DE3722232C2

DE3722232C2 -

Info

Publication number: DE3722232C2
Application number: DE3722232A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. 5170 Juelich De Heitkamp; Klaus Prof. Rio De Janeiro Br Wagener; Franz Dipl.-Ing. 5170 Juelich De Ringelmann
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 1987-07-06
Filing date: 1987-07-06
Publication date: 1991-04-25
Also published as: DE3722232A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen osmotischen Kreisprozeß, bei dem zu Beginn zwei ggf. auf un terschiedlicher Temperatur befindliche Lösungen L_A und L_K von unterschiedlicher Konzentration durch eine nur für das Lösungsmittel durchläs sige Membran voneinander getrennt sind und durch Übertritt von Lösungsmittel LM von der Lösung L_K mit geringerer Konzentration Druck aufgebaut und zur Arbeitsleistung ausgenutzt wird und der zu Beginn vorliegende maximale Konzentrations unterschied der durch die Membran getrennten Lösungen unter Ausnutzung einer Wärmequelle und/ oder einer Wärmesenke wiederhergestellt wird.The invention relates to an osmotic cycle, in which at the beginning two possibly at different temperatures un L different solutions L _A and L _K of different concentration are separated from each other by a membrane only permeable to the solvent and by passage of solvent LM from the Solution L _K with a lower concentration of pressure is built up and used for work and the maximum concentration difference at the beginning of the solutions separated by the membrane is restored using a heat source and / or a heat sink.

Die zunehmende Belastung der Luft mit Schad stoffemissionen aus Kraftwerken ist Anlaß, in verstärktem Maße nach emissionsfreien Energie quellen Ausschau zu halten. Dabei ist insbe sondere Prozesse von Bedeutung, die in der Lage sind, die in der Umwelt reichlich verfügbare Niedertemperaturwärme auszunutzen.The increasing pollution of the air with harmful Emissions from power plants is an occasion in to an increasing extent according to emission-free energy sources to look out for. Here is esp special processes of importance that are able to the low-temperature heat available in the environment to take advantage of.

Eine solche Möglichkeit bietet der osmotische Kreisprozeß, bei dem ein osmotisch erzeugter Druck Arbeit leistet unter Übertritt von Lösungsmitteln durch eine semipermeable Membran in eine höher konzentrierte Lösung, deren Verdünnung in einer Regenerierungsphase wieder rückgängig gemacht werden muß. Ein solcher Kreisprozeß wird z. B. von M. Reali in Energie 5 (1980), Seiten 325-329, beschrieben. The osmotic cycle offers such a possibility, where an osmotically generated pressure work performs with the transfer of solvents by a semipermeable membrane in a more concentrated solution, their dilution again in a regeneration phase must be undone. Such a cycle z. B. by M. Reali in Energie 5 (1980), pages 325-329.

Im Vergleich zu offenen osmotischen Systemen, wie beispielsweise Meerwasser gegen Süßwasser (s. O. Levenspiel und N. de Nevers "The osmotic pump" in Science 183 (1974), Seiten 157-160 sowie R. S. Norman "Water salination: A source of energy" in Science 183 (1974), Seiten 350-352), die zur wirtschaftlichen Energiegewinnung kaum geeignet sind (siehe J. Fricke und L. W. Borst, "Energie", R. Oldenbourg- Verlag, München, Wien 1984, Seite 188), haben osmotische Kreisprozesse den Vorteil der freien Wahl der osmotischen Arbeitslösung, aber auch den Nachteil, daß ein relativ großes Flüssigkeitsreservoir für die Druckzelle benötigt wird, wenn der Übertritt des Lösungs mittels durch die Membran nicht rasch zu einer Kon zentrationsabnahme führen soll.Compared to open osmotic systems, such as Sea water against fresh water (see above Levenspiel and N. de Nevers "The osmotic pump" in Science 183 (1974), Pages 157-160 and R. S. Norman "Water salination: A source of energy "in Science 183 (1974), pages 350-352), which are hardly suitable for economic energy generation (see J. Fricke and L. W. Borst, "Energie", R. Oldenbourg- Verlag, Munich, Vienna 1984, page 188) osmotic cycles the advantage of free choice the osmotic working solution, but also the disadvantage that a relatively large liquid reservoir for the Pressure cell is needed when the solution is exceeded by means of the membrane not quickly to a con decrease in center.

Zwar wurde bereits in der DE-Patentanmeldung 37 14 628 ein Osmotischer Generator vorgeschlagen, bei dem sich eine kalte schwach konzentrierte und eine heiße stark konzentrierte KNO₃-Lösung jenseits der semipermeablen Membran gegenüberstehen und heiße Lösung nach Passieren der Turbine in die kalte Lö sung gegeben wird, wo sich Bodenkörper bildet, der abgepumpt und in die heiße Lösung eingespritzt wer den soll, wenn sich diese verdünnt und der Druck zur Arbeitsleistung nachgelassen hat. Dieses ältere Konzept dürfte in der Praxis jedoch bei der Entnahme und Überführung der Kristalle aus der kalten in die heiße Lösung Schwierigkeiten bereiten und auch hier müßte ein erhebliches Flüssigkeitsvolumen auf der Druckseite vorgesehen werden, damit kein zu rascher Druckabfall erfolgt.Although it was already in the DE patent application 37 14 628 proposed an osmotic generator, where a cold weakly concentrated and a hot highly concentrated KNO₃ solution beyond face the semipermeable membrane and is hot Solution after passing the turbine into the cold solder solution is given where soil forms, the pumped out and injected into the hot solution that should, if this dilutes and the pressure to work performance has decreased. This older one In practice, however, the concept is likely to be used during removal and transferring the crystals from the cold into the hot solution cause difficulties and also here a considerable volume of liquid would have to be consumed the print side are provided so that no too rapid pressure drop occurs.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Prozeß vorzusehen, bei dem ein relativ gerin ges Flüssigkeitsvolumen in der Druckzelle ausreicht, um eine Arbeitsleistung über längere Zeit aufrechtzuerhalten, bevor regeneriert werden muß und bei dem keine Überführung von Kristallmasse notwendig ist.The invention is therefore based on the object to provide a process in which a relatively minor sufficient volume of liquid in the pressure cell is sufficient, to maintain work performance over a long period of time, before it has to be regenerated and at which does not require the transfer of crystal mass is.

