DE3924043A1 - Stromerzeugung und speicherung mit supraleitern in der frostabteufe - Google Patents

Description

Zunehmender Raumnot in Ballungsgebieten begegnet man heute bereits, indem auch zur Verwahrung größerer Komponenten Regallager genutzt werden. Diese lassen sich automatisch beschicken, sparen Rangier- und Verkehrsfläche und ermöglichen eine höhere Stelldichte.

Dies ist von Vorteil, wenn beispielsweise mit der Frostabteufe schwierigste Böden erschlossen wurden. Solchen Böden, sumpfig, anmoorig, geröll- oder sandgefüllt erforderten von jeher aufwendige Gründungsarbeiten, meistens als Varianten der Pfahlbauten ausgeführt.

Dazu werden in neuerer Zeit Rohre ins Erdreich gerammt oder gespült, das darin befindliche Erdreich wird entfernt, eine Stahlarmierung eingebracht und das Rohr selbst mit Beton beschickt. Wenn danach die Betonpfähle ober­ irdisch verbunden werden entsteht eine ausreichend stabile Gründung aber kein Keller.

Solcher aber kann entstehen, wenn die ebenfalls von Erdreich befreiten Rohre mit Kühlrohren versehen wurden welche ihrerseits mit preiswert zu beziehen­ dem flüssigen Stickstoff (N ₂) befüllt wurden. Dieser siedet bereits bei Temperaturen ab ca. 196°C (minus) und bezieht seinerseits die dafür benö­ tigte Wärme aus dem Erdreich, welches seinerseits sich abkühlend gefriert. Dabei dehnen sich die gefrorenen Bestandteile von Wasser aus und bilden ihrerseits eine wasserdichte Spundwand, welche außerdem stark isolierend weitere Wärmenachfuhren unterbindet oder wesentlich herabsetzt.

Automatisierte Regallager benötigen eine Antriebsenergie, als solche bietet sich zunächst elektrische Energie an. Praktische Erfahrungen zeigen aber, daß diese mechanisch umgeformt werden muß und daß bei Stromausfällen Not­ stromaggregate nur für kleinere Regallager bereitgestellt werden können. Die Stadtplaner hingegen würden größere Regallager beispielsweise für Automobile bevorzugen; solche könnten sich vorzugsweise an Plätzen befin­ den, von denen ab der Fernverkehr (als Individualverkehr das Auto nutzend) öffentliche Nahverkehrsmittel benutzen soll.

Vorgeschlagen wurde daher von mir, doppelt wirkende pneumatische Zylinder fest im Regallager installiert so zu steuern, daß sie einerseits Drücke der Lasten aufnehmend Luft oder ein anderes Medium adibatisch komprimie­ ren oder aber jenes Medium adibatisch entspannend auf die Lasten einwirken lassen. So lassen sich Gleichgewichtszustände zwischen einer großen Anzahl von Zylindern herstellen, eine zusätzlich mögliche Kompressorleistung sollte um den Betrieb zu ermöglichen recht niedrig angesetzt werden.

Pneumatik-Zylinder erinnern entfernt an den Stirling-Motor mit äußerer Verbrennung, welcher als "Gas-Motor" betrieben recht vorteilhafte Wirkungs­ grade erreichen kann. Wichtigster Bestandteil des Stirling-Motors ist sicher der Regenerator, welcher den hinströmenden Gasen Wärme zuführt und den rückströmenden Gasen wieder entzieht.

Ein Stirling-Motor wäre imstande, dem Regallager wie eine Kühlvorrichtung Wärme fortlaufend zu entziehen, darunter würde auch die Pneumatik leiden; denn diese arbeitet vorzugsweise in einem Temperaturbereich von ca. 10-70°C. Um aber Abwärme zu entsorgen kann normale Umgebungsluft bezogen und zunächst mechanisch und/oder chemisch so aufbereitet werden, daß pneumatische Arbeitsleistung erschlossen werden kann.

Danach soll die Luft in die aus der Bauphase verbliebene Frostabteufe ge­ fördert werden, wobei sie ihre Wärmebestandteile an invers strömenden Stick­ stoff abgebend diesen zu Arbeitsleistung bewegt (die er sich entspannend verrichtet), während sie selbst auf die Kondensationstemperatur von Stick­ stoff (N ₂) und Sauerstoff (O ₂) abgekühlt wird.

Bereits im Regallager kann vorzugsweise mit Drücken um 6 bar gearbeitet werden. Mit diesem Anfangsdruck kann innerhalb der Frostwand welche durch die Frostabteufe entstand und durch diese vorteilhaft gegen unbeabsichtigte Wärmezufuhr geschützt eine Niederdruckfraktionierung betrieben werden, welche darauf basiert, daß mittels geregelter Temperaturveränderung einzelne Bestandteile gasförmig herausgearbeitet werden. Dabei durchläuft die Luft eine Mitteldruck-Niederdruck Doppelsäule, wird in Nebenkolonnen von weiteren Bestandteilen befreit und weil dabei keine unkontrollierte Wärme­ zufuhr möglich wird verringert sich die Temperatur und die Dichte des Stickstoff-Spülgases.

Bei 30°K beträgt der Druck des Stickstoff (N ₂) welcher nun in seiner kristallinen Festform vorliegt nur noch ca. 10^-3 bar, der Raumbedarf ist der geringstmögliche, in der Frostwand wird dem zunächst gelegenen Depot (Kühlrohr) mit flüssigem Stickstoff (N ₂) soviel Wärme entzogen, daß dieser nunmehr ebenfalls in Festform übergeht, d.h., die ganze Frostwand wird zu einer Isolierung, welche unkontrollierte Wärmebewegungen immer weiter verlangsamt.

Durch das Medium selbst kann infolge Entropie eine Abkühlung nur bis zur Temperatur des Stoffes bewirkt werden, welcher die Abkühlung hervorruft, weitere Abkühlungen können mechanisch bewirkt werden. Dazu kann ihrer­ seits aus anderen Prozessen bezogene Energie genutzt werden, bei solcher kann es sich um Abwärme handeln, um die potentielle Energie der Lasten welche an der Umwandlung kinetischer Bewegungsenergie gehindert in kine­ tische Wärmeenergie umgewandelt wird, es kann sich aber vorzugsweise auch um additive elektrische Energie handeln.

Von solcher additiven Energie wird dann geredet, wenn entgegen dem tat­ sächlichen Bedarf eine größere Menge erzeugt wird. Es zeichnet sich jetzt schon ab, daß solche additiven Energien vorzugsweise in den Sommermonaten als sog. "alternative Energien" abgenommen werden müssen um dem Druck weiter Bevölkerungskreise zu entgehen. Wird jetzt mittels zusätzlicher Kompres­ sorleistungen unter Einbeziehung der gegebenen Möglichkeiten fortlaufend Stickstoff isoliert und auf eine recht tiefe Temperatur abgesenkt, so werden Temperaturen erreicht, in denen Halbleiter wie in Thermoelementen einen anderen Umgang mit elektrischen Energien ermöglichen.

Im Bereich solcher Temperaturen können jetzt in Vorbereitung befindliche "Thermogeneratoren" ebenso wie "Supra-Motoren" mit besonders vorteilhaften Eigenschaften eingesetzt werden, insbesondere aber kann folgender Umstand genutzt werden: Normalerweise wird durch die isolierende Wirkung der Frost­ wand eine spontane Wärmezufuhr unterbunden, durch geeignete Leitungsführung aber kann nahezu normal temperierte Umgebungsluft so mit tiefstgekühltem Stickstoff konfrontiert werden, daß dieser, spontan die Wärme bindend sich extrem ausdehnend auf eine Gasturbine, die Stickstoffturbine einwirken muß. Diese kann ihrerseits wieder Spitzenbedarfsstrom produzieren, die "Rest-Energien" ermöglichen wiederum die Arbeitsleitungen der Pneumatik- Zylinder. Damit wird auch dem Umstand Rechnung getragen, daß Zeiten eines Spitzenstrom-Bedarfs meistens auch mit der sog. Rush-Hour, den Zeiten höchsten Verkehrsaufkommens einhergehen.

Auf Seite 7 zeigt Fig. 1 ein Funktionsprinzip einer möglichen Anwendung mit den Komponenten Regallager (1), Frostwand (2), Niederdruckfraktioni­ rung (3) und Stickstoffturbine (4).

Luft wird mittels Pneumatik-Zylindern durch eine Kraft angesaugt, welche mechanisch durch aufliegende oder anhängende Lasten bereitgestellt wird. Luft wird verdichtet, in Richtung Frostwand gepreßt und durchläuft auf verschiedenen Temperaturnieveaus befindliche mit beispielsweise N ₂ be­ schickte Kühlrohre, wobei sie sich auf die Kondensationstemperatur von N ₂ und O ₂ abkühlt. Die Frostwand (2) ist gegen das Regallager (1) isoliert, isolierend wirken auch die Kühlrohre, so daß im Temperaturniveau inmitten der Frostwand die Temperatur am tiefesten ist und mit geringem Aufwand auch gehalten werden kann.

Wahlweise wird die Luft der Fraktionierungseinrichtung (3) überstellt, wo sie bei Anfangsdrücken um 6 bar zerlegt wird. Die einzelnen Bestandteile der Luft sind weitgehendst verlustfrei (durch die Isolierwirkung der Frost­ wand bedingt) in dieser lagerbar oder können wirtschaftlich verwendet wer­ den.

Stickstoff N ₂ kann bei solchen und vergleichbaren Prozessen als Kühlmit­ tel eingesetzt werden, wobei er eine Wärmezufuhr erfährt, mit welcher er im Regallager befindliche Lasten bewegen kann, wobei er sich wieder abkühlt. Er kann jetzt die gleichen Wege wie die Luft durchlaufend in den Bereich der Stickstoffturbine (4) verbracht werden, in dieser indem sie als Kompressor additive Energien abbaut weiter abgekühlt werden und seinerseits die Temperatur in der Frostwand absenkend die Lagerkapazität erhöhen, er kann aber auch tiefgefrorenen Stickstoff abschmelzend den Kompressor als Pneumatik-Motor oder Turbine nutzbar erschließen.

Dabei ist auf verschiedenen Temperaturniveaus befindlicher Stickstoff auch im Stande, die einzelnen in der Frostwand gespeicherten Bestandteile der Luft so zu erwärmen, daß diese gasförmig anderweitig eingesetzt werden kann.

Claims (4)

1. Vorrichtung zur Stromerzeugung und Speicherung mit Supraleitern in der Frostabteufe, gekennzeichnet dadurch, daß durch Kompressorleistungen aus­ gehend von Pneumatik-Zylindern oder anderen Kompressoren Luft in Ver­ bindung mit kälteren Medien auf die Konensationstemperatur von N ₂ und O ₂ herabgekühlt und nachfolgend fraktioniert werden kann, wobei ins­ besondere N ₂, allenfalls noch "verunreinigt" mit He alle vorteilhaften Energien und Vorrichtungen nutzend auf die tiefstmögliche Temperatur abgekühlt werden soll, wobei dieser auf anfangs mit geringerem Reinheit­ rad bezogenen Stickstoff einwirkend diesen zunächst für eine Fraktionierung aufbereiten und später diesen als lsolierung nutzend in einer dadurch entstandenen "Frostwand" beispielsweise eine "Tiefgarage" umgebend gelagert werden soll, wodurch einer unerkannten Wärmewanderung begegnet und eine Langzeitspeicherung ermöglicht werden soll, worauf bei Bedarf an Energien Wärme als Abwärme auf den festen oder flüssigen Stickstoff einwirkend dessen Volumen und den Druck erhöhend eine Stromerzeugung mittels Gas­ turbine ermöglichen oder als komprimiertes Gas andere Arbeiten ermöglichen soll.

2. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß Energieumwandlungen vor­ zugsweise durch die für Supra-Leitende Halbleiter oder entsprechend ge­ staltete Generatoren vorteilhaften Temperaturen begünstigt wird.

3. Vorrichtung nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß auch andere Bestandteile der Luft in der Frostwand gelagert isolierend wirken und ihrerseits im Zusammenhang mit der Niederdruckfraktionierung und vergleichbare Techniken höhere Wirkungsgrade ermöglichen.

4. Vorrichtung nach 3, dadurch gekennzeichnet, daß auch andere Gase anstelle von N ₂ oder He direkt oder indirekt eingesetzt werden sollen, wenn neu­ artige Halbleiter etc. dieses vorteilhaft erscheinen lassen.