeschaltet, nämlich Zusperren der Kältequelle und dann Freischalten der Wärmequelle, um Kohlendioxid im zugemachten Behälter isochor bis zur anfänglichen linkseitigen Betriebstemperatur zu erwärmen, und somit wird das Kohlendioxid den anfänglichen linkseitigen Betriebsdruck im Behälter wieder erlangen. Diese Vorgänge erfolgen für jeden rechtseitigen Behälter von R1, R2, ..., Rm. Und so erreichen alle ihre CO₂-Fluide früher oder später den thermodynamischen Zustand beim Starten der Anlage. Dabei wird der Kühlvorgang als Vorgang oder Prozess von Kühlen zum Verflüssigen genannt (Siehe den Anspruch 1), und der Heizvorgang oder -prozess nach dem Zuschließen der Behälter als Heizen zum Drucksteigen (Siehe den Anspruch 1).
Anschließend oder kurz zuvor fließt CO₂-Fluid dann mit der umgekehrten Richtung, nämlich von den rechtseitigen zu den linkseitigen Behältern. Die CO₂-Liefervorgänge rechts vollziehen sich dann analog zu den vorherigen Liefervorgängen links. Die linkseitigen Behälter L, L1, L2, ..., Ln haben in sich noch restliches Kohlendioxid, das nach seiner Abkühlung schon einen niedrigeren Druck als der Entspannungsdruck aufweist. Deswegen erfolgen dort die Vorgänge von CO₂-Füllen, -Kühlen und -Heizen analog zu den vorherigen Vorgängen in den Behältern rechts. Damit erreichen CO₂-Fluide dort früher oder später wieder den thermodynamischen Zustand beim Start der Anlage.
In der Zeichnung sieht der Aufbau links und rechts der Wärmekraftmaschinengruppe ähnlich aus. Im oben beschriebenen Prozess wechselt sich die CO₂-Strömungsrichtung in gewissen Zeitabständen ständig links zu rechts und umgekehrt. Ebenso wechseln sich die Vorgänge von CO₂-Heizen und -Kühlen bzw. CO₂-Liefern und -Füllen in den beiderseitigen CO₂-Behältern, die entsprechend zwischen zwei Zuständen von Offen und Geschlossen zu wechseln haben. Außerdem laufen diese Vorgänge in den einzelnen Behältern nicht kontinuierlich ab, sondern in einer Batchweise mit gewisser Zufälligkeit für Batchstart und -dauer. Der CO₂-Prozess ist daher kein stationärer Fließprozess, vielmehr ist er ein instationärer Pingpong-Fließprozess zwischen den linken und rechten Seiten von der Wärmekraftmaschinengruppe. In dem nachfolgenden Implementierungsbeispiel wird dieser Prozess noch zusätzlich mit konkreten Zahlenwerten bis ins Detail beschrieben. Des Weiteren ist hier noch anzumerken, dass aufgrund der flexiblen Auslegung der Heiz-, Kühl- und Speicherfunktionen der CO₂-Behälter das Problem der Diskrepanz der langsamen Wärmeübertragung von Wärmeaustauschern gegenüber dem schnellen Betriebslauf von Wärmekraftmaschinen behoben ist.
Implementierungsbeispiel: In der vorliegenden Erfindung werden in der Regel die Standards-Techniken und -Equipments integrierend angewendet.

a) Wärmekraftmaschinen: Es werden Kolbenkraftmaschinen oder Turbinen mit elektrischen Generatoren eingesetzt, und zwar in verschiedenen CO₂-Betriebsdruckbereichen mit einer Obergrenze von 700 bar sowie im CO₂-Temperaturbereich zwischen minus 70 °C und plus 150 °C. Die Obergrenze von 700 bar wird durch die Festigkeit der CO₂-Behälter bestimmt, hier kann CO₂-Flüssikeit in einem voll abgefüllten Behälter beim Aufheizen bis zum 150 °C einen viel höheren Druck als 700 bar erreichen, wie etwa 2000 bar. Daher bei Bedarf lässt sich ein Betriebsbehälter mit härteren Materialien bauen, der beispielsweise einem höheren CO₂-Druck von 1327 bar und gleichzeitig der CO₂-Temperatur 80 °C standhalten kann. Der CO₂-Entspannungsdruck orientiert sich nach der Umgebungstemperatur z.B. Flusswasser-Temperatur, oder nach der Zielsetzung für die Kälte- oder Elektrizitätserzeugung. Er ist auch durch das Verhältnis der CO₂-Dichten vor und nach der CO₂-Entspannung beeinflusst. Die untere Temperaturgrenze nach der CO₂-Expansion in Wärmekraftmaschinen ist neben dem Einfluss des CO₂-Entspannungsdrucks noch durch die CO₂-Trippelpunkt-Temperatur und die anderen Faktoren wie Entropiehöhe und die Festigkeit der angewendeten Materialien beschränkt. Die obere Grenze der CO₂-Temperatur vor der CO₂-Expansion in den Wärmekraftmaschinen setzt man im Temperaturbereich zwischen 20 und 150 Grad Celsius so an, dass möglichst keine fossilen Brennstoffe zum CO₂-Heizen zu verwenden brauchen und gleichzeitig noch eine große Menge natürlicher Wärmeenergie in Arbeit wirtschaftlich effizient umgewandelt werden kann.
b. Gasverdichtungsanlagen für die Rauchgas- bzw. CO₂-Gaskompressionen arbeiten hier normalerweise im Druckbereich mit einer Obergrenze von 400 bar bzw. 20 bar, die den heutigen technologischen Stand der Gasverdichtungsanlagen nicht herausfordert. Werden außerdem die Verfahren von Membrane Gas Separation (MGS) oder Druckwechsel Adsorption (PSA) oder andere Verfahren vor der Kompression des Rauchgases für die Steigerung seines CO₂-Anteils verwendet, so kann die Obergrenze von 400 bar noch viel verringert werden. Ob ein von den beiden Verfahren oder anderen Verfahren dafür eingesetzt oder nicht, hängt ganz allein von der Abwägung der Wirtschaftlichkeit ab.
c. Messgeräte für Druck, Temperatur, Massenstrom u.a.m. sind normale Geräte, für die keine Hochpräzision in der Regel erforderlich wird, d.h., die Fehlertoleranz kann durchaus im Bereich vom Zehntel der Einheiten von bar, Grad, Kubikmeter pro Minute u.a.m. liegen.
d. Derzeitige Wärmeübertragungstechnik gilt als technisch reif für die anzuwendenden Wärmeaustauscher im Anlagensystem. Siehe dazu die verschiedenen Firmenprodukte und die entsprechenden in der Literatur der Erfindungsbeschreibung genannten Lehrbücher.
e. Im Fall vom CO₂-Ferntransport kann ein Stahlbetonkanal für CO₂-Gas-Transport verwendet werden, der eine Druckhöhe bis zum 5 bar aushalten muss. Innerhalb des Kanals oder direkt daneben oder woanders kann eine CO₂-Flüssigkeit-Fernleitungsröhre gebaut werden, die einem CO₂-Druck bis zum 30 bar standhalten muss. Diese Anforderungen an die CO₂-Transportsysteme sind mit den gegenwärtigen Kanal- und Röhre-Technologien ruhig erfüllbar. Siehe dazu die entsprechend aufgelisteten Fachliteraturen in der Beschreibung.

