DE1044113B

DE1044113B - Verfahren zur Umwandlung von Nachtueberschussenergie aus Kernkraftwerken

Info

Publication number: DE1044113B
Application number: DEM34000A
Authority: DE
Inventors: E H Dr Fritz Marguerre Dr-Ing
Original assignee: E H DR FRITZ MARGUERRE DR ING
Current assignee: E H DR FRITZ MARGUERRE DR ING
Priority date: 1957-04-26
Filing date: 1957-04-26
Publication date: 1958-11-20

Description

Verfahren zur Umwandlung von Nachtüberschußenergie aus Kernkraftwerken Bei Kernenergieanlagen ergeben sich wirtschaftliche Probleme daraus, daß sie bei ihren hohen Anlage- und geringen Betriebskosten womöglich Tag und Nacht durchlaufen sollten, während andererseits die Belastungskurve der Kraftwerke der öffentlichen Versorgung sehr große Schwankungen zwischen der Tag-und Nachtlast aufweist.
Bekanntlich weicht aber die Belastungskurve der Elektrizitätsversorgung sehr stark von einer solchen Erzeugungsart ab. Man hat daher vorgesehen, die Energie, die nachts nicht unmittelbar abgesetzt werden kann, in hydraulischen Pumpspeicherwerken während der Nacht aufzuspeichern und am Tage wiederzugewinnen; solche Anlagen sind aber kostspielig (zwischen 500 und 1000 DM je kW), nur an geeigneten Stellen errichtbar und bedingen daher noch kostspielige Umspanner und Fernleitungen. Ihr praktischer Wirkungsgrad liegt einschließlich der Fernleitungsverluste bei etwa 70 %.
Da Kernenergieanlagen im allgemeinen so nahe wie möglich an die großen Verbrauchszentren herangerückt werden dürften, wäre es natürlich, die eben genannte Speicherung von der Nacht auf den Tag unmittelbar mit dem Kraftwerk zu verbinden. Solche Zwecke sind, soweit es sich um Dampfturbinenanlagen handelt,, meistens durch Wärmespeicherung - innerhalb gewisser Grenzen - am leichtesten erreichbar. Handelt es sich aber um Gasturbinenanlagen, so bietet sich die an sich bekannte, im Jahre 1921 von Dr. Fritz Marguerre angegebene thermodynamische Energiespeicherung als mögliche Lösung an. Diese besteht bekanntlich darin, daß von einem von der Überschußenergie angetriebenen Turbokompressor Dampf aus einem Unterspeicher unter Abkühlung angesaugt, auf höheren Druck gebracht und in einem Oberspeicher niedergeschlagen wird. Aus letzterem kann dann tagsüber die Energie über eine Kraftmaschine wiedergewonnen werden, wobei der obengenannte Unterspeicher die Kondensationswärme aufnimmt. Bei diesem Verfahren ist auch die Möglichkeit der Ausnutzung von Verlustwärme aus dem Aufspeicherungsprozeß und der Aufstellung eines Überhitzungsspeichers vorgeschlagen worden. Der Wirkungsgrad solcher Anlagen liegt etwas tiefer als derjenige hydraulischer Speicherwerke, dagegen dürften die Anlagekosten im allgemeinen wesentlich niedriger sein. Solche Anlagen waren bisher vorgeschlagen worden, um gleichfalls als selbständige Spitzenanlagen zur Ausnutzung fernübertragener überschußenergie zu dienen.
Es bietet sich aber in der neuartigen Kombination mit thermischen Grundlastwerken, insbesondere Kernenergiewerken, die Möglichkeit, den Wirkungsgrad dieser Energieumwandlung erheblich zu erhöhen, ja ihn theoretisch über 100 %o zu bringen. Der Weg hierzu ist dadurch gegeben, daß man erfindungsgemäß die Abwärme der Kraftanlage und der aus dem Reaktor anfallenden Kühlwassermengen dazu. benutzt, den Unterspeicher auf eine gewisse Übertemperatur zu bringen und den Kompressor den Dampf hieraus ansaugen, in den Oberspeicher drücken, aus diesem die Expansion aber nicht zurück in den Unterspeicher gehen läßt, sondern in das volle Vakuum, welches durch die Umgebungstemperatur gegeben ist.
Es wind im allgemeinen möglich sein, das Kühlwasser des Reaktors, welches die Wärme aus besonders zu schützenden Teilen abführen soll, auf Temperaturen zwischen 50 und 100° C ansteigen zu lassen. Die gleiche Möglichkeit besteht bei Gasturbinen für einen großen Teil des Kühlwassers. Nimmt man -an, daß die Temperatur des Unterspeichers durch diese Verlustwärme auf etwa 80' C gebracht werden kann, treibt man die Druckerhöhung auf einen Mittelwert von z. B. 150° C (5 ata) im Oberspeicher, und ist die aasnutzbare Temperatur der Umgebung 20° C, so sieht man, daß in grober Annäherung das Gefälle bei der Expansion fast doppelt so hoch ist wie bei der Kompression, so @daß auch unter Berücksichtigung der unvermeidlichen Gefällverluste und des hohen Wirkungsgrades von Kompressor und Turbine mindestens die volle Nachtarbeit in Tagesarbeit transformiert werden kann, d. h. eine verlustlose Speicherung erzielt werden kann.
