DE2511842A1

DE2511842A1 - Kraftwerk

Info

Publication number: DE2511842A1
Application number: DE19752511842
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Inoue
Original assignee: Inoue Japax Research Inc
Current assignee: Inoue Japax Research Inc
Priority date: 1974-03-18
Filing date: 1975-03-18
Publication date: 1975-09-25
Also published as: AU7923275A; DE2511842C2; US4079263A; FR2265206B1; GB1491625A; FR2265206A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftwerk zur Energieerzeugung und insbesondere ein Kraftwerk mit Wärmekraftmaschinen zur Erzeugung elektrischer Energie unter Verwendung einer Wärmequelle relativ niedriger Temperatur .

Eine derartige Niedertemperatur-Wärmequelle ist in der Umgebung erhältlich in Form von Abwärme, von z.B. Betrieben, Verbrennungsoder Brennöfen und anderen Brennkraft-Einrichtungen, in Form von in der Umgebung sammelbarer Sonnenwärme und in Form von erdgebundener oder terrestrischer Wärme, die aus Mineralquellen u. dgl. erhältlich ist. Derartige Niedertemperatur-Wärmequellen werden bisher als un-

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ORIGINAL INSPECTED

zweckmäßig angesehen und daher nicht wirksam insbesondere zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet.

Es ist Aufgabe der Erfindung, Niedertemperatur-Energie, die in der Umgebung verfügbar ist und bisher nicht befriedigend oder wirksam zur Energieerzeugung verwendbar ist, bei einem Kraftwerk mit Wärmekraftmaschinen zu verwenden und ein derartiges Kraftwerk anzugeben, das einfach aufbaubar, leistungsstark und betriebszuverlässig ist und lange Lebensdauer besitzt.

Die Aufgabe wird bei einem Kraftwerk mit einem Verdampfer zum Erwärmen eines Arbeitsfluids, einer Turbine zur Aufnahme des verdampften Arbeitsfluids und zum Antrieb durch dieses, einem Generator in Treibverbindung mit der Turbine zum Erzeugen elektrischer Energie, und einem Kondensasor zum Kühlen des von der Turbine abgegebenen Arbeitsfluids, wobei der Verdampfer, die Turbine und der Kondensator zur Bildung eines geschlossenen Ström ungs weg es für das Arbeitsfluid verbunden sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Verdampfer eine Wärmetausch-Trennfläche besitzt, mit dem Arbeitsfluid auf einer Seite und mit einem durch eine Niedert emperatur-Energiequelle erwärmten Fluid auf der anderen Seite, daß das Arbeitsfluid einen wesentlich niedrigeren Siedepunkt als Wasser besitzt, und daß die Turbine und der Generator hermetisch in einem fest verschlossenen Behälter eingeschlossen sind.

Bevorzugte Arbeitsfluide bzw. Arbeitsmittel mit niedrigerem Siedepunkt als Wasser sind, unter Angabe des Siedepunkts bei 1 atm z.B.

3-Methyl-buten ¹^(CH ) CH-CH=CH (20,1 °C); 1, 2-Butadien CH -

«3 dt Ut O

CH=C=CH (18,5 °C;: Äthylenoxid CH₂-CJl₂ ^¹²'^{5 C? Vin}y^lbromid

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CH₀=CH-Br (15,8 °C); 40 % Methylformat HCOOCH + 8 % Äthyläther CHOCH + Ausgleichs-Pentan (C H) CH (20,4 °C)| 3,5 % Äthanol C H OH + Ausgleichs-Dimethylbutan (26,7 °C)? Methylchlorid CH Cl

Cd Z) . ό

(40,3 °C); Trichlorfluormethan CCl F (23,7 °C)| Dichlorfluormethan CHCl F (8,9 °C); Trichlortrifluoräthan CCl F-CClF. (47,6 °C)$ Di-

Ci , Lt (-λ

chlortetrafluoräthan CClF-CClF (3,6 °C)? Dichlorhexafluorbutan C₀Cl₀F, (35,0°C) und Dibromtetrafluoräthan CBrF-CBrF. (47,26 °C).