Die Standort-Auswahl für die Implementierung ist von den Klima-Bedingungen etwas eingeschränkt, insofern als kein CO₂-Transportsystem zwischen den warmen und kalten Orten eingesetzt ist. Ein guter Standort als Beispiel ist Stadt Haerbin, die Provinzhauptstadt von Helongjiang VR. China. Dort erreicht nämlich die Lufttemperatur in Winter minus 35 °C, und in Sommer übersteigt sie plus 30 °C. Außerdem wäre es gut, wenn die Bauplätze der Anlagen nahe von CO₂-Quellen wie etwa Kohlekraftwerken liegen können. Steht aber kein passendes Grundstück nahe davon zur Verfügung, so kann man Kohlendioxid aus Rauchgas vor Ort flüssig abscheiden, und dann durch eine CO₂-Flüssigkeit-Fernleitungsröhre nach einer fernliegenden CO₂-Flüssigkeitspeicheranlage transportieren. Die CO₂-Speicheranlage sollte möglichst dort gebaut werden, wo wenig angesiedelt ist, beispielsweise in den Wüsten. Weil die CO₂-Speicheranlage große Flächen bzw. Volumen anfordert, kann man dort mit dem Bau solcher Speicheranlage beispielsweise in Form der Stahlbetonbehälter auch die fortschreitenden Desertifikationen bekämpfen. Darüber hinaus kann die CO₂-Speicheranlage modulweise gebaut werden, von klein zu groß, bis zu einer Anlagensystemgröße, die den Energiebedarf vor Ort decken kann, vorausgesetzt, dass es dort ausreichend große CO₂-Massenmenge zur Verfügung steht. Im Beispiel der Stadt Haerbin kann man jetzt mit einer jährlich neu verfügbaren CO₂-Massenmenge von circa 2,58 Millionen Tonnen rechnen. Dazu benötigt man ungefähr 3,30 Millionen Kubikmeter als das gesamte Volumen von Stahlbetonbehältern zur Speicherung von CO₂-Flüssigkeit, die eine Dichte von 782,6 Kilogramm pro Kubikmeter hat. Mit 17500 Kubikmeter pro Behälter muss man 189 Behälter dazu aufbauen. Zur Sicherheit baut man 380 Stücke solcher Behälter, so in der Zeichnung 7 werden 190 Behälter jeweils für die linke bzw. rechte Seite von der Wärmekraftmaschinengruppe ausgelegt: 1 Betriebsbehälter und 189 andere Behälter. Man setzt zudem einen durchschnittlichen CO₂-Massenstrom von 2000 Kilogramm pro Sekunde für die Wärmekraftmaschinengruppe an, so reichen 2,58 Millionen Tonnen der CO₂-Masse für circa 10 Tage aus, während derer Dauer der CO₂-Massenstrom von einer nach der anderen Seite der Wärmekraftmaschinengruppe fließt, bevor er die Fließrichtung wechselt.
Im Sinne der Wirtschaftlichkeit ist die Investition für diese Anlagensystemgröße noch niedrig. Für die Erläuterung dazu geht man davon aus, dass Stadt Haerbin als Beispiel circa eine gesamte elektrische Leistung von 2 GW aus Kohlekraftwerken für den zivilen Gebrauch benötigt. Sie verbrauchen dort ungefähr 6,41 Millionen Tonnen von Standardkohlen pro Jahr, erzeugen damit circa 20,61 Millionen Tonnen von Kohlendioxiden. Mit einer CO₂-Abscheidungssrate von 75% aus dem Rauchgas könnten jährlich circa 15,46 Millionen Tonnen von reinen Kohlendioxiden entstehen, von denen man aber in zweimonatiger Winterzeit mit der Lufttemperatur unter minus 30 °C dort lediglich 2,58 Millionen Tonnen verflüssigen kann. Nach der CO₂-Verflüssigung muss für Stadt Haerbin die CO₂-Flüssigkeit zu einer fernliegenden und wenig angesiedelten CO₂-Flüssigkeitspeicheranlage geleitet werden. So für das Anlagensystem braucht man dort insgesamt eine Investition von circa 900 Millionen Yuan Renminbi exklusive der beiden Kosten für die Grundstücke und den Bau von CO₂-Fernleitungsröhren. Der größte Kostenanteil fällt hier auf den Bau von CO₂-Speicheranlage, welche 380 Stücke obengenannter Behälter enthält. Zum CO₂-Heizen können in Sommerzeit neben der Warmluft beispielsweise auch Solarthermie-Anlagen und Salzspeicher zur Wärmespeicherung eingesetzt werden, ggf. auch eine Brennkammer zur Verbrennung von CO₂-neutralen Brennstoffen in anderer Zeit, um eine CO₂-Betriebstemperatur von 80 °C vor dem Eintritt in die Wärmekraftmaschinen zu erreichen. Der Entspannungsdruck ist gegen 60 bar und abhängig von der Umgebungstemperatur, z.B. von Flusswasser mit 20 °C.
Bei den Energieumwandlungen von Wärme in Arbeit setzt man voraus, dass der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschinen 70% beträgt, wobei das CO₂-Enthalpiegefälle zwischen vor und nach der CO₂-Expansion dort einen durchschnittlichen Wert von 21 kJ/kg beträgt. Unter günstigeren Bedingungen kann ein höherer Wert von circa 118 kJ/kg erreicht werden. Die Elektrizitätsmengenberechnung erfolgt im Folgenden aber mit dem Wert von 21 kJ/kg, und somit erhält man eine elektrische Leistung von etwa 28 MW. Daraus folgt: a) Produktion der Elektrizität von 244 Millionen kWh im ersten Produktionsjahr, b) Erzeugung von Kälte in Sommer. Derzeit in China hat der Öko-Strom ungefähr einen Preis vom 0,5 Yuan Renminbi pro kWh. Die erzeugte Elektrizität allein hat dann einen Wert in Höhe von 122 Millionen Yuan Renminbi, welcher gegenüber der geschätzten Investition von 900 Millionen Yuan Renminbi wirtschaftlich sehr effizient auftritt.
Als folgt wird der Betriebsprozess für die CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage anhand der Zeichnung 7 mit Stadt Haerbin als Beispiel ausführlich beschrieben. Zuerst würden ohne Einschränkung der Allgemeinheit die folgenden Startbedingungen angenommen: Die rechtseitgien Behälter der Zeichnung 7 seien evakuiert und die linkseitigen aber mit CO₂-Fluid vollgefüllt, sein thermodynamische Zustand sei 342 bar und 80 °C, daraus folgt seine Dichte 782,6 Kilogramm pro Kubikmeter; das Kühlmittel sei Flusswasser, dessen Temperatur die Höhe von 20 °C nicht übertrifft; die gesamte Wärmeübertragungsleistung aller Wärmeaustauscher von der Anlage entspräche der elektrischen Leistung von 28 MW, dies erfordert etwa 215 MW Wärmeübertragungsleistung zum CO₂-Heizen und 270 MW zum CO₂-Kühlen. Bei der Annahme ist hier noch zu erwähnen, dass die Druckhöhe von 342 bar für einen Stahlbetonbehälter sehr hoch ist. Und in den nachfolgenden 9 Anmerkungen, insbesondere der 4. Anmerkung wird erklärt, wie diese Druckhöhe ohne Senkung der elektrischen Leistung stark zu reduzieren ist. Zum Beginn des Prozesses fließt das gespannte CO₂-Fluid aus dem linken Betriebsbehälter L über den linken Wärmeaustauscher, wo es wiederum erwärmt wird, und dann weiter zu den Wärmekraftmaschinen der Gruppe, wo es sich auf eine Druckhöhe von 60 bar entspannt. Das entspannte CO₂-Fluid wird über den rechten Wärmeaustauscher abgekühlt, und fließt anschließend in den rechten Betriebsbehälter R herein.
