EP2859196A1 - Energietransformations-system - Google Patents

Energietransformations-system

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EP2859196A1
EP2859196A1 EP12737198.7A EP12737198A EP2859196A1 EP 2859196 A1 EP2859196 A1 EP 2859196A1 EP 12737198 A EP12737198 A EP 12737198A EP 2859196 A1 EP2859196 A1 EP 2859196A1
Authority
EP
European Patent Office
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energy
heat
storage
air
cold
Prior art date
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Application number
EP12737198.7A
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English (en)
French (fr)
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EP2859196B1 (de
Inventor
Klaus Herrmann
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Arano-Trade Ltd
Original Assignee
Arano-Trade Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Arano-Trade Ltd filed Critical Arano-Trade Ltd
Publication of EP2859196A1 publication Critical patent/EP2859196A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP2859196B1 publication Critical patent/EP2859196B1/de
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Anticipated expiration legal-status Critical

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K13/00—General layout or general methods of operation of complete plants
    • F01K13/02—Controlling, e.g. stopping or starting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K25/00—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for
    • F01K25/08—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours
    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether

Definitions

  • Electric power is generated by various techniques, such as nuclear power plants, thermal power plants, regenerative energy sources by chemical, thermal and mechanical conversion of natural energy resources such as wind, solar, biogas conversion, and liquefaction of air and its conversion to oxygen Nitrogen and other gases.
  • Regenerative energies can only be produced and stored sporati- cally because they depend on the natural conditions of wind and heat from solar radiation and on the storage capacities of the central grids.
  • the existing power generation, conversion and reconversion plants either have too little or no storage. This has the consequence that the energy generated must be conducted mainly directly into the central power line networks. Since the nuclear power plants continuously supply the networks with large amounts of electrical energy that can not be continuously decreased in equal amounts by the consumers and the networks also have only a limited storage capacity, alternative energy producers must be temporarily shut down because their energy storage also limited and the central Networks are overloaded during rush hours. The large amounts of energy that are taken from the mains by large consumers of energy are only required at peak times, so that the energy requirement drops rapidly in the weak usage times. For this purpose one needs so-called shadow power plants, which, which must compensate for fluctuations in power resulting from discontinuous power take-off.
  • purified gaseous treated air is passed with a pressure of 1.2 bar and with a heat temperature of 20 ° C from the process circuit as waste back into the atmosphere. If only individual gaseous products, such as nitrogen, are produced in these plants, the entire oxygen content is also lost in their removal
  • Atmosphere returned The tanks in such plants are pure product stores and the products are used exclusively outside the plants.
  • the energies already mentioned, such as cold, heat and gases, which are generated by their manufacturing process, are lost unused.
  • Air liquefaction plants are technologically costly, since the products they produce with special transporters to the user need to be transported, and low energy efficiency, due to the resulting energy losses in product production.
  • EP 0250390 an air separation process is disclosed in which oxygen and nitrogen and possibly natural gases are discharged separately via product gas lines, characterized in that at least one branch gas line is connected to a product gas line, which is passed through a heat exchanger that at least two memory for two different liquefied gases are provided. Again, this is pure product memory.
  • DE 2434238 provides a method for storing and recovering energy in which a gaseous auxiliary energy carrier is liquefied and stored almost without pressure in times of low energy demand, while compressed in times of greater energy demand of the gaseous auxiliary energy carrier, warmed and work is relaxed. This storage method is based only on the storage of individual products. From DE 19632019 C1, the ORC process (Organic Rankine
  • a superconducting current storage is disclosed with a storage coil consisting of several sub-coils, these are characterized in that when charging a part or all sub-coils are connected in series and a part or all sub-coils are connected in parallel during discharging. Furthermore, separate discharge coils are provided, which are magnetically coupled to the sub-coils, wherein the number of sub-coils connected in parallel is adjustable during discharge. These plants are pure electricity storage and are only used as such.
  • the method is a decentralized and adiabatic energy transformation system, with the mechanical energy from the air liquefaction and decomposition, kinetic energy, from kinetic and thermal energy sources, and electric energy from external power and independent of this from process waste heat from own plants, from mechanical energy, regenerative thermal energies, as well as energy from wind and solar plants need to be stored separately and in individually required quantities at the place of consumption, that with the decentralized adabate energy transformation system process heat and cold, Regenerating ambient heat, compression, decompression, and fuel heat from regenerative sources, or converting it directly into mechanical and kinetic energy, is such that the energy storage, energy conversion, and reconversion processes are interconnected, that the basic process steps, power generation, storage and reconversion, according to the respective existing
  • the energy transformation system according to the invention has the advantage that it can be adapted independently of the location of the consumer to its individual energy requirements and the locally available energy resources. It can be used as a compact and specially adapted process system.
  • the reverse power is first the environmental heat, then the process heat, then the power from the power storage, such as excess electricity from the grid and wind power and photovoltaic systems to be incorporated, from thermal power plants with night power and finally from the oxidation of biomass, hydrogen and biogas and Used fuel heat.
  • the basic supply of the consumer and the constant operation of the system in steady state can be secured. Due to the three different storage systems, which complement each other, the system is also able to provide island supply without external power. Expansion circuits also load the kinetic energy storage systems and the electricity storage systems. The charging and discharging as well as the continuous power supply are regulated as required by the consumer via the load management. The efficiency of the reconversion in the combined or individual systems depends on the on-site energy resources and their own energy needs.
  • the consumer is protected and external power must be removed only at low-load times from the central networks, which in turn saves costs and helps to relieve the networks.
  • the Operators of the system but also is self-generators and can store overproductions, he can, if available, integrate wind and solar power in its process, continuously absorb their energy levels, use as needed or sell on the power exchange.
  • the consumer can decide for himself when he wants to remove what amounts of energy from the network and what energies he wants to take inexpensively from cheaper resources, self-generated energy or surplus energy of his own production from their own power storage. This helps to relieve the burden on the nets by returning the exergy from production processes to the process and using it as needed by the producer. It prevents that exergy from being recycled into the environment unused and damaging it.
  • the system in combination of all possible cold-guided, heat-guided and current-controlled procedures, constantly working in a steady state and can be controlled immediately if necessary on demand demanded.
  • the system according to the invention adapted to the needs, individually as a heat-guided system, according to the claims 4 and 5, is to be used in which to heat by additional heat energy from renewable fuels, which are to be processed in an evaporation process, the working medium air in the expansion circuit isentropically to relax in several stages and to consume the complete refrigeration capacity in the Organic Rankine Cycle - process and to direct that under pressure, cold liquefied air through several circuits of an air heat exchanger, there to heat, gas and regulated is to lead into the evaporation process.
  • compressed liquid fuel can additionally be supplied from a fuel tank via a pressure pump, and the solid fuel is first gasified, then compressed and then passed into the evaporation process.
  • the efficiency of the reconversion including the coverage of the need for compressed air and technical gases for a furnace is higher than in a refrigerated system, it has a much lower own consumption of electricity for production and process cooling and a very low overall efficiency through the use of waste heat the production.
  • the refrigerant circuit in the consumer and the cold discharged from a heat exchanger and the cold required for the Organic Rankine Cycle process are available.
  • the current-carrying system adapted to the need to use individually, according to claims 6 to 9, by charging the current-carrying system with external power or independently of this via at least one multi-stage expansion circuit of mechanical energy and the working fluid from air the stored in the expansion cycle mechanical energy or with the refrigerant from the Organic Rankine cycle process, to be supplied, these processes are simultaneously run in parallel or in series, and the working medium air is heated with the heat of compression from the compression circuit of a base compressor to heat the waste heat of a production process or with excess heat and stored thermal energy, the refrigerant from oxygen-poor liquid air, especially liquid nitrogen, from a nitrogen-rich zone of a pressure condenser from the air liquefaction process usable, the refrigerant is to perform work in a working process, the environmental heat and waste heat of the power storage process, from the charging and discharging process, by short-term energy pulses infinitely repeatable, thereby keeping the required transition temperature of the storage process for kinetic energy safely and that a pressure pump increases the
  • the decentralized and adiabatic energy transformation system must be adapted locally to a consumer and taking into account the individual conditions as well as the existing and resulting energy resources, with unnecessary procedures from the outset can be left out if they are not required.
  • the cold-run system is used by a consumer who has a high demand for cold save power and where the heat energy resulting from the manufacturing process is absorbed, converted and stored.
  • the heat-driven system is used when the consumer needs a lot of heat in addition to electricity.
  • a current-carrying system is used when the consumer needs a lot of electricity and heat and cold can be converted back into electricity as controllable by-products and stored.
  • the decentralized and adiabatic energy transformation system makes it possible to retrieve electric energy from the individual storage processes at peak load times, to market it at a high surplus on the power exchange, and to take electricity from the central networks inexpensively in low-load periods.
  • Fig.l shows a block diagram of the energy transformation system with all possible procedures.
  • the decentralized and adiabatic energy transformation system according to the invention is subdivided essentially into three basic process sequences. It includes a recording procedure adapted to individual requirements and conditions for all forms of energy. With this recording method, it is capable of process waste heat, environmental heat, electricity surplus from the network of wind power and photovoltaic systems, from thermal power plants with night power, from oxidation of biomass, hydrogen and
  • the converted and recovered energy can be directed into the storage processes.
  • the storage processes and of the conversion and gearing processes can be returned as needed, the respective required amounts of the various generated and stored forms of energy either directly into the existing on-site manufacturing process, or in the energy transformation system to maintain its internal work processes or for purchase for other consumers or for sale at the Electricity exchange can be retrieved.
  • the energy to be produced in this way, back to leading and to be taken away, are electricity, liquid gases and air and nitrogen produced therefrom and pure oxygen as well as heat, cold and pressurized gas.
  • the energy transformation system described consists of a combination of all possible systems, namely the cold-guided, the heat-guided and the current-guided system.
  • these processes can also be used individually or combined differently depending on requirements and conditions.
  • this energy transformation system can work independently of the season, because it can compensate energy surpluses in certain seasons and energy requirements to third parties that are not available.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Separation By Low-Temperature Treatments (AREA)
  • Engine Equipment That Uses Special Cycles (AREA)

Abstract

Es war deshalb Aufgabe, bereits bekannte technische Verfahren so zu verändern und miteinander zu verbinden, das unabhängig am Standort eines Verbrauchers und von den vor Ort zur Verfügung stehenden und bisher ungenutzten Energieformen wahlweise aufzunehmen, umzuwandeln, herzustellen und zu nutzen sind, mit dem Ziel, den Energiebedarf aus zentralen Netzen zu senken und die Netze in Spitzenzeiten zu entlasten, die weitestgehende Nutzung aller anfallenden Exergien aus Produktionsprozessen und deren Rückverstromung mit erheblich höherem Wirkungsgrad zu nutzen, die Exergieverluste zu minimieren und damit eine erhebliche Einsparung von Produktionskosten, sowie die Schonung der Umwelt zu erreichen. Das Verfahren zur dezentralen und individuellen Aufnahme, Erzeugung, Umwandlung und kontinuierlichen Bereitstellung von Elektroenergie, ist gekennzeichnet durch ein dezentrales adiabates Energietransformations- System, mit dem mechanische Energie, aus der Luftverflüssigung und -Zerlegung, Bewegungsenergie, aus kinetischen und thermischen Energiequellen, sowie Elektroenergie, aus Fremdstrom und unabhängig von diesem aus Prozeßabwärme aus eigenen Anlagen, mechanischer Energie, regenerativen thermischen Energien, sowie Energie aus Wind- und Solaranlagen, bedarfsgerecht und in individuell erforderlichen Mengen am Ort eines Verbrauchers getrennt zu speichern sind, dadurch, daß mit dem dezentralen adiabaten Energietransformations- System, Prozeßwärme und -kälte, Umweltwärme, Kompressions-, Dekompressions- und Brennstoffwärme aus regenerativen Quellen zurück zu verströmen oder direkt in mechanische Energie und Bewegungsenergie umzuwandeln und dadurch, daß die Energiespeicherungs-, Energieumwandlungs- und -rückverstromungsprozesse untereinander derart verbunden sind, daß die grundsätzlichen Verfahrensschritte, Verstromung, Speicherung und Rückverstromung, entsprechend den jeweils vorhandenen Energieressourcen und den energetischen Erfordernissen bei einem Verbraucher vor Ort, als kältegeführtes, wärmegeführtes oder als stromgeführtes System durchzuführen sind, daß die kälte-, wärme- und stromgeführten Systeme einzeln oder in Kombination ständig in einem Beharrungszustand arbeiten und bei Bedarf sofort auf erforderliche Abrufleistung über ein Lastmanagement zu regeln sind.

Description

Energietransformations- System
Verfahren zur dezentralen und individuellen Aufnahme, Erzeugung, Umwandlung und kontinuierlichen Bereitstellung von Elektroenergie, das von Verbrauchern von Elektroenergie aus den zentralen Netzen in allen Bereichen der Industrie, insbesondere bei Großabnehmern zu nutzen ist.
Derzeit wird Elektroenergie mit verschiedenen Techniken erzeugt, so aus Atomkraftwerken, Wärmekraftwerken, aus regenerativen Energiequellen durch chemische, thermische und mechanische Umwandlung von Energie- Ressourcen der Natur, wie Wind, Sonnenenergie, Umwandlung von Biogas sowie aus der Verflüssigung von Luft und deren Umwandlung in Sauerstoff Stickstoff und andere Gase. Die regenerativens Energien können nur sporatisch hergestellt und gespeichert werden, da sie von den natürlichen Bedingungen Wind und Wärme aus der Sonnenstrahlung sowie von Speicherkapazitäten der zentralen Netze abhängig sind.
Die vorhandenen Energieerzeugungs-, -umwandlungs und Rückverstromungsanlagen verfügen entweder über zu kleine oder gar keine Speicher. Das hat zur Folge, daß die erzeugte Energie überwiegend direkt in die zentralen Energieleitungsnetze geleitet werden muß. Da die Atomkraftwerke die Netze kontinuierlich mit großen Mengen Elektroenergie bestücken, die nicht kontinuierlich in gleichen Mengen von den Verbrauchern abgenommen werden können und die Netze ebenfalls nur über eine begrenzte Speicherkapazität verfügen, müssen alternative Energieerzeuger zeitweise abgeschaltet werden, weil deren Energiespeicher ebenfalls begrenzt und die zentralen Netze in Stoßzeiten überlastet sind. Die hohen Energiemengen, die von Energiegroßverbrauchern aus dem Netz entnommen werden, sind nur zu Spitzenzeiten erforderlich, so daß der Energiebedarf in den schwachen Nutzungszeiten rapide absinkt. Dazu benötigt man sogenannte Schattenkraftwerke, die, die durch nicht kontinuierliche Stromabnahme entstehenden, Stromschwankungen ausgleichen müssen.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Außerdem werden bei fast allen industriellen Produktionsprozessen durch Stromnutzung aus den zentralen Netzen, große Mengen der aufgenommenen Energie durch die prozeßbedingte Entstehung von Wärme und Kälte ungenutzt wieder in die Umwelt abgegeben, wodurch hohe Energieverluste entstehen.
Alle bisher genutzten Lösungen, wie Erweiterung der Netze, Bau neuer Netze über oder unter der Erde, Pumpspeicherwerke, Windräder usw. sind kostenaufwendig und verunstalten teilweise erheblich die Natur.
Auch bei Verfahren, die alternative Energien umwandeln und als Fertigprodukt verkaufen, wird prozeßbedingt entstehende Wärme und Kälte ungenutzt in die Umwelt zurückgeführt. Beispielsweise bei Luftverflüssigungssystemen, wie sie aus der DE 3307181
C2 und der EP 0989375 bekannt sind, in denen flüssige Luft in reinen flüssigen Sauerstoff, in Stickstoff und ggf. in Edelgase getrennt wird. Der flüssige Sauerstoff und Stickstoff werden im kalten flüssigen Zustand bei -196°C aus der Anlage entnommen und verkauft. Mit der Entnahme der Produkte wird auch der Exergiegehalt in Form von Kälteenergie entnommen.
Gleichzeitig wird gereinigte gasförmig aufbereitete Luft mit einem Druck von 1,2 bar und mit einer Wärmetemperatur von 20°C aus dem Prozeßkreislauf als Abfall zurück in die Atmosphäre geleitet. Werden in diesen Anlagen ausschließlich einzelne gasförmige Produkte, wie Stickstoff, erzeugt, wird bei deren Entnahme auch der gesamte Sauerstoffanteil ungenutzt in die
Atmosphäre zurückgeführt. Die in derartigen Anlagen befindlichen Tanks sind reine Produktspeicher und die Produkte werden ausschließlich außerhalb der Anlagen benutzt. Bei Entnahme der Produkte aus den Tanks gehen die bereits aufgeführten Energien wie Kälte, Wärme und Gase, die durch deren Herstellungsprozeß erzeugt werden, ungenutzt verloren. Diese
Luftverflüssigungsanlagen sind technologisch kostenaufwendig, da die in ihnen erzeugten Produkte mit Spezialtransportern zum Anwender transportiert werden müssen, und wenig energieeffizient, aufgrund der entstehenden Energieverluste bei der Produkterzeugung.
In der EP 0250390 wird auch ein Luftzerlegungsverfahren offenbart, in dem Sauerstoff und Stickstoff sowie ggf. Erdgase gesondert über Produktgasleitungen ausgebracht werden, dadurch gekennzeichnet, daß an eine Produktgasleitung wenigstens eine Zweiggasleitung angeschlossen ist, welche über einen Wärmetauscher geführt ist, daß wenigstens zwei Speicher für zwei voneinander verschiedene verflüssigte Gase vorgesehen sind. Auch hier handelt es sich um reine Produktspeicher. Bei der Entnahme dieser Produkte aus den Speichern werden die, bei der Herstellung entstehenden, Exergien ungenutzt in die Umwelt zurückgeführt. Die DE 2434238 sieht ein Verfahren zur Speicherung und Rückgewinnung von Energie vor, bei dem in Zeiten geringem Energiebedarfs ein gasförmiger Hilfsenergieträger verflüssigt und nahezu ohne Druck gespeichert wird, während in Zeiten größeren Energiebedarfs der gasförmige Hilfsenergieträger verdichtet, angewärmt und arbeitsleistend entspannt wird. Auch dieses Speicherverfahren ist nur auf die Speicherung von einzelnen Produkten orientiert. Aus der DE 19632019 Cl ist auch der ORC- Prozeß (Organic- Rankine-
Cycle- Prozeß) bekannt. Dabei handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozeß zur Abwärmenutzung, in dem an Stelle von Wasser andere, niedrig siedende, organische Stoffe, wie Silikonöle, Kohlenwasserstoffe und Flourkohlenwasserstoffe, als Arbeitsmedium zirkulieren. Dieser Prozeß kann bereits bei Temperaturen ab 100°C und Drücken von weit unter 20 bar arbeiten, um maximale Arbeit aus diesem Prozeß auszukoppeln. So können in derartigen Anlagen mit geringem technologischen Aufwand auch kleine thermische Energiequellen wirtschaftlich in Elektroenergie umgewandelt werden. In diesen ORC- Prozessen ist es aufgrund der besonderen thermodynamischen Eigenschaften sowie der verschiedenen Arbeitsmedien möglich, elektrische Energie aus, Abwärme, Geothermie, Biomasse oder aus solarthermischen Quellen, zu generieren. Dazu sind die Anlagen mit spezifischen technologischen Besonderheiten für die jeweiligen Anwendungsfälle ausgestattet. So sind zur Regelung der anfallenden Energien die ORC- Prozesse in unterschiedliche Einzelvorgänge zerlegt. Dabei fällt mehr als 90% der elektrischen Leistungsaufnahme aus dem Netz in Form von Wärme an, die in einen Kühlkreislauf geleitet und auch über die Wasseraustrittstemperaturen ungenutzt verloren geht. In den Anlagen entstehen prozeßbedingt Energien, die ungenutzt in die Umwelt zurückgeführt werden. Außerdem ist dieses Verfahren in den bekannten Formen für eine Rückverstromung nicht geeignet.
In der DE 373941 1 Cl wird ein supraleitender Stromspeicher mit einer Speicherspule offenbart, die aus mehreren Teilspulen besteht, diese sind dadurch gekennzeichnet, daß beim aufladen ein Teil oder alle Teilspulen in Serie geschaltet und beim Entladen ein Teil oder alle Teilspulen parallel geschaltet sind. Des weiteren sind gesonderte Entladespulen vorgesehen, die magnetisch an die Teilspulen angekoppelt sind, wobei die Anzahl der parallel geschalteten Teilspulen beim Entladen einstellbar ist. Diese Anlagen sind reine Stromspeicher und werden auch nur als solche genutzt.
Schließlich wird auch in der EP 0348465 Bl ein Stromspeicher in Form einer supraleitenden Speicherspule beschrieben, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherspule mit mehreren, in Längsrichtung der Speicherspule aufeinanderfolgenden Spulensegmenten aufgebaut ist, die einzeln vorgefertigt und unter elektrischer Verschaltung zu einer Speicherspule zusammengefaßt sind. In den Unteransprüchen werden die Verschattungen aus der DE 3739411 Cl vorgesehen und die unterschiedlichsten Materialien für die Supraleiter und deren unterschiedlichste Aufbauformen offenbart, mit denen auf einfache Weise und wahlweise Speicherspulen mit kleinerem und größerem Speichervermögen herstellbar sind. Alle vorbeschriebenen Verfahren und Anlagen sind ortsgebunden, da die
Energieresourcen, die von ihnen genutzt werden, nur standortbedingt zur Verfugung zu stellen sind. Die Energie, die dabei erzeugt wird, muß wieder über entsprechende Netze transportiert werden. Die im Herstellungsprozeß entstehenden Exergien werden überwiegend nicht genutzt und gehen ungenutzt an die Umwelt verloren.
Es war deshalb Aufgabe der Erfindung, bereits bekannte technische Verfahren so zu verändern und miteinander zu verbinden, das unabhängig am Standort eines Verbrauchers und von den vor Ort zur Verfügung stehenden und bisher ungenutzten Energieformen wahlweise aufzunehmen, umzuwandeln, herzustellen und zu nutzen sind, mit dem Ziel, den Energiebedarf aus zentralen Netzen zu senken und die Netze in Spitzenzeiten zu entlasten, die weitestgehende Nutzung aller anfallenden Exergien aus Produktionsprozessen und deren Rückverstromung mit erheblich höherem Wirkungsgrad zu nutzen, die Exergieverluste zu minimieren und damit eine erhebliche Einsparung von Produktionskosten, sowie die Schonung der Umwelt zu erreichen. Die Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß das Verfahren ein dezentrales und adiabates Energietransformations- System ist, mit dem mechanische Energie aus der Luftverflüssigung und -Zerlegung, Bewegungsenergie, aus kinetischen und thermischen Energiequellen, sowie Elektroenergie aus Fremdstrom und unabhängig von diesem aus Prozeßabwärme aus eigenen Anlagen, aus mechanischer Energie, regenerativen thermischen Energien, sowie Energie aus Wind- und Solaranlagen bedarfsgerecht und in individuell erforderlichen Mengen am Ort eines Verbrauches getrennt zu speichern sind, daß mit dem dezentralen adabaten Energietransformations- System Prozeßwärme und -kälte, Umweltwärme, Kompressions-, Dekompressions- und Brennstoffwärme aus regenerativen Quellen zurück zu verströmen oder direkt in mechanische und kinetische Energie umzuwandeln ist, daß die Energiespeicherungs-, Energieumwandlungs- und - rückverstromungsprozesse untereinander derart verbunden sind, daß die grundsätzlichen Verfahrensschritte, Verstromung, Speicherung und Rückverstromung, entsprechend den jeweils vorhandenen
Energieressourcen und den energetischen Erfordernissen bei einem Verbraucher vor Ort, als kältegeführtes, wärmegeführtes oder als stromgeführtes System durchzuführen sind und daß die kälte-, wärme- und stromgeführten Systeme einzeln oder in Kombination ständig in einem Beharrungszustand arbeiten und bei Bedarf sofort auf erforderliche
Abrufleistung, über ein Lastmanagement zu regeln sind. Das erfindungsgemäße Energietransformations - System hat den Vorteil, daß es unabhängig vom Standort des Verbrauchers an dessen individuellen Energiebedarf und die vor Ort zur Verfügung stehenden Energieressourcen angepaßt werden kann. Es ist als kompaktes und als speziell angepaßtes Verfahrenssystem nutzbar.
Hervorzuheben ist, daß die regenerative Aufbereitung von funktionsbedingt anfallenden bisher ungenutzten Exergien, beispielsweise aus Druckluftanlagen, Heizungsanlagen, Klimaanlagen, Gefrierkälteanlagen, Luftaufbereitungsanlagen, Sauerstoffnotstromgeräte usw. und deren Umwandlung in Strom gewährleistet ist. Alle Energieströme und deren Erscheinungsformen können betriebswirtschaftlich genutzt werden. Das dentrale und adiabate Energietransformations- System arbeitet mit Kompressionswärme bei der Speicherung und mit Kälte bei der Rückverstromung und gewährleistet einen Ständigen Betrieb im Beharrungszustand. Es hält den Betriebszustand des Systems zwischen Verstromung, Speicherung und Rückverstromung ständig im Gleichgewicht und somit in einem betriebswirtschaftlich vorteilhaften Bereich. Darüber hinaus ist gewährleistet, daß durch ein Lastmanagement das System sofort und bei Bedarf auf Abrufleistung regelbar ist. Bei der Rückverstromung wird zuerst die Umweltwärme, danach die Prozeßwärme, dann der Strom aus dem Stromspeicher, wie Stromüberschuß aus dem Netz sowie aus einzubindenden Windkraft- und Fotovoltaikanlagen, aus thermischen Kraftwerken mit Nachtmehrleistung und zuletzt aus der Oxydation von Biomassen, Wasserstoff und Biogasen sowie der Brennstoffwärme genutzt. Außerdem kann die Grundversorgung des Verbrauchers und der ständige Betrieb des Systems im Beharrungszustand gesichert. Durch die drei verschiedenen Speichersysteme, die sich untereinander ergänzen, ist das System auch in der Lage eine Inselversorgung ohne Fremdstrom zu gewährleisten. Über Expansionskreisläufe werden auch die Speicherungssysteme für Bewegungsenergie und die Stromspeicher geladen. Wobei das Laden und Entladen sowie die durchgehende Stromversorgung nach Bedarf des Verbrauchers über das Lastmanagement geregelt wird. Der Wirkungsgrad der Rückverstromung bei den kombinierten oder einzeln arbeitenden Systemen ist abhängig von den vor Ort vorhandenen Energieressourcen und dem eigenen Energiebedarf. Der Verbraucher ist abgesichert und Fremdstrom muß nur zu lastarmen Zeiten aus den zentralen Netzen abgenommen werden, was wiederum kostensparend ist und zur Entlastung der Netze beiträgt. Da der Betreiber des Systems aber auch selbst Stromerzeuger ist und Überproduktionen abspeichern kann, kann er, wenn vorhanden, auch Wind- und Solarstrom in sein Verfahren integrieren, deren Energiemengen kontinuierlich aufnehmen, bedarfsgerecht nutzen oder an der Strombörse verkaufen. Der Verbraucher kann selbst entscheiden, wann er welche Energiemengen aus dem Netz entnehmen will und welche Energien er aus preisgünstigeren Ressourcen, aus selbst erzeugter Energie oder Überschußenergien seiner eigenen Produktion aus eigenen Stromspeichern preisgünstig entnehmen will. Das trägt zur Entlastung der Netze bei, indem die aus Produktionsprozessen anfallende Exergie in den Prozeß zurückfuhrt und bedarfsgerecht vom Erzeuger genutzt werden kann. Es verhindert, daß diese Exergie nicht ungenutzt in die Umwelt zurückgeführt wird und diese schädigt. Von besonderem Vorteil ist es außerdem, daß das System in Kombination aller möglichen kältegeführten, wärmegeführten und stromgeführten Verfahrensabläufe, ständig in einem Beharrungszustand arbeiten und bei Bedarf sofort auf erforderliche Abrufleistung geregelt werden kann.
Hervorzuheben ist aber auch die Flexibilität des erfindungsgemäßen dezentralen und adiabaten Energietransformations- Systems, das dem Bedarf angepaßt, einzeln als kältegeführtes System, gemäß der Ansprüche 2 und 3 zu nutzen ist, in dem in dem kältegeführten System flüssiges Arbeitsmittel aus dem Speicherrungsprozeß für mechanische Energie in den Kältekreislauf zu leiten ist, wobei thermische Energie und Druckenergie unter Nutzung des Druckgefälles einem Expansionskreislauf zuzuführen ist und ein Teil der mechanischen Energie und der Kälteenergie über den Kühlwasserkreislauf eines Verdichters wieder in den Speicherrungsprozeß für mechanische Energie aufzunehmen und die Kompressionswärme des Verdichters aus der Abwärme des Kühlkreislaufs einem Generator und einer Kreislaufdruckpumpe zuzuführen ist, wobei der eigene Strombedarf gering ist und die Rückverstromung durch die Rückführung von gasförmigem Arbeitsmittel, von dessen Druckenergie und von Kälteenergie unterhalb der Umgebungstemperatur aus einem Expansionskreislauf erfolgt und das Einbinden und Abrufen der mechanischen Energiegewinnung aus dem Expansionskreislauf, die irreversible Expansion eines Kältemittel- Verdampfers während der Speicherung des Arbeitsmittels Luft und die Vorkühlung des Arbeitsmittels durch den Kühlkreislauf der Kreislaufdruckpumpe aus einem Wärmetauscher erfolgt, wobei die so erzeugte Energie in einem zum Teil geschlossen geführten Kreislauf in den Arbeitskreislauf des kältegeführten Systems ziirückzuführen ist und ein weiterer Teil der verflüssigten Luft, die während der Rückverstromung entsteht, zur Erhaltung des Beharrungszustands eines Organic- Rankine- Cycle - Prozesses nutzbar ist.
Vorteilhaft ist auch, daß das erfindungsgemäße System, dem Bedarf angepaßt, einzeln als wärmegeführtes System, gemäß der Ansprüche 4 und 5, zu nutzen ist, in dem durch zusätzliche Wärmeenergie aus nachwachsenden Brennstoffen, die in einem Verdampfungsprozeß aufzubereiten sind, das Arbeitsmittel Luft zu erwärmen, in dem Expansionskreislauf in mehreren Stufen isentrop zu entspannen und die komplette Kälteleistung im Organic- Rankine- Cycle - Prozeß zu verbrauchen ist und daß unter Druck stehende, kalte verflüssigte Luft durch mehrere Kreisläufe eines Luftwärmetauschers zu leiten, dort zu erwärmen, zu vergasen und geregelt in den Verdampfungsprozeß zu leiten ist. Darüber hinaus kann auch zusätzlich aus einem Brennstofftank über eine Druckpumpe verdichteter flüssiger Brennstoff zugeführt werden und der feste Brennstoff erst vergast, danach verdichtet und danach in den Verdampfungsprozeß geleitet werden.
Der Wirkungsgrad der Rückverstromung inklusive der Abdeckung des Bedarfs an Preßluft und technischen Gasen für eine Feuerung ist höher als bei einem kältegeführten System, es hat einen wesentlich geringeren Eigenbedarf an Strom für die Produktion und die Prozeßkühlung sowie einen sehr geringen Gesamtwirkungsgrad durch die Nutzung der Abwärme aus der Produktion. Für die Klimatisierung von Räumen steht der Kältemittelkreislauf im Verbraucher und die aus einem Wärmetauscher abgegebene Kälte sowie die erforderliche Kälte für den Organic- Rankine- Cycle - Prozeß zur Verfügung.
Besonders hervorzuheben ist das stromgeführte System, dem Bedarf angepaßt, einzeln, gemäß der Ansprüche 6 bis 9, zu nutzen, indem das stromgeführte System mit Fremdstrom oder unabhängig von diesem über mindestens einen mehrstufigen Expansionskreislauf aus mechanischer Energie zu laden ist und mit dem Arbeitsmittel Luft aus der im Expansionskreislauf gespeicherten mechanischen Energie oder mit dem Kältemittel aus dem Organic- Rankine- Cycle - Prozeß, zu versorgen ist, wobei diese Prozesse gleichzeitig parallel oder in Reihe zu fahren sind und das Arbeitsmittel Luft mit der Kompressionswärme aus dem Verdichtungskreislauf eines Basisverdichters, mit der Abwärme eines Produktionsprozesses oder mit Überschußwärme sowie aus gespeicherter thermischer Energie zu erhitzten ist, das Kühlmittel aus sauerstoffarmer flüssiger Luft, besonders aus flüssigem Stickstoff, aus einer stickstoffreichen Zone eines Druckkondensators aus dem Luftverflüssigungsprozeß nutzbar ist, das Kühlmittel in einem Arbeitsprozeß arbeitsleistend zu fahren ist, die Umweltwärme und Abwärme des Stromspeicherprozesses, aus dem Lade- und Entladevorgang, durch kurzzeitige Energieimpulse unendlich wiederholbar, aufnimmt, wodurch die erforderliche Sprungtemperatur des Speicherprozesses für Bewegungsenergie sicher zu halten und daß eine Druckpumpe den Betriebsdruck für einen mehrstufigen Expansionskreislauf erhöht, das Kältemittel den Verdampfer durchströmt und dabei zum gasförmigen Arbeitsmittel umzuwandeln ist und teilweise über einen Kälteverbraucher auf die Saugseite des Basisverdichters und so in den Arbeitskreislauf des Enegietransformations- Systems zurück zu führen ist und das Kältemittel ohne Nutzung eines Expansionskreislaufs direkt über ein Regel- oder Dreiwegeventil kalt und gasförmig auf die Saugseite des Basisverdichters führbar ist. Die Rückverstromung und Stromspeicherung im stromgeführten System erreichen einen erheblichen Wirtschaflichkeitsgrad.
Die Vorteile der bedarfsgerechten Nutzung von kältegeführten, wärmegeführten oder stromgeführten Systemen bestehen außerdem darin, daß das dezentrale und adiabate Energietransformations- System vor Ort bei einem Verbraucher und unter Berücksichtigung der individuellen Bedingungen sowie den vorhandenen und anfallenden Energieressourcen anzupassen ist, wobei unnötige Verfahrensabläufe von vorn herein ausgespart werden können, wenn sie nicht erforderlich sind. So wird das kältegeführte System eingesetzt bei einem Verbraucher der außer Strom einen hohen Bedarf an Kälte hat und wo die aus dem Herstellungsprozeß entstehende Wärmeenergie aufgenommen, umgewandelt und gespeichert wird. Das wärmegeführte System wird eingesetzt, wenn der Verbraucher neben Strom viel Wärme benötigt. Schließlich wird ein stromgeführtes System eingesetzt, wenn der Verbraucher viel Strom benötigt und Wärme und Kälte als regelbare Nebenprodukte wieder in Strom umgewandelt und gespeichert werden können. Der Vorteil der angepaßten Verfahrensabläufe besteht weiterhin darin, daß aus dem Stand der Technik bereits bekannte Verfahrensabläufe und dazugehörige Anlagenkonzepte nur angepaßt erweitert und nicht neu entwickelt werden müssen. Durch die erfindungsgemäße Kopplung bekannter Verfahrensabläufe mit den neuen Speicher-, Umwandlungs- und
Rückverstromungssystemen für alle Energieformen über neue ergänzende Verfahrensschritte werden die Leistungsmöglichkeiten der bekannten Verfahren erweitert und effektiver genutzt, Energie- und Exergieverluste weitestgehend eingeschränkt und die Umweltbelastung erheblich verringert.
Schließlich ermöglicht das erfindungsgemäße dezentrale und adiabate Energietransformations- System in Spitzenlastzeiten Elektroenergie aus den individuellen Speicherprozessen abzurufen, bei hohem Überschuß an der Strombörse zu vermarkten und in Niederlastzeiten Elektroenergie aus den zentralen Netzen preisgünstig zu entnehmen und zu ergänzen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Blockschaltbildes näher beschrieben werden. Dabei zeigt Fig.l ein Blockschaltbild des Energietransformations- Systems mit allen möglichen Verfahrensabläufen.
Das Blockschaltbild, gemäß Fig.1 zeigt, daß das erfindungsgemäße dezentrale und adiabate Energietransformations- System im wesentlichen in drei grundsätzliche Verfahrensabläufe untergliedert ist. Es beinhaltet ein, den individuellen Anforderungen und Bedingungen angepaßtes Aufnahmeverfahren für alle Energieformen. Mit diesem Aufnahmeverfahren ist es in der Lage Prozeßabwärme, Umweltwärme, Stromüberschüsse aus dem Netz aus Windkraft- und Fotovoltaikanlagen, aus thermischen Kraftwerken mit Nachtmehrleistung, aus Oxydation von Biomassen, Wasserstoff und
Biogasen aufzunehmen. Aus dem Aufnahmeverfahren leitet es die aufgenommenen Energieformen, je nach Art, entweder direkt in die drei möglichen Speicherungsprozesse für mechanische Energie, Bewegungsenergie und Strom oder in die Umwandlungs- und Rückverstromungsprozeße weiter.
Aus dem Umwandlungs- und Rückverstromungsprozeß kann die umgewandelte und rückverstromte Energie in die Speicherungsprozesse geleitet werden. Von den Speicherungsprozessen und von den Umwandlungs- und Rückverstromungsprozessen können nach Bedarf die jeweils erforderlichen Mengen an den verschiedenen erzeugten und gespeicherten Energieformen entweder direkt in den vor Ort vorhandenen Herstellungsprozeß, oder in das Energietransformations- System zur Aufrechterhaltung von dessen inneren Arbeitsabläufen zurückgeführt werden oder zur Abnahme für weitere Verbraucher oder zum Verkauf an der Strombörse abgerufen werden. Die auf diese Weise herzustellenden, zurück zu führenden und abzunehmenden Energien sind Strom, flüssige Gase und Luft und aus diesen hergestellter Stickstoff und reiner Sauerstoff sowie Wärme, Kälte und Druckgas.
Das beschriebene Energietransformations- System besteht aus einer Kombination aller möglichen Systeme, nämlich dem kältegeführten, dem wärmegeführten und dem stromgeführten System. Diese Prozesse können selbstverständlich auch einzeln genutzt oder nach Bedarf und Bedingungen unterschiedlich kombiniert werden.
Sehr wichtig ist auch, daß dieses Energietransformations- System unabhängig von der Jahreszeit arbeiten kann, weil es in bestimmten Jahreszeiten vorhandenen Energieüberschuß und nicht vorhandenen Energiebedarf durch Energieabgabe an Dritte ausgleichen kann.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur dezentralen und individuellen Aufnahme, Erzeugung, Umwandlung und kontinuierlichen Bereitstellung von Elektroenergie, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren ein dezentrales adiabates Energietransformations- System ist, mit dem mechanische Energie, aus der Luftverflüssigung und -Zerlegung, Bewegungsenergie, aus kinetischen und thermischen Energiequellen, sowie Elektroenergie, aus Fremdstrom und unabhängig von diesem aus Prozeßabwärme aus eigenen Anlagen, mechanischer Energie, regenerativen thermischen Energien, sowie Energie aus Wind- und Solaranlagen, bedarfsgerecht und in individuell erforderlichen Mengen am Ort eines Verbrauchers getrennt zu speichern sind, daß mit dem dezentralen adiabaten Energietransformations- System, Prozeßwärme und -kälte, Umweltwärme, Kompressions-, Dekompressions- und Brennstoffwärme aus regenerativen Quellen zurück zu verströmen oder direkt in mechanische Energie und Bewegungsenergie umzuwandeln ist und daß die Energiespeicherungs-, Energieumwandlungs und -rückverstromungsprozesse untereinander derart verbunden sind, daß die grundsätzlichen Verfahrensschritte, Verstromung, Speicherung und Rückverstromung, entsprechend den jeweils vorhandenen Energieressourcen und den energetischen Erfordernissen bei einem Verbraucher vor Ort, als kältegeführtes, wärmegeführtes oder als stromgeführtes System durchzuführen sind, daß die kälte-, wärme- und stromgeführten Systeme einzeln oder in Kombination ständig in einem Beharrungszustand arbeiten und bei Bedarf sofort auf erforderliche Abrufleistung über ein Lastmanagement zu regeln sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem kältegeführten System flüssiges Arbeitsmittel aus dem Speicherungsprozeß für mechanische Energie in den Kältekreislauf zu leiten ist, wobei thermische Energie und Druckenergie unter Nutzung des Druckgefälles einem Expansionskreislauf zuzuführen ist und ein Teil der mechanischen Energie und der Kälteenergie über den Kühlwasserkreislauf eines Verdichters wieder in den Speicherungsprozeß für mechanische Energie aufzunehmen und die Kompressionswärme des Verdichters aus der Abwärme des Kühlkreislaufs einem Generator und einer Kreislaufdruckpumpe zuzuführen ist, wobei der eigene Strombedarf gering ist.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im kältegeführten System die Rückverstromung durch die Rückführung von gasförmigen Arbeitsmittel, von dessen Druckenergie und von Kälteenergie unterhalb der Umgebungstemperatur aus einem Expansionskreislauf erfolgt und das Einbinden und Abrufen der mechanischen Energiegewinnung aus dem Expansionskreislauf, die irreversible Expansion eines Kältemittel- Verdampfers während der Speicherung des Arbeitsmittels Luft und die Vorkühlung des Arbeitsmittels durch den Kühlkreislauf der Kreislaufdruckpumpe aus einem Wärmetauscher erfolgt, wobei die so erzeugte Energie in einem zum Teil geschlossen geführten Kreislauf in den Arbeitskreislauf des kältegeführten Systems zurückzuführen ist und ein weiterer Teil der verflüssigten Luft, die während der Rückverstromung entsteht, zur Erhaltung des Beharrungszustands eines Organic- Rankine- Cycle - Prozesses nutzbar ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem wärmegefuhrten System durch zusätzliche Wärmeenergie aus nachwachsenden Brennstoffen, die in einem Verdampfungsprozeß aufzubereiten sind, das Arbeitsmittel Luft zu erwärmen, in dem Expansionskreislauf in mehreren Stufen isentrop zu entspannen und die komplette Kälteleistung im Organic- Rankine- Cycle - Prozeß zu verbrauchen ist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im wärmegeführten System unter Druck stehende, kalte verflüssigte Luft durch mehrere Kreisläufe eines Luftwärmetauschers zu leiten, dort zu erwärmen und zu vergasen und geregelt in den Verdampfungsprozeß zu leiten ist.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stromgeführte System mit Fremdstrom oder unabhängig von diesem über mindestens einen mehrstufigen Expansionskreislauf mit mechanischer Energie zu laden ist und das mit dem Arbeitsmittel Luft, aus der im Expansionskreislauf gespeicherten mechanischen Energie, aus dem Organic- Rankine- Cycle - Prozeß, zu versorgen ist, wobei diese Prozesse gleichzeitig parallel oder in Reihe zu fahren sind und das Arbeitsmittel Luft, mit der Kompressionswärme aus dem Verdichtungskreislauf eines Basisverdichters, mit der Abwärme eines Produktionsprozesses, mit Überschußwärme, sowie mit gespeicherter thermischer Energie, zu erhitzten ist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem stromgeführten System das Kühlmittel aus sauerstoffarmer flüssiger Luft, besonders aus flüssigem Stickstoff, aus einer stickstoffreichen Zone eines Druckkondensators aus dem Luftverflüssigungsprozeß nutzbar ist, wobei das Kühlmittel in einem Arbeitsprozeß arbeitsleistend zu fahren ist, die Umweltwärme und Abwärme des Stromspeicherprozesses, aus dem Lade- und Entladevorgang, durch kurzzeitige Energieimpulse unendlich wiederholbar, aufnimmt, um die erforderliche Sprungtemeperatur des Speicherprozesses für Bewegungsenergie sicher zu halten.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem stromgeführten System eine Druckpumpe den Betriebsdruck für einen mehrstufigen Expansionskreislauf erhöht, das Kältemittel den Verdampfer durchströmt, dabei zum gasförmigen Arbeitsmittel umzuwandeln ist und teilweise über einen Kälteverbraucher auf die Saugseite des Basisverdichters und so in den Arbeitskreislauf des Energietransformations- Systems zurück zu führen ist.
9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem stromgeführten System das Kältemittel ohne Nutzung des Expansionskreislaufs direkt über ein Regel- oder Dreiwegeventil kalt und gasförmig auf die Saugseite des Basisverdichters und so in den Arbeitskreislauf des Energietransformations- Systems zurück zu führen ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Spitzenlastzeiten Elektroenergie aus den individuellen Speicherprozessen abzurufen und bei hohem Überschuß an der Strombörse zu vermarkten ist und in Niederlastzeiten Elektroenergie aus den zentralen Netzen preisgünstig zu entnehmen und zu ergänzen ist.
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