Diese Ziele werden durch einen osmotischen Kreisprozeß der eingangs genannten Art erreicht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß zu Beginn eines jeden Zyklusses in der höher konzentrierten Lösung L_A Boden körper B vorliegt, der mit fortschreitendem Be trieb unter Übertritt von Lösungsmittel LM zur Lösung L_A in Lösung geht und daß der Bodenkörper B aus der der überführten Lösungsmittelebene ent sprechenden Menge L_A nach Arbeitsleistung durch Temperaturerniedrigung in dem nachfolgend als Druck zelle dienenden Raum rückgebildet wird, der dann mit L_A gefüllt und auf T_A gebracht erneut zur Arbeitsleistung zur Verfügung steht.These goals are achieved by an osmotic cycle of the type mentioned, which is characterized in that at the beginning of each cycle in the more concentrated solution L _A soil body B is present, which with progressive operation with the transfer of solvent LM to solution L _A goes into solution and that the soil body B is re-formed from the amount L _A corresponding to the transferred solvent level after work performed by lowering the temperature in the room subsequently serving as a pressure cell, which is then filled with L _A and brought to T _A again for work .

Weitere Besonderheiten der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.Further special features of the invention emerge from the Sub-claims emerge.

Bei diesem Prozeß bleibt die Konzentration der Lösung in der Druckzelle solange konstant auf dem Niveau der Sättigungskonzentration, die der gewählten Arbeitstemperatur T_A entspricht, bis (nahezu) der gesamte Bodenkörper aufgelöst ist. Beim erfindungs gemäßen Verfahren dient mithin der Bodenkörper in der Druckzelle als osmotisches Energiereservoir und die Wiederaufkonzentrierung oder Zellregene rierung besteht darin, daß während der Arbeitsleistung in Lösung gegangener Bodenkörper rückgewonnen wird. Die Rückgewinnung erfolgt unter Abkühlung (insbesondere mit Ausnutzung eines in der Um welt vorhandenen Temperaturgefälles) in einem nach folgend als Druckzelle dienenden Raum, so daß der Bodenkörper, der im allgemeinen zum Auskristalli sieren an den Behälterwänden neigt, nicht entnommen zu werden braucht, sondern an Ort und Stelle zur Anwendung kommt.In this process, the concentration of the solution in the pressure cell remains constant at the level of the saturation concentration, which corresponds to the selected working temperature T _A , until (almost) the entire soil body is dissolved. In the method according to the Invention thus serves the soil body in the pressure cell as an osmotic energy reservoir and the re-concentration or cell regeneration is that soil body gone into solution is recovered during work. The recovery takes place with cooling (in particular with the use of a temperature gradient existing in the world) in a room which subsequently serves as a pressure cell, so that the bottom body, which generally tends to crystallize on the container walls, does not need to be removed, but instead Place is used.

Bei der Regenerierung wird von der erheblichen Temperatur abhängigkeit der Wasserlöslichkeit einiger Elektrolyte hoher Osmolalität insbesondere im Temperaturbereich zwischen etwa -10 und +40°C Gebrauch gemacht. Die nach folgende Tabelle zeigt einige Beispiele für brauchbare Salze und deren Temperaturabhängigkeit der Wasserlös lichkeit. During the regeneration, the considerable temperature dependence of the water solubility of some electrolytes high osmolality especially in the temperature range between about -10 and + 40 ° C. The after the following table shows some examples of usable ones Salts and their temperature dependence of the water solution ease.

Mischungen der genannten Salze sind selbstverständlich auch möglich.Mixtures of the salts mentioned are self-evident also possible.

Stehen die Wärmereservoire zur Erzielung von T_A und T_K gleichzeitig zur Verfügung, ist es besonders zweckmäßig, zwei durch eine semipermeable Membran getrennte Druckzellen wechselseitig gegeneinander arbeiten zu lassen, wobei jeweils eine der beiden Druckzellen mit der Lösung L_A auf der Temperatur T_A, die andere mit der Lösung L_K auf der Temperatur T_K gehalten wird. In diesem Temperaturgefälle führt der osmotische Lösungs mittelfluß von L_K nach L_A, der in L_A den Arbeitsdruck erzeugt, nicht nur zur Auflösung von Bodenkörper in L_A, sondern gleichzeitig auch zur Auskristallisation von Bodenkörper in L_K. Dies hat einen doppelten Vorteil. Zum einen bleiben die Konzentrationen von L_A und L_K während der gesamten Betriebsphase konstant auf dem jeweiligen Sättigungsniveau, zum anderen entsteht mit dem Verbrauch des Energiereservoirs in L_A zugleich ein neues in L_K, wobei für den nachfolgenden Zyklus eine Richtungsumkehr vorgesehen wird.If the heat reservoirs for obtaining T _A and T _K are available at the same time, it is particularly expedient to have two pressure cells separated by a semipermeable membrane work alternately against one another, one of the two pressure cells with the solution L _A at the temperature T _A , the other is kept at the temperature T _K with the solution L _K. In this temperature gradient, the osmotic solvent flow from L _K to L _A , which generates the working pressure in L _A , leads not only to the dissolution of soil bodies in L _A , but also to the crystallization of soil bodies in L _K. This has a double advantage. On the one hand, the concentrations of L _A and L _K remain constant at the respective saturation level during the entire operating phase, on the other hand, the consumption of the energy reservoir in L _{A also} creates a new one in L _K , whereby a reversal of direction is provided for the subsequent cycle.