Das fest verschlossene Gefäß oder der Behälter ist zum hermetischen Abschluß der Turbine und der Maschine bzw. des Generators vorgesehen, die bewegliche Teile in Lage besitzen, und vorteilhaft auch für eine Pumpe, wenn diese dazu verwendet wird, das kondensierte Arbeitsfluid bzw. die kondensierte Arbeitsflüssigkeit in den Verdampfer zu führen, da nämlich eine relativ geringe oder niedrige Temperaturdifferenz verwendet wird, weshalb es wichtig ist, das Lecken des Arbeitsfluids aus dem Umwälzsystem zu vermeiden.

Auf diese Weise kann Niedertemperatur-Wärme wirksam bei der Erfindung verwendet werden, so daß das Arbeitsfluid zufriedenstellend in einen stabilisierten Hochdruckdampf zum Antrieb der Turbine verdampft wird. Der Generator, dessen Welle in Antriebs- oder Treibverbindung mit der Turbine ist, wird gedreht, um gewünschte elektrische Energie an seinem Ausgang zu erzeugen. Der Dampf wird vor einem Austreten ins Freie bewahrt, um Wirkungsgrad-Verluste des Kraftwerks zu vermeiden und um auch eine mögliche Verunreinigung oder Kontamination der Umgebung zu verhindern, und wird in den Kondensator zur Rezirkulation rückgeführt.

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Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Block-Flußdiagramm eines allgemeinen Kraftwerks mit Gasturbine, das die Erfindung verwendet,

Fig. 2 a und 2 b schematiseh zwei verschiedene fluiddichte Behälteranordnungen gemäß der Erfindung,

Fig . 3 im Teilschnitt ein Block—Plußdiacjramm eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem Abwärme einer Brennkraftmaschine verwendet wird,

Fig. 4 ein ähnliches Diagramm eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem Sonnenwärme zusammen mit einer Zusatz wärmequelle verwendet wird,

Fig. 5 eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 4,

Fig. 6 im Teilschnitt ein Biock-Flußdiagramm eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung, das terrestrische Wärme verwendet ,

Fig. 7 eine Weiterbildung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 6.

In Fig, 1 ist der Grundaufbau eines Kraftwerks gemäß der Erfindung dargestellt, mit einem wie oben spezifizierten Arbeitsfluid, das durch eine geschlossene Förderleitung 1 umgewälzt wird oder strömt, die am

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Auslaß einer Turbine 2 beginnt und an deren Einlaß endet. Die in einem Kondensator 3 kondensierte Flüssigkeit wird durch eine Pumpe 4, die von einer Stromversorgung 5 versorgt wird, gefördert und zur Zone eines Verdampfers 6 geführt, wo sie mit Warmwasser in Wärmetausch tritt, das durch eine Leitung 7 fließt und von einer (nicht gezeigten) Nieder energie-Wärmequelle geheizt wird, wie z.B. Abwärme, Sonnenwärme oder terrestrische Wärme, die gemäß der Erfindung verwendet werden. Dadurch wird ein stabiles Hochdruckgas oder Arbeitsfluid erzeugt und zum Treiben der Turbine 2 verwendet, die mit einem Erzeuger oder Generator 8 in Treibverbindung steht, wodurch an dessen Ausgangsanschlüssen oder -klemmen 9 gewünschte elektrische Energie erzeugt wird. Die Turbine 2 und der Generator 8 sind hermetisch in einer fest verschlossenen Kammer oder einem fest verschlossenen Gehäuse oder Behälter 10 eingeschlossen, um Lecken des Arbeitsfluids zu vermeiden. Vorzugsweise ist die Pumpe 4 auch in dem Behälter 10 angeordnet, wie das schematisch in der Fig. 2a dargestellt ist. Die Fig. 2 b zeigt, daß die Turbine 2 und der Generator 8 bzw. die Pumpe und deren Stromversorgung 5 in Abteilen 10a bzw. 10b des Behälters 10 mit einer Trennwand 10c angeordnet sind.

Der Behälter 10 kann mit einem Fenster versehen sein. Er kann auch zwei teilbare Abschnitte aufweisen, deren einer eine Abdeckung oder einen Deckel bildet, deren anderer daran die Turbine 2, den Generator 8 und die Pumpe 4 mit Rohrleitungen und elektrischen Leitungsverbindungen befestigt, wobei diese durch in den Wänden vorgesehene Öffnungen mit geeigneten Dichtungen treten.

In Fig. 1 ist ferner vorgesehen ein Absperrorgan oder Ventil 11,

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das mit einer Steuer- oder Regelschaltung verbunden sein kann, die mit dem Ausgangsteil oder den -Klemmen des Generators 8 verbunden ist, wobei das Ventil 11 durch die Schaltung 12 gesteuert wird, um die Eingangsmenge des verdampften Arbeitsgases oder -dampfes in die Turbine 2 zu ändern oder zu steuern, abhängig von der erzeugten Menge elektrischer Energie, die am Ausgang des Generators 8 erfaßt wird. Ein Blech oder eine Platte 13 ist auch im Behälter 10 zum Sammeln des Schmieröls der Turbine 2 und des Generators 8 vorgeselen.

Für einen gleichmäßigen Betrieb der Turbine 2 und um ihren Betrieb bei gewünschter oder Soll-Geschwindigkeit zu gewährleisten, ist eine Gasquelle 14 zum Einführen eines Druckgases in den Behälter 10 vorgesehen. Eine optimale Verdampfungstemperatur wird durch Einstellen des Gaserucks der Gasquelle 14 erhalten. Die Kammer oder der Behälter 10 bestehen dabei vorzugsweise aus einem Werkstoff, der sowohl druck- als auch korrosionsbeständig ist, und der ein Metall oder eine Legierung dieser Art oder ein Kunststoff sein kann, der Kohlefaseroder ( Metall-)Whisker-verstärkt ist.

Der Arbeitsdampf oder das Arbeitsgas von der Turbine 2 wird im Kondensator 3 gesammelt, wo ein Wärmetausch mit einem Kühlwasser oder einer anderen Kühlflüssigkeit erfolgt, das durch eine Leitung 15 fließt, um ein Kondensat zu bilden, das dann durch die Pumpe 4 rezirkuliert oder wiederum gewälzt wird.

Auf die Stromversorgung 5 kann verzichtet werden, wenn ein Teil der an den Ausgangsklemmen 9 des Generators 8 erhaltenen Energie zum Antrieb der Pumpe 4 verwendet wird.

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In den Fig. 3 bis 7, die weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung darstellen, bedeuten gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Teile wie im Kraftwerk gemäß Fig. 1.

Im Kraftwerk gemäß Fig. 3 wird Abwärme von einer Brennkraftmaschine bzw. einem -motor 16 und ein dadurch angetriebener Generator 17 in einem herkömmlichen Brennkraftmaschinen-Kraftwerk verwendet zur Erzeugung elektrischer Energie gemäß der Erfindung. Dazu sind die Maschine 16 und der Generator 17 jeweils mit einem Kühlmantel 18 bzw. 19 versehen, die miteinander verbunden sind und von einem Kühlfluid durchströmt werden, das durch eine Pumpe 20 in einer geschlossenen Förderleitung 21 umgewälzt wird. Letztere enthält die Zone des Verdampfers 6 des Ärbeitsfluids, das durch die Pumpe 4 in der geschlossenen Förderleitung 1 umgewälzt wird, die die Turbine 2 und die Zone des Kondensators 3, wie ausgeführt, enthält. Der Generator 8 in Treibverbindung mit der Turbine 2 hat einen Ausgang bzw. Ausgangsklemmen 9, die durch einen Kommutator oder Umschalter 9 a mit einerseits einer Anlaß- oder Starterquelle bzw. andererseits einer Last- oder Lade-Schaltung über Anschlüsse 9 b bzw. Anschlüsse 9c nach Wunsch anschließbar sind. In Fig. 3 sind weiter dargestellt ein Rückschlagventil bzw. eine Rückschlagklappe 22 und ein Sammler 23, die eingefügt sind, um eine sehr stabile Umwälzung des Ärbeitsfluids im geschlossenen Kreis der Förderleitung 1 zu gewährleisten, sowie ein Druckmesser 24 zur Anzeige des Drucks im Behälter 10, um ihn auf einen Sollwert durch Steuern des Zugases von der (hier nicht dargestellten) Gasquelle abhängig vom Anzeigeergebnis zu steuern oder zu regeln.