Während der CO₂-Lieferzeit vom Betriebsbehälter L wird Kohlendioxid im L die Wärme über seinen Wärmeaustauscher aus der Wärmequellenanlage erhalten, damit die CO₂-Temperatur im L über die Höhe von 80 °C steigen kann. Gleichzeitig mit dem CO₂-Ausfluss aus L sinkt dort aber der CO₂-Betriebsdruck. Mit dem Sinken auf nahe 70 bar wird ihm dann CO_2-Fluid aus dem Behälter L1 zugeliefert. Während der CO₂-Lieferzeit vom Behälter L1 wird Kohlendioxid im L1 die Wärme über seinen Wärmeaustauscher aus der Wärmequellenanlage erhalten, um CO₂-Temperatur dort möglichst auf 80 °C halten zu können. Mit dem CO₂-Drucksinken auf nahe 70 bar im Behälter L1 wird L1 zugemacht und kurz zuvor beginnt der Behälter L2 dem Betriebsbehälter L sein CO₂-Fluid zu liefern, dabei wird Kohlendioxid im L2 die Wärme über seinen Wärmeaustauscher aus der Wärmequellenanlage erhalten, um CO₂-Temperatur dort möglichst auf 80 °C halten zu können. Mit dem CO₂-Drucksinken auf nahe 70 bar im L2 wird L2 auch zugemacht. Dieser CO₂-Liefervorgang durch die linksseitigen Behälter wiederholt sich, bis Kohlendioxid im letzten Behälter Ln den Druck von 70 bar erreicht. Außerdem beginnt ein linkseitiger CO₂-Kühlvorgang jeweils in den Behältern L1, L2, ..., Ln nacheinander oder parallel, sobald sie jeweils zugemacht und anschließend die entsprechenden Wärmeaustauscher von Heizen auf Kühlen umgeschaltet sind. Der CO₂-Kühlvorgang in einem jeden linkseitigen Behälter endet, als das restliche Kohlendioxid dort die Kühlmitteltemperatur, z.B. 20 °C, erreicht. Die Kälte kommt hier über die jeweiligen Wärmeaustauscher der Behälter aus der Kältequellenanlage.
Oben ist der linkseitige Prozess beschrieben, nun wird der rechtseitige Prozess dargestellt. Der Betriebsbehälter R empfängt das entspannte CO₂-Fluid durch einen Kühlvorgang mithilfe seines Wärmeaustauschers. Anschließend fließt das gekühlte CO₂-Fluid zum Behälter R1, der es auch durch einen Kühlvorgang mithilfe seines Wärmeaustauschers zu empfangen beginnt. Wenn Kohlendioxid im R1 den Entspannungsdruck 60 bar wegen des CO₂-Füllens aus R erreicht, wird R1 mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Sperrventil für R1 automatisch zugemacht, und damit gleichzeitig oder kurz zuvor beginnt es, R2 mit Kohlendioxid aus R zu füllen. Und so ähnlich fortsetzend läuft es bis zum letzten rechtseitigen Behälter Rm. Während der Zeit des CO₂-Füllens in den Behälter R2 oder einen anderen rechtseitigen Behälter in der Gruppe mit Nummer größer als 2 wird Kohlendioxid im R1 über seinen Wärmeaustauscher weiter abgekühlt, bis es die Temperatur des Kühlmittels von 20 °C erreicht. Dabei gilt auch, immer wenn CO₂-Druck im R1 etwas niedriger als 60 bar wird, wird R1 mit Kohlendioxid aus R automatisch nachgefüllt, bis Kohlendioxid da den Entspannungsdruck 60 bar wieder erreicht. Diese R1-Nachfüllung wiederholt sich in gewissen Zeitspannen, bis Kohlendioxid drin einen stabilen thermodynamischen Zustand von 60 bar und 20 °C aufweist. Daraus ergibt sich im R1 eine CO₂-Dichte von 782,6 Kilogramm pro Kubikmeter. Anschließend wird R1 zugemacht und dann ist sein Wärmeaustauscher vom Kühlen auf Heizen umzuschalten. Danach beginnt es, Kohlendioxid im R1 über seinen Wärmeaustauscher isochor zu heizen, bis Kohlendioxid dort die Betriebstemperatur von 80 °C erreicht. Daraus folgt ein CO₂-Druck von 342 bar im R1. Diese Kühl-, Füll- und Heizvorgänge für Kohlendioxid in R1 wiederholen sich in der analogen Weise für jeden anderen Behälter der rechtseitigen Behältergruppe nacheinander oder parallel. Als gespanntes CO₂-Fluid im letzten linksseitigen Behälter Ln den Druck 70 bar erreicht, d.h. alle gespannten linkseitigen CO₂-Fluide für die CO₂-Entspannung in den Wärmekraftmaschinen aufgewendet worden sind, befindet sich Kohlendioxid im letzten rechtseitigen Behälter Rm oder einem vorherigen Behälter in der rechtseitigen Behältergruppe schon auf dem stabilen thermodynamischen Zustand von 342 bar und 80 °C. Nun wird der gesamte Prozess in seiner CO₂-Strömungsrichtung umkehren, nämlich von den rechtseitigen zu den linkseitigen CO₂-Behältern. Die CO₂-Liefervorgänge rechts vollziehen sich dann analog zu den vorherigen CO₂-Liefervorgängen links, das gespannte CO₂-Fluid fließt nämlich jetzt aus dem Betriebsbehälter R über den rechtseitigen Wärmeaustauscher, wo es wiederum erwärmt wird, und dann weiter zu den Wärmekraftmaschinen der Gruppe, wo es sich auf 60 bar entspannt. Das entspannte Kohlendioxid kühlt sich anschließend über den linkseitigen Wärmeaustauscher ab, und dann strömt ohne weiteres in den Betriebsbehälter L herein, weil sich das restliche Kohlendioxid in den linkseitigen Behältern nach vorheriger Abkühlung schon auf dem thermodynamischen Zustand von 20 °C und der Dichte 134,1 Kilogramm pro Kubikmeter befindet, das bedeutet, der CO₂-Druck dort beträgt circa 48 bar, er ist kleiner als der Entspannungsdruck 60 bar. Daher wiederholen sich die vorherigen rechtseitigen CO₂-Vorgänge jetzt bei den Behältern der linksseitigen Gruppe, nämlich Füllen, Kühlen, Heizen und so weiter. Damit werden CO₂-Fluide dort den thermodynamischen Zustand von 80 °C und 342 bar in gewissen Zeitabständen früher oder später wiedererlangen.
Der CO₂-Liefervorgang erfolgt also erst von links nach rechts und dann von rechts nach links, und jetzt beginnt er wieder von links nach rechts. So in diesem Zyklus läuft ein Pingpong-Fließprozess zwischen den beiden Seiten der Wärmekraftmaschinengruppe kontinuierlich ab. Allerdings, man wird sich dabei eine Frage stellen, ob die Wärmekraftmaschinen mit ihrem Lauf zwischendurch unterbrechen würden, weil der Umkehrvorgang in den beiden Betriebsbehältern L und R zwischen Liefern und Empfangen bzw. Heizen und Kühlen nicht so schnell vollgezogen werden könnte. Eine Antwort dafür wird man in nachfolgenden Anmerkungen finden, vorläufig kann man sich vorstellen, dass ein Betriebsbehälter aus zwei Teilbehältern besteht, ein für Heizen und Liefern, anderer für Kühlen und Empfangen. Das Analoge gilt für die Wärmekraftmaschinengruppe und die beiden Wärmeaustauscher daneben.
Anmerkungen:

1) Zum besseren Verständnis ist der Aufbau der CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage nahezu symmetrisch gezeichnet. Es genügt jedoch ein Steuerungsprogramm für die Anlage aufzustellen, das sich an den Zuständen von ihren Behältern bzw. Wärmeaustauschern mit den entsprechenden CO₂-Vorgängen bzw. Wärmeübertragungsmodi orientiert. Sie sind zu oder offen, und die CO₂-Vorgängen sind Heizen, Kühlen, Halten, Liefern, Füllen, Nachfüllen, Zuschließen und Aufmachen für die Behälter, sowie die Wärmeübertragungsmodi Ein-, Aus- und Umschalten von Wärme- oder Kältequellenanlagen für die Wärmeaustauscher. Alle Behälter L, L1, L2, ..., Ln und R, R1, R2, ..., Rm stehen dann unter derselben Kontrolle und Steuerung des Programms. Somit kann jeweils ein Betriebsbehälter fest für CO₂-Liefern bzw. CO₂-Empfangen angesetzt werden, und analog gilt dies den beiden Wärmeaustauschern neben ihnen für CO₂-Kühlen bzw. CO₂-Heizen. Im weiten lässt sich so ein fest für CO₂-Kühlen angesetzter Wärmeaustauscher auch mit dem empfangenden Betriebsbehälter zusammenlegen. Außerdem kann dadurch ein Behälter, bis auf die Betriebsbehälter, während seines CO₂-Liefervorgangs angehalten werden, aus ihm weitere CO₂-Fluide für den CO₂-liefernden Betriebsbehälter zu liefern, falls sein Wärmeaustauscher die Wärme zur Erhaltung gewisser CO₂-Temperaturhöhe in ihm, z.B. 80 °C im Implementierungsbeispiel, nicht rechtzeitig zuliefern kann. In diesem Fall wird CO₂-Fluid stattdessen aus einem anderen CO₂-Behälter mit passender CO₂-Temperatur und geeignetem CO₂-Druck für den CO₂-liefernden Betriebsbehälter geliefert, im Implementierungsbeispiel bedeutet dies, CO₂-Temperatur dort ist höher oder gleich 80 °C und zugleich CO₂-Druck dort höher als 70 bar. Demzufolge braucht ein einzelner CO₂Behälter außer den Betriebsbehältern nicht mehr unbedingt eine ausreichende Wärmeübertragungsleistung zum CO₂-Heizen und zum CO₂-Kühlen im Behälter aufzuweisen. Jedoch ist dabei unbedingt zu beachten, dass die gesamte Wärmeübertragungsleistung der Anlage zum CO₂-Heizen und zum CO₂-Kühlen eben der angesetzten elektrischen Leistung entsprechen muss. Im Beispiel der Stadt Haerbin ist die elektrische Leistung von 28 MW, dementsprechend sind die gesamten Heiz- und Kühlleistungen auch wie oben angegeben. Daher aufgrund dieser Kontroll- und Steuerungsfunktionen des Programms, unabhängig davon, wie es und insbesondere mit welcher Programmiersprache und mit welcher Hardware implementiert wird, lässt sich die genannte Behälteranzahl von 380 Stücken mit dem vorgegebenen Volumen im Implementierungsbeispiel noch viel mehr verkleinern, und somit sinken die entsprechenden Investitionen. Übrigens ergibt sich aus den genannten Leistungen, dass der gesamte Wirkungsgrad dieser Anlage bezüglich der Heizleistung bzw. der gesamten Wärmeübertragungsleistung circa 13% bzw. 6 % beträgt. Dieser Wirkungsgrad entspricht ungefähr dem von ORC-Anlagen im Niedertemperaturbereich.
2) Das Implementierungsbeispiel der Stadt Haerbin verfügt, wie zuvor gesagt, über eine CO₂-Massenmenge, die für eine 10 tägige einseitige CO₂-Lieferung zur Entspannung in den Wärmekraftmaschinen ausreicht. Man kann diese Dauer etwas kürzen, zum Beispiel auf 5 Tage, indem der CO₂-Massenstrom auf 4000 Kilogramm pro Sekunde verdoppelt wird. Infolgedessen ist circa ein Verzweifachen der elektrischen Leistung, vorausgesetzt jedoch, dass die Wärmeübertragungsleistung und die elektrische Kapazität der Anlage auch entsprechend erhöht werden. Alle kürzeste Dauer würde 24 Stunden, dann besteht in der Regel zumindest noch ein Frühmorgen mit der tiefsten Umgebungstemperatur in einem Tag zum Zweck des CO₂-Kühlens. Hierbei ist die Speicherfunktion von Behältern wieder erkennbar, die eine zeitliche Überbrückung nach sich zieht, nämlich eine dadurch zum Zweck des CO₂-Kühlens realisierte Zeitverschiebung vom CO₂-Empfangszeitpunkt im Betriebsbehälter zu einem späteren Zeitpunkt in einem anderen CO₂-Behälter, wie z.B. hier dem kommenden Frühmorgen. Man kann dadurch solche Zeitverschiebungen zum CO₂-Kühlen nicht nur um einen oder mehrere Tage realisieren, sondern auch um mehrere Monate, beispielsweise zwischen Sommer- und Winterzeit. Erfolgt diese Zeitverschiebung durch die zeitliche Überbrückung zwischen Sommer und Winter tatsächlich, so kann der CO₂-Entspannungsdruck viel niedriger als 60 bar im Beispiel angesetzt werden, um mehr Elektrizität zu erzeugen, aber auch mehr Kälte in Sommer zu produzieren. Allerdings muss man dazu auch mehr CO₂-Speicherkapazität aufbauen. Andererseits unter der Beibehaltung der elektrischen Leistungshöhe von 28 MW im Beispiel kann man durch die Kürzung der Dauer die CO₂-Speicherkapazität, also hier die Behälteranzahl 380 mit dem genannten Volumen, deutlich reduzieren. Und infolgedessen lässt sich die genannte Investitionssumme von 900 Millionen Yuan Renminbi für das Anlagensystem drastisch verringern.
3) Analog zur zeitlichen Überbrückung zwischen den hohen und niedrigen Temperaturen in den verschiedenen Zeiten kann eine örtliche Überbrückung des Temperaturunterschieds zwischen warmen und kalten Orten durch ein CO₂-Transportsystem wie z.B. Fernleitungsröhren oder Kanäle realisiert werden. Somit erfolgt mehr Elektrizitätserzeugung durch Untersetzen des CO_2-Entspannungsdrucks für die Wärmekraftmaschinen bzw. durch Erhöhen der Betriebstemperatur dafür. Aber dazu muss man die Baukosten für das CO₂-Transportsystem verkraften. Und zudem ist selbstverständlich auch möglich, die zeitlichen Überbrückungen hier kombiniert einzusetzen.
4) Wird die benötigte Wärmeübertragungsleistung auf wenige CO₂-Behälter konzentriert, so brauchen alle anderen Behälter, bis auf die Betriebsbehälter, keine Wärmeaustauscher mehr in sich zu installieren, sie besitzen demzufolge hauptsächlich eine Speicherfunktion und eine mögliche außenseitige Wärmeisolierung. Ihre Festigkeitsanforderung kann daher sehr deutlich nachlassen, z.B. CO₂-Druck drin auf 70 bar bzw. auf 1 bar für CO₂-Flüssigkeitbehälter bzw. CO₂-Gasbehälter zu senken. Somit können die Bau- und Betriebskosten der CO₂-Behälter noch weiter verringert werden.
5) Ist die Zielsetzung die Kälteerzeugung statt der Elektrizitätsgewinnung, so unter Acht auf die entsprechenden Entropiehöhen kann der Entspannungsdruck für einige Wärmekraftmaschinen in der Gruppe etwa auf 1 bar herabgesetzt werden. Dabei entsteht im entspannten CO₂-Gas die Kälte, welche zielgemäß abzuführen ist. Nach der Kälteübertragung wird das CO₂-Gas entweder abgespeichert und später verflüssigt, oder durch einen mit der erzeugten Elektrizität angetriebenen Gaskompressor adäquat verdichtet und zugleich mit der Kälte aus Flusswasser oder ähnlichen natürlichen Kühlmitteln wieder in die flüssige Phase umgewandelt. Die dabei entstandene Verdichtungswärme lässt sich zum CO₂-Heizen für die Elektrizitätsgewinnung weiterverwenden.
6) Gäbe es überschüssige Elektrizität vom Stromnetz in der Nacht zu nutzen, so reduziert man am Tag möglichst tief den CO₂-Entspannungsdruck für die Wärmekraftmaschinen unter der Beachtung der entsprechenden Entropiehöhen, um mehr Elektrizität wie auch mehr Kälte zu erzeugen. Das so zu Gas expandierte Kohlendioxid ist dann in der Nacht durch einen mit der genannten überschüssigen Elektrizität angetriebenen Gaskompressor angemessen zu verdichten und zugleich durch seine Abkühlung wieder zu verflüssigen, die mit Hilfe der zuvor am Tag produzierten Kälte und/oder der Kälte aus Flusswasser, Kaltluft oder anderen natürlichen Kühlmitteln erfolgt. Am kommenden Tag steht das verflüssigte Kohlendioxid erneut für die Elektrizitätserzeugung zur Verfügung, wobei die zuvor in der Nacht entstandene Verdichtungswärme auch zum CO₂-Heizen mitgenutzt werden kann. Die Effizienz dieses ganzen Prozesses ist bemerkenswert hoch, zumal die Teillast-Funktionen der CO₂-angetriebenen Wärmekraftmaschinen im Vergleich zu Wasserdampfkraftwerken viel flexibler sind.
7) sind die Betriebsdrücke z.B. zwischen 342 und 70 bar im Implementierungsbeispiel zu homogenisieren, d.h. die Betriebsdruckschwankungen dazwischen zu glätten, so ist für die unterschiedlichen CO₂-Ströme mit differenzierten CO₂-Druckhöhen vor dem CO₂-Eintritt in die Wärmekraftmaschinengruppe ein CO₂-Mischungsapparat einzurichten, der hauptsächlich aus Düsen und Diffusoren besteht. Oder eine andere Methode dafür sollte darin bestehen, dass man zuerst einen großen Betriebsdruckbereich in mehrere kleinere Betriebsdruckbereiche adäquat aufteilt und dann dementsprechend verschiedene Wärmekraftmaschinen für diese unterschiedlichen kleineren Betriebsdruckbereiche einsetzt. Es ist natürlich auch möglich, diese beiden Methoden kombiniert anzuwenden. Eine ganz andere mögliche Methode ist jedoch der Einsatz einer Gegendruckturbine mit Mehrdruckströmen, wenn die CO₂-Dichte vor dem CO₂-Eintritt in die Wärmekraftmaschinen in einem geeigneten subkritischen Gebiet liegt, z.B. kleiner als 60 bar und höher als 80 °C.
8) Die im Implementierungsbeispiel angenommene Betriebstemperatur in der Höhe von 80 °C hat zur Folge, dass Wärme der niedrigeren Temperatur zum CO₂-Anheizen als erste Heizstufe ausgenutzt werden kann. Zum Beispiel, die heiße Umgebungsluft in Sommer erwärmt Kohlendioxid bis zum 30 °C oder noch höher. Ist jedoch die Betriebstemperatur 80 °C nicht erreichbar, dann ist mit einem niedrigeren Enthalpiegefälle und daraus folgender kleineren elektrischen Leistung zu rechnen, falls die Entspannungstemperatur nicht entsprechend gesenkt werden kann. Wenn aber die Entspannungstemperatur auch anbei gesenkt ist, so wird es trotz der niedrigeren Betriebstemperatur sogar möglich, die Enthalpiegefälle zu steigern. Zum Beispiel, für die Betriebstemperatur 30 °C und die Kühlmitteltemperatur minus 30 °C, was eingangs zur Formulierung der vorliegenden Erfindung gerade der angenommenen Lufttemperatur in Sommer bzw. in Winter entspricht, kann ein entsprechendes Enthalpiegefälle von circa 36 kJ/kg erreicht werden. Dies ist viel höher als 21 kJ/kg im Beispiel, allerdings müsste man dazu eine zeitliche oder örtliche Überbrückung zwischen plus 30 °C und minus 30 °C bewerkstelligen. Darüber hinaus sollte man die Wärme aus Solarthermie-Anlagen nutzen, sie genügt zum Erreichen der Betriebstemperatur 80 °C auf jeden Fall in der Sommerzeit. Außerdem lässt sich die CO₂-Temperatur von 80 °C durch die Übertragung der Wärme leicht übertreffen, die aus der Verbrennung von CO₂-neutralen Brennstoffen wie Abholze und Stroh hervorgeht. Falls ihr Verbrennungsrauchgas auch gesammelt wird wie es aus Kohlekraftwerken, dann kann diese Art Verbrennung sogar den CO₂-Treibhauseffekt vermindern.
9) Sind die Enthalpiegefälle, z.B. 21 kJ/kg im Implementierungsbeispiel, zu niedrig für den Antrieb der Wärmekraftmaschinen, dann ist die gespannte CO₂-Masse nur aus dem bestimmten Oberteil des verwendbaren Betriebsdruckbereichs zu entnehmen. Würde im Implementierungsbeispiel das gespannte Kohlendioxid nur aus dem Intervall [100, 342] bar anstatt [70, 342] bar benutzt, so kann das Enthalpiegefälle circa um 10% erhöht werden. Außerdem mit einer höheren Obergrenze vom Betriebsdruck als 342 bar, z.B. 700 bar, kann ein höheres Enthalpiegefälle ebenfalls erreicht werden. Allerdings zu den beiden Möglichkeiten muss jeweils mehr CO₂-Masse bzw. festerer Betriebsbehälter etc. bereitgestellt werden.

Ausgehend vom Implementierungsbeispiel der Stadt Haerbin können mit Acht auf die o.g. 9 Anmerkungen verschiedenartige Erweiterungen und Modifikationen durchgeführt werden. Erhöht man z.B. die Betriebstemperatur von 80 °C auf 100 °C, so steigt das Enthalpiegefälle von 21 kJ/kg im Beispiel auf circa 42 kJ/kg. Analog steigt es auf circa 35 kJ/kg, wenn die Kühlmitteltemperatur wie die Flusswassertemperatur eine Höhe von 5 °C statt der im Beispiel angenommenen Höhe von 20 °C aufweist. Dementsprechend sieht man hier ein enormes Potenzial zur Erhöhung der Enthalpiegefälle auf circa 118 kJ/kg, falls die Betriebstemperatur auf 150 °C und die Kühlmitteltemperatur auf minus 30 °C geändert werden können. Diese Änderung ist aber erreichbar durch zeitliche oder örtliche Überbrückungen. Zum Beispiel, wenn man in der Lage ist, die Mittel für den Bau einer großen CO₂-Gasspeicheranlage aufzubringen, dann kann eine Zeitverschiebung von Sommer nach Winter durch die zeitliche Überbrückung realisiert werden. Damit wird viel mehr Elektrizität erzeugt, und durch mehrfache Zwischenüberhitzungen kann das gesamte Enthalpiegefälle sogar einige Hunderte von kJ/kg erreichen. Ähnlich dazu erreicht man solche gewaltige Erhöhung der Enthalpiegefälle auch durch eine örtliche Überbrückung mithilfe eines CO₂-Transportsystems wie etwa Fernleitungsröhren oder Kanäle. Hierbei kommt es wahrlich auf jeweilige konkrete Situation an, für die eine sorgfältige Planung und Optimierung notwendig wird, um möglichst hohe Wirtschaftlichkeit zu erzielen. Somit nutzt man CO₂ zur Energieumwandlung wirtschaftlich hoch effizient und löst die Probleme Klimawandel und Energiemangel, gegebenenfalls bekämpft man auch die fortschreitenden Desertifikationen.
Bezugszeichenliste

1 -: Einfuhr von Gas
2 -: Ausfuhr von Gas
3 -: Einfuhr von Kaltwasser
4 -: Ausfuhr von Heizwasser
5 -: Metall-Leitung
6 -: Einfuhr von Gas
7 -: Doppelventil
8 -: Ausfuhr von Gas
9 -: Sperrventil
10 -: Wärmeaustauscher
11 -: Einfuhr für CO₂-Flüssigkeit
12 -: Pumpe
13 -: Sperrventil
14 -: Ausfuhr für CO₂-Flüssigkeit
15 -: Sperrventil
16 -: Wärmeaustauscher
17 -: Einfuhr von CO₂-Gas
18 -: Ventilator
19 -: Sperrventil
20 -: Ausfuhr von CO₂-Gas
21 -: Sperrventil
22 -: Wärmeaustauscher

Literatur

1. Thermodynamik, 6. Auflage, Springer Verlag 2007, Klaus Lucas
2. Thermodynamik, 15. Auflage, Springer Vieweg 2012, Baehr und Kabelac
3. Thermodynamik, Bd. 1, 19. Auflage, Springer Vieweg Verlag 2013, Peter Stephan, Karlheiz Schaber, Karl Stephan, Franz Mayinger
4. Technische Thermodynamik, 2. Auflage, Springer Vieweg Verlag 2015, Peter von Böckh und Matthias Stripf
5. Thermodynamik, 2. Auflage, Verlag DE Gruyter 2016, Rainer Müller
6. Thermodynamik für Maschinenbauer, 5. Auflage, Springer Vieweg 2015, Wolfgang Geller
7. VDI-Wärmeatlas, 11. Auflage, Springer Vieweg Verlag 2013
8. Wärmeaustauscher, 5. Auflage, Verlag Vogel Business Media 2015, Walter Wagner
9. Fundamental Equations of State, Shaker Verlag 1998, Reiner Tillner-Roth
10. Multiparameter Equations of State, Springer Verlag 2000, Roland Span
11. Grundlagen der Pneumatik, 3. Auflage, Verlag Hanser 2012, Horst-W. Grollius
12. Taschenbuch der Kältetechnik, 19. Auflage, Verlag C.F. Müller Heidelberg 2008, Walther Pohlmann
13. Strömungsmaschinen, 5. Auflage, Verlag Hanser 2013, Herbert Sigloch
14. Massivbau, 5. Auflage, Springer Vieweg 2015, Peter Bindseil
15. Stahlbetonbau, 9. Auflage, Verlag Springer Vieweg 2013, Stefan Baar, Karsten Ebeling, Gottfried C.O. Lohmeyer
16. Thermoökonomische Bewertung der Organic Rankine Cycles bei der Stromerzeugung aus industrieller Abwärme, Verlag Berlin 2014, Thermodynamik Energie-Umwelt-Technik, Band 25, Markus Preißinger
17. CCS-Technologie, Springer Vieweg 2015, Hrsg. Manfred Fischedick, Klaus Görner, Margit Thomeczek
18. Can carbon dioxide replace steam to generate Power? Scientific American™, By Umair Irfan, Climate Wire, on March 3, 2015
19. Analyse der Entwicklungsstufen des Carbonate Looping Prozesses zur CO2-Abscheidung, Verlag Cuvillier Göttingen 2014, Johannes Kremer
20. Gas2energy.net, 1. Auflage, Deutscher Industrieverlag GmbH 2015, Jens Mischner, Hans-Georg Fasold, Jürgen Heymer, Volker Trenkle
21. The Gas Engineer's Dictionary, Deutscher Industrieverlag GmbH 2013, Klaus Hofmann, Rainer Reimert, Bernhard Klocke

Claims

Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid als Arbeitsmedium für die Wärmekraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagensystem mehrere der folgenden fünf Anlagen enthält: 1.1 eine Wärmeaustauscheranlage mit folgenden Merkmalen, 1.1.1 mindestens ein Behälter mit einem Volumen von mindestens 27 Kubikmeter und 1.1.2der teilweise oder vollständig an seiner Außenwand wärmeisoliert ist, und 1.1.3in dem mindestens eine Metall-Leitung (5) von oben nach unten gelegt ist, innerhalb welcher die Fluide über eine Einfuhr von Gas (1) von oben nach unten fließen, und 1.1.4in dessen unteren Wandbereich eine Ausfuhr von Gas (2) besteht, aus welcher z.B. das Rauchgas durch die Metall-Leitung ausfließt, und 1.1.5 in dessen unteren Bereich ein Eingang vorhanden ist, durch welchen das Kaltwasser in den Behälter einfließt, und zwar von oben über eine Einfuhr von Kaltwasser (3) durch eine Wasserleitung, der mit dem Eingang verbunden ist, und 1.1.6an dessen oberen Wandbereich eine Ausfuhr von Heizwasser (4) existiert, aus welcher das in den Behälter eingeflossene Kaltwasser nach der Wärmeübertragung über die Oberfläche der Metall-Leitung (5) als Heizwasser überläuft; 1.2 eine Sedimentationsanlage mit folgenden Merkmalen, 1.2.1 mindestens ein Behälter mit einem Volumen von mindestens 27 Kubikmeter und 1.2.2der einen schrägen Boden zum Sammeln von Sedimenten aus CO₂-haltigen Fluiden hat, und 1.2.3in dessen Wandbereich eine Einfuhr von Gas (6) besteht, und 1.2.4 in dessen tiefsten Bodenbereich ein Doppelventil (7) zur Extraktion der Sedimente aus CO₂-haltigen Fluiden existiert, und 1.2.5an dessen Wand ein Ausgang zur Abführung des kondensierten Wassers aus den CO₂-haltigen Fluiden vorhanden ist, und 1.2.6in dessen oberen Innenraum möglicherweise ein Wärmeaustauscher (10) zur Abkühlung vom CO₂-haltigen Gas installiert ist, und 1.2.7an dessen oberen Teil eine Ausfuhr von Gas (8) zur Gas-Abführung besteht und ein Sperrventil (9) bestehen, und 1.2.8ein optionaler Ventilator und/oder ein optionaler Staubfilter bei der Ausfuhr von Gas (8) installiert werden können; 1.3 eine CO₂-Verflüssigungsanlage mit folgenden Merkmalen, 1.3.1 mindestens eine Gasverdichtungsanlage mit einem optionalen schaltbaren Bypass, und 1.3.2 mindestens ein Behälter zum Empfang von verdichtetem CO₂-haltigen Fluid wie z.B. Rauchgas aus der Gasverdichtungsanlage, und 1.3.3eine Gruppe von Wärmeaustauschern zur Übertragung der Wärme wie etwa Verdichtungswärme aus der Gasverdichtungsanlage oder anderer verwendbarer Wärme, um die Kohlendioxide zu erwärmen, die z.B. aus dem CO₂-haltigen Gas abgeschieden sind, und/oder das vorhandene restliche CO₂-haltige Gas nach der CO₂-Abscheidung zu erwärmen, und 1.3.4eine Gruppe von Wärmekraftmaschinen für die Entspannung der CO₂-Fluide, und/oder für die Entspannung des vorhandenen restlichen CO₂-haltigen Gases nach der CO₂-Abscheidung, und 1.3.5ein Behälter zum Empfang der CO_2-Fluide, die in Wärmekraftmaschinen entspannt wurden, und 1.3.6ein optionaler Behälter zum Empfang des vorhandenen entspannten restlichen CO₂-haltigen Gases nach der CO₂-Abscheidung, und 1.3.7eine Gruppe von CO₂-Flüssigkeitbehältern zum Speichern der CO₂-Fluide, wobei die CO₂-Flüssigkeitbehälter bei Bedarf mit Wärmeaustauschern ausgestattet werden können, und 1.3.8eine optionale Gruppe von Behältern zum Empfangen des vorhandenen entspannten restlichen CO₂-haltigen Gases nach der CO₂-Abscheidung, wobei die Behälter mit eventuell benötigten Wärmeaustauschern ausgestattet werden können; 1.4 eine CO₂-Fluidspeicheranlage mit einer oder zwei der folgenden beiden Teilanlagen, 1.4.1 eine CO₂-Flüssigkeitspeicheranlage mit folgenden Merkmalen, 1.4.1.1 eine Gruppe von Behältern, die über Ventile miteinander verbunden werden können, und 1.4.1.2 Jeder Behälter der Gruppe hat: 1.4.1.3 eine Einfuhr für CO₂-Flüssigkeit (11) mit einem optionalen Sperrventil (13) und einer optionalen Pumpe (12), sowie einen mit der Pumpe (12) korrelierten Bypass, und 1.4.1.4 eine Ausfuhr für CO₂-Flüssigkeit (14) mit einem optionalen Sperrventil (15), und 1.4.1.5 zumindest einen Sicherheitsexit, und 1.4.1.6 eventuell einen, mehrere oder auch keinen Wärmeaustauscher (16) im Innenraum, und 1.4.1.7 teilweise oder vollständig an der Außenwand thermisch zu isolieren, und 1.4.1.8 mindestens dem Druck von 20 bar standzuhalten; 1.4.2eine CO₂-Gasspeicheranlage mit folgenden Merkmalen, 1.4.2.1 eine Gruppe von Behältern, die über Ventile miteinander verbunden sein können, und 1.4.2.2 Jeder Behälter der Gruppe hat: 1.4.2.3 eine Einfuhr von CO₂-Gas (17) mit einem Sperrventil (19) und einem optionalen Ventilator (18), sowie einen mit dem Ventilator (18) korrelierten Bypass, und 1.4.2.4 eine Ausfuhr vom CO₂-Gas (20) mit einem optionalen Sperrventil (21), und 1.4.2.5 zumindest einen Sicherheitsexit, und 1.4.2.6 einen oder mehrere oder auch keinen Wärmeaustauscher (22) im Innenraum, und 1.4.2.7 teilweise oder vollständige oder auch keine Wärmeisolierung an der Außenwand, und 1.4.2.8 mindestens dem Druck von 1,2 bar standzuhalten; 1.5 eine CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage mit folgenden Merkmalen, 1.5.1 eine Gruppe von Wärmekraftmaschinen mit elektrischen Generatoren, und 1.5.2eine Wärmequelleanlage, welche Wärme zu allen Wärmeaustauschern der CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage liefern kann, und 1.5.3eine Kältequelleanlage, welche Kälte zu allen Wärmeaustauschern der CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage liefern kann, und 1.5.4mindestens zwei Betriebsbehälter jeweils zum Liefern bzw. zum Empfangen der CO₂-Fluiden zu bzw. von den Wärmekraftmaschinen, wobei die Betriebsbehälter mit Wärmeaustauschern ausgestattet sind, die jeweils wiederum mit den Wärme- und/oder Kältequellenanlagen über Schalter verbunden sind, und 1.5.5ein oder mehrere oder kein Wärmeaustauscher, der direkt nach dem liefernden Betriebsbehälter installiert und mit den Wärme- und/oder Kältequellenanlagen über Schalter verbunden wird, und 1.5.6ein oder mehrere oder kein Wärmeaustauscher, der direkt vor dem empfangenden Betriebsbehälter installiert und mit den Wärme- und/oder Kältequellenanlagen über Schalter verbunden wird, und 1.5.7eine Gruppe von CO₂-Behältern zum Liefern und/oder zum Empfangen von CO₂-Fluiden, wobei die CO₂-Behälter mit oder ohne Wärmeaustauschern ausgestattet werden können, die ihrerseits jeweils mit den Wärme- und/oder Kältequellenanlagen über Schalter verbunden sind; wobei gilt, 1.10 dass eine große Menge, d.h. ab 5000 Tonnen Masse Kohlendioxid, als Arbeitsmedium eingesetzt ist, und 1.11 dass zum CO₂-Heizen die klimatische Wärme und/oder Abwärme und/oder Geotherme, Solarwärme oder andere Naturwärme und/oder Wärme aus der Verbrennung von CO₂-neutralen Brennstoffen genutzt werden, und 1.12 dass zum CO₂-Kühlen die klimatische Kälte und/oder andere Naturkälte aus Flusswasser, tiefer Erde, tiefem Seewasser und/oder anderen natürlichen Kühlmitteln und/oder die eventuell erzeugte Expansionskälte in den Wärmekraftmaschinen genutzt werden, 1.13 dass die im Punkt 1.11 bzw. 1.12 beschriebene Nutzung der klimatischen Wärme bzw. der klimatischen Kälte in mehreren von drei folgenden Weisen erfolgt: vor Ort, mithilfe eines CO₂-Transportsystems oder mithilfe einer CO₂-Speicheranlage, 1.14 dass der Prozess von CO₂-Heizen in manchen CO₂-Behältern batchweise erfolgt, 1.15 dass der Prozess von CO₂-Kühlen in manchen CO₂-Behältern batchweise erfolgt, 1.16 dass der Prozess von CO₂-Füllen in manche CO₂-Behältern batchweise erfolgt, 1.17 dass der Prozess von CO₂-Liefern aus manchen CO₂-Behältern batchweise erfolgt, 1.18 dass mit mehreren von vier folgenden Verfahrensschritten ein CO₂-Kreislauf in der CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage gebildet wird, in dem die CO₂-Masse möglicherweise auch zunehmen kann: 1.18.1 CO₂-Sammeln, wobei die Kälte, insbesondere die Naturkälte, zur Abkühlung der CO₂-haltigen Fluide genutzt wird, 1.18.2CO₂-Verflüssigen, wobei der Prozess von Kühlen zum Füllen sowie der Prozess von Kühlen zum Verflüssigen parallel und/oder nacheinander in manchen CO₂-Behältern laufen, 1.18.3CO₂-Heizen, wobei der Prozess von Heizen zum Füllen, der Prozess von Kühlen zum Füllen und der Prozess von Heizen zum Drucksteigen parallel und/oder nacheinander in manchen CO₂-Behältern laufen, 1.18.4CO₂-Energieumwandeln, wobei der Prozess von Heizen zum Entspannen während der CO₂-Zuströme zu den Wärmekraftmaschinen läuft, und die CO₂-Druckschwankungen dabei eventuell geglättet werden.
Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid, welches im Rauchgas aus Kohlekraftwerken oder anderen Verbrennungsanlagen enthalten ist, und nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 2.1 dass CO_2-haltiges Fluid wie Rauchgas durch die Verwendung der in den Zeichnungen 2 bzw. 3 beschriebenen Wärmeaustauscheranlage bzw. Sedimentationsanlagen sowie mithilfe der klimatischen Kälte und/oder anderer Naturkälte getrocknet, gereinigt und somit der CO₂-Anteil im Fluid gesteigert wird, 2.2 dass die klimatische Kälte und/oder andere Naturkälte und/oder die verwendbare Expansionskälte von Gasen zur Abkühlung und/oder zur Zwischenkühlung bei den Gasverdichtungen benutzt wird, 2.3 dass die bei im Punkt 2.1 und/oder im Punkt 2.2 beschriebenen Prozessen gewonnene Wärme aus Fluiden zur Gewinnung der elektrischen Energie genutzt werden kann, 2.4 dass vor der Verdichtung von Gas in der CO₂-Verflüssigungsanlage ein Verfahren von PSA (Druckwechsel Adsorption) oder MGS (Membrane Gasseparation) oder anderes Verfahren zur Steigerung des CO₂-Anteils im Gas oder auch keins angewendet wird.
Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der drei folgenden Energiearten, 3.1 die Wärme aus Rauchgas oder andere Abwärme, 3.2 die Verdichtungswärme aus den Gasverdichtungsanlagen, 3.3 die bei der CO₂-Abscheidung benötigte Druckenergie in der CO₂-Verflüssigungsanlage, für die elektrische Energiegewinnung durch die Wärmekraftmaschinen verwendet werden, wobei die zugehörige Expansionskälte bei der Entspannung in den Wärmekraftmaschinen 3.4 für die Abkühlung der zu verdichtenden Gase, und/oder 3.5 für die Zwischenkühlungen der Gasverdichtungsanlagen, und/oder 3.6 für die Gewinnung der reinen Stoffe wie Sauerstoff und Stickstoff aus dem nach der CO₂-Abscheidung gebliebenen restlichen Gas wie z.B. aus dem Rauchgas, und/oder 3.7 für die Raumklimatisierung und andere Kühlungszwecke und/oder 3.8 für nichts, z.B. in einem extremkalten Winter verwendet werden kann.
Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid, wobei die CO₂-Eigenschaften Spannung und Massendichte zur Erzeugung von CO₂-Hochdruck auszunutzen sind, und nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 4.1 dass manche CO₂-Behälter mit CO₂-Fluiden vollgefüllt werden und 4.2 dass sie nach der Vollfüllung jeweils zugeschlossen werden und 4.3 dass die in den Behältern zugeschlossenen CO₂-Fluide gegebenenfalls aufzuschließen und in andere CO₂-Behälter umzulagern sowie wieder zuzuschließen sind, und 4.4 dass die zugeschlossenen CO₂-Fluide isochor geheizt werden, und zwar vorzugsweise durch Abwärme bzw. klimatische Wärme, Solarwärme, Geotherme oder andere Naturwärme, und gegebenenfalls durch Wärme aus der Verbrennung von CO₂-neutralen Brennstoffen, sowie notfalls auch durch Wärme aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen.
Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, 5.1 dass manche CO₂-Behälter mit Wärmeaustauschern ausgestattet sind, 5.2 dass die Prozesse von CO₂-Heizen bzw. -Kühlen in den mit Wärmeaustauschern ausgestatteten CO₂-Behältern batchweise stattfinden und sie parallel und/oder nacheinander laufen können, 5.3 dass die Prozesse von CO₂-Füllen in die CO_2-Behälter bzw. von CO₂-Liefern aus ihnen batchweise stattfinden und sie parallel und/oder nacheinander laufen können, 5.4 dass der CO₂-Fließprozess in der CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage durch ein Steuerungsprogramm für die Zustands- und Prozessverwaltung der CO₂-Fluide in manchen Behältern und manchen Wärmeaustauschern der CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage kontrolliert und gesteuert wird, 5.5 dass die gesamte Heiz- und Kühlleistungen von den CO₂-Behältern auf die gesamte elektrische Leistung der Wärmekraftmaschinen im System abgestimmt sind.
Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach mehreren der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, 6.1 dass die CO₂-Druckschwankungen vor der CO₂-Entspannung in den Wärmekraftmaschinen unter Umständen geglättet werden, und 6.2 dass die CO₂-Fluide während ihrer Zuströme zu den Wärmekraftmaschinen geheizt werden, und 6.3 dass nach der CO₂-Entspannung in den Wärmekraftmaschinen die expandierten CO₂-Fluide mithilfe der klimatischen Kälte und/oder durch Nutzung der Kälte aus Flusswasser oder anderer Naturkälte und/oder verfügbarer Kälte wie z.B. CO₂-Expansionskälte verflüssigt werden, und 6.4 dass die expandierten CO₂-Fluide gemäß 6.3 gegebenenfalls noch zu verdichten sind.
Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach einem der Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, 7.1 dass die Schwankungsbreite vom CO₂-Betriebsdruck vor dem CO₂-Eintritt in die Wärmekraftmaschinen durch kombinierte Verwendung von Düsen und Diffusoren für die CO₂-Ströme bei Bedarf reduziert wird, und/oder 7.2 dass unterschiedliche Wärmekraftmaschinen für die verschiedenen und zuvor aufgeteilten CO₂-Betriebsdruckintervalle der Schwankungsbreite vom CO₂-Betriebsdruck vor dem CO₂-Eintritt in die Wärmekraftmaschinen eingesetzt werden können, und/oder 7.3 dass die beiden Methoden in den Punkten 7.1 und 7.2 kombiniert angewandt werden können, und/oder 7.4 dass die Gegendruckturbinen mit Mehrdruckströmen bei Bedarf anzuwenden sind, wenn die CO₂-Dichte vor dem CO₂-Eintritt in die Wärmekraftmaschinen in einem subkritischen Gebiet liegt.
Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach mehreren der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, 8.1 dass die Höhen vom CO₂-Entspannungsdruck für die Wärmekraftmaschinen zwischen 1 und 70 bar auszulegen sind, 8.2 dass die Höhen vom CO₂-Entspannungsdruck gemäß 8.1 in der Regel abhängig von der verfügbaren Kühlmitteltemperatur festzulegen sind, 8.3 dass der CO₂-Entspannungsdruck gemäß 8.1 in der Regel höher liegt als der CO₂-Druck in einem CO_2-Behälter der CO₂-Wärmekraftmaschinenanlage, nachdem CO₂ dort bei einem Prozess vom CO₂-Kühlen bis zur gegebenen Kühlmitteltemperatur abgekühlt ist, wobei der Prozess vom CO₂-Kühlen ab dem Ende der CO₂-Lieferung aus dem CO_2-Behälter und nach dem Umschalten von CO_2-Heizen auf CO₂-Kühlen im CO₂-Behälter erfolgt, also ein Prozess von Kühlen zum Füllen ist.
Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach einem der Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass CO₂-Transportsysteme wie z.B. Kanäle und/oder Fernleitungsröhren eingerichtet werden, wenn an den CO₂-Quellenorten wie etwa Kohlekraftwerken kein passendes Grundstück für den Bau der CO₂-Fluidspeicheranlage verfügbar ist, und/oder wenn örtliche bzw. zeitliche Überbrückungen benötigt werden und diese Überbrückungen den CO₂-Transport erfordern. Siehe in der Erfindungsbeschreibung die Definitionen für die örtliche bzw. zeitliche Überbrückung.
Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach mehreren der Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, 10.1 dass bei Bedarf für die Kälteerzeugung der CO₂-Entspannungsdruck mancher Wärmekraftmaschinen möglichst tief zu setzen ist, um die Kälte und mehr Elektrizität zu erzeugen, und 10.2 dass das bei der Kälteerzeugung entstandene CO₂-Gas durch einen mit der Elektrizität angetriebenen Gaskompressor verdichtet und mithilfe der Naturkälte und/oder anderer verfügbaren Kälte verflüssigt wird, und 10.3 dass die bei der Kompression vom CO₂-Gas entstandene Verdichtungswärme zum CO₂-Heizen für die Energieumwandlung benutzt wird.
Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach mehreren der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, 11.1 dass der CO₂-Entspannungsdruck für manche Wärmekraftmaschinen am Tag möglichst tief zu setzen ist, um mehr Elektrizität am Tag wie auch mehr Kälte zu produzieren, wenn der überschüssige elektrische Netzstrom in der Nacht verfügbar ist, und 11.2 dass der überschüssige elektrische Netzstrom in der Nacht zum Antrieb eines Gaskompressors für die Verdichtung bzw. Verflüssigung vom expandierten CO₂-Gas auszunutzen ist, und/oder, 11.3 dass die bei der Gasverdichtung entstandene CO₂-Flüssigkeit und/oder die aus dem Gaskompressor abgeführte Verdichtungswärme am Tag für die elektrische Energiegewinnung durch die Wärmekraftmaschinen zu verwenden sind.