DE4017684A1

DE4017684A1 - Verfahren zur nutzung von energiepotentialen, insbesondere mit kleinen temperaturdifferenzen

Info

Publication number: DE4017684A1
Application number: DE4017684A
Authority: DE
Inventors: Bodo Dr Wolf; Burkhard Dr Moeller; Detlef Prof Dr Hamann; Heinrich Prof Dr Oppermann; Gunter Dr Gerbeth
Original assignee: Umwelt & Energietech
Current assignee: Umwelt & Energietech
Priority date: 1990-06-01
Filing date: 1990-06-01
Publication date: 1991-12-05
Also published as: DE4017684C2; CA2084202A1; AU7972491A; WO1991019139A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von Energie potentialen mit kleinen Temperaturdifferenzen oder von mecha nischen Energiepotentialen, insbesondere von Umweltenergie trägern, wie gegenläufige Meeresströmungen mit unterschied lichem Temperaturniveau oder Meeresströmungen und Atmosphäre, die naturbedingt, oder Sekundär- und Umweltenergieträgern, die in Folge der industriellen Prozesse bei der Energieumwandlung und -anwendung entstehen.

Eine der ältesten Formen der Energieversorgung ist die Nutzung der Sonnenenergie direkt und indirekt durch die Nutzung der Wasserkraft auch zur Leistung technischer Arbeit. Die Leistung der Sonneneinstrahlung, die die Erde erreicht, wird von Kirillin in einem Bulletin der Akademie der Wissenschaften der UdSSR (auszugsweise im Sputnik 10, 1986 abgedruckt) mit 10¹¹ MW und die des Einsatzes fossiler und nuklearer Brennstoffe mit 2 · 10⁶ MW angegeben. Die direkte oder indirekte Nutzung der Sonnenenergie zur Lösung der Aufgaben der Energieversorgung und der daraus derzeit resultierenden Umweltprobleme ist damit eine natürliche Herausforderung an den Menschen, die von der Menschheit noch nicht voll angenommen wurde. Hauptursache dafür sind nicht die verbesserungswürdigen technischen Lösungen, sondern die Auffassungen, daß Komplexlösungen zur Sonnenenergienutzung zu teuer sind, obwohl die Nutzung der fossilen, aber auch der nuklearen Brennstoffe die Existenzgrundlage der Menschen in Frage stellt und damit den höchsten Preis hat, denn diese ist auch mit höchster menschlicher Arbeitsleistung nicht reproduzierbar.

Technische Lösungen zur direkten und indirekten Nutzung der Sonnenenergie sind inzwischen in vielfältiger Form bekannt. Ein Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, deren Ergebnisse bereits industriell genutzt werden, ist die Direktumwandlung von Sonnenenergie in Elektroenergie mit Hilfe von fotoelektrischen Wandlern. Ein weiterer Weg ist die Konzentration der Energiedichte der Sonneneinstrahlung, ihre Umwandlung in Wärmeenergie mit erhöhtem Temperaturniveau und deren Nutzung zur Brauchwasser-, Heiz- und Prozeßwärmeversorgung und zur Erzeugung von Elektroenergie. Die zur Nutzung von Wind und Meereswellen vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen sind letztendlich auch Vorschläge zur indirekten Sonnenenergienutzung. Alle diese Vorschläge haben den entscheidenden Nachteil, daß die gewonnene Energie nicht zeitgleich mit dem Energiebedarf anfällt, so daß entweder Energiespeicher oder Anlagen mit gleicher Kapazität zur Nutzung fossiler oder nuklearer Brennstoffe zusätzlich errichtet werden müssen, damit die aus den Jahres-, Tages- und Wetterzyklen resultierenden Schwankungen ausgeglichen werden können. Den durch direkte oder indirekte Sonnenenergienutzung erzielbaren Brennstoffeinsparungen stehen damit zusätzliche Investitions- und Betriebskosten gegenüber, so daß die Summe der Aufwendungen die generelle Nutzung der Sonnenenergie selbst an Orten mit guten Wetter- und Klimabedingungen bisher verhindert hat.

Die Nutzung der Wasserkraft, die durch den Zyklus Sonneneinstrahlung - Wasserverdunstung - Wasserdampf - Kondensation - Regen bei ausreichenden Sammelflächen und geodätischen Höhendifferenzen möglich ist, hat sich gegenüber der Anwendung fossiler und nuklearer Brennstoffe als wettbewerbsfähig erwiesen, insbesondere weil dieser Zyklus die Energiespeicherung integriert.

Da die Ozeane rund 70% der Erdoberfläche bilden, trifft der größte Teil der Sonnenstrahlung auf die Ozeane. Die Ozeane sind deshalb der größte Sonnenenergiespeicher und gegenläufige Meeresströmungen mit unterschiedlichem Temperaturniveau, deren Temperaturdifferenz mehr als 20 K betragen kann, sind die Folge. Die Energiepotentiale dieser Meeresströmungen und damit das daraus resultierende Energiepotential ist praktisch unerschöpflich. Es ist deshalb naheliegend, daß bereits vor 100 Jahren Vorschläge zur Nutzung der Temperaturdifferenzen der Meeresströmungen von Jacques Arsene d'Arsonval unterbreitet wurden.

Die daraus abgeleitete "ocean thermal-energy conversion - technology" (OTEC) hat die Erzeugung von Elektroenergie zum Ziel.

T. R. Penney und D. Bharathan geben in "Spektrum der Wissenschaft vom März 1987 (Seite 120-126) /1/ an, daß die Nutzung von einem Promille der im tropischen Oberflächenwasser gespeicherten Wärmeenergie ausreicht um 14 · 10⁶ MW elektrische Leistung zu erzeugen, das ist zwanzig mal mehr als die derzeitige Kapazität aller Kraftwerke der USA. Gleichzeitig könnten mit dieser Technologie Frischwasser aus Meereswasser gewonnen, Kühl- und Klimaanlagen betrieben sowie zusätzliche Fischzuchtgewässer geschaffen werden.

Die gleiche Veröffentlichung gibt auch einen zusammenfassenden Bericht über den Stand der Technik zur Nutzung von Meereswärme. Demnach gehen alle Vorschläge davon aus, daß zur Nutzung der Temperaturdifferenz zwischen den gegenläufigen Meeresströmungen in jedem Falle thermodynamische Kreisprozesse verwendet werden, die zur Umwelt offen oder geschlossen arbeiten. Offen heißt, das durch die Sonne erwärmte Meereswasser siedet in einer Vakuumkammer. Der dabei entstehende Niederdruckdampf treibt eine spezielle Dampfturbine und wird danach durch direkte Berieselung mit kaltem Tiefenwasser, das zur Meeresoberfläche gefördert wird, kondensiert. Bei einem geschlossenen Prozeß dagegen wird ein Teil der Enthalpie des von der Sonne erwärmten Meereswassers an ein spezielles Arbeitsmittel indirekt übertragen, in dessen Folge dieses verdampft und eine spezielle Dampfturbine antreibt, bevor es durch indirekte Wärmeübertragung an kaltes Tiefenwasser des Meeres kondensiert. Das Kondensat wird in den Verdampfer zurückgepumpt, wodurch der Kreisprozeß geschlossen wird.

Die technische Erprobung von OTEC-Technologien begann 1930 in der Bucht von Matanzas in Cuba nach einem Projekt des Franzosen Georges Claude. Amerikanische und japanische Projekte folgten im Zeitraum 1970 bis Mitte der achtziger Jahre. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden nachfolgend genutzt zur Verbesserung der Ausrüstungen und Apparate, insbesondere der Wärmetauscher für die Verdampfung und Kondensation des Arbeitsmittels im Kreisprozeß zur Erzeugung technischer Arbeit. Bekannt ist, daß derzeit an OTEC-Projekten in den USA (Hawaii), in Frankreich (Tahiti), den Niederlanden (Bali) und Großbritannien gearbeitet wird. Schwierigkeiten bei der Realisierung der Projekte gibt es bei der Finanzierung, da gegenüber konventioneller Kraftwerkstechnik noch keine ausreichende Wettbewerbsfähigkeit nachgewiesen wurde. Bei den geschlossenen Systemen werden riesige Wärmetauscher für die Verdampfung und Kondensation des Kreisprozeßarbeitsmittels benötigt, die bis zu 20% der Investitionskosten erfordern. Darüber hinaus werden als Arbeitsmittel in geschlossenen OTEC-Prozessen Freon, Ammoniak, Propan, Butan u. a. verwendet, die im Falle einer Havarie die Umwelt und Arbeitssicherheit gefährden. Bei geschlossenen OTEC-Systemen fällt außerdem kein Frischwasser als Nebenprodukt an. Offene Systeme arbeiten mit Meereswasser und daraus gewonnenem Dampf im Kreisprozeß, d. h. mit natürlichen Produkten, die keine zusätzliche Umweltbelastung verursachen können und bei indirekter Kühlung des Wasserdampfes nach der Dampfturbine kann ein offener OTEC-Prozeß Frischwasser als Nebenprodukt abgeben. Dafür arbeiten offene OTEC-Prozesse mit riesigen dampfförmigen Volumenströmen, für die es z. Z. keine geeigneten Kraftmaschinen zur Umwandlung der Wärmeenergie in technische Arbeit mit großer Leistung gibt. Selbst beim Einsatz der derzeit größten Niederdruckstufen konventioneller Dampfturbinen ist für die Realisierung des französischen Projekts auf Tahiti mit einer elektrischen Leistung von 20 MW der Einsatz von 4 Dampfturbinen erforderlich. Nach /1/ ist das Heben von kaltem Tiefenwasser derzeit ein ungelöstes Problem, weil die technischen Lösungen für solche Leitungen ungenügend sind. Setzt man voraus, daß die OTEC-Technologien industrielle Nutzbarkeit erreichen werden, dann haben sie den Mangel, daß sie nur auf oder in der Nähe von Festland errichtet werden können, da die gewonnene Elektroenergie auch zum Ort des Elektroenergiebedarfs transportiert werden muß. OTEC-Stationen, die weit im Meer stationiert werden sollen, müssen das Problem der Elektroenergieübertragung in vielen Fällen anders lösen. In /1/ wird deshalb auf die Herstellung von Methanol, Wasserstoff, Ammoniak oder veredelter Metalle verwiesen. In diesen Fällen wird die aus Meereswärme gewonnene Elektroenergie zur Elektrolyse von Wasser eingesetzt und Wasserstoff erzeugt, der direkt als Energieträger zum Verbraucher transportiert oder als Mittel zur chemischen Reduktion von Metalloxiden bzw. zur Herstellung chemischer Verbindungen in Syntheseprozessen verwendet wird, d. h., die OTEC-Station muß durch ein Stoff- und Energietransportsysteme mit der Zivilisation verbunden werden, deren Effektivität natürlich bedeutenden Einfluß auf die Erschließung der Meereswärme als Beitrag zur Lösung der Weltenergieprobleme hat.

Die Erfindung hat das Ziel, OTEC-Prozesse in ihrer Anwendung weitestgehend unabhängig zu machen von Standortfragen, d. h., sie soll es ermöglichen, natürliche Temperaturdifferenzen zu nutzen, die zwar ergiebig, aber sich lokal weit vom Ort des Energiebedarfes befinden. Darüber hinaus soll die Erfindung einen Beitrag leisten zur Senkung der Investitionskosten für OTEC-Prozesse, Wege erschließen zur Erhöhung der Einheitsleistung der Kreisprozesse und deren Einsatz außer zur Nutzung der Energiepotentiale von Oberflächen- zu Tiefenwasser des Meeres auch für solche zwischen Meereswasser und Umgebungsluft ermöglichen, bei gleichzeitiger Vermeidung des Einsatzes von umwelt- und sicherheitstechnisch bedenklicher Stoffe.

Der derzeitige technische Stand der OTEC-Prozesse hat den Mangel, daß ihr Einsatz zur Lösung von Energieversorgungsaufgaben nutzbare natürliche Energiepotentiale in der Nähe des Elektroenergiebedarfes voraussetzt. Ist das nicht gegeben, dann können OTEC-Prozesse zur Energieversorgung nur eingesetzt werden, wenn die damit erzeugte Elektroenergie in nutzbare chemische Enthalpie, wie im Falle der Erzeugung von Wasserstoff, Methanol oder Ammoniak praktiziert, umgewandelt wird.

Die Erfindung geht davon aus, daß die Verwendung der durch die Anwendung von OTEC-Prozessen zur Nutzung natürlicher Temperaturdifferenzen gewonnene Elektroenergie zur Elektrolyse von Wasser und damit zur Erzeugung von Wasserstoff eine den OTEC-Prozessen nachgeschaltete Basistechnologie bleibt. Die Verwendung des Wasserstoffes als Energieträger oder zur Synthese mit Kohlenmonoxid oder Stickstoff zu Methanol oder Ammoniak erscheint jedoch für den Einsatz mit auf die Weltenergiebilanz notwendiger Wirkung nicht geeignet, da ihre Anwendung gegenüber der Umwelt geschlossene Systeme erfordert, denn Ammoniak und Methanol sind bereits bei niedrigen Konzentrationen lebens- und umweltgefährdend. Die bekannten Vorschläge zur Verwendung des Wasserstoffes für die Herstellung von Hydriden auf der Basis von Metallen oder deren Legierungen haben sich nicht durchgesetzt, weil auf Grund der bisherigen Anforderungen an die Hydride Metalle oder Legierungen ausgewählt wurden, die nur in geringem Umfange natürlich vorkommen, schwierig zu gewinnen und damit teuer sind und eine begrenzte Lebensdauer als Wasserstoffträger haben. Außerdem erreichen diese Metallhydride im Vergleich zu fossilen Brennstoffen eine, auf das Volumen oder die Masse bezogen, zu geringe Energiedichte. Den gleichen Mangel haben Metalle, die mit Hilfe des Wasserstoffes durch chemische Reduktion mit Wasserstoff aus ihren Oxiden gewonnen werden können, so daß ihre Verwendung als Energieträger bei Nutzung der Enthalpiedifferenz ihrer Red-/Ox-Zyklen auch nicht die erforderliche Ökonomie erreicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die mit Hilfe der OTEC-Prozesse gewonnene Elektroenergie verwendet wird für die Elektrolyse von Wasser und Metalloxiden, die Produkte dieser Elektrolyseprozesse, Wasserstoff und Metalle, chemisch zu Metallhydriden gebunden werden, die als Energieträger, d. h., synthetische Brennstoffe, am Ort des Energiebedarfes zu Elektroenergie und/oder Wärmeenergie in Brennstoffzellen oder zu Wärmeenergie durch chemische Reaktion in speziellen Brenn kammern mit technischem Sauerstoff oder Luft verbrannt werden. Es ist erfindungsgemäß, daß der dabei entstehende Wasserdampf gegebenenfalls nach Nutzung seines Arbeitsvermögens am Ort des Energiebedarfes an die Umgebung abgegeben oder nach Kondensation als Wasser genutzt wird, während das Metalloxid zum Betriebsort der Elektrolyse-Prozesse zurücktransportiert und damit der Energieträgerkreislauf geschlossen wird. Das Ziel der Erfindung, mit dem ein Beitrag für eine die Weltenergiebilanz beeinflussende Nutzung der OTEC-Prozesse geleistet werden soll, erfordert den Einsatz solcher Metalloxide, deren Weltvorräte groß sind und die mit geringen Aufwendungen in erforderlichem Umfange gefördert werden können. Aus diesem Grunde ist die Verwendung von Oxiden des Calziums, Magnesiums, Kaliums, Natriums und Aluminiums oder deren Mischungen als Basis des Energieträgerkreislaufes erfindungsgemäß. Der erfindungsgemäße Einsatz der, mit Hilfe niedriger Temperaturdifferenzen erzeugten, Elektroenergie zum Betreiben von Elektrolyseprozessen zur Reduktion von Wasser und Metalloxiden erfordert Gleichstrom. Es ist deshalb erfindungsgemäß, im OTEC-Prozeß Generatoren für die Elektroenergieerzeugung einzusetzen, die nach dem MHD-Prinzip (magneto-hydrodynamischen Prinzip) arbeiten und als elektrische Leiter ionisierte wäßrige Lösungen, z. B. Salzlösungen, flüssige Metalle oder Metallegierungen, feste elektrische Leiter als Staub oder Granulat, z. B. Kohlenstoff- oder Metallstaub oder Suspensionen daraus verwenden, die durch das Arbeitsmittel des mechanischen Kreisprozesses fluidisiert und damit angetrieben werden. Das Arbeitsvermögen des Arbeitsmittels im MHD-Generator kann erfindungsgemäß gesteigert werden, indem der elektrische Leiter im MHD-Prozeß indirekt beheizt wird, so daß das Arbeitsmittel praktisch isotherm expandiert. Das Grundkonzept der Erfindung ist es, nur mit natürlichen, nicht toxischen Stoffen zu arbeiten. Es ist deshalb weiterhin erfindungsgemäß, wenn als Arbeitsmittel im Kreisprozeß zur Gewinnung mechanischer Arbeit Kohlendioxid eingesetzt wird. Letztlich ist es erfindungsgemäß, Wasser warmer Flüsse, Meeresströmungen oder Thermalenergie der Erde direkt oder indirekt für die Verdampfung des Arbeitsmittels des Kreisprozesses für mechanische Arbeit zu nutzen, während die Kondensation dieses Arbeitsmittels durch indirekte Übertragung seiner Kondensationswärme an Umgebungsluft, die ein niedrigeres Temperaturniveau hat und z. B. polaren Ursprungs sein kann, erfolgt.

Ausführungsbeispiele

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen beschrieben.

Das erste Beispiel beschreibt das Gesamtverfahren, während die folgenden Beispiele die erfindungsgemäßen Lösungen zur Verbesserung der Wettbewerbsfähigkeit des Gesamtsystems durch Komponentenverbesserung beschreiben.

1. Ausführungsbeispiel

Zur Beschreibung dieses Ausführungsbeispieles gehört Fig. 1, in der die Prozeßstufen des erfindungsgemäßen Verfahrens in ihrer Kombination dargestellt sind.

Basis des erfindungsgemäßen Verfahrens in diesem Beispiel ist ein offener OTEC-Prozeß des Standes der Technik /1/.

Die Hauptausrüstungen zur Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Fig. 1 dargestellt und bezeichnet.

Der Prozeßablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist folgen der:
Das warme Oberflächenwasser des Meeres tritt über die Wasser turbine 22 in die Vakuumkammer 1, in der es versprüht wird, zum Teil verdampft und sich abkühlt auf die zum Druck in der Vakuumkammer gehörende Siedetemperatur. Bei einem Druck in der Vakuumkammer von p₁=2,94 kPa und einer Warmwassereintritts temperatur von t₁=26,359°C beträgt die für die Wasserver dampfung zur Verfügung stehende Enthalpiedifferenz Δh₁= 10,8 MJ/t Meereswasser, d. h., aus einer Tonne Wasser können m₁=4,415 kg Wasserdampf erzeugt werden, die ein Volumen von 205,5 m³ einnehmen.

Geht man davon aus, daß Tiefenwasser mit 4°C zur Verfügung gestellt werden kann, dann kann die Kondensation in der Va kuumkammer des Mischkondensators 5 bei einem Druck von p₂= 0,981 kPa, d. h., bei einer Temperatur von t₂=6,7°C, er folgen. Der in der Vakuumkammer 1 erzeugte Dampf wird in der Turbine 31 unter Abgabe technischer Arbeit entspannt. Unter diesen Bedingungen und bei einem inneren Wirkungsgrad der Turbine 31 von η_i=0,75 kann der Dampf eine technische Arbeit von 474,4 kJ/m³, d. h., 131,8 Wh/m³ Meereswasser leisten. Bei einem mechanischen Wirkungsgrad des Turbosatzes 3 von η_Ts=0,95 können rund 0,125 kWh Elektroenergie je m³ Meereswasser gewonnen werden. Mit Hilfe des Turbosatzes 7, der durch die Wasserturbine 72, die Wasserpumpe 71 und den Hilfsmotor 73 gebildet wird, wird kaltes Tiefenwasser aus dem Meer gefördert, in der Vakuumkammer 5 versprüht und danach aus dieser wieder abgepumpt. Der Motor 73 sichert die Leistungsbilanz des Turbosatzes 7.

Vor der Verdüsung des kalten Tiefenwassers in der Vakuumkam mer 5 wird dieses durch die Kühlflächen 51 geleitet, an denen ein Teil des Dampfes kondensiert. Das auf diese Art gewonnene Frischwasser sammelt sich im Behälter 61, aus dem es mit Hilfe der Pumpe 62 über das Frischwassergewinnungssystem 6 für die Nutzung bereitgestellt wird.

Unter den vorstehend getroffenen Annahmen ist zu erwarten, daß je kWh im OTEC-Prozeß erzeugter Elektroenergie rund 1 kg Frischwasser gewonnen werden kann. Zur Aufrechterhaltung des Betriebes des OTEC-Prozesses ist es notwendig, die nicht kondensierbaren Bestandteile aus der als Mischkondensator arbeitenden Vakuumkammer 5 abzufördern. Das erfolgt mit Hilfe der Absaugvorrichtung 4. Die in einer OTEC-Vorrichtung gewonnene Elektroenergie ist in der Regel Wechselstrom, der vor seiner Verwendung für die Elektrolyse im Gleichrichter 33 zu Gleichstrom umgeformt werden muß.

Die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff sowie von Metalloxiden in Metall und Sauerstoff, z. B. im Schmelzfluß, durch Elektrolyse und die chemische Verbindung von Metallen mit Wasserstoff zu Metallhydriden sind Stand der Technik, der bei der praktischen Realisierung des erfindungs gemäßen Verfahrens optimiert werden muß.

Für die praktische Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung erscheinen die thermodynamischen Systeme Ca-H₂-O₂; Mg- H₂-O₂ und Mg-Al-H₂-O₂ entsprechend

unter Beachtung der für die Prozeßrealisierung erforderlichen Drücke und Temperaturen geeignet.

Synthetische Brennstoffe sind erfindungsgemäß Metallhydride, die mit Sauerstoff zu Metalloxiden und Wasser verbrannt werden. Beim Stand der Technik kann das in Brennstoffzellen unter Abgabe von Elektroenergie oder in thermischen Prozessen unter Abgabe von Wärmeenergie erfolgen. Denkbar ist auch eine Kombination dieser Prozesse wie in Fig. 1 dargestellt. Brennstoffzellen erreichen, bezogen auf die chemische Enthalpie des verwendeten Brennstoffes, Wirkungsgrade von 70% d. h., 70% der chemischen Enthalpie des Brennstoffes können als Elektroenergie ausgebracht werden.

Ein auf der Basis des thermodynamischen Systems Mg-Al-H₂-O₂ arbeitender 1000 MW-Kraftwerksblock würde in diesem Falle für seinen Vollastbetrieb 138,7 t, also rund 140 t, synthetischen Brennstoff pro Stunde benötigen und 230 t Metalloxid sowie 115 t Wasser pro Stunde produzieren.

Zum Vergleich, ein Braunkohlenkraftwerk mit gleicher Leistung verbraucht 1200 bis 1300 t Rohbraunkohle pro Stunde und produziert 1100 bis 1200 t Kohlendioxid, 120 bis 150 t Asche sowie 600 bis 700 t Wasser pro Stunde.

Beachtet man, daß ein OTEC-Kraftwerk 50% seiner Elektroenergieerzeugung als Eigenbedarf verbraucht, dann muß die OTEC-Station bei einem Wirkungsgrad der Elektroanalyse und Hydrierung von η₅₊₄=0,80 für eine elektrische Leistung von rund 3600 MW ausgelegt werden, um 1000 MW elektrische Leistung am Ort der Elektroenergieverbraucher produzieren zu können. Dafür müssen je Sekunde 8000 m³ warmes und rund 8000 m³ kaltes Meereswasser durch die Vakuumkammern 1 und 5 der OTEC-Station nach Fig. 1 geschleust werden. Bezogen auf die aus dem Meer entnommene Wärmeenergie beträgt der Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verfahrens dann 1,17%.

2. Ausführungsbeispiel

Genutzt als Antrieb für die erfindungsgemäße Lösung sollen werden die Ausläufer warmer Meeresströmungen im Polargebiet und die kalte Umgebungsluft des Polargebietes, z. B. auf Spitzbergen. Die Temperatur der Ausläufer des Golfstromes sollen 5°C betragen, während die Lufttemperatur im Beispiel mit -25°C angenommen wird. Verwendet wird Kohlendioxid in einem geschlossenen Kreisprozeß, das bei 0,0°C und 3,49 MPa siedet und dessen Dampf bei 1,97 MPa und -20°C kondensieren soll. Die Beschreibung des Prozesses erfolgt mit Hilfe der Fig. 2.

Das Meerwasser durchströmt einen z. B. Plattenrekuperator 2.1., der in flüssiges CO₂ eingetaucht ist und dieses zum Sieden bringt. Wird das Meereswasser im Rekuperator 2.1. von 5 auf 2°C abgekühlt, dann können 4000 m³ Wasser rund 215 t CO₂ verdampfen. 215 t CO₂-Dampf können bei einer Entspannung von 3,49 MPa auf 1,97 MPa in einer Sattdampfturbinenanlage 2.2 mit einem Gesamtwirkungsgrad von η_Ts=0,825 1 MWh Elektroenergie erzeugen. Bei einer Zykluszeit im geschlossenen Kreisprozeß von 20 Sekunden beträgt die CO₂-Füllung einer Kreisprozeßanlage nach Fig. 2 rund 1200 t, wenn sie eine Leistung von 1000 MW erreichen soll. Der entspannte CO₂-Dampf kondensiert an den Kühlflächen, z. B. des Plattenrekuperators 2.3., der die Kondensationswärme an kalte Luft überträgt und diese z. B. von -25°C auf -21°C aufwärmt.

Der Eigenverbrauch des OTEC-Kraftwerkes des Ausführungsbei spieles 2 soll 40% betragen. Wird dieses Kraftwerk für den Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt, dann muß das Kraftwerk am Ort der Umweltenergienutzung für eine Leistung von rund 3000 MW ausgelegt werden, wenn am Ort des Energiebedarfs 1000 MW Elektroenergie erzeugt werden sollen.

3. Ausführungsbeispiel

Die Erläuterung dieses Ausführungsbeispieles erfolgt mit Hilfe von Fig. 3.

Als Arbeitsmittel im geschlossenen Kreisprozeß wird eine ionisierte wäßrige Lösung verwendet, z. B. eine Salzlösung. Diese wird durch indirekte Übertragung von Wärmeenergie aus dem Meereswasser zum Sieden gebracht in der Siedesäule 3.1. des Kreisprozesses. Der dadurch entstehende Dampf wird in der Vakuumkammer 3.2. durch indirekte Kühlung mit kaltem Tiefen wasser kondensiert, wodurch der Siededruck in der Siedesäule 3.1. bestimmt wird. Die ionisierte wäßrige Lösung und das Kondensat des Dampfes durchströmen den MHD-Generator 3.3., treiben den Kreislauf auf Grund ihrer, gegenüber der siedenden Lösung höheren Dichte an wobei die ionisierte Lösung im Magnetfeld induziert wird und über die elektrischen Pole des MHD-Generators Elektroenergie entsprechend dem aus dem Dichteunterschied resultierenden Arbeitsvermögen abgibt.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

  1 Vakuumkammer zur Wasserverdampfung durch Druckabsenkung (Verdampfer)
  2 Turbosatz zur Aufrechterhaltung des Vakuums im Verdampfer mit
21 Wasserpumpe
22 Wasserturbine
23 Hilfsmotor
  3 Niederdruckdampfturbinen-Turbosatz mit 31 Niederdruckturbine
32 Generator zur Umwandlung von mechanischer Arbeit in Elektroenergie
33 Elektroenergiegleichrichter
  4 Absaugung nichtkondensierbarer Gase
  5 Vakuumkammer zur Wasserdampfkondensation (Kondensator) mit
51 Kühlflächen
  6 Frischwassergewinnung mit
62 Frischwassersammelbehälter
62 Wasserpumpe
  7 Turbosatz zur Aufrechterhaltung des Vakuums im Konden sator mit
71 Wasserpumpe
72 Wasserturbine
73 Hilfsmotor
  8 Meeresoberfläche
  9 Elektrolyse und Hydrierung mit
91 Wasserelektrolyse
92 Metallhydrierung
93 Metallelektrolyse
10 Umwandlung der chemischen Enthalpie der Metallhydride in Elektro- und Wärmeenergie mit
101 Brennstoffzelle
102 Elektroenergieumformer
103 Dampfturbinenturbosatz zur Elektroenergieerzeugung
104 Abdampfkondensator
105 Elektroenergiefortleitung
106 Wärmesenke

Claims

1. Verfahren zur Nutzung von thermischen Energiepotentialen, insbesondere mit kleinen Temperaturdifferenzen zueinander oder mechanischen Energiepotentialen, insbesondere von Umweltenergieträgern, wie gegenläufige Meeresströmungen, Meeresströmungen und Umgebungsluft, die naturbedingt oder von Sekundär- und Umweltenergieträgern, die in Folge industrieller Prozesse der Energieumwandlung und -anwendung entstehen, und deren Temperaturdifferenzen ausreichen für den Antrieb von Kraftprozessen zur Elektroenergieerzeugung sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Temperaturgefälle zwischen den Energiepotentialen zum Antrieb von Kraftprozessen der Elektroenergieerzeugung genutzt und die erzeugte Elektroenergie am Ort ihrer Erzeugung oder dessen Nähe verwendet wird zur Elektrolyse von flüssigem oder dampfförmigem Wasser und Metalloxiden, der dabei entstehende Wasserstoff und die Metalle miteinander zu Metallhydriden chemisch verbunden werden und danach als Energieträger, d. h., synthetische Brennstoffe, zu Orten des Energiebedarfs transportiert werden, wo diese mit technischem Sauerstoff oder Luft in Brennstoffzellen unter Abgabe von Elektro- und gegebenenfalls Wärmeenergie oder in speziellen Brennkammern unter Abgabe von Wärmeenergie zu Metalloxiden und Wasserdampf verbrannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Wasserstoff der Metallhydride vor ihrer Verbrennung thermisch abgespalten und einer anderen Verwendung, z. B. stoffliche Nutzung, zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metalloxide vom Ort der Metallhydridnutzung zum Betriebsort der Elektrolyseprozesse zurücktransportiert und erneut der Elektrolyse unterzogen werden, während der bei der Verbrennung der Metallhydride entstehende Wasserdampf gegebenenfalls nach Nutzung seines technischen Arbeitsver mögens an die Umgebung abgegeben oder nach Kondensation als Wasser genutzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Oxide und Hydride des Calziums, Magnesiums, Kaliums, Natriums oder Aluminiums oder deren Mischungen zur Reali sierung des Energieträgerkreislaufes verwendet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für die Elektrolyse erforderliche Elektroenergie in magneto-hydrodynamischen Generatoren erzeugt wird, die als elektrische Leiter ionisierte wäßrige Lösungen, z. B. Salz lösungen, flüssige Metalle oder Metallegierungen, feste elektrische Leiter als Staub oder Granulat, z. B. Kohlenstoff- oder Metallstaub, oder diese enthaltende Suspensionen verwenden, durch die expandierende Arbeits mittel mechanischer Kreisprozesse geleitet werden, diese fluidisieren und damit ihr Arbeitsvermögen auf diese über tragen.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmittel im mechanischen Kreisprozeß Kohlendi oxid verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter während seiner Fluidisierung indirekt beheizt wird und das Arbeitsmittel des mechanischen Kreis prozesses im elektrischen Leiter nahezu isotherm expandiert.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß warmes Wasser der Flüsse und Meeresströmungen oder Thermalenergie der Erde direkt oder indirekt für die Ver dampfung des Arbeitsmittels des mechanischen Kreisprozesses genutzt wird, während die Kondensation dieses Arbeitsmit tels durch indirekte Übertragung seiner Kondensationswärme an Umgebungsluft, die ein ausreichend niedriges Temperatur niveau hat, und z. B. polaren Ursprungs sein kann, erfolgt.