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Beim Start- oder Anlaßbetrieb wird die Maschine 16 in Betrieb gesetzt zum Antrieb des Generators 17. Gleichzeitig wird die Pumpe 20 in Betrieb gesetzt, um das Kühlfluid durch den geschlossenen Kreis der Förderleitung 21 in Pfeilrichtung umzuwälzen, während der Generator 8 durch den Umschalter 9 a mit der Anlaßquelle bzw. deren Anschlüssen 9b zur Erregung oder Unterstromsetzung verbunden ist, um dadurch als Motor der Pumpe 4 zum Umwälzen des Arbeitsfluids im geschlossenen Kreis der Förderleitung 1 in Pfeilrichtung zu wirken.

Bei Betriebsbeginn beginnt das durch die Kühlmäntel 19 und 18 tretende Kühlfluid die von dem Generator 17 und der Maschine 16 ausgehende Wärme zu absorbieren und wird beim Austritt aus dem Kühlmantel 18 heiß. Das erhitzte oder erwärmte Fluid tritt in den Verdampfer 6 ein, wo es mit dem Arbeitsfluid der Förderleitung 1 in Wärmetausch tritt und kühl wird zur Bückkehr in die Kühlmantel 19 und 18^ wo es zum intensiven Kühlen sowoM des Generators 17 als auch der Maschine 16 dient, währendes selbst erwärmt wird. Andererseits wird das Arbeitsfluid in der Förderleitung 1 durch Wärmetausch mit dem erwärmten oder Heizfiiiid verdampft zur Bildung eines Hochdruckdampfes, der die Turbine 2 treibt, um dadurch den Generator 8 zu drehen, und wird dann dem Kondensator 15 zugeführt, wo es niedergeschlagen wird. Nach Verstreichen einer gegebenen oder bestimmten Zeit, bis nämlich genügend elektrische Energie am Generator 8 erzeugt ist, schaltet der Umschalter 9 a die Ausgangsklemmen 9 an die Last- oder Lade-Schaltung bzw. deren Anschlüsse 9c zur Verwendung oder zur Speicherung der erzeugten elektrischen Energie.

Die Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung,

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bei dem Sonnenwärme zur Erzeugung elektrischer Energie daraus verwendet wird. Dazu ist eine Spiegelanordnung 25 vorgesehen, um einfallende Sonnenstrahlen zu sammeln und sie in Wärmeverbindung auf die Außenfläche eines Rohrwärmetauschers 26 zu fokussieren, durch den die Wärme absorbierendes Wasser strömt. Das durch die Pumpe 20 geführte erwärmte Wasser wirkt zum Verdampfen des Arbeitsfluids durch (k-n Verdampfet ό, wobei das Verdarnpfungsprodukt die Turbine 2 treibt, zur Erzeugung von Energie am Ausgang des Generators 8 in der beschriebenen Weise. Das Umwälzsystem des Heizfhiids oder -wassers bei diesem Ausführungsbeispiel ist zusätzlich versehen mit einem Zweig, der durch einen Wasserboiler oder -kessel 27 tritt, mit Schaltventilen 28, 29, 30, 31, 32, 33. Deshalb wird die Wärmeenergie im Wasserkessel 27 verwendet, wenn Sonnenwärme nicht erhaltbar ist, und kann zusammen mit erhältlicher Sonnenwärme verwendet werden, um das Heizwasser auf eine benötigte Temperatur zu erwärmen. Wenn nur die Sonnenwärme verwendet wird, sind deshalb die Absperrorgane oder Ventile 28, 31 und 33 geöffnet und die Ventile 29, 30 und 32 geschlossen. Wenn nur die Kessel wärme verwendet wird, sin d die Ventile 29, 30 und 32 geöffnet und die Ventile 28, 31 und 33 geschlossen. Wenn sowohl die Sonnenwärme als auch die Kesselwärme verwendet werden, sind die Ventile 28, 29, 30 und 33 geöffnet und die Ventile 31 und 32 geschlossen.

In Fig. 5 ist eine Weiterbildung des in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiels wiedergegeben, bei dem der die Sonnenwärme aufnehmende Wärmetauscher 26 und das Heizwasser 27 a im Kessel 27 so verwendet werden, daß sie direkt als der Verdampfer 6 der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele dienen, um das Arbeitsfluid zu verdampfen, das der Turbine 2 im Energieerzeugungs-Kreis zugeführt wird.

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Die Fig. 6 zeigt ein weiteres, drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem terrestrische Wärme, insbesondere Wärme mit relativ niedriger Temperatur, wie bei einer Mineralquelle, zur Erzeugung elektrischer Energie daraus verwendet wird« Auch bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Bauteile, der Aufbau und der Betrieb des Kraftwerks grundsätzlich identisch dem anhand der Fig. 1 und 2 beschriebenen und ein Arbeitsfluid der eingangs erwähnten Art, tmd ein fest verschlossener Behälter 10, der die Turbine 2 und den Generator 8 aufnimmt, werden gemäß der Erfindung verwendet. Bei diesem Ausführungsbeispiel steht der Verdampfer 6 bzw. die Verdampferstufe in Berührung oder Kontakt mit einer warmen Quelle oder mit Dampf und kann unter der Erdoberfläche (Untergrund) angeordnet sein, wo eine solche gemäßigte terrestrische Wärme erhältlich ist. Das von der terrestrischen Wärme-Energie am Verdampfer 6 verdampfte Arbeitsfluid treibt die Turbine 2, die in Treibverbindung mit dem Generator 8 im Gehäuse oder Behälter 10 steht, das ebenfalls unter der Erdoberfläche, über den Verdampfer 6, angeordnet sein kann, Die erzeugte elektrische Energie wird durch die Ausgangs leitung bzw. -klemmen 9 zu einer (nicht dargestellten) Last— oder Lade-Schaltung oder Speichereinrichtung geführt, und ein geringer Teil davon wird zum Antrieb eines Verdichters oder Gebläses 3a verwendet, um das von der Turbine 2 in den Kondensator 3 geführte Arbeitsfluid zu kühlen und niederzuschlagen. Das niedergeschlagene Fluid kehrt zum Verdampfer 6 durch Schwerkraft zurück« Wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 ist eine Segeleinrichtung H₅ 12 zur Steuerung oder Regelung der Eintrittsmenge des Arbeitsdampfes der Turbine 2 abhängig von der erzeugten Elektrizitätsmenge dargestellt.

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Bei einer Weiterbildung gemäß Fig. 7 wird das heiße Wasser von unterhalb der Erdoberfläche über oder an die Erdoberfläche (Übergrund) durch eine Pumpe 34 geführt und in einen zweiten Behälter 6 a aufgenommen, der die Verdampfungskammer bildet, in dem es mit dem Arbeitsfluid in Wärmetausch tritt, um dieses zu verdampfen, damit dieses der Turbine 2 in dem verschlossenen (ersten) Behälter 10 zugeführt wird, der auch über dem Erdboden angeordnet ist.

Bei den Ausführungsbeispielen enthalten der Verdampfer 6, die Heizeinrichtung bzw. der Wärmetauscher 26 und der Kessel 27 geeignete Wärmetauschglieder. Sehr hoher Wärmetauseh·^Wirkungsgrad wird erreicht, wenn die mit dem zu erwärmenden Fluid in Berührung kommende Fläche eine poröse Schicht eines wärmeleitenden Metalls mit miteinander verbundenen feinen Poren enthält. Durch Verwendung der porösen Siedefläche ist es möglich, den Verdampfer 6, den Wärmetauscher 26 und den Kessel 27 kompakter auszuführen. Es ist auch empfehlenswert, den Teil der Förderleitung 1, la, der den Kondensator und den Verdampfer 6 miteinander verbindet, mit einem Heizrohr auszubilden, damit die Pumpe 4 nicht mehr benötigt wird. Verfahren zur Erzeugung poröser Wärmetauschflächen und Heizrohren sind z.B. beschrieben in den japanischen Patentanmeldungen 49-27277 vom 11. 3. 74, 49-127713 vom 6. 11. 74, 49-138062 vom 29. 11. 74 bzw. 50-6696 vom 14. 1. 75 bzw. deren korrespondierenden deutschen Patentanmeldungen.

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Claims

Patentansprüche

( 1. /Kraftwerk, mit einem Verdampfer zum Erwärmen eines Arbeitsfluids, einer Turbine zur Aufnahme des verdampften Arbeite fluids und zum Antrieb durch dieses, einem Generator in Treibverbindung mit der Turbine zum Erzeugen elektrischer Energie, und einem Kondensator zum Kühlen des von der Turbine abgegebenen Ar be its fluids, wobei der Verdampfer, die Turbine und der Kondensator zur Bildung eines geschlossenen Strömungsweges für das Arbeitsfluid verbunden sind,

dadurch gekennzeichnet,

daß der Verdampfer (6, 26, 27, 27 a) eine Wärmeta\isch-Trennflache besitzt, mit dem Arbeitsfluid auf einer Seite und mit einem durch eine Medertemperatur-Energiequelle erwärmten Fluid auf der anderen Seite, daß das Arbeitsfluid einen wesentlich niedrigeren Siedepunkt als "Wasser besitzt, und daß die Turbine und der Generator hermetisch in einem fest verschlossenen Behälter eingeschlossen sind.
2. Kraftwerk nach Anspruch 1 mit einer Pumpe zur Zufuhr des Arbeitsfluids im Kondensator zum Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (l) hermetisch im Behälter (30) eingeschlossen ist.
3. Kraftwerk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (3) und der Verdampfer (6| 26, 27, 27 a) durch ein Heizrohr miteinander verbunden sind.

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4. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Zufuhreinrichtung (14, 24) eines Gases in den Behälter (lO), um dessen Innendruck auf einem bestimmten Wert zu halten.
5. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (11, 12) zum Regeln der Strömung des verdampften Arbeitsfluids zur Turbine (2) abhängig von einem am Ausgang (9) des Generators (8) erhaltenen Signal.
6. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die arbeitsfluidseitige Fläche des Verdampfers (6; 26, 27, 27a) eine poröse Schicht aus wärmeleitendem Metall besitzt.
7. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedertemperatur-Energiequelle die Abwärme eines Industriebetriebes, eines Verbrennungs- oder Brennofens oder einer Brennkraftmaschine aufweist.
8. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederternperatur-Energiequelle Sonnenwärme aufweist.
9. Kraftwerk nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedertemperatur-Energiequelle einen zusätzlichen Wasserkessel aufweist.
10. Kraftwerk nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Niedertemperatur-Energiequelle terrestrische Wärme aufweist.

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