Nachfolgend werden Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die angeführten Zeichnungen näher beschrieben; es zeigen schematisch:Embodiments of the invention are described below with reference to the drawings shown described; it shows schematically:

Fig. 1a und 1b eine Anordnung zur Durchführung des osmotischen Kreisprozesses in zwei durch eine semipermeable Membran getrennten Druckzellen, die wechselseitig betrieben werden, in den zwei Betriebsphasen; Figures 1a and 1b an arrangement for carrying out the process in two separate osmotic circuit by a semipermeable membrane pressure cells which are operated alternately in the two phases of operation.

Fig. 2 eine Anordnung mit zwei alternierend funktionierenden Druckzellen; und Fig. 2 shows an arrangement with two alternately operating pressures cells; and

Fig. 3 eine Druckzelle mehr im einzelnen. Fig. 3 one more pressure cell in detail.

Gem. Fig. 1 enthält die Druckzelle D₁ zu Beginn ihrer Arbeitsphase (Fig. 1a) Bodenkörper B und gesättigte Lösung L_A der Konzentration c_A, die durch Wärmetausch mit dem Wärmereservoir A auf der Temperatur T_A gehalten wird. Gleichzeitig enthält die Druckzelle D₂ gesättigte Lösung L_K desselben Elektrolyten mit der Konzentration c_K, die mit Hilfe des Wärmereservoirs K auf der Temperatur T_K gehalten wird. D₁ und D₂ sind über eine nur für das Lösungsmittel durchlässige Membran miteinander verbunden. Die Membran M wird durch geeignete Schutzfilter SF und Metallfrittenträger MT so gestützt, daß sie beidseitig osmotischem Druck in der gewünschten Höhe standhält. Durch osmotischen Fluß von Lösungsmittel durch die Membran von D₂ nach D₁ wird in D₁ ein osmotischer Arbeitsdruck erzeugt, der zum Antrieb der Turbine DT mit angeschlossenem Stromgenerator G genutzt wird, wie es beispielsweise von S. Loeb in J. Membr. Sci. 1 (1978), S. 49-63 beschrieben wird. Der Arbeitsdruck P_A liegt im allgemeinen zwischen Δπ/4 und Δπ, wobei Δπ die osmotische Druckdifferenz zwischen den Konzen trationen c_A und c_K ist. Nach dem Durchlaufen der Druck turbine fließt die druckentspannte Lösung aus D₁ über eine Rückleitung RL zur Zelle D₂, die unter Normaldruck steht.Gem. Fig. 1 includes the pressure cell D₁ at the beginning of its working phase (Fig. 1a), the bottom body B and saturated solution L _A of the concentration c _A, which is held by heat exchange with the heat reservoir A at temperature T _A. At the same time, the pressure cell D₂ contains saturated solution L _{K of the} same electrolyte with the concentration c _K , which is kept at the temperature T _K with the aid of the heat reservoir K. D₁ and D₂ are connected to each other via a membrane permeable only to the solvent. The membrane M is supported by suitable protective filters SF and metal frit supports MT in such a way that it withstands osmotic pressure at the desired height on both sides. By osmotic flow of solvent through the membrane from D₂ to D₁ an osmotic working pressure is generated in D₁, which is used to drive the turbine DT with a connected current generator G, as described, for example, by S. Loeb in J. Membr. Sci. 1 (1978), pp. 49-63. The working pressure P _A is generally between Δπ / 4 and Δπ, where Δπ is the osmotic pressure difference between the concentrations c _A and c _K. After passing through the pressure turbine, the pressure-released solution flows from D 1 via a return line RL to cell D 2, which is under normal pressure.

Im Laufe des Betriebs von D₁ geht der Bodenkörper in D₁ unter Aufrechterhaltung der Konzentration c_A in Lösung, während gleichzeitig in gleicher Menge Bodenkörper in D₂ durch Auskristallisation bei der tieferen Temperatur T_K unter Aufrechterhaltung der Konzentration c_K entsteht. Phase I von D₁ (Arbeitsleistung) und Phase II von D₂ (Regenerierung) laufen gleichzeitig ab.In the course of the operation of D₁, the soil body in D₁ goes into solution while maintaining the concentration c _A , while at the same time the soil body in D₂ is formed by crystallization at the lower temperature T _K while maintaining the concentration c _K. Phase I of D₁ (work performance) and Phase II of D₂ (regeneration) run simultaneously.

Um Kristallisationshemmungen in D₂ zu vermeiden, sollte D₂ Kristallisationskeime enthalten oder bekommen. Zur Vermeidung von Konzentrationsgradienten in Membrannähe wird zweckmäßigerweise beidseits der Membran gerührt, z. B. mit einem Magnetrührer R und/oder durch Umwälzung mittels einer Flüssigkeitspumpe FP.To avoid inhibition of crystallization in D₂, should Contain or get D₂ nuclei. To Avoidance of concentration gradients near the membrane is conveniently stirred on both sides of the membrane, e.g. B. with a magnetic stirrer R and / or by circulation by means of a liquid pump FP.

