EP4299884A1 - Wärmekraftwerk und verfahren zur kühlung eines wärmekraftwerks - Google Patents

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EP4299884A1
EP4299884A1 EP23180242.2A EP23180242A EP4299884A1 EP 4299884 A1 EP4299884 A1 EP 4299884A1 EP 23180242 A EP23180242 A EP 23180242A EP 4299884 A1 EP4299884 A1 EP 4299884A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
water
secondary cooling
water reservoir
cooling device
power plant
Prior art date
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Pending
Application number
EP23180242.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Franz Hofele
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Original Assignee
Individual
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Pending legal-status Critical Current

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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
    • F01K9/00—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines
    • F01K9/003—Plants characterised by condensers arranged or modified to co-operate with the engines condenser cooling circuits
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21C—NUCLEAR REACTORS
    • G21C15/00—Cooling arrangements within the pressure vessel containing the core; Selection of specific coolants
    • G21C15/18—Emergency cooling arrangements; Removing shut-down heat
    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21D—NUCLEAR POWER PLANT
    • G21D1/00—Details of nuclear power plant
    • G21D1/02—Arrangements of auxiliary equipment

Definitions

  • the invention relates to a thermal power plant, having at least a heat source device for generating thermal energy, an engine for converting the thermal energy into usable kinetic energy, a primary cooling device for cooling the engine, a secondary cooling device, which is set up at least to cool the primary cooling device and a water reservoir with a secondary cooling water for operation of the secondary cooling device.
  • the invention further relates to a method for cooling a thermal power plant, in which thermal energy is generated for operation of an engine by means of a heat source device, after which the engine is cooled by a primary cooling device and at least the primary cooling device is cooled by a secondary cooling device with a secondary cooling water from a water reservoir.
  • Thermal power plants for generating electrical energy from heat are known from the prior art.
  • thermal power plants require a heat source and a heat sink in order to use the heat transfer that occurs between the heat source and the heat sink to generate kinetic energy.
  • Thermal power plants known from the prior art often have a discrepancy in the time behavior between the heat source or the heat sink and a power requirement.
  • the heat sources or heat sinks can have a significantly slower time behavior.
  • the kinetic energy is not called up, it may be necessary to release steam pressure from a steam boiler. This is accompanied by a loss of energy, which could have been avoided if the heat source had been regulated sufficiently quickly, in the case of the coal fire steam engine.
  • the present invention is based on the object of creating a thermal power plant which avoids the disadvantages of the prior art, in particular is fail-safe and can be cooled cost-effectively.
  • the invention is also based on the object of creating a method for cooling a thermal power plant which avoids the disadvantages of the prior art, in particular enabling fail-safe and cost-effective cooling.
  • the thermal power plant comprises at least one heat source device for generating thermal energy, an engine for converting the thermal energy into usable kinetic energy, a primary cooling device for cooling the engine and a secondary cooling device, which is set up at least to cool the primary cooling device, and a water reservoir with a secondary cooling water for one Operation of the secondary cooling device.
  • the heat source device and the secondary cooling device are arranged below a surface of the earth and below a water level of the water reservoir, and the secondary cooling device has at least one water guide element, which is set up for the flow of secondary cooling water from the water reservoir and comprises at least one water inlet and at least one water outlet.
  • the water inlet and the water outlet are arranged in the water reservoir, with the water inlet in the Water reservoir is arranged below the water outlet. It is also provided that the primary cooling device, the secondary cooling device and the water reservoir are set up, in particular dimensioned, in such a way that the secondary cooling water flows through the water guide element exclusively independently and based on a thermal heat flow when the heat source device is in operation.
  • thermal heat flow is to be understood as meaning thermal convection or natural convection or free convection, whereby a density of the secondary cooling water is reduced by a heat input, which results in a static buoyancy of the heated secondary cooling water and thus the formation of a Flow of the same results.
  • thermo heat flow thermodynamic heat flow
  • thermal convection natural convection
  • free convection thermodynamic convection
  • the thermal power plant according to the invention has the advantage that at least the cooling of the primary cooling device is ensured by a passive function of the secondary cooling device. This makes it possible to save energy that would otherwise have been necessary to operate circulation pumps.
  • the thermal power plant according to the invention has an inherent control of the cooling capacity: the more the secondary cooling water is heated, the greater its static buoyancy and thus its flow velocity and thus in turn the cooling capacity of the secondary cooling device.
  • the secondary cooling water flows through the water-conducting element exclusively independently and based on a thermal heat flow when the heat source device is operating.
  • the independent and convective, i.e. H. Flow based on a thermal heat flow can be achieved in particular in that the water guide element and the water reservoir as well as an interface between the primary cooling device and the secondary cooling device are set up accordingly, in particular dimensioned.
  • surface enlargement devices such as cooling fins, can preferably be provided to increase the interface between the primary cooling device and the secondary cooling device. This facilitates heat transport between the primary cooling device and the secondary cooling device in such a way that the secondary cooling water is heated sufficiently during a passage through the interface in order to achieve and/or maintain the flow based on a thermal heat flow.
  • the heat source device can be cooled at any time, in particular while generating a maximum possible heat output, by means of the secondary cooling water flowing through the water-conducting element exclusively independently and convectively. In this way, adequate cooling of the heat source device can be ensured at any time, even outside of regular operation of the heat source device, for example in an emergency situation or an incident.
  • the dimensioning of the water-conducting element can in particular relate to a diameter and/or a flow resistance, which the water-conducting element opposes to the secondary cooling water.
  • the water outlet and the water inlet are arranged in different water layers of the water reservoir, taking into account a seasonal temperature profile.
  • the thermal power plant is arranged or buried on land below the earth's surface, in particular in an artificial and/or natural pit, cave, depression or similar.
  • the water reservoir is wholly or partly a sea or a lake.
  • a large water reservoir in particular a sea or a sufficiently large lake or a part or section or area of the sea or the sufficiently large lake, has the advantage that the water reservoir represents a sufficiently large heat sink to keep the heat source device even at a the maximum heat output can be cooled reliably and almost unlimitedly. This results in particular from the fact that when the temperature of the water reservoir increases, for example by a few Kelvin, its heat loss also increases, for example through radiation or evaporation.
  • the water reservoir is sufficiently large, it can easily release heat energy introduced in summer, for example, again in a winter, so that an annual average temperature of the water reservoir levels off, which is only slightly above the level that would exist without heat input through the secondary cooling device.
  • a heat exchange device can be provided for removing thermal energy from the water reservoir.
  • the suitability of the water reservoir as a heat sink for the heat energy dissipated when cooling the heat source device also results in the water reservoir being suitable as a heat source.
  • heat can be withdrawn from the water reservoir at times or periods in which there is increased demand, whereby the water reservoir has the effect of a very large buffer storage.
  • the heat exchange device has a heat pump.
  • the heat pump can be used to actively cool the water reservoir. For example, if the water reservoir heats up too much in the summer months, heat can be removed from the water reservoir using electrical energy, which can be provided in the summer months, for example by solar energy, in order to avoid effects on the ecology of the water reservoir.
  • a heating network is provided for forwarding the thermal energy taken from the water reservoir to one or more heating consumers.
  • the thermal energy supplied to the water reservoir by the heat source device can be taken from the water reservoir with a time delay and supplied to the settlement using the heating network.
  • the heating network can be designed as a local heating network and/or as a district heating network, with a transport medium, in particular water, being provided for heat transport. It is advantageous here if the transport medium in the district heating network is transported at a higher temperature, in particular as hot water. Furthermore, in this case the heat exchange device can be designed as a large heat pump.
  • a few heating heat consumers arranged closely together are each assigned their own heat exchange device.
  • the heat source device has a nuclear reactor.
  • one or more emergency valve devices are present in order to also enable direct cooling of the heat source device by the secondary cooling device.
  • the secondary cooling device is set up for emergency direct cooling of the pressurized water reactor. Because any radioactive substances are enclosed in the pressurized water reactor, contamination of the secondary cooling water with the contents of the pressurized water reactor is avoided, while the secondary cooling water flows around the pressurized water reactor on all sides.
  • surface enlargement devices such as cooling fins, can be provided on the pressurized water reactor in order to ensure sufficient heat transfer to the secondary cooling water flowing around the pressurized water reactor on all sides.
  • the heat source device has an output of 100 MW to 1000 MW, that the water reservoir has a volume of at least 10 cubic kilometers, and that the water reservoir has a depth of at least 50 m.
  • a limited output of the heat source device to 100 MW to 1000 MW increases the number of natural water reservoirs that can be considered, in particular lakes, which are sufficient for sufficient and constant cooling of the heat source device.
  • a water reservoir with a volume of at least 10 cubic kilometers is particularly suitable for this.
  • a water depth of at least 50 m enables an advantageously constant temperature stratification of the water over the seasons, so that a disruption in the cooling of the thermal power plant due to heating of the water reservoir by solar radiation in summer can be ruled out.
  • the invention further relates to a method for cooling a thermal power plant with the features mentioned in claim 7.
  • a thermal power plant is used to cool, in which heat energy is used to operate an engine by means of a heat source device is generated, the engine is cooled by a primary cooling device. Furthermore, at least the primary cooling device is cooled by a secondary cooling device with secondary cooling water from a water reservoir. According to the invention, it is provided that the secondary cooling water is removed from the water reservoir at a greater depth and is fed back to the water reservoir at a smaller depth, the secondary cooling water being moved or driven exclusively independently by a static buoyancy force through the secondary cooling device.
  • the method according to the invention has the advantage that it enables automatic and fail-safe cooling of thermal power plants.
  • the primary cooling device is cooled below a surface of the earth and below a water level of the water reservoir.
  • Cooling the primary cooling device below the water level has the advantage that the buoyancy force at the location of cooling is essentially determined by the temperature of the water in the water reservoir at the level of the primary cooling device.
  • the water outlet and the water inlet are arranged in different or changing water layers of the water reservoir by means of a positioning device, taking into account a seasonal temperature profile and/or depending on a current water temperature.
  • the thermal power plant is arranged below the surface of the earth.
  • the heat source device is arranged below the earth's surface, there is also an advantageously lower safety risk when using a nuclear reactor, since the radiation is prevented from spreading.
  • the safety of the thermal power plant is increased.
  • thermal energy is removed from the water in the water reservoir by means of a heat exchange device.
  • the temperature of the water reservoir can be kept constant for ecological benefit and, on the other hand, the thermal energy can be used, for example, for heating residential buildings in larger settlements.
  • the water reservoir can therefore act as a large heat buffer storage.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a possible embodiment of a thermal power plant 1.
  • the thermal power plant 1 comprises a heat source device 2 for generating thermal energy, an engine 3 for converting the thermal energy into usable kinetic energy, a primary cooling device 4 for cooling the engine 3, a secondary cooling device 5, which is set up at least to cool the primary cooling device 4, and a water reservoir 6 with a secondary cooling water 7 for operation of the secondary cooling device 5.
  • the heat source device 2 and the secondary cooling device 5 are arranged below an earth surface 8 and below a water level 9 of the water reservoir 6.
  • the secondary cooling device 5 also has at least one water guide element 10, which is set up for the flow of the secondary cooling water 7 from the water reservoir 6 and which comprises at least one water inlet 11 and at least one water outlet 12.
  • the water inlet 11 and the water outlet 12 are arranged in the water reservoir 6 and the water inlet 11 is arranged in the water reservoir 6 below the water outlet 12. Furthermore, the primary cooling device 4, the secondary cooling device 5 and the water reservoir 6 are set up, in particular dimensioned, in such a way that the secondary cooling water 7 flows through the water-conducting element 10 exclusively independently and based on a thermal heat flow when the heat source device 2 is in operation.
  • the water-conducting element 10 and the water reservoir 6 are set up, in particular dimensioned, in such a way that the secondary cooling water 7 flows through the water-conducting element 10 exclusively independently and based on a thermal heat flow when the heat source device 2 is in operation.
  • the water reservoir 6 is preferably a sea or a lake.
  • the water reservoir 6 can be a sub-area or a section of the lake or sea.
  • the heat source device 2 preferably has a nuclear reactor 13.
  • Figure 2 shows a schematic representation of another possible embodiment of the thermal power plant 1.
  • the thermal power plant 1 preferably has a heat exchange device 14 for removing thermal energy from the water reservoir 6.
  • the heat exchange device 14 can optionally also be arranged far away from the heat source device 2, but at most at a distance at which the thermal energy introduced into the water reservoir 6 by the heat source device 2 makes a contribution of at least 10 percent to the thermal energy removed.
  • a distance of less than 1000 m, preferably less than 300 m, particularly preferably less than 50 m between the water outlet 12 and the heat exchange device 14 has proven to be suitable.
  • the water reservoir 6 is preferably a lake. Lakes or freshwater inland lakes are often found near large settlements or can be artificially created there, have low salt contents and show only a few currents that could transport away the heat energy introduced before it is removed by the heat exchange device 14.
  • the heat exchange device 14 in the in Figure 2 illustrated embodiment preferably has a heat pump.
  • the thermal power plant 1 preferably comprises a heating network 15 for forwarding the thermal energy taken from the water reservoir 6 to one or more heating consumers 16.
  • the heat source device 2 has a nuclear reactor 13, which is arranged in a pressurized water tank 17.
  • the heat source device 2 therefore has a pressurized water reactor.
  • the thermal power plant 1 is at least partially arranged in a power plant room 1a within a concrete shell 18.
  • an accumulation of earth 19 is provided on the concrete shell 18 in order to further shield the thermal power plant 1, in particular the heat source device 2, from the outside world.
  • the earth accumulation 19 is set up and/or used for the production of, preferably heat-loving, crops 19a. Because the earth accumulation 19 is arranged vertically above the heat source device 2, the earth accumulation 19 can be heated from its underside advantageously easily and without the use of complex devices, such as heating coils sunk into the ground. For this purpose, it can be advantageous if a height and/or a material composition of the soil accumulation 19 is selected such that a temperature in an area of the crops 19a is tailored to their heat needs.
  • the greenhouse is heated directly, that is to say without the use of other devices, by the heat introduced into the earth accumulation 19 by the heat source device 2. This provides the crops 19a with suitable growth conditions even in colder climates.
  • the engine 3 is designed as a steam turbine.
  • the heat source device 2 generates steam in a steam boiler 20, which flows through the engine 3, which is designed as a steam turbine, and in the Primary cooling device 4 is condensed.
  • the primary cooling device 4 is in the in Figure 2 illustrated embodiment is therefore designed as a steam condenser.
  • FIG. 2 Furthermore shows Figure 2 the thermal power plant 1 in an emergency situation. In the present emergency situation, complete cooling of the heat source device 2 by the primary cooling device 4 is no longer possible.
  • the secondary cooling device 5 has at least a first emergency valve device 21 and a second emergency valve device 22, which are shown in FIG Figure 2 emergency situation shown are open.
  • This allows the secondary cooling water 7 to penetrate directly into the power plant room 1a and the heat source device 2, in which Figure 2 illustrated embodiment, cool the pressurized water reactor directly.
  • the secondary cooling water 7 is heated, rises and leaves the power plant room 1a and the concrete shell 18 via the second emergency valve device 22, which is arranged above the first emergency valve device 21, in the direction of the secondary cooling device 5 and further through the secondary cooling device 5 the water guide element 10 and the water outlet 12 in the direction of the water reservoir 6.
  • the flow of the secondary cooling water 7 through the power plant room 1a is in the in Figure 2 illustrated embodiment marked by arrows.
  • the secondary cooling water 7 flows through the power plant room 1a automatically and only due to natural convection or thermal heat flow, so that no further energy sources are necessary to operate pump devices or the like.
  • Figure 3 shows a schematic representation of another possible embodiment of the thermal power plant 1.
  • emergency water guide elements 23 and 24 are provided in addition to the secondary cooling device 5 with the emergency valve devices 21 and 22.
  • a first emergency water guide element 23 is preferably opened automatically by means of a closing device (not shown), whereby the secondary cooling water 7 can penetrate into the power plant room 1a and there, as in connection with Figure 2 described, the heat source device 2 can cool directly.
  • the secondary cooling water 7 heated by the heat source device 2 leaves the power plant room 1a in turn through a second emergency water guide element 24, which is above the first Emergency water guide element 23 is arranged. Again, the cooling of the heat source device 2 occurs independently and based on natural convection.
  • the closing device is opened or closed depending on a temperature of the primary cooling device 4 and/or a load or current power of the thermal power plant 1. This can be done on command or automatically. As a result, the cooling and/or dimensioning of the secondary cooling device 5 of the power plant 1 can be expanded depending on the load.
  • the emergency water guide elements 23 and 24 are arranged below the earth's surface 8 and below the water level 9.
  • the emergency water guide elements 23 and 24 have the advantage that passive cooling of the heat source device 2 is also possible independently of the secondary cooling device 5. Furthermore, if necessary or in an emergency situation, a cooling capacity can be significantly increased when the secondary cooling device 5 and the emergency water guide elements 23 and 24 are operated in parallel.
  • the emergency water guiding elements 23 and 24 have at least approximately the same flow resistance, in particular the same diameter and the same length, as the sections of the water guiding element 10 running parallel thereto.
  • the heat source device 2 preferably has an output of 100 megawatts to 1,000 megawatts.
  • the water reservoir 6 also preferably has a volume of at least 10 km 3 and a depth of at least 50 m.
  • the water-conducting element 10 has a cross-sectional area of at least 10 m 2 , preferably at least 20 m 2 along its entire length.
  • the water guiding element 10 preferably has a total length of more than 30 m and less than 1000 m, preferably less than 300 m, particularly preferably less than 150 m.
  • the water inlet 11 and the water outlet 12 are arranged at a vertical distance of at least 10 m, preferably at least 20 m, particularly preferably at least 40 m from one another or in the vertical direction by at least 10 m, preferably at least 20 m, particularly preferably at least 40 m spaced apart from each other.
  • the water reservoir 6 has a roof.
  • the water reservoir 6 is an underground water reservoir 6.
  • insulation floating on the water reservoir 6 can be provided to reduce heat loss.
  • the floating insulation can in particular be Styrofoam panels connected to one another. These are buoyant without any further measures and have a good insulating effect.
  • Figure 4 shows a block diagram representation of a possible embodiment of a method for cooling the thermal power plant 1.
  • the engine 3 is cooled in a primary cooling block 30 by the primary cooling device 4.
  • a secondary cooling block 31 at least the primary cooling device 4 is cooled by the secondary cooling device 5 with secondary cooling water 7 from the water reservoir 6.
  • the secondary cooling water 7 is removed from the water reservoir 6 at a greater depth and fed back to the water reservoir 6 at a lower depth. Furthermore, the secondary cooling water 7 is moved within the framework of the secondary cooling block 31 exclusively independently by a static buoyancy force through the secondary cooling device 5.
  • the primary cooling device 4 is cooled preferably below the earth's surface 8 and below the water level 9 of the water reservoir 6.
  • the thermal power plant 1 is preferably arranged below the earth's surface 8.
  • a heat exchange block 32 is also provided, in which thermal energy is removed from the water reservoir 6 by means of the heat exchange device 14.
  • the thermal energy taken can in particular be fed into the heating network 15 and forwarded to the heating consumers 16.
  • the thermal energy can be taken from the water reservoir 6, preferably by means of a heat pump.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmekraftwerk (1), wenigstens aufweisend:
- eine Wärmequelleneinrichtung (2) zur Erzeugung einer Wärmeenergie,
- eine Kraftmaschine (3) zur Umwandlung der Wärmeenergie in nutzbare kinetische Energie,
- eine Primärkühleinrichtung (4) zur Kühlung der Kraftmaschine (3),
- eine Sekundärkühleinrichtung (5), welche wenigstens zur Kühlung der Primärkühleinrichtung (4) eingerichtet ist,
- ein Wasserreservoir (6) mit einem Sekundärkühlwasser (7) für einen Betrieb der Sekundärkühleinrichtung (5), wobei
- die Wärmequelleneinrichtung (2) und die Sekundärkühleinrichtung (5) unterhalb einer Erdoberfläche (8) und unterhalb eines Wasserspiegels (9) des Wasserreservoirs (6) angeordnet sind, wobei
- die Sekundärkühleinrichtung (5) wenigstens ein Wasserleitelement (10) aufweist, welches zur Durchströmung mit dem Sekundärkühlwasser (7) aus dem Wasserreservoir (6) eingerichtet ist und wenigstens einen Wassereinlass (11) und wenigstens einen Wasserauslass (12) umfasst, wobei
- der Wassereinlass (11) und der Wasserauslass (12) in dem Wasserreservoir (6) angeordnet sind, wobei der Wassereinlass (11) in dem Wasserreservoir (6) unterhalb des Wasserauslasses (12) angeordnet ist, und wobei
- die Primärkühleinrichtung (4), die Sekundärkühleinrichtung (5) und das Wasserreservoir (6) derart eingerichtet, insbesondere dimensioniert, sind, dass das Sekundärkühlwasser (7) das Wasserleitelement (10) bei einem Betrieb der Wärmequelleneinrichtung (2) ausschließlich selbständig und auf einer thermischen Wärmeströmung basierend durchströmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wärmekraftwerk, wenigstens aufweisend eine Wärmequelleneinrichtung zur Erzeugung einer Wärmeenergie, eine Kraftmaschine zur Umwandlung der Wärmeenergie in nutzbare kinetische Energie, eine Primärkühleinrichtung zur Kühlung der Kraftmaschine, eine Sekundärkühleinrichtung, welche wenigstens zur Kühlung der Primärkühleinrichtung eingerichtet ist und ein Wasserreservoir mit einem Sekundärkühlwasser für einen Betrieb der Sekundärkühleinrichtung.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kühlung eines Wärmekraftwerks, in welchem mittels einer Wärmequelleneinrichtung Wärmeenergie für einen Betrieb einer Kraftmaschine erzeugt wird, wonach die Kraftmaschine durch eine Primärkühleinrichtung gekühlt wird und wenigstens die Primärkühleinrichtung durch eine Sekundärkühleinrichtung mit einem Sekundärkühlwasser aus einem Wasserreservoir gekühlt wird.
  • Wärmekraftwerke zur Erzeugung von elektrischer Energie aus Wärme sind aus dem Stand der Technik bekannt.
  • Im Allgemeinen benötigen Wärmekraftwerke eine Wärmequelle sowie eine Wärmesenke, um den zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke auftretenden Wärmetransport zur Erzeugung kinetischer Energie zu nutzen.
  • Aus dem Stand der Technik bekannte Wärmekraftwerke weisen häufig eine Diskrepanz im Zeitverhalten zwischen der Wärmequelle bzw. der Wärmesenke und einem Kraftbedarf auf.
  • Während der Kraftbedarf häufig schnellen bzw. abrupten Schwankungen unterworfen ist, können die Wärmequellen bzw. Wärmesenken ein deutlich trägeres Zeitverhalten aufweisen. Beispielsweise im Fall einer Dampfmaschine kann bei einem ausbleibenden Abrufen der kinetischen Energie ein Ablassen von Dampfdruck aus einem Dampfkessel notwendig sein. Hiermit geht ein Energieverlust einher, welcher bei einer ausreichend schnellen zeitlichen Regelung der Wärmequelle, im Falle der Dampfmaschine des Kohlenfeuers, vermeidbar gewesen wäre.
  • Insbesondere bei starken Wärmequellen, wie beispielsweise Kernreaktoren, ist eine ununterbrochene Abfuhr der erzeugten Wärme von der Wärmequelle unabhängig von einer Lastaufnahme zur Erzeugung der nutzbaren Energie von besonderer Bedeutung, um Unfälle zu vermeiden.
  • Hierzu ist es aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der EP 0 656 633 A1 , bekannt, redundante Kühlsysteme vorzuhalten, welche einen Abtransport der erzeugten Wärme auch bei einem Ausfall mehrerer Systeme gewährleisten können.
  • Nachteilig an den aus dem Stand der Technik bekannten Wärmekraftwerken und deren Kühlsystemen ist, dass durch mehrfache Redundanzen große Kosten entstehen und ferner das Auftreten eines Unfalls bei einem seriellen Ausfall der redundanten Kühlsysteme nicht ausgeschlossen werden kann.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmekraftwerk zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere ausfallsicher und kostengünstig kühlbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Wärmekraftwerk mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
  • Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kühlung eines Wärmekraftwerks zu schaffen, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere eine ausfallssichere und kostengünstige Kühlung ermöglicht.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den in Anspruch 7 genannten Merkmalen gelöst.
  • Das erfindungsgemäße Wärmekraftwerk umfasst wenigstens eine Wärmequelleneinrichtung zur Erzeugung einer Wärmeenergie, eine Kraftmaschine zur Umwandlung der Wärmeenergie in nutzbare kinetische Energie, eine Primärkühleinrichtung zur Kühlung der Kraftmaschine sowie eine Sekundärkühleinrichtung, welche wenigstens zur Kühlung der Primärkühleinrichtung eingerichtet ist, sowie ein Wasserreservoir mit einem Sekundärkühlwasser für einen Betrieb der Sekundärkühleinrichtung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Wärmequelleneinrichtung und die Sekundärkühleinrichtung unterhalb einer Erdoberfläche und unterhalb eines Wasserspiegels des Wasserreservoirs angeordnet sind, und die Sekundärkühleinrichtung wenigstens ein Wasserleitelement aufweist, welches zur Durchströmung mit Sekundärkühlwasser aus dem Wasserreservoir eingerichtet ist und wenigstens einen Wassereinlass und wenigstens einem Wasserauslass umfasst. Ferner ist vorgesehen, dass der Wassereinlass und der Wasserauslass in dem Wasserreservoir angeordnet sind, wobei der Wassereinlass in dem Wasserreservoir unterhalb des Wasserauslasses angeordnet ist. Außerdem ist vorgesehen, dass die Primärkühleinrichtung, die Sekundärkühleinrichtung und das Wasserreservoir derart eingerichtet sind, insbesondere dimensioniert sind, dass das Sekundärkühlwasser das Wasserleitelement bei einem Betrieb der Wärmequelleneinrichtung ausschließlich selbständig und auf einer thermischen Wärmeströmung basierend durchströmt.
  • Im Rahmen der Erfindung ist unter dem Begriff der thermischen Wärmeströmung eine thermische Konvektion bzw. eine natürliche Konvektion bzw. eine freie Konvektion zu verstehen, wobei eine Dichte des Sekundärkühlwassers durch einen Wärmeeintrag verringert wird, was einen statischen Auftrieb des erwärmten Sekundärkühlwassers und damit das Entstehen einer Strömung desselben zur Folge hat.
  • Insbesondere können im Rahmen der Erfindung die Begriffe "thermischen Wärmeströmung", "thermische Konvektion", "natürliche Konvektion", "freie Konvektion" und/oder auch lediglich "Konvektion" und von den vorgenannten Begriffen abgeleitete Wörter als synonym aufgefasst werden.
  • Das erfindungsgemäße Wärmekraftwerk hat den Vorteil, dass wenigstens die Kühlung der Primärkühleinrichtung durch eine Passivfunktion der Sekundärkühleinrichtung sichergestellt ist. Dies ermöglicht eine Einsparung von Energie, welche andernfalls zum Betrieb von Umwälzpumpen notwendig gewesen wäre.
  • Ferner weist das erfindungsgemäße Wärmekraftwerk eine inhärente Steuerung der Kühlleistung auf: Je stärker das Sekundärkühlwasser erwärmt wird, desto stärker wird sein statischer Auftrieb und damit seine Strömungsgeschwindigkeit und damit wiederum die Kühlleistung des Sekundärkühleinrichtung.
  • Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Sekundärkühlwasser das Wasserleitelement bei einem Betrieb der Wärmequelleneinrichtung ausschließlich selbständig und auf einer thermischen Wärmeströmung basierend durchströmt.
  • Die selbständige und konvektive, d. h. auf einer thermischen Wärmeströmung basierende, Durchströmung kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass das Wasserleitelement und das Wasserreservoir sowie eine Grenzfläche zwischen der Primärkühleinrichtung und der Sekundärkühleinrichtung entsprechend eingerichtet, insbesondere dimensioniert, sind.
  • Somit kann auf ein Vorhalten redundanter Kühlsysteme verzichtet werden, da durch die hinreichend große Auslegung des Wasserleitelements und des Wasserreservoirs die auf einer thermischen Wärmeströmung basierende Kühlung durch die Sekundärkühleinrichtung zu jeder Zeit sichergestellt ist.
  • Hierzu können vorzugsweise Oberflächenvergrößerungseinrichtungen, wie beispielsweise Kühlrippen, zur Vergrößerung der Grenzfläche zwischen der Primärkühleinrichtung und der Sekundärkühleinrichtung vorgesehen sein. Hierdurch wird ein Wärmetransport zwischen der Primärkühleinrichtung und der Sekundärkühleinrichtung derart erleichtert, dass das Sekundärkühlwasser während einer Passage der Grenzfläche ausreichend erwärmt wird, um die auf einer thermischen Wärmeströmung basierende Durchströmung zu erzielen und/oder aufrecht zu erhalten.
  • Es kann ferner vorgesehen sein, dass durch das das Wasserleitelement ausschließlich selbständig und konvektiv durchströmende Sekundärkühlwasser die Wärmequelleneinrichtung, insbesondere während einer Erzeugung einer maximal möglichen Wärmeleistung, jederzeit kühlbar ist. Hierdurch kann eine hinreichende Kühlung der Wärmequelleneinrichtung jederzeit auch außerhalb eines regulären Betriebs der Wärmequelleneinrichtung, beispielsweise in einer Notfallsituation bzw. einem Störfall, sichergestellt werden.
  • Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Sekundärkühleinrichtung und die Primärkühleinrichtung, insbesondere das Wasserleitelement und das Wasserreservoir entsprechend eingerichtet, insbesondere dimensioniert, sind.
  • Die Dimensionierung des Wasserleitelements kann insbesondere einen Durchmesser und/oder einen Strömungswiderstand betreffen, welchen das Wasserleitelement dem Sekundärkühlwasser entgegensetzt.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass der Wasserauslass und der Wassereinlass unter Berücksichtigung eines jahreszeitlichen Temperaturverlaufs in verschiedenen Wasserschichten des Wasserreservoirs angeordnet sind.
  • Hierdurch kann insbesondere vermieden werden, dass ein freier bzw. natürlicher Konvektionsstrom aufgrund starker Erwärmung in oberen Gewässerschichten, beispielsweise während eines Sommers, verringert wird.
  • Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Wärmekraftwerk an Land unterhalb der Erdoberfläche, insbesondere in einer künstlichen und/oder natürlichen Grube, Höhle, Vertiefung oder ähnlichem angeordnet bzw. vergraben ist.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks kann vorgesehen sein, dass das Wasserreservoir ganz oder teilweise ein Meer oder ein See ist.
  • Die Verwendung eines großen Wasserreservoirs, insbesondere eines Meers oder eines ausreichend großen Sees oder eines Teils bzw. Abschnitts bzw. Bereichs des Meers oder des ausreichend großen Sees, hat den Vorteil, dass das Wasserreservoir eine ausreichend große Wärmesenke darstellt, um die Wärmequelleneinrichtung selbst bei einer maximal auftretenden Wärmeleistung zuverlässig und nahezu unbegrenzt zu kühlen. Dies ergibt sich insbesondere daraus, dass bei einer, beispielsweise um wenige Kelvin, erhöhten Temperatur des Wasserreservoirs sich auch dessen Wärmeverlust beispielsweise durch Abstrahlung oder Verdunstung erhöht.
  • Ist ferner das Wasserreservoir ausreichend groß, kann dieses ohne weiteres beispielsweise im Sommer eingetragene Wärmeenergie in einem Winter wieder abgeben, so dass sich eine Jahresdurchschnittstemperatur des Wasserreservoirs einpendelt, welche lediglich geringfügig über demjenigen Niveau liegt, welches ohne einen Wärmeeintrag durch die Sekundärkühleinrichtung vorliegen würde.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks kann eine Wärmetauscheinrichtung zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Wasserreservoir vorgesehen sein.
  • Durch die Eignung des Wasserreservoirs als Wärmesenke für die bei der Kühlung der Wärmequelleneinrichtung abgeführten Wärmeenergie ergibt sich auch eine Eignung des Wasserreservoirs als Wärmequelle. Insbesondere kann dem Wasserreservoir Wärme zu Zeiten bzw. Zeiträumen entzogen werden, in welchen ein erhöhter Bedarf besteht, wodurch das Wasserreservoir die Wirkung eines sehr groß dimensionierten Pufferspeichers aufweist.
  • Es kann vorteilhafterweise vorgesehen sein, dass die Wärmetauscheinrichtung eine Wärmepumpe aufweist.
  • Durch den Einsatz einer Wärmepumpe kann dem Wasserreservoir eine große Menge Wärmeenergie unter einem geringen Einsatz elektrischer Energie entzogen werden. Ferner kann mittels der Wärmepumpe eine aktive Kühlung des Wasserreservoirs vorgenommen werden. Beispielsweise kann bei einer zu starken Erwärmung des Wasserreservoirs in den Sommermonaten unter Einsatz elektrischer Energie, welche in den Sommermonaten beispielsweise durch Solarenergie zur Verfügung gestellt werden kann, dem Wasserreservoir Wärme entzogen werden, um Auswirkungen auf die Ökologie des Wasserreservoirs zu vermeiden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks kann vorgesehen sein, dass ein Heizwärmenetz zur Weiterleitung der dem Wasserreservoir entnommenen Wärmeenergie zu einem oder mehreren Heizwärmeverbrauchern vorgesehen ist.
  • Ist das Wasserreservoir beispielsweise ein See in der Nähe einer größeren Siedlung, so kann die durch die Wärmequelleneinrichtung dem Wasserreservoir zugeführte Wärmeenergie zeitlich versetzt dem Wasserreservoir entnommen und der Siedlung mittels des Heizwärmenetzes zugeführt werden.
  • Das Heizwärmenetz kann als Nahwärmenetz und/oder als Fernwärmenetz ausgebildet sein, wobei ein Transportmedium, insbesondere Wasser, zum Wärmetransport vorgesehen ist. Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Transportmedium in dem Fernwärmenetz mit höherer Temperatur, insbesondere als Heißwasser, transportiert wird. Ferner kann diesem Fall die Wärmetauscheinrichtung als Großwärmepumpe ausgebildet ist.
  • Zur Ausbildung als Nahwärmenetz kann es von Vorteil sein, wenn wenigen, eng beieinander angeordneten Heizwärmeverbrauchern jeweils eine eigene Wärmetauscheinrichtung zugeordnet ist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass eine Gruppe von zwei bis zehn Gebäuden, welche innerhalb eines Radius von 100 m am Rand des Wasserreservoirs angeordnet sind, sich eine Wärmetauscheinrichtung teilen.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks kann vorgesehen sein, dass die Wärmequelleneinrichtung einen Kernreaktor aufweist.
  • Insbesondere bei Kernreaktoren ist eine zuverlässige und störungssichere Kühlung von größter Bedeutung, da durch eine ausreichend effiziente Kühlung eine Wärmeleistung der Wärmequelleneinrichtung auch im Falle der Maximalleistung, d. h. beispielsweise im Fall einer Kernschmelze, abgeführt werden kann. Während bei konventionellen Wärmekraftwerken über eine Drosselung der Zuführung des Brennstoffs wenigstens mittelfristig die Wärmeleistung der Wärmequelleneinrichtung reduziert werden kann, kann dies im Falle einer Kernschmelze oder einem Ausfall der Steuersysteme bei einem Kernreaktor nicht mehr möglich sein. In diesem Fall ist zur Vermeidung weiterer Schäden oder dem tatsächlichen Eintreten einer Kernschmelze bei einem Verlust der Steuerfähigkeit eine andauernde und ausreichende Kühlung auch über sehr lange Zeiträume notwendig und von Vorteil.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass ein oder mehrere Notfallventileinrichtungen vorhanden sind, um auch eine direkte Kühlung der Wärmequelleneinrichtung durch die Sekundärkühleinrichtung zu ermöglichen.
  • Insbesondere im Fall von Druckwasserreaktoren kann vorgesehen sein, dass die Sekundärkühleinrichtung zur notfallmäßigen direkten Kühlung des Druckwasserreaktors eingerichtet ist. Dadurch, dass allfällige radioaktive Stoffe im Druckwasserreaktor eingeschlossen sind, wird eine Kontamination des Sekundärkühlwassers mit dem Inhalt des Druckwasserreaktors vermieden, während das Sekundärkühlwasser den Druckwasserreaktor allseitig umströmt. Hierzu können Oberflächenvergrößerungseinrichtungen, wie beispielsweise Kühlrippen, an dem Druckwasserreaktor vorgesehen sein, um eine ausreichende Wärmeübertragung an das den Druckwasserreaktor allseitig umströmende Sekundärkühlwasser zu gewährleisten.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks kann vorgesehen sein, dass die Wärmequelleneinrichtung eine Leistung von 100 MW bis 1000 MW aufweist, dass das Wasserreservoir ein Volumen von wenigstens 10 Kubikkilometer aufweist, und dass das Wasserreservoir eine Tiefe von wenigstens 50 m aufweist.
  • Die vorgenannten Werte für die Wärmeleistung der Wärmequelleneinrichtung, das Volumen des Wasserreservoirs und der Tiefe des Wasserreservoirs haben sich als besonders vorteilhaft zur Implementierung des erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks herausgestellt.
  • Eine begrenzte Leistung der Wärmequelleneinrichtung auf 100 MW bis 1000 MW vergrößert die Anzahl an in Betracht kommenden natürlichen Wasserreservoirs, insbesondere von Seen, welche zu einer hinreichenden und ständigen Kühlung der Wärmequelleneinrichtung ausreichen.
  • Hierauf abgestimmt eignet sich insbesondere ein Wasserreservoir mit einem Volumen von wenigstens 10 Kubikkilometern. Eine Wassertiefe von wenigstens 50 m ermöglicht eine vorteilhaft konstante Temperaturschichtung des Wassers über die Jahreszeiten hinweg, so dass eine Störung der Kühlung des Wärmekraftwerks durch eine Erwärmung des Wasserreservoirs durch Sonneneinstrahlung im Sommer ausgeschlossen werden kann.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Kühlung eines Wärmekraftwerks mit den Anspruch 7 genannten Merkmalen.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird zur Kühlung eines Wärmekraftwerks, in welchem mittels einer Wärmequelleneinrichtung Wärmeenergie für einen Betrieb einer Kraftmaschine erzeugt wird, die Kraftmaschine durch eine Primärkühleinrichtung gekühlt. Ferner wird wenigstens die Primärkühleinrichtung durch eine Sekundärkühleinrichtung mit einem Sekundärkühlwasser aus einem Wasserreservoir gekühlt. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Sekundärkühlwasser in einer größeren Tiefe aus dem Wasserreservoir entnommen wird und in einer geringeren Tiefe dem Wasserreservoir wieder zugeführt wird, wobei das Sekundärkühlwasser ausschließlich selbständig durch eine statische Auftriebskraft durch die Sekundärkühleinrichtung bewegt bzw. getrieben wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass es eine selbsttätige und störungssichere Kühlung von Wärmekraftwerken ermöglicht.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Primärkühleinrichtung unterhalb einer Erdoberfläche und unterhalb eines Wasserspiegels des Wasserreservoirs gekühlt wird.
  • Eine Kühlung der Primärkühleinrichtung unterhalb des Wasserspiegels hat den Vorteil, dass die Auftriebskraft am Ort der Kühlung im Wesentlichen durch die Temperatur des Wassers des Wasserreservoirs auf der Höhe der Primärkühleinrichtung bestimmt wird.
  • Ferner kann vorgesehen sein, dass der Wasserauslass und der Wassereinlass mittels einer Positioniereinrichtung unter Berücksichtigung eines jahreszeitlichen Temperaturverlaufs und/oder in Abhängigkeit einer momentanen Wassertemperatur in unterschiedlichen bzw. wechselnden Wasserschichten des Wasserreservoirs angeordnet werden.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Wärmekraftwerk unterhalb der Erdoberfläche angeordnet wird.
  • Ist die Wärmequelleneinrichtung unterhalb der Erdoberfläche angeordnet, so ergibt sich ferner ein vorteilhaft geringeres Sicherheitsrisiko im Falle der Verwendung eines Kernreaktors, da ein Ausbreiten der Strahlung verhindert wird. Insbesondere bei einem Vorhandensein einer Betonhülle mit einer Deckeleinrichtung und/oder Erdanhäufung, welche einen vollständigen Abschluss der Wärmequelleneinrichtung nach oben in Richtung einer Atmosphäre ermöglicht, wird eine Sicherheit des Wärmekraftwerks erhöht.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass dem Wasser des Wasserreservoirs mittels einer Wärmetauscheinrichtung Wärmeenergie entnommen wird.
  • Durch die Entnahme von Wärmeenergie kann eine Temperatur des Wasserreservoirs zum ökologischen Vorteil konstant gehalten werden und zum anderen kann die Wärmeenergie beispielsweise zur Heizung in Wohngebäuden von größeren Siedlungen verwendet werden. Das Wasserreservoir kann mithin als großer Wärmepufferspeicher wirken.
  • Merkmale, die im Zusammenhang mit einem der Gegenstände der Erfindung, namentlich gegeben durch das erfindungsgemäße Wärmekraftwerk oder das erfindungsgemäße Verfahren, beschrieben wurden, sind auch für die anderen Gegenstände der Erfindung vorteilhaft umsetzbar. Ebenso können Vorteile, die im Zusammenhang mit einem der Gegenstände der Erfindung genannt wurden, auch auf die anderen Gegenstände der Erfindung bezogen verstanden werden.
  • Ergänzend sei darauf hingewiesen, dass Begriffe wie "umfassend", "aufweisend" oder "mit" keine anderen Merkmale oder Schritte ausschließen. Ferner schließen Begriffe wie "ein" oder "das", die auf eine Einzahl von Schritten oder Merkmalen hinweisen, keine Mehrzahl von Merkmalen oder Schritten aus - und umgekehrt.
  • In einer puristischen Ausführungsform der Erfindung kann allerdings auch vorgesehen sein, dass die in der Erfindung mit den Begriffen "umfassend", "aufweisend" oder "mit" eingeführten Merkmale abschließend aufgezählt sind. Dementsprechend kann eine oder können mehrere Aufzählungen von Merkmalen im Rahmen der Erfindung als abgeschlossen betrachtet werden, beispielsweise jeweils für jeden Anspruch betrachtet. Die Erfindung kann beispielsweise ausschließlich aus den in Anspruch 1 genannten Merkmalen bestehen.
  • Es sei erwähnt, dass Bezeichnungen wie "erstes" oder "zweites" etc. vornehmlich aus Gründen der Unterscheidbarkeit von jeweiligen Vorrichtungs- oder Verfahrensmerkmalen verwendet werden und nicht unbedingt andeuten sollen, dass sich Merkmale gegenseitig bedingen oder miteinander in Beziehung stehen.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
  • Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung in Kombination miteinander dargestellt sind. Merkmale eines Ausführungsbeispiels sind auch losgelöst von den anderen Merkmalen des gleichen Ausführungsbeispiels umsetzbar und können dementsprechend von einem Fachmann ohne Weiteres zu weiteren sinnvollen Kombinationen und Unterkombinationen mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele verbunden werden.
  • In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks;
    Figur 2
    eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks;
    Figur 3
    eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmekraftwerks; und
    Figur 4
    eine blockdiagrammäßige Darstellung einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
  • Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines Wärmekraftwerks 1.
  • Das Wärmekraftwerk 1 umfasst eine Wärmequelleneinrichtung 2 zur Erzeugung einer Wärmeenergie, eine Kraftmaschine 3 zur Umwandlung der Wärmeenergie in nutzbare kinetische Energie, eine Primärkühleinrichtung 4 zur Kühlung der Kraftmaschine 3, eine Sekundärkühleinrichtung 5, welche wenigstens zur Kühlung der Primärkühleinrichtung 4 eingerichtet ist, sowie ein Wasserreservoir 6 mit einem Sekundärkühlwasser 7 für einen Betrieb der Sekundärkühleinrichtung 5. Bei dem Wärmekraftwerk 1 sind die Wärmequelleneinrichtung 2 und die Sekundärkühleinrichtung 5 unterhalb einer Erdoberfläche 8 und unterhalb eines Wasserspiegels 9 des Wasserreservoirs 6 angeordnet. Die Sekundärkühleinrichtung 5 weist ferner wenigstens ein Wasserleitelement 10 auf, welches zur Durchströmung mit dem Sekundärkühlwasser 7 aus dem Wasserreservoir 6 eingerichtet ist und welches wenigstens einen Wassereinlass 11 sowie wenigstens einen Wasserauslass 12 umfasst. Hierbei sind der Wassereinlass 11 und der Wasserauslass 12 in dem Wasserreservoir 6 angeordnet und der Wassereinlass 11 ist in dem Wasserreservoir 6 unterhalb des Wasserauslasses 12 angeordnet. Ferner sind die Primärkühleinrichtung 4, die Sekundärkühleinrichtung 5 und das Wasserreservoir 6 derart eingerichtet, insbesondere dimensioniert, dass das Sekundärkühlwasser 7 das Wasserleitelement 10 bei einem Betrieb der Wärmequelleneinrichtung 2 ausschließlich selbständig und auf einer thermischen Wärmeströmung basierend durchströmt.
  • Im Ausführungsbeispiel sind insbesondere das Wasserleitelement 10 und das Wasserreservoir 6 derart eingerichtet, insbesondere dimensioniert, dass das Sekundärkühlwasser 7 das Wasserleitelement 10 bei einem Betrieb der Wärmequelleneinrichtung 2 ausschließlich selbständig und auf einer thermischen Wärmeströmung basierend durchströmt.
  • In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wasserreservoir 6 vorzugsweise ein Meer oder ein See.
  • In einer nicht dargestellten alternativen Ausführungsform kann das Wasserreservoir 6 ein Teilbereich bzw. ein Abschnitt des Sees oder Meers sein.
  • In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Wärmequelleneinrichtung 2 vorzugsweise einen Kernreaktor 13 auf.
  • Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform des Wärmekraftwerks 1.
  • In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Wärmekraftwerk 1 vorzugsweise eine Wärmetauscheinrichtung 14 zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Wasserreservoir 6 auf. Die Wärmetauscheinrichtung 14 kann gegebenenfalls auch weit entfernt von der Wärmequelleneinrichtung 2 angeordnet sein, jedoch höchstens in einer Entfernung, in welcher die durch die Wärmequelleneinrichtung 2 in das Wasserreservoir 6 eingetragene Wärmeenergie einen Beitrag von wenigstens 10 Prozent zu der entnommenen Wärmeenergie leistet. Im Rahmen der Erfindung hat sich ein Abstand von weniger als 1000 m, vorzugsweise weniger 300 m, besonders bevorzugt weniger als 50 m zwischen dem Wasserauslass 12 und der Wärmetauscheinrichtung 14 als geeignet erwiesen.
  • In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wasserreservoir 6 vorzugsweise ein See. Seen bzw. Süßwasserbinnenseen sind häufig in der Nähe großer Siedlungen anzutreffen oder dort künstlich anlegbar, weisen geringe Salzgehalte auf und zeigen nur wenige Strömungen, welche die eingetragene Wärmeenergie vor einer Entnahme durch die Wärmetauscheinrichtung 14 abtransportieren könnten.
  • Ferner weist die Wärmetauscheinrichtung 14 in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel vorzugsweise eine Wärmepumpe auf.
  • Gemäß dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst das Wärmekraftwerk 1 vorzugsweise ein Heizwärmenetz 15 zur Weiterleitung der dem Wasserreservoir 6 entnommenen Wärmeenergie zu einem oder mehreren Heizwärmeverbrauchern 16.
  • In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Wärmequelleneinrichtung 2 einen Kernreaktor 13 auf, welcher in einem Druckwasserbehälter 17 angeordnet ist. Die Wärmequelleneinrichtung 2 weist mithin einen Druckwasserreaktor auf.
  • In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Wärmekraftwerk 1 wenigstens teilweise in einem Kraftwerksraum 1a innerhalb einer Betonhülle 18 angeordnet. Oberhalb der Erdoberfläche 8 ist eine Erdanhäufung 19 auf der Betonhülle 18 vorgesehen, um eine weitere Abschirmung des Wärmekraftwerks 1, insbesondere der Wärmequelleneinrichtung 2 zur Außenwelt, zu bewirken.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Erdanhäufung 19 zur Produktion von, vorzugsweise wärmeliebenden, Nutzpflanzen 19a eingerichtet ist und/oder verwendet wird. Dadurch dass die Erdanhäufung 19 vertikal über der Wärmequelleneinrichtung 2 angeordnet ist, kann eine Erwärmung der Erdanhäufung 19 von ihrer Unterseite her vorteilhaft einfach und ohne Verwendung komplexer Einrichtungen, wie beispielsweise im Boden versenkte Heizschlangen, erfolgen. Hierzu kann es von Vorteil sein, wenn eine Höhe und/oder eine Materialzusammensetzung der Erdanