DE202013005069U1

DE202013005069U1 - System zur Gewinnung elektrischer Energie aus thermischen Potenzialen mit geringem Temperaturgefälle

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Publication number: DE202013005069U1
Application number: DE202013005069U
Authority: DE
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Priority date: 2013-06-04
Filing date: 2013-06-04
Publication date: 2013-08-19
Anticipated expiration: 2023-06-05

Abstract

System zur Gewinnung elektrischer Energie aus thermischen Potenzialen mit geringem Temperaturgefälle, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaskreislauf in einem geschlossenen Röhrensystem ventilgesteuert heisse und kalte Speichermedien durchläuft.

Description

Hintergrund und Problemstellung
Die Gewinnung elektrischer Leistung aus Medien unterschiedlicher Temperatur ist vielfach bekannt – entweder direkt, durch den Seebeck-Effekt oder mittelbar durch die Zwischenstufe mechanischen Antriebs, wie beim Stirling-Motor.
Für alle bisherigen Verfahren gilt aber, dass die Energiegewinnung nur dann wirtschaftlich sein kann, wenn zwischen den genutzten Medien ein möglichst hohes Temperaturgefälle vorliegt.
Weiter gibt es bei der Energiegewinnung aus nicht-fossilen Quellen das Problem ungleichmäßigen Energieanfalls und daraus resultierend die Notwendigkeit, Energie zu speichern.
Muss dieses mit dem Endprodukt – nämlich elektrischem Strom – erfolgen, sind hohe Verluste unvermeidlich: Pumpspeicher-Kraftwerke, mechanische Speicher wie Schwungräder und erst recht elektrochemische Speicher wie Batterien haben durchwegs nicht nur hohe Verluste, sondern bedingen auch hohen Investitionsaufwand und damit hohe Kosten durch die Zinslast.
Aufgabe
Es ist daher Aufgabe vorliegender Neuerung, diese Nachteile zu überwinden und auch Potenziale nutzbar zu machen, wo die Temperaturdifferenz gering, das Volumen der Medien – und damit der potenzielle Energiegehalt – aber groß ist. Damit wird auch die Speicherung primärer thermischer Energie kostengünstig und wirkungsvoll.
Lösung
Diese Aufgaben werden neuerungsgemäß durch ein Wärme-Kraft-System gelöst, bei dem – zwei Gaskreisläufe durch Speichermedien großer Masse, aber unterschiedlicher Temperatur thermisch beaufschlagt und dann jeweils so umgepumpt und gesteuert werden, dass die Expansion bzw. Kontraktion der Gasvolumina in mechanische Arbeit gewandelt werden kann. Dabei bewirkt der Einsatz eines Feststoffspeichers mit großem Speichervolumen für den heissen bereich, dass das System periodisch auch ohne erneute Wäremezufuhr (z. B. nachts) Strom produzieren kann.
Abgrenzung
Bei bekannten Wärmekraftmaschinen, z. B. dem Stirlingmotor, wird dagegen jeweils periodisch nur eine kleine, abgeschlossene Gasmenge aufgeheizt, ihre Expansion genutzt und in den Kaltbereich verschoben. Das kann nur dann effizient sein, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Warm- und Kaltzone groß ist.
Beschreibung des Systems
Das vorliegende Wärme-Kraft-System ist als ein zweiteiliges, geschlossenes Röhrensystem ausgebildet. Dabei erfolgen die Übergänge vom Warm- in den Kaltbereich mit zwei Rohranschlüssen, die mit je einem Steuerventil versehen sind.
Eine Hälfte des Röhrensystems (warmer Bereich), ist gefüllt mit Arbeitsgas (z. B. Luft) und weist im Ruhezustand einen Systemdruck von 20 bar auf. Es ist mit einem Wärmetauscher verbunden, der von einem Feststoffspeicher umschlossen ist, der ihn beheizt.
Die andere Hälfte des Röhrensystems (kalter Bereich), ist ebenfalls gefüllt mit Arbeitsgas, mit Systemdruck im Ruhezustand = 20 bar und kühlt seinem Wärmetauscher-Rohrsystem das entspannte Arbeitsgas in einem wärmegedämmten Warmwasser-Schichtspeicher.
Die daraus gewonnene Niedemparatur-Wäme kann für Heizzwecke und die Erwärmung von Brauchwasser verwendet werden
Der Übergang zwischen Kalt- und Warmbereich ist der „Zylinderraum” angeordnet, in dem sich der Arbeitskolben oder eine Turbine bewegt.
Der Ablauf Wärme-Kraftprozesses wird anhand der Zeichnung 1 beschrieben:
Die Ventile 6 u. 7 sind geöffnet, die Ventile 10 u. 11 geschlossen. Mit den Förderpumpen 8 u. 9 wird das Arbeitsgasvolumen V1 vom warmen- in den kalten Bereich gepumpt. Gleichzeitig wird das Arbeitsgasvolumen V2 vom kalten- in den warmen Bereich gepumpt.
Anschließend werden die Ventile 6 und 7 geschlossen und die Ventile 10 und 11 geöffnet.
Die Gasförderpumpen 8 u. 9 arbeiten durchgehend weiter und übernehmen jetzt die Arbeitsgas-Zirkulation jeweils im Kalt- und Warmbereich um einen effizienten Wärme- bzw. Kältetausch sicherzustellen. Dadurch entsteht im Warmbereich 1 Überdruck, im Kaltbereich 2 Unterdruck.
Durch Öffnen des Ventils 7 strömt das Arbeitsgas durch die anstehende Druckdifferenz vom Warmbereich zum Kolben 13 oder eine Turbine (hier nicht dargestellt), die den Generator 14 zur Stromerzeugung antreiben. Gleichzeitig strömt das entspannte Arbeitsgasgasvolumen zur Regeneration vom Kolben zum kalten Bereich V2.
Nach dem Gas-Volumentausch werden die Ventile 6 und 7 geöffnet und Ventile 10 und 11 geschlossen und der Vorgang wiederholt sich.
Die Gasförderpumpen fördern das Arbeitsgas zu jedem Arbeitszyklus mit gleichbleibender Geschwindigkeit, dies gilt auch während des Arbeitstaktes am Kolben
Inventive Step
Entscheidende erfinderische Schritt dabei ist, den Wärmetausch nicht wie bislang üblich über die Wandungen des Arbeits- und Regenerationszylinder herkömmlicher Systeme vorzunehmen, sondern in zwei Rohrkreisläufen, die große Arbeits- und Regenerationsgasmengen und Wärmetauschflächen bieten, zirkulieren und durch schnell schaltende Klappenventile steuern zu lassen.
Zwar verlangen dabei die Zirkulationspumpen einigen Energieeinsatz, dafür entfällt aber z. B. der Innenwiderstand des Regeneratorkolbens beim Stirlingmotor, und der Energieverlust durch die oszillierende Verschiebung des Arbeitsgases. Dagegen wird hier das Arbeitsgas durchgehend und mit gleichbleibender Geschwindigkeit kreisförmig in einem ventilgesteuerten Rohrsystem bewegt.
Durch die großen Wärmetausch-Flächen am Röhrensystem (warm und kalt) und durch das Umsetzen von großen Arbeitsgasmengen pro Arbeitszyklus kann das System ab einer Temperaturdifferenz von 20°C effizient arbeiten. Pro Arbeitstakt wird die zehn- bis dreißigfache Arbeits-Gasmenge herkömmlicher Systeme umgesetzt – und dem entsprechend steigt auch die Leistung bei niedrigen Temperaturdifferenzen.
Weitergehende Ausführungen
Das System kann je nach Vorgabe und Bedarf mit weiteren Wärmekraftmodulen (Rohrsystemen, wie oben beschrieben) zu einer Systemeinheit vergekoppelt werden. Dies steigert die Leistung und mindert Kosten.
Die Prozesswärme nach dem Arbeitstakt (Anergie) kann in einem Schichtspeicher eingelagert und für andere Zwecke eingesetzt werden. Ein Teil der Abwärme kann auch dem weiteren Arbeitsprozess wieder zugeführt werden.
Bei einem Systemdruck von nur 20 bar pro Arbeitstakt bietet es sich an, mit leistungsfähigen Wärmetausch-Rohrsystemen (Hochleistungs-Ripprohre, Wellrohre, Rippenrohrschlangen usw.) eine weitaus höhere Wärmetauschfläche zu realisieren, als bei herkömmlichen Systemen, die auf höheren Druck ausgelegt sein müssen.
Mit einem wassergefüllten Langzeit-Schichtspeicher (auch andere Langzeitspeichersysteme sind möglich) können z. B. bei solarthermischen Anlagen sonnenarme Tage übers Jahr ausgeglichen werden.
Der Kühlbereich im Schichtspeicher (7 in 1) kann durch einen Erdspeicher (20) ergänzt sein, der die Kapazität der Kaltseite vergrößert.
Sowohl der Heiße Festspeicher 18 kann durch das primäre Stück der Rücklaufleitung eines Solarkollektors 17 zusätzlich erhitzt werden, während das sekundäre Segment 21 – je nach Auslegung – die Restwärme in den Schichtspeicher 22 abgeben kann – ob letzteres sinnvoll ist, muss mit der Auslegung des Systems ermittelt werden.

Claims

System zur Gewinnung elektrischer Energie aus thermischen Potenzialen mit geringem Temperaturgefälle, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gaskreislauf in einem geschlossenen Röhrensystem ventilgesteuert heisse und kalte Speichermedien durchläuft.
System zur Gewinnung elektrischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System mit mittleren Drücken von ca. 20 bar betrieben ist.
System zur Gewinnung elektrischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei einzelne Gaskreisläufe, nämlich für den heißen und den kalten Speicher, wechselseitig intern zirkulierend oder mit einander verbunden gesteuert sind.
System zur Gewinnung elektrischer Energie nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verbindung zwischen den Kreisläufen der Arbeitskolben zur Energiegewinnung angeordnet ist.
System zur Gewinnung elektrischer Energie nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperatur-Kreislauf als Regenerationsbereich für das den Arbeitskolben durchlaufende Heissgas Verwendung findet.
System zur Gewinnung elektrischer Energie nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Abwärme dieses Gases ein Schichtspeicher beheizt wird.
System zur Gewinnung elektrischer Energie nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtspeicher zudem durch ein solarthermisches Modul beheizt ist.
System zur Gewinnung elektrischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmetauscher mit Ripp- und Wellrohren Verwendung finden.
System zur Gewinnung elektrischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlbereich neben dem Wasser-Schichtspeicher einen dazu kaskadierten Erdspeicher aufweist.
System zur Gewinnung elektrischer Energie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens je eine Umwälzpumpe das Gas sowohl bei geschlossenen Einzelkreisläufen, wie auch bei Verbindung der Rohrsysteme durchgehend fördert.