Nach Auflösung von B in D₁ bis auf einen kleinen Rest, der in der nachfolgenden Regenerationsphase II von D₁ als Kristalli sationskeim dient, ist die Phase I von D₁ beendet. Phase II von D₂ wird unmittelbar danach durch Austausch der Lösungsinhalte von D₁ und D₂ (unter Zuhilfenahme eines Zwischenspeichers L_Z) und Rückerwärmung des in D₂ bei T_K auskristallisierten Bodenkörpers auf T_A abgeschlossen.After dissolution of B in D₁ except for a small remainder, which serves in the subsequent regeneration phase II of D₁ as Crystallization germ, phase I of D₁ has ended. Phase II of D₂ is completed immediately afterwards by exchanging the solution contents of D₁ and D₂ (with the aid of a buffer L _Z ) and reheating the soil body crystallized in D₂ at T _K to T _A.

Nach einem Wechsel der Wärmereservoire, die jetzt D₂ auf T_A und D₁ auf T_K halten, ist D₂ betriebsbereit (Fig. 1b). In der Arbeitsphase von D₂ fließt der osmotische Lösungsmittelfluß nun in umgekehrter Richtung von D₁ nach D₂ und erzeugt den zum Betrieb von DT notwendigen Druck P_A in D₂, während D₁ unter Normaldruck bleibt und dort Phase II durch Auskristallisation von Bodenkörper abläuft. In dieser Weise wechseln sich die Phasen I und II in beiden Teilen D₁ und D₂ der Doppelzelle ab.After changing the heat reservoirs, which now hold D₂ on T _A and D₁ on T _K , D₂ is ready for operation ( Fig. 1b). In the working phase of D₂ the osmotic solvent flow now flows in the opposite direction from D₁ to D₂ and generates the pressure P _A necessary for the operation of DT in D₂, while D₁ remains under normal pressure and there phase II takes place through crystallization of the soil. In this way, phases I and II alternate in both parts D₁ and D₂ of the double cell.

Die Dauer der Arbeitsleistung einer Zelle hängt von ihrer Spei cherkapazität ab, die mit dem Arbeitsdruck P_A steigt und, kon stantes P_A voraussetzt, proportional zur Masse des gespeicherten Bodenkörpers ist.The duration of the work performance of a cell depends on its storage capacity, which increases with the working pressure P _A and, assuming constant P _A , is proportional to the mass of the stored soil body.

Die Höhe der Leistung einer Druckzelle hängt bei gegebener Leitfähigkeit der semipermeablen Membran für das Lösungsmittel LM von der Membranfläche ab. Eine nützliche geometrische Anordnung zur platzsparenden Unterbringung großer Membranflächen auf engem Raum wird in Fig. 3 dadurch angedeutet, daß U-förmige Membranträger in die Druckzelle eingelassen sind. Auf diese Art kann beispielsweise ein Verhältnis von Druckzellen volumen zur Membranfläche von etwa 10 l/m² erreicht werden.For a given conductivity of the semipermeable membrane for the solvent LM, the level of the performance of a pressure cell depends on the membrane area. A useful geometric arrangement for space-saving accommodation of large membrane areas in a small space is indicated in Fig. 3 by the fact that U-shaped membrane supports are embedded in the pressure cell. In this way, for example, a ratio of pressure cell volume to membrane area of approximately 10 l / m² can be achieved.

Als Temperaturdifferenz T_A-T_K kann etwa die Differenz zwischen der Außentemperatur der Luft und anderen, stets vorhandenen Umwelt-Wärmereservoiren (Brauchwasser, Bodenwärme u. a.) genutzt werden, gegebenenfalls auch unter Ausnutzung von Sonnenenergie als Wärmequelle.The temperature difference T _A -T _K can be used, for example, the difference between the outside temperature of the air and other, always available, environmental heat reservoirs (process water, ground heat, etc.), possibly also using solar energy as a heat source.

Sind die Wärmereservoire zur Erzeugung von T_A und T_K nicht gleichzeitig, sondern nur zeitlich nacheinander verfügbar, etwa bei Ausnutzung des Tag-Nacht-Unterschieds der Lufttemperatur, so kann eine Anordnung nach dem Schema der Fig. 2 zur Durchführung des Kreisprozesses verwendet werden.If the heat reservoirs for generating T _A and T _{K are} not available at the same time, but only in succession, for example when the day-night difference in air temperature is used, an arrangement according to the diagram in FIG. 2 can be used to carry out the cycle.

Bei diesem Verfahren kommt der osmotische Fluß des Lösungsmittels LM während der Phase I der Druckzelle D₁, die zu Beginn Bodenkörper B und gesättigte Lösung L_A (Konzentration c_A) enthält, durch die semipermeable Membran aus einem gesonderten Lösungsreservoir L₁ auf der Normaldruckseite, das zu Beginn die Lösung L_K desselben Elektrolyten mit der Konzentration c_K enthält. Die Lösungen in D₁ und L₁ befinden sich dabei auf derselben Temperatur T_A. Der durch den Lösungsmittelfluß nach D₁ dort erzeugte Arbeitsdruck leistet - in Parallele zur Fig. 1 - Arbeit in der Druckturbine DT, die den Generator G antreibt. Die nach Verlassen der Turbine entspannte Lösung aus D₁ fließt nun in einen Zwischenspeicher L_ZA. Die Konzentration der Lösung L_A in D₁ wird durch Auflösung von Bodenkörper aufrechterhalten, während die Konzentration der Lösung L_K in L₁ durch den Verlust an Lösungsmittel langsam ansteigt. Die Ar beitsphase ist beendet, sobald der Bodenkörper nahezu vollständig aufgelöst ist. Ein kleiner Rest von B verbleibt in D₁ als Kristallisationskeim für die nachfolgende Regenerierung.In this method, the osmotic flow of the solvent LM comes during phase I of the pressure cell D 1, which initially contains soil B and saturated solution L _A (concentration c _A ), through the semipermeable membrane from a separate solution reservoir L 1 on the normal pressure side, to Start the solution L _{K of the} same electrolyte with the concentration c _K contains. The solutions in D₁ and L₁ are at the same temperature T _A. The working pressure generated there by the solvent flow to D 1 performs - in parallel to FIG. 1 - work in the pressure turbine DT which drives the generator G. The relaxed solution from D₁ after leaving the turbine now flows into a buffer L _ZA . The concentration of the solution L _A in D 1 is maintained by dissolving soil bodies, while the concentration of the solution L _K in L 1 slowly increases due to the loss of solvent. The working phase ends as soon as the soil body is almost completely dissolved. A small remainder of B remains in D 1 as a seed for the subsequent regeneration.

Während des Ablaufs der Phase I von D₁ wird die Druckzelle D₂, die vor D₁ in Betrieb war, regeneriert. Die dabei ablaufenden Vorgänge entsprechen den unten näher erläuterten Regenerie rungsprozessen für D₁. Nach der Regenerierung enthält D₂ frischen Bodenkörper und wird durch Auffüllen mit Lösung L_A aus D₁, die dort nach Beendigung der Arbeitsphase nicht mehr benötigt wird, zusammen mit dem Lösungsreservoir L₂, das Lösung L_K von der Konzentration c_K enthält, wieder in Betrieb gesetzt. Die dabei ablaufenden Vorgänge entsprechen den für die Phase I von D₁ geschilderten.During the course of phase I of D₁, the pressure cell D₂, which was in operation before D₁, is regenerated. The processes involved correspond to the regeneration processes for D 1 explained in more detail below. After regeneration, D₂ contains fresh soil and is put back into operation by filling with solution L _A from D₁, which is no longer required there after the end of the working phase, together with the solution reservoir L₂, which contains solution L _K of the concentration c _K . The processes involved correspond to those described for phase I of D 1.

Gleichzeitig mit der Arbeitsphase (Phase I) von D₂, aber getrennt von ihr, erfolgt die Regenerierung (Phase II) von D₁. Dazu wird die Restlösung in D₁ durch Lösungen aus den Behältern L_ZA und L₁ aufgefüllt und durch Wärmetausch mit dem kühleren Wärmereservoir auf T_K abgekühlt. Nach Erreichen der Sät tigungskonzentration c_K bei T_K wird die über dem gebildeten Bodenkörper überstehende Flüssigkeit aus D₁ zum Zwischenspeicher L_ZK gepumpt und danach weitere Lösung aus L_ZA und L₁ zur Bodenkörpergewinnung in die gekühlte Zelle D₁. Dies wird sooft wiederholt, bis L_ZA und L₁ leer sind und genügend Bodenkörper für die nachfolgende Betriebsphase in D₁ ist. Sodann wird L₁ mit Lösung aus L_ZK gefüllt und das System D₁+L₁ durch Kontakt mit dem wärmeren Wärmereservoir wieder auf T_A rückerwärmt. D₁ kann durch Umfüllung der Lösung von D₂ nach D₁ wieder in Betrieb genommen werden, sobald Phase I von D₂ nach fast vollständiger Auflösung des dortigen Bodenkörpers beendet ist. In dieser Weise wechseln sich die Phasen I und II beider Druckzellen ab, wobei stets Phase I von D₁ gleichzeitig mit Phase II von D₂ und Phase II von D₁ mit Phase I von D₂ ablaufen.Simultaneously with the working phase (phase I) of D₂, but separately from it, the regeneration (phase II) of D₁ takes place. For this purpose, the residual solution in D 1 is filled up with solutions from the containers L _ZA and L ₁ and cooled to T _K by heat exchange with the cooler heat reservoir. After reaching the satiation concentration c _K at T _K , the supernatant liquid over the formed body is pumped from D 1 to the intermediate storage device L _ZK and then further solution from L _ZA and L 1 for obtaining the body in the cooled cell D 1. This is repeated until L _ZA and L₁ are empty and there is enough soil body for the subsequent operating phase in D₁. Then L _{1 is} filled with solution from L _ZK and the system D 1 + L 1 is re-heated to T _A by contact with the warmer heat reservoir. D 1 can be put back into operation by decanting the solution from D 2 to D 1 as soon as phase I of D 2 has ended after the soil body there has been almost completely dissolved. In this way, phases I and II alternate between the two pressure cells, phase I of D₁ always running simultaneously with phase II of D₂ and phase II of D₁ with phase I of D₂.

Die Lösungsmengen in L₁ und L₂ sind so zu bemessen, daß ihre Konzentration im Verlaufe der jeweiligen Arbeitsphase I einer Druckzelle einen Wert c′_K nicht überschreitet, der klein genug ist, daß die osmotische Druckdifferenz aufgrund des Konzentra tionsunterschiedes c_A-c′_K für die Aufrechterhaltung eines ausreichend hohen Arbeitsdrucks genügt.The solution quantities in L₁ and L₂ are to be dimensioned such that their concentration in the course of the respective working phase I of a pressure cell does not exceed a value c ' _K which is small enough that the osmotic pressure difference due to the difference in concentration c _A -c' _K for maintaining a sufficiently high working pressure is sufficient.

Die Druckzellen werden so dimensioniert, daß sie genügend Bo denkörper aufnehmen können, um für mindestens den Zeitraum, der zur Regenerierung der Parallelzelle notwendig ist, Arbeit leisten zu können.The pressure cells are dimensioned so that they have enough Bo can absorb the body for at least the period which is necessary to regenerate the parallel cell, work to be able to afford.

Die Dauer der Regenerierung wird durch die Kinetik der Einstellung von Temperatur und Löslichkeitsgleichgewichten bestimmt. Falls die Phase II länger als Phase I dauert, arbeitet man zweckmäßigerweise mit mehr als zwei Zellen, um die ständige Einsatzbereitschaft mindestens einer Zelle zu gewährleisten. So könnten während der Arbeitsleistung einer Zelle zwei weitere gleichzeitig regeneriert werden, wobei eine davon in der Abkühl-, die andere in der Aufwärmphase ist.The duration of the regeneration is determined by the kinetics of the setting determined by temperature and solubility equilibria. If phase II lasts longer than phase I, you work expediently with more than two cells to keep the constant To ensure operational readiness of at least one cell. For example, two more might work while one cell is working are regenerated at the same time, one of them in the cooling, the other is warming up.

Der osmotische Kreisprozeß nach dem Schema der Fig. 2 kann auch als Stromspeicher verwendet werden, indem die in der Rege nerierungsphase II notwendige Abkühlung der Lösung in einer Druckzelle von T_A auf T_K und die Wiedererwärmung von gebildetem Bodenkörper und abkonzentrierter Lösung von T_K auf T_A durch eine Wärmepumpe WP bewirkt wird, die von dem zu speichernden Strom betrieben wird.The osmotic cycle according to the scheme of Fig. 2 can also be used as a power storage by the necessary in the regeneration phase II cooling of the solution in a pressure cell from T _A to T _K and the reheating of the formed body and concentrated solution of T _K T _{A is} caused by a heat pump WP, which is operated by the electricity to be stored.

Zweckmäßigerweise geschieht dies unter Einsatz dreier Druckzellen, wobei jeweils eine davon in der Betriebs-, die beiden anderen in der Regenerierungsphase sind. Die Regenerierung dieser beiden Zellen wird so koordiniert, daß die Wärmepumpe gleich zeitig eine Zelle abkühlt und die andere aufwärmt, indem sie die bei Abkühlung frei werdende Wärmemenge zur Aufwärmung der Parallelzelle nutzt. Betrieb, Abkühlung und Wiederaufwärmung des Inhalts der drei Druckzellen D₁, D₂ und D₃ und der zugehörigen Lösungsspeicher L₁, L₂ und L₃ wechseln dabei in folgender Weise einander ab:This is expediently done using three pressure cells, one each in the operational, the other two are in the regeneration phase. The regeneration of this the two cells are coordinated so that the heat pump is the same one cell cools in time and the other warms up by the amount of heat released when cooling down to warm up the Uses parallel cell. Operation, cooling and reheating the content of the three pressure cells D₁, D₂ and D₃ and the associated Solution storage L₁, L₂ and L₃ change in the following Reject each other:

1st period: D₁ + L₂ are in operation, while D₂ + L₂ and D₃ + L₃ be charged, D₃ + L₃ in the cooling phase and D₂ + L₂ in the warm-up phase. The heat pump WP transports Heat from D₃ + L₃ to D₂ + L₂.
2. Period: D₂ + L₂ are in operation, while D₁ + L₁ and D₃ + L₃ be charged, D₁ + L₁ in the cooling phase and D₃ + L₃ in the warm-up phase. WP transports heat from D₁ + L₁ after D₃ + L₃.
3rd period: D₃ + L₃ are in operation, while D₁ + L₁ and D₂ + L₂ be charged, D₂ + L₂ in the cooling phase and D₁ + L₁ in the warm-up phase. WP transports heat from D₂ + L₂ after D₁ + L₁.
The fourth period is the same as the first, etc.

Der Wärmetransport von einer Zelle zur anderen kann jeweils durch Vor- und Nachschaltung einfacher Wärme-Austauschprozesse ergänzt werden, um den Wirkungsgrad der Stromspeicherung zu erhöhen. So kann beispielsweise eine auf der Temperatur T_A be findliche abzukühlende Druckzelle zunächst in Wärmekontakt mit der auf T_K befindlichen wieder aufzuwärmenden Parallelzelle auf eine mittlere Temperatur gebracht werden, bevor die Wärmepumpe die Temperatur der wärmeabgebenden Zelle weiter bis auf T_K senkt und die der wärmeaufnehmenden Zelle auf T_A anhebt. Sind außerdem externe Wärmequellen und -senken verfügbar, so können auch diese bei den Vorkühlungen und Voranwärmungen genutzt und damit der Strombedarf für die Zellregenerierung des Stromspeichers weiter verringert werden.The heat transport from one cell to another can be supplemented by upstream and downstream connection of simple heat exchange processes in order to increase the efficiency of electricity storage. For example, a pressure cell to be cooled to temperature T _{A can first} be brought into thermal contact with the parallel cell to be reheated at T _K , before the heat pump further lowers the temperature of the heat-emitting cell to T _K and that of the heat-absorbing cell Raises the cell to T _A. If external heat sources and sinks are also available, they can also be used for pre-cooling and pre-heating, thus further reducing the electricity requirement for cell regeneration in the electricity storage system.

Eine weitere Anwendung des Erfindungsprinzips ist die osmotische Speicherung von Wärme. Die Wärmeaufnahme erfolgt dabei wie beschrieben in der Regenerierungsphase einer osmotischen Druckzelle, die Wärmeabgabe in der Betriebsphase durch eine Wärmepumpe, die nach bekannter Technik geeignete Wärme zum Verbraucher transportiert, beispielsweise Niedrigtemperaturwärme der Umwelt auf ein zur Wohnraumbeheizung geeignetes Tem peraturniveau hochpumpt. Die Wärmepumpe wird dabei entweder von dem über Turbine und Generator erzeugten elektrischen Strom der Druckzelle betrieben, oder die Druckzelle leistet un mittelbar über einen Druckübersetzer die Verdichterarbeit einer Wärmepumpe.Another application of the principle of the invention is the osmotic Storage of heat. The heat is absorbed as described in the regeneration phase of an osmotic Pressure cell, the heat emission in the operating phase through a Heat pump, the heat according to known technology suitable for Transported consumers, for example low-temperature heat the environment to a temperature suitable for heating the living space pumped up to temperature level. The heat pump will either of the electrical generated by the turbine and generator Current of the pressure cell operated, or the pressure cell performs un indirectly the compression work of a Heat pump.

Embodiment

Das Ausführungsbeispiel soll das Arbeitsprinzip eines osmotischen Stromgenerators verdeutlichen und an Hand abgeschätzter Zahlen zeigen, daß eine Anwendung des Erfindungsprinzips zur Strom- und Wärmeerzeugung in privaten Haushalten möglich ist.The embodiment is intended to work the principle of an osmotic Current generator clarify and estimated by hand Numbers show that an application of the principle of the invention to Electricity and heat generation in private households is possible.

Der Generator ist für eine Speicherkapazität von 5 kWh ausgelegt, die im allgemeinen ausreicht, den mittleren Tagesstrombedarf eines Einfamilienhauses zu decken. Durch eine entsprechende Vergrößerung der Anlage lassen sich auch höhere Kapa zitäten sowie auch höhere Leistungen verwirklichen.The generator is designed for a storage capacity of 5 kWh, which is generally sufficient, the average daily electricity requirement to cover a family home. By an appropriate Enlargement of the plant can also be higher Kapa realizations as well as higher performances.

Das Arbeitsprinzip entspricht dem Schema der Fig. 1. Die beiden Druckzellen D₁ und D₂ haben ein Füllvolumen von 1,1 m³. Zu Beginn der Arbeitsleistung von D₁ ist diese Zelle mit 280 l wäßriger Dikaliumhydrogenphosphatlösung von der Konzentration 5,83 Mol K₂HPO₄/1 H₂O (= Sättigungskonzentration bei 5°C) gefüllt und Zelle D₂ mit 1090 l wäßriger Lösung desselben Elek trolyten von der Konzentration 4,62 Mol K₂HPO₄/1 H₂O (= Sätti gungskonzentration bei -2°C). Außerdem enthalten D₁ ca. 1600 kg festes K₂HPO₄ · 6 H₂O (Volumen ca. 820 l) und D₂ ca. 20 kg desselben Bodenkörpers. Durch Wärmekontakt z. B. mit Brauchwasser (Tem peratur im Winter etwa 10°C) einerseits und Außenluft (Temperatur im Winter nachts unter -2°C) andererseits können der Lö sungsinhalt von D₁ auf T_A = 5°C bzw. der von D₂ auf T_K=-2°C gehalten werden. Zur Erleichterung der Auskristallisation des Bodenkörpers in D₂ (d. h. in der jeweils unter Normaldruck stehenden Zelle) ist es sinnvoll, die dortige Lösung bis auf eine Temperatur abzukühlen, die unter T_K liegt, etwa bei T′_K=T_K-2°.The working principle corresponds to the scheme of Fig. 1. The two pressure cells D₁ and D₂ have a filling volume of 1.1 m³. At the beginning of the work of D₁ this cell is filled with 280 l aqueous dipotassium hydrogen phosphate solution with a concentration of 5.83 mol K₂HPO₄ / 1 H₂O (= saturation concentration at 5 ° C) and cell D₂ with 1090 l aqueous solution of the same electrolyte with a concentration of 4, 62 mol K₂HPO₄ / 1 H₂O (= saturation concentration at -2 ° C). In addition, D₁ contain about 1600 kg of solid K₂HPO₄ · 6 H₂O (volume about 820 l) and D₂ about 20 kg of the same body. By thermal contact z. B. with process water (tem perature in winter about 10 ° C) on the one hand and outside air (temperature in winter at night below -2 ° C) on the other hand, the solution content from D₁ to T _A = 5 ° C or from D₂ to T _K = -2 ° C can be kept. To facilitate the crystallization of the soil body in D₂ (ie in the cell under normal pressure), it makes sense to cool the solution there to a temperature which is below T _K , for example at T ' _K = T _K -2 °.

Die osmotische Druckdifferenz, die der Konzentrationsdifferenz der Elektrolyten in den beiden Zellen D₁ und D₂ entspricht, liegt unter den gemachten Annahmen bei 50 MPa. Die maximale osmotische Arbeitsleistung beträgt ca. 100 W pro m² Membran fläche und wird bei einem Arbeitsdruck von ca. 20 MPa erzielt. Für eine geforderte Leistungsobergrenze von 2,5 kW wird daher eine Membranfläche von ca. 25 m² mit einem Raumbedarf von ca. 250 l benötigt.The osmotic pressure difference, that of the concentration difference corresponds to the electrolyte in the two cells D₁ and D₂, is under the assumptions made at 50 MPa. The maximal osmotic work output is approx. 100 W per m² membrane area and is achieved at a working pressure of approx. 20 MPa. For a required power limit of 2.5 kW is therefore a membrane area of approx. 25 m² with a space requirement of approx. 250 l is required.

Während der Arbeitsphase von D₁ löst sich der dortige Bodenkörper als Folge des osmotischen Wasserflusses von insgesamt 356 l bis auf einen Rest von 20 kg auf. Dadurch vergrößert sich das Lösungsvolumen in D₁ um ca. 480 l. Dabei ist berück sichtigt, daß pro Volumeneinheit des Wassers, das osmotisch von D₂ nach D₁ fließt, aus der Auflösung des Bodenkörpers wegen dessen Kristallwassergehalt 1,34 Volumeneinheiten Lösung bei 5°C in D₁ entstehen. Der mittlere Arbeitsdruck liegt bei 42 MPa (etwa 80% der osmotischen Druckdifferenz). Bei diesem Druck entspricht die Volumenvergrößerung in D₁ einer Volumenarbeit von insgesamt 5,6 kWh oder - bei einem Wirkungsgrad der Turbine mit Generator von 0,9 - einer erzeugten elek trischen Energie von 5 kWh. Damit kann eine mittlere elektrische Dauerleistung von ca. 300 W (bei ca. 42 MPa Arbeitsdruck) gut 16 Stunden aufrechterhalten werden.During the working phase of D₁, the soil body there dissolves as a result of the total osmotic water flow 356 l up to a remainder of 20 kg. This increases the solution volume in D₁ by about 480 l. This is considered perceives that per unit volume of water that is osmotic flows from D₂ to D₁, from the dissolution of the soil body because of its crystal water content 1.34 volume units of solution arise at 5 ° C in D₁. The mean working pressure is at 42 MPa (about 80% of the osmotic pressure difference). At this pressure corresponds to the volume increase in D₁ one Volume work totaling 5.6 kWh or - with an efficiency the turbine with generator of 0.9 - a generated elec energy of 5 kWh. So that a medium electrical Continuous output of approx. 300 W (at approx. 42 MPa working pressure) be maintained for a good 16 hours.

Die gesamte Anlage hat ein Volumen von ca. 2,7 m³. Davon entfallen ca. 2,3 m³ auf die Doppelzelle, 0,3 m³ auf den Zwischen speicher L_Z und 0,1 m³ auf Turbine, Generator und Flüssigkeits pumpen.The entire system has a volume of approx. 2.7 m³. Approx. 2.3 m³ of this is for the double cell, 0.3 m³ for the intermediate storage L _Z and 0.1 m³ for the turbine, generator and liquid pumps.

An Stelle der in diesem Ausführungsbeispiel gewählten Tempera turwerte für T_A/T_K können auch andere Temperaturpaarungen gewählt werden, je nach Verfügbarkeit der Wärmereservoire. Bei spielsweise kommen auch die Paarungen 0°C/6°C oder 7°C/10°C u. a. in Betracht. Die osmotische Druckdifferenz der zu diesen Werten gehörenden Sättigungskonzentrationen von Dikaliumhydrogenphosphat wird aus Daten für die Gefrierpunktserniedrigung ebenfalls auf 50 MPa geschätzt.Instead of the temperature values for T _A / T _K selected in this exemplary embodiment, other temperature pairs can also be selected, depending on the availability of the heat reservoirs. For example, the pairings 0 ° C / 6 ° C or 7 ° C / 10 ° C are also considered. The osmotic pressure difference of the saturation concentrations of dipotassium hydrogen phosphate belonging to these values is also estimated from data for the freezing point depression to be 50 MPa.

Claims

1. Osmotic cycle, in which at the beginning two solutions L _A and L _K, which may be at different temperatures, are separated from one another by a different concentration by a membrane that is only permeable to the solvent, and by passage of solvent LM from the solution L _K with less Concentration for the solution L _A with a higher concentration pressure is built up and used for work performance and the maximum concentration difference at the beginning of the solutions separated by the membrane is restored using a heat source and / or a heat sink, characterized in that at the beginning of a each cycle in the more concentrated solution L _A soil body B is present, which goes into solution with progressive operation while passing solvent LM to solution L _A and that the soil body B from the amount L _A corresponding to the amount of solvent carried over by Tempe raturernie drigung in which the space in question is subsequently re-formed as a pressure cell, which is then filled with L _A and brought to T _A again for work.

2. Cyclic process according to claim 1, characterized in that the concentrations of the solutions L _A and L _{K are} saturation concentrations at the different temperatures T _A and T _K , on which the solutions L _A and L _{K are} during the work and that a the volume of solution L _A corresponding to the work performed, in particular via a pressure turbine DT, of the amount of LM L passed through the membrane from L _K to L _A is returned directly to the reservoir of solution L _K , where bottom body B is formed again by cooling to T _K , until the bottom body B has essentially dissolved in the reservoir of the solution L _A , whereupon there is a mutual exchange of the temperatures of the solution reservoirs and a reversal of the direction of the osmotic flow through the membrane.

3. cycle according to claim 1, characterized in that the solutions of L _A and L _K during the performance on the saturation temperature T _A of the solution L _A are located and that the gone over to L _A solvent amount ent speaking volume of the solution L _A under Work _{output is} directed to a separate solution store L _ZA and that for regeneration from the solution in L _ZA and from the residual solution in the L _K reservoir is recovered by cooling to T _K soil B and depleted solution L _K.

4. Cyclic process according to claim 3, characterized characterized that two or more Pressure cells are used, one of which is in phase I Does work while at the same time other phase II expires.

5. cycle process according to one of the preceding claims, characterized in that an aqueous electrolyte was chosen as the working solution is, its solubility especially in temperature range -10 ° C to + 40 ° C strongly with the temperature increases and that at the saturation concentrations in this temperature range over a high osmotic Pressure.

6. Cyclic process according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling to T _K and heating to T _A in phase II is carried out at least partially by means of a heat pump.

7. Cyclic process according to claim 7 for use as electricity storage, characterized in that the heat pump from that to be stored Electricity is operated.

8. cycle process according to one of the preceding claims for use as a power generator (heat engine), characterized in that the pressure turbine generates electricity via a generator.

9. Cyclic process according to one of the preceding An sayings for use as heat storage, thereby characterized that the pressure cell in phase I the compressor work via a pressure intensifier a heat pump that does solar or Waste heat transported to the consumer.