DE10247387A1

DE10247387A1 - Kraftstation und Verfahren zu ihrem Betrieb

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Publication number: DE10247387A1
Application number: DE10247387A
Authority: DE
Inventors: Karl Ludwig Holder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2003-09-11

Abstract

Kraftstation (14) mit einem Druckluftkreislauf (16) zur Umwandlung von Luftdruckenergie in mechanische/elektrische Energie und mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung (19) mittels mehreren mit Kohlendioxid gefüllten Wärmetauschern (31) und zugehörigen Ausdehnungszylindern (32) zur Umwandlung von Wärmeenergie auf niedrigem Temperaturniveau in Luftdruckenergie. Der Druckluftkreislauf (21) enthält zwei Druckluftspeicher (3, 4) in zwei Druckbehältern (1, 2) mit unterschiedlichem Druckniveau, eine Vorlaufleitung (7, 8) mit einer Druckluftturbine (12) für einen Druckabbau und eine Rücklaufleitung (15, 17) mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung (19) für einen Druckaufbau und Rücktransport der Hochdruckdruckluft in den Druckluftspeicher (3) des unter hohem Druck stehenden Druckluftbehälters (1).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kraftstation zur Umwandlung von thermischer Energie in elektrische Energie und ein Verfahren zu ihrem Betrieb mit den einleitenden Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 und 10.

Eine Kraftstation auf der Basis von Kohlendioxidflüssigkeit ist bekanntgeworden aus dem dem Anmelder und Erfinder zugehörigen älteren Deutschen Patent (Patentanmeldung) 101 26 403, deren Aufbau und Betriebsweise es zu vereinfachen und deren Wirkungsgrad es zu verbessern gilt.

Der Wirkungsgrad und die unter anderem daraus resultierenden Einsatzmöglichkeiten von bekannten Kraftstationen mit zum Beispiel Explosionsmotoren, Dampfmaschinen oder Gasturbinen sind bei niedrigen Arbeitstemperaturen ungenügend bzw. eine technische Lösung ist nicht möglich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kraftstation und ein Verfahren zu derem Betrieb mit verbessertem Wirkungsgrad bei niedrigen Temperaturen mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten zu schaffen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Kraftstation der eingangs näher bezeichneten Art erfindungsgemäss mit den Merkmalen des unabhängigen ersten Patentanspruches sowie bei dem Verfahren nach den Merkmalen des unabhängigen weiteren Patentanspruches. Vorteilhafte Ausgestaltungen und besonders zweckmässige Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen sonstigen Patentansprüchen beschrieben.

Die Kraftstation ist als eine Kombination eines Druckluftkreislaufes mit einem zyklischen thermischen Kohlendioxid-Prozess auf niedrigem Temperaturniveau und damit als eine weitere Ausgestaltung des Hauptpatentes zu verstehen. Deren Ziel ist hierbei die Nutzung von Wärmeenergie mit Temperaturen zwischen 20 bis ca. 100°C zur Energiewandlung schlussendlich in elektrische Energie.

Ein Beispiel für die Nutzung großer Energiepotentiale auf niedrigem Temperaturniveau ist die Nutzung von Meereswärme in bestimmten Meeresregionen. Die Differenztemperatur zwischen kaltem Tiefenwasser (etwa 4°C) und warmem Oberflächenwasser (etwa 27°C) erfordert für einen thermodynamischen Prozess spezielle Arbeitsmedien, wie zum Beispiel Ammoniak. Die Anwendung von Kohlendioxid als Arbeitsmedium wäre von den gegebenen Temperaturen technisch möglich, ergibt bei einer konventionellen Technik aber einen schlechten Wirkungsgrad, weil für den Rücktransport des flüssigen Kondensats in den Verdampfer ein grosser Teil der gewonnenen elektrischen Energie für die Kondensatpumpe benötigt wird und daher der Wirkungsgrad, vergleichsweise zu einer Anlage mit Ammoniak als Arbeitsmedium, wesentlich schlechter ist.

Spezielle Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kraftstation mit Kohlendioxid als Arbeitsmedium mit verbessertem Wirkungsgrad bei niedrigen Temperaturen mit vielfältigen Einsatzmöglichkeiten zu schaffen.

Mit der in den Patentansprüchen vorgeschlagenen Technik werden die Funktionen Verdampfen und Kondensieren in mit Kohlendioxid gefüllten Wärmetauschern integriert. Das heisst, die Wärmetauscher arbeiten abwechselnd als Verdampfer oder Kondensator. Das bedeutet, dass eine Kondensatpumpe entfallen kann, und damit wird der Wirkungsgrad einer solchen Anlage mit Kohlendioxid als Arbeitsmedium wesentlich verbessert. Ausserdem beinhaltet eine solche Anlage im Vergleich zu einer Lösung mit Ammoniak ein wesentlich geringeres technisches und gesundheitliches Risiko, weil Ammoniak entzündbar und giftig ist.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Prinzipschema einer Kraftstation,
Fig. 2 ein Prinzipschema einer Druckaufbaueinrichtung mit Kohlendioxid-Wärmetauschern und
Fig. 3 ein Prinzipschema einer Druckaufbauanlage.

1. Beschreibung der Kraftstation

Prinzip der Druckluftstation mit einer Kohlendioxiddruckaufbaueinrichtung (siehe Fig. 1 und 2)

Die Kraftstation 14 besteht aus einem Druckluftkreislauf 16 mit zwei Druckluftbehältern 1 und 2, in denen unterschiedlicher Druck herrscht, ferner mit einer in eine sie verbindende Leitungen 7 und 8 eingefügten Druckluftturbine 12 und mit einer in zwei weitere, die Druckluftbehälter 1 und 2 verbindenden Leitungen 15 und 17 eingefügte Druckaufbaueinrichtung 19 mit mehreren mit Kohlendioxid gefüllten Wärmetauschern 31 und zugehörigen Ausdehnungszylindern 32. Druckluftspeicher 3, 4 im Druckluftkreislauf 16 befinden sich in dem Druckluftbehälter 1 mit hohem Druck (zum Beispiel ca. 60 bar) und in dem Druckluftbehälter 2 mit niedrigerem Druck (zum Beispiel ca. 40 bar). Die Drücke in den beiden Druckluftspeichern 3 und 4 werden mit den Arbeitstemperaturen der Druckaufbaueinrichtung 19 abgestimmt, wobei die Höhe des Hochdruckes von der Verdampfertemperatur und die Höhe des Niederdruckes von der Kondensationstemperatur des Kohlendioxidarbeitsmediums abhängt. Die Drücke und die Temperaturen in den beiden Druckluftspeichern 3 und 4 werden mittels entsprechenden Sensoren 5 und 6 in Verbindung mit Sollwertgebern von Reglern dauernd ausgewertet und überwacht. Die Drücke in den Druckluftspeichern 3 und 4 dürfen beim Betrieb der Druckluftturbine 12 nur wenig schwanken. Dies ist gewährleistet, wenn der gleiche Durchsatz an Druckluft, welcher pro Zeiteinheit durch die Druckluftturbine 12 fliesst, über die Druckaufbaueinrichtung 19 in der selben Zeit in den Hochdruckluftspeicher 3 rücktransportiert wird.
Die Hochdruckluft fliesst aus dem Druckluftbehälter 1 durch die Druckrohrleitung 7 über die Druckluftturbine 12 und durch die Druckrohrleitung 8 in den Druckluftbehälter 2. In der Druckluftturbine 12 erfolgt der Druckabbau des Differenzdruckes zwischen den Druckluftspeichern 3 und 4. Die Druckluftturbine 12 kann bei Bedarf geheizt werden (die Druckluft kühlt sich bei der Entspannung ab). Dafür ist eine Heizung 11 mittels Warmwasser vorgesehen. Die Druckluftturbine 12 kann als Antrieb für einen elektrischen Generator 13 genutzt werden. Aus dem Behälter 2 fliesst gleichzeitig die Niederdruckluft durch eine Druckrohrleitung 15 zu der Druckaufbaueinrichtung 19 und von der Druckaufbaueinrichtung 19 über eine Druckrohrleitung 17 zurück in den Druckluftbehälter 1. In der Druckaufbaueinrichtung 19 wird mittels mehrerer mit Kohlendioxid (CO₂) gefüllter Druckbehälter über eine abwechselnde Kälte-/Wärmezuführung 20, 21 ein hoher Druck aufgebaut und damit die Druckluft über die Druckrohrleitung 17 wieder in den Druckluftbehälter 1 zurück befördert. Die Druckluftspeicher 3, 4 dienen zum Volumen-/Druckausgleich von kurzzeitigen Schwankungen bzw. Differenzen in der Zuführung bzw. Ableitung der Druckluft in den beiden Druckluftbehältern 1 und 2. Für den Druckaufbau des Betriebsdruckes (zum Beispiel bei der jeweiligen Inbetriebnahme der Kraftstation) in den beiden Druckluftbehältern 1, 2 sind Zuführungen 9 und 10 einschliesslich Absperrventilen 22 und 23 zum Beispiel für den Anschluss eines Kompressors vorgesehen. Verschiedene Absperrschieber 24 bis 29 in den Rohrleitungen 7 und 8 und in weiteren Druckrohrleitungen 14, 16 und 18 zwischen den einzelnen Anlageteilen sind für Reparatur- und Serviceaufgaben vorgesehen bzw. dienen zum Absperren der Druckrohre im Störfall. Die Volumina der Druckluftbehälter 1 und 2 sind dabei unterschiedlich gross und zwar umgekehrt proportional zu den Drücken. Die Druckluftbehälter 1 und 2 können auch aus mehreren parallel aufgebauten Druckzylindern bestehen. Das heisst, anstelle von zwei großen Druckbehältern mit einem Volumen von 40 m³ für den Druckbehälter 1 und 60 m³ für den Druckbehälter 2 sind auch zum Beispiel 4 × 10 m³-Zylinder für den Behälter 1 und 6 × 10 m³ für den Behälter 2 möglich, die auch im übrigen einen anderen als Kreisquerschnitt aufweisen können.

2. Die Druckaufbaueinrichtung ((DAE) 19 - siehe Fig. 2 und 3)

Die Druckaufbaueinrichtung 19 besteht aus mindestens zwei Einheiten 30, welche jeweils aus einem Wasserbecken 41 und 42, dem Wärmetauscher 31 und einem oder mehreren zugehörigen Ausdehnungszylindern 32 bestehen. In Fig. 2 sind zum Beispiel zwei parallel wirkende Ausdehnungszylinder 32 gezeigt. Die Ausdehnungszylinder 32 können am zugehörigen Wärmetauscher 31 angebaut sein oder von ihm getrennt aufgebaut sein. Vorzugsweise wird der Ausdehnungszylinder 32 vom Wärmetauscher 31 getrennt aufgebaut, da das Volumen des auch im übrigen einen anderen als Kreisquerschnitt aufweisen könnenden Ausdehnungszylinders 32 in der Regel ein Mehrfaches von dem des Wärmetauschers 31 beträgt.
Die Wärmetauscher 31 befinden sich vorzugsweise in Wasserbecken, durch die warmes oder kaltes Wasser über die Zufuhrleitungen 20 und 21 fliesst. Der Wärmetauscher 31 ist im kalten Zustand überwiegend mit flüssigem Kohlendioxid gefüllt und im warmen Zustand mit Kohlendioxidgas. Der Ausdehnungszylinder 32 ist abwechselnd mit Kohlendioxidgas und/oder mit Druckluft gefüllt. Der Ausdehnungszylinder 32 besteht aus einem oder mehreren zylindrischen Behältern mit jeweils einem Trennkolben 33 für die Trennung der zwei Stoffe Kohlendioxidgas und Luft, die sich separiert in den jeweils linken bzw. rechten Kammern 39 und 40 befinden. Alle Kammern 40 sind über eine Verbindungsleitung 34 miteinander und mit einem Wärmetauscher 31 verbunden. Die Kammern 39 sind über eine weitere Verbindungsleitung 43miteinander und über ein Rückschlagventil 35 mit der Leitung 15 verbunden bzw. über ein weiteres gegenläufig zu ersten wirkendes Rückschlagventil 36 mit der Leitung 17 verbunden. Die Wärmetauscher 31 werden abwechselnd erwärmt und abgekühlt. Dabei wird bei der Erwärmung die Kohlendioxid-Flüssigkeit bei einer höheren Temperatur mit einem höheren Druck verdampft, und bei der Abkühlung kondensiert das Kohlendioxidgas bei einer niedrigeren Temperatur mit einem niedrigeren Druck. Die Erwärmung bzw. Abkühlung erfolgt ventilgesteuert über Zuführung von Wärme (Einleitung 21) bzw. Kälte (Einleitung 20), vorzugsweise in Form von warmen bzw. kalten Wasser. Bei der Abkühlung sinkt der Druck (bei gleichzeitig zunehmender Dichte) der Kohlendioxid-Flüssigkeit bzw. des Kohlendioxidgases im Wärmetauscher unter den Druck des Niederdruck-Druckluftbehälters 2 von der Kraftstation, und damit fliesst Druckluft aus dem Druckluftspeicher 4 im Druckbehälter 2 über die Rohrleitung 15 und das Rückschlagventil 35 in den zugehörigen Ausdehnungszylinder 32 des Kohlendioxid-Wärmetauschers 31. Nach vollständiger Abkühlung des Kohlendioxid-Wärmetauschers ist der Ausdehnungszylinder 32 völlig mit Niederdruck-Druckluft gefüllt und der Wärmetauscher 31 ist grossteils mit Kohlendioxid-Flüssigkeit gefüllt. Bei der nachfolgenden Erwärmung dieses Kohlendioxid-Wärmetauschers 31 ergibt sich durch die hohe Dichte der Kohlendioxid- Flüssigkeit rasch ein sehr hoher Druck in der Kohlendioxid-Flüssigkeit, der höher als der Druck im Ausdehnungszylinder 32 ansteigt. Bei Überschreitung dieses Druckes wird die im Ausdehnungszylinder befindliche Luft zunächst verdichtet, bis der Druck höher als der Luftdruck im Druckluftspeicher 3 ansteigt. Bei einem einstellbaren Überdruck wird über das als Überdruckventil wirkende Rückschlagventil 36 soviel Druckluft aus dem Ausdehnungszylinder 32 (das heisst Hochdruckluft) in den Hochdruckluftspeicher 3 übergeleitet, bis wieder ein Druckausgleich erreicht wird und das Ventil 36 schliesst. Bei weiterer Wärmezuführung verdampft die Kohlendioxid-Flüssigkeit immer mehr und verdrängt mit dem unter Hochdruck stehenden Kohlendioxidgas über den Trennkolben 33 die Druckluft aus dem Ausdehnungszylinder, das heisst, der Ausdehnungszylinder ist dann vollständig mit unter hohem Druck stehenden Kohlendioxidgas gefüllt. Bei der Verdichtung der Druckluft würde sich ohne Kühlung die im Ausdehnungszylinder befindliche Luft erwärmen und damit zur einer Verschlechterung des Wirkungsgrades führen. Daher werden in dieser Phase die Ausdehnungszylinder 32 gekühlt. Die Kühlung erfolgt über eine Wasser- oder Luftkühlung des Aussenmantels der Ausdehnungszylinder 32. Die abgeführte Wärme kann zur Wärmezuführung für die Heizung 11 der Druckluftturbine verwendet werden. Damit wird eine zu starke Abkühlung der Turbine bei der Entspannung der Druckluft verhindert. Dies verbessert ebenfalls den Wirkungsgrad der Druckluftturbine.
Zur Erläuterung der Steuerung mittels der Ventile 35 und 36 folgendes: Das Ventil 35 kann nur öffnen in Richtung FÜLLEN des Ausdehnungszylinders mit Druckluft (niedrigerer Druck) und das Ventil 36kann nur öffnen in Richtung ENTLEEREN der Druckluft (höherer Druck) des Ausdehnungszylinders. Beide Ventile sind druckmässig einstellbare Rückschlagventile, aber in gegensätzlichen Richtungen. Der Ausdehnungszylinder 32 arbeitet im Prinzip wie eine Kolbenpumpe, das heisst, bei der Abkühlung und damit der Kondensation des Kohlendioxidgases im Wärmetauscher 31 wird der Ausdehnungszylinder 32 mit . Druckluft auf niedrigem Druckniveau gefüllt, und durch die Erwärmung der Kohlendioxid-Flüssigkeit im Wärmetauscher 31 und damit der Verdampfung dehnt sich das Kohlendioxid-Volumen aus und verdichtet damit über den Kolben 33 die Druckluft, bis der Druck höher als der Druck im Druckluftspeicher 3 ansteigt und die Hochdruckluft wieder in den Hochdruckluftspeicher 3 zurückfliesst. Die Drücke im Druckluftkreislauf sind entsprechend mit den Drücken für die Verdampfung bzw. die Kondensation im CO₂-Wärmetauscher abzustimmen (abhängig von den Temperaturen der Wärme- bzw. Kältequellen).
Um einen kontinuierlichen Betrieb der Druckluftturbine 12 zu erreichen, werden anstelle von zwei großen Druckaufbaueinrichtungen 19 mehrere kleinere Druckaufbaueinrichtungen 19 eingesetzt, die im Zyklus zeitlich versetzt arbeiten (zum Beispiel zwanzig Druckaufbaueinrichtungen 19). Anstelle von abwechselnder Zuführung von Wärme und Kälte über die Zuleitungen 20 und 21 ist auch ein Hin- und Herschieben der Wärmetauscher 31 zwischen zwei Wasserbecken mit unterschiedlichen Temperaturen möglich (zum Beispiel zwischen Kaltwasserbecken 41 und Warmwasserbecken 42). Dabei kann zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei jedem Wechsel zunächst in einer Zwischenstation ein Temperaturausgleich von jeweils einem warmen und einem kalten Wärmetauscher 31 erfolgen.

3. Beschreibung eines Beispiels einer Druckaufbauanlage (siehe Fig. 3).

Eine solche Einrichtung besteht zum Beispiel aus nachfolgenden Hauptelementen:

1. einem Wärmetauscherbecken 41 mit durchströmendem kaltem Wasser,
2. einem Wärmetauscherbecken 42 mit durchströmendem warmem Wasser,
3. mehreren (zum Beispiel zwanzig) mit Kohlendioxid gefüllten Wärmetauschern 31 (jeweils ca. die Hälfte im Wärmetauscherbecken 41 und im Wärmetauscherbecken 42 bzw. während des Übergangs),
4. die gleiche Anzahl von Ausdehnungseinheiten 32 entsprechend der Wärmetauscher 31,
5. einer übergeordneten Steuerungseinrichtung für die Steuerung (Koordinierung) der Wärmetauscher inklusive der Antriebe für die Bewegung der Wärmetauscher zwischen den Wasserbecken (in Fig. 3 nicht dargestellt),
6. mehreren regelbaren Pumpen für die Wasserströmung, -zuführung und -abführung in den beiden Wärmetauscherbecken (in Fig. 3 nicht dargestellt),
7. Rohrverbindungen 34 mit zwei Koppelelementen für die Verbindung der beweglichen Wärmetauscher 31 in den zwei Kammern mit den stationären Ausdehnungszylindern (für den CO₂-Transport) sowie
8. Rohrleitungen 15 und 17 mit Rückschlagventilen 35, 36 für den Transport der Druckluft von und zur Druckluftstation.

Die Wasserbecken 41, 42 befinden sich zum Beispiel in einer Ebene nebeneinander und sind in zehn Kammern unterteilt, in denen jeweils Platz für zwei Wärmetauscher 31 ist. Jeweils zwei Wärmetauscher können zwischen den jeweils zugeordneten zwei Kammern in den Wasserbecken 41 und 42 hin und her bewegt werden. Als Trennelemente zwischen den zwei Kammern sind versenkbare Tore möglich oder es dienen zum Beispiel die Stirnflächen der Wärmetauscher mit Gummidichtungslippen als Trennelemente.
Die einzelnen Wärmetauscher 31 sind als bewegliche Einheiten aufgebaut, das heisst, sie können mittels eines elektrischen Antriebes von einem Becken in das andere Becken befördert werden. Die Verbindung zum Ausdehnungszylinder ist daher zum Beispiel als eine Rohrverbindung 34 vorgesehen mit zwei festen Koppelelementen für jede stationäre Position des Wärmetauschers 31 in den zwei Kammern der Wasserbecken 41-42.

Funktionsbeschreibung zum eben beschriebenen Aufbau

Die einzelnen Kohlendioxid-Wärmetauscher 31 werden in ihrem zeitlichen Zyklus so gesteuert, dass mindestens immer eine bestimmte Anzahl von Ausdehnungszylindern 32 Hochdruckluft in den Druckluftspeicher 3 befördert und gleichzeitig immer mindestens eine bestimmte Anzahl von Ausdehnungszylindern 32 Niederdruck-Druckluft aus dem Druckluftspeicher 4 aufnehmen kann. Die Strömung des Wärme- bzw. Kühlmediums (zum Beispiel Meerwasser) in den einzelnen Kammern der zwei Becken wird durch mehrere regelbare Pumpen erzielt.
Die zylindrischen Ausdehnungsbehälter mit den Druckluftventilen 35, 36 befinden sich stationär in Nähe der Wärmetauscher, zum Beispiel an beiden Längsseiten der Wasserbecken 41 und 42. Jedem Wärmetauscher 31 ist hierbei eine Ausdehnungseinheit, bestehend aus einer Gruppe von Ausdehnungszylindern 32, fest zugeordnet.
Im Wärmetauscherbecken 42 wird die Kohlendioxid-Flüssigkeit in den Wärmetauschern 31 erwärmt und verdampft. Dadurch wird ein hoher Druck aufgebaut und über die gleichzeitige Volumenvergrösserung des Kohlendioxidgases wird die Druckluft aus den Ausdehnungszylindern 32 mittels der Trennkolben 33 in den Hochdruck-Druckluftspeicher 3 gedrückt. Im nächsten Schritt wird der Wärmetauscher 31 vom Wärmetauscherbecken 42 in das Wärmetauscherbecken 41 geschoben. Im Wärmetauscherbecken 41 wird das Kohlendioxidgas abgekühlt und kondensiert, bis der Druck auch im Ausdehnungszylinder 32 so niedrig wird, dass Druckluft aus dem Niederdruck-Druckluftspeicher 4 in die Ausdehnungszylinder 32 einfliesst und die abgekühlte Kohlendioxid-Flüssigkeit oder das abgekühlte Kohlendioxidgas mittels der Trennkolben 33 in die zugehörigen Wärmetauscher 31 zurückdrückt. Die Druckluftventile 35 und 36 aller Ausdehnungsgruppen sind über Sammelleitungen 15, 17 untereinander verbunden (Niederdrucksammelleitung und Hochdrucksammelleitung für Druckluft). Die Sammelleitung 15 führt zum Druckluftspeicher 4, und die Sammelleitung 17 zum Druckluftspeicher 3.
Mittels einer solchen Anordnung ist eine gleichmässige Arbeitsweise der Druckaufbaueinrichtung 19 und damit auch ein kontinuierlicher Druckluftfluss im Rücklauf der Druckluftstation gewährleistet. Bei größeren Leistungen der Kraftstation (zum Beispiel > 5 MW) können auch mehrere Druckaufbaueinrichtungen 19 parallel auf eine Druckluftstation arbeiten.
Folgende Gründe sprechen für eine Kraftstation mit einem Druckluftkreislauf kombiniert mit Kohlendioxid-Druckaufbaueinheiten:

- der eigentliche dynamische Teil der Anlage ist der Druckluftkreislauf. Störungen wie zum Beispiel Leckagen bergen, abgesehen von den bekannten Gefahren durch hohe Drücke, keine weiteren technischen Risiken.
- die Technik der Turbinen und der erforderlichen Hilfseinrichtungen, wie zum Beispiel Turbinenregler, Absperrorgane etc. ist bekannt und daher technisch erprobt.
- Leckagen in den Kohlendioxid-Druckaufbaueinheiten, wie zum Beispiel an den Dichtungen der Trennkolben der Ausdehnungsgefässe, werden durch einen Anstieg der Kohlendioxid-Konzentration in der Druckluft feststellbar.
- Druckluftturbinen haben bei richtiger technischer Auslegung einen hohen Wirkungsgrad und
- das Kraftwerk benötigt keine Kondensatpumpe.

3. Anwendungsbeispiele für die Erfindung

1. 3.1 Kraftstationen für die Nutzung von Wärmeüberschüssen im niederen Temperaturbereich bei kalten Umgebungstemperaturen.
Anwendungsmöglichkeiten sind hierbei zum Beispiel die Nutzung der Abwärme von thermischen Kraftwerken. Dadurch könnte der Wirkungsgrad der thermischen Kraftwerke verbessert werden - speziell an kalten Wintertagen.
2. 3.2 Kraft-Wärme-Kopplung (besser gesagt Kraft - Kälte - Kopplung) durch den Aufbau von Heizungsanlagen nach dem Absorberprinzip.
Durch die gleichzeitige Erzeugung von Wärme und Kälte in einer solchen Heizungsanlage kann bis zu 50% Primärenergie eingespart werden. Die anfallende Kälte (zum Beispiel Kälte von minus 20°C) kann gesammelt werden (zum Beispiel als Eis) und mit einer Anlage kombiniert werden, in der ein Wärmeüberschuss auf relativ niedrigem Temperaturniveau gegeben ist, wie zum Beispiel Kompostierungsanlagen, Mülldeponien, Kläranlagen, industrielle Abfallwärme, Kraftwerksabwärme etc.. Mit der Kälte aus den Heizungsanlagen und der Wärme aus dem anderen Prozess kann elektrische Leistung erzeugt werden und damit die Energiebilanz bzw. die Einsparung an Primärenergie weiter verbessert werden.
3. 3.3 Kombinierte Erzeugung von Wärme und Strom mittels Sonnenkollektoranlagen oder geothermischen Anlagen.
Analog zu 3.1 wird die Primärenergie (Solarenergie oder geothermische Wärme) als Wärmepotential genutzt, wobei ein geeignetes Kühlmedium (zum Beispiel Meerwasser oder Flusswasser) vorhanden sein muss. Die Temperatur des Kühlmediums muss niedriger als 30° C sein.
4. 3.4 Nutzung von relativ niedrigen Temperaturdifferenzen von Gewässern, Luft oder Erdwärme zur Erzeugung von elektrischer Leistung mittels stationärer oder auch mobiler Kraftwerke (zum Beispiel schwimmende Kraftwerke in Gewässern mit warmem Oberflächenwasser und kaltem Tiefenwasser - mit der Möglichkeit der Umwandlung der erzeugten elektrischen Leistung in flüssigen Wasserstoff oder Methanol).

Claims

1. Kraftstation (14) nach Patent. . . (Patentanmeldung 101 26 403.8), mit Kohlendioxid als Arbeitsmedium, mit einer Vorlaufleitung (7), mit mindestens einer Turbine (12) oder einem Kolbenmotor, mit einer Rücklaufleitung (8) und mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung (19) mit mit Kohlendioxid gefüllten Wärmetauschern (31) zur Umwandlung von thermischer Energie in Druckluftenergie, die danach in elektrische Energie mittels eines Generators (13) umgewandelt wird.

2. Kraftstation (14) nach Anspruch 1, bei der eine Druckluftstation vorgesehen ist, die im Wesentlichen aus einem in einem Hochdruckbehälter (1) angeordneten Druckluftspeicher (3), einem in einem Niederdruckbehälter (2) vorgesehenen zweiten Druckluftspeicher (4), einer Vorlaufleitung (7 und 8) mit mindestens einer Druckluftturbine (12) oder einem Kolbenmotor in einer Leitung von dem Hochdruckbehälter (1) zu dem Niederdruckbehälter (2) und der Rücklaufleitung (15, 17) vom Niederdruckbehälter (2) zum Hochdruckbehälter (1) über die Druckaufbaueinrichtung (19) besteht.

3. Kraftstation (14) nach Anspruch 2, bei der der Hochdruckbehälter (1) oder der Niederdruckbehälter (2) auf mehrere parallel wirkende, kleinere Druckbehälterkammern aufgeteilt ist und bei der die bzw. der Hochdruckbehälter (1) und der Niederdruckbehälter (2) jeweils flüssiges Kohlendioxid in einer ersten der separaten Druckbehälterkammern und ein Gas, wie Luft oder Stickstoff, in einer zweiten der separaten Druckbehälterkammern enthalten.

4. Kraftstation (14) nach Anspruch 1, bei der zum Rücktransport der Druckluft aus dem Niederdruckbehälter (2) in den Hochdruckbehälter (1) die Druckaufbaueinrichtung (19) vorgesehen ist.

5. Kraftstation (14) nach Anspruch 1 oder 4, bei der die Druckaufbaueinrichtung (19) aus mindestens zwei Einheiten (30) besteht, welche ihrerseits jeweils ein Wasserbecken (41, 42), einen Wärmetauscher (31) und mindestens einen Ausdehnungszylinder (32) aufweisen.

6. Kraftstation (14) nach Anspruch 5, bei der mehrere kleinere, parallel wirkende Ausdehnungszylinder (32) vorgesehen sind.

7. Kraftstation (14) nach Anspruch 7, deren Ausdehnungszylinder (32) über den Aussenmantel beheizt oder gekühlt sind.

8. Kraftstation (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, deren Druckaufbaueinrichtung (19) aus einer größeren Anzahl (zum Beispiel zwanzig) Einheiten besteht, welche zeitlich versetzt arbeiten, so dass auch im Rücklauf der Druckluftstation eine gleichmässige Luftströmung erreicht wird.

9. Kraftstation (14) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die Ausdehnungszylinder (32) über Druckrohrleitungen und Rückschlagventile (35, 36) mit Sammelleitungen (15, 17) verbunden sind.

10. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstation (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem in dem Wärmetauscher (31) beim Erwärmen flüssiges Kohlendioxid verdampft wird und dieses Gas in die Ausdehnungszylinder (32) einströmt und dort über einen Trennkolben (33) die im Ausdehnungszylinder befindliche Luft verdichtet und danach die Hochdruckdruckluft in den Hochdruckluftspeicher (3) drückt und bei dem beim Abkühlen der Wärmetauscher (31) das im Wärmetauscher (31) befindliche Kohlendioxidgas kondensiert, wodurch der Gasdruck im Ausdehnungszylinder (32) so weit sinkt, dass Druckluft aus dem Niederdruckluftspeicher (4) das Kohlendioxidgas in den Wärmetauscher (31) zurückdrückt und das Kohlendioxidgas dort kondensiert.

11. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstation (14) nach Anspruch 10, bei der die Ausdehnungszylinder (32) während der Verdichtung der Druckluft gekühlt werden und die abgeführte Wärme für eine Heizung (11) der Druckluftturbine (12) verwendet wird.

12. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstation (14) nach Anspruch 10 oder 11, bei dem für einen Wechsel der Wärmetauscher vom Erwärmen zum Abkühlen und umgekehrt die Wärmetauscher (31) zwischen zwei Wasserbecken (41, 42) gefüllt mit Wasser von unterschiedlicher Temperatur hin und her bewegt werden und dass eine Rohrverbindung (34) zwischen den einzelnen beweglichen Wärmetauschern (31) und den zugehörigen Ausdehnungszylindern (32) für den Kohlendioxidtransport über mindestens zwei Ankoppelstellen für den Wärmetauscher (31) verfügt, das heisst jeweils eine Ankoppelstelle für jede der zwei Kammern der zwei Wasserbecken.

13. Verfahren zum Betreiben einer Kraftstation (14) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, bei dem beim Übergang von zwei korrespondierenden Wärmetauschern (zum Beispiel 31-1 und 31-2) zwischen warmem und kaltem Wasserbecken ein gegenseitiger Wärme- bzw. Kälteaustausch erfolgt.

14. Kraftstation (14) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei der zwischen den einzelnen Kammern der zwei Wasserbecken (41, 42) jeweils Trennvorrichtungen für die Wassertrennung von Kaltwasser und Warmwasser vorgesehen sind.

15. Kraftstation (14) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei der zwischen den einzelnen Kammern der zwei Wasserbecken (41, 42) jeweils Trennvorrichtungen für die Wassertrennung von Kaltwasser und Warmwasser vorgesehen sind.

16. Kraftstation (14) nach Anspruch 14, deren Trennvorrichtungen als versenkbare Tore oder Gummidichtlippen an Stirnflächen ausgebildet sind.