Natürlich kann dieses Verfahren nur in Grenzen angewendet werden, die gegeben sind durch die genannte Verlustwärme, mit der man den Unterspeicher aufheizen kann; denn dieser maß ja die latente Wärme des in den Kompressor eintretenden Dampfes hergeben. -Da aber die Wärmeverluste des Reaktors und die Abwärmeverluste der Gasturbihenänlage' 24 Stunden lang anfallen und der größte Teil auf genügend hohe Temperatur gebracht werden kann, ist innerhalb der praktischen Bedürfnisse eine Grenze nicht vorhanden, besonders da man ja das Verfahren, das hier beschrieben wird, in jedem Verhältnis mit dem normalen »mischen« kann, -indem man Teile des expandierenden Dampfes aus der Turbine entnimmt und in den Unterspeicher einleitet.
Die so gewonnene Tagesenergie hat nach obigem sehr geringe »Brennstoffkosten«. Die Anlagekosten, auf das Kilowatt abgebbarerLeistungbezogen, hängen. natürlich stark davon ab, auf wie viele Stunden am Tage man sie verfügbar haben will. Das maximal aber Kilowatt wird um so billiger werden, je weniger Stunden am Tage man es braucht, d. h. je mehr es sich um eine reine Spitzenenergie handelt.
Die Grenzen der Tagesbenutzungsdauer werden demnach von Fall zu Fall j e nach den Ansprüchen des Netzes und der anderweitigen Deckungsmöglichkeit näher festzulegen sein. Immerhin bietet die Wettbewerbslage gegenüber hydraulischen Speicherwerken einen sehr weiten Spielraum.
Bei Dampfturbinenwerken wird, wie oben,erwähnt, im allgemeinen die unmittelbare Speicherung - ohne Einschaltung eines Kompressors - eines Teiles des Arbeitsdampfes der Turbine in geeigneten Druckstufen wirtschaftlicher sein. Sollten aber auch bei solchen Anlagen irgendwelche Verlustquellen die Wärme bei hoher Temperatur (z. B. 80° C) abgeben, so kann im Rahmen dieser Wärmeverfügbarkeit das hier beschriebene Verfahren mit seinem sehr hohen Wirkungsgrad zusätzlich Anwendung finden. Dasselbe gilt, falls aus irgendwelchen turbinentechnischen Gründen die Entnahme und Wiedereinführung des Dampfes in die Hauptturbine ihre Begrenzung finden.
Bei dieser Anwendung der thermodynamischen Speicherung können alle gegenüber dem oben ausgesprochenen allgemeinen Prinzip möglichen Verbesserungen Anwendung finden. Es sei hier besonders erwähnt, daß zur Verminderung der Anlagekosten der Unterspeicher nicht unter Vakuum zu stehen braucht; es wird demnach das Wasser aus der Oberschicht des Unterspeichers entnommen, in Verdampfer geleitet, aus welchen der Kompressor ein- oder mehrstufig entnimmt und dann in die unterste Schicht des drucklosen Speichers zurückbefördert. Ähnliches kann sinngerüäß, falls es sich als zweckmäßig erweist, in dem oberen -Speicher wiederholt werden. Man kann ferner einen Überhitzungsspeicher ,einschalten, den der aus dem Kompressor kommende Dampf vor seinem Eintritt in den Oberspeicher und der aus dem Oberspeicher kommende Dampf vor seinem Eintritt in die Turbine durchströmt.

Claims

PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur Umwandlung von Nachtüberschußenergie aus Kernkraftwerken mit Kühleinrichtungs- und Maschinenanlagen, die einen großen Teil der abzuführenden Wärme mit Kühlwasser, das auf über 50' C erwärmt werden darf, abführen, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme dieses Kühlwassers in an sich bekannter Weise in Speichern gesammelt wird, aus welchen ein Kompressor unter Abkühlung Dampf-,direkt oder über Entspanner ansaugt, um ihn in Speicher höheren Drucks zu fördern, und daß aus den Speichern höheren Drucks der Dampf zu Zeiten hohen Energiebedarfes in einen Turbogenerator geleitet wird, wo er bis. zum vollen Vakuum expandiert.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kreislauf ein an sich bekannter überhitzungsspeicher eingeschaltet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des expandierenden Dampfes in den Unterspeicher geleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es bei Dampfturbinenanlagen mit unmittelbaren Wärmespeicherungen zur Erhöhung der Ladeleistung angewendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 386 880, 617 648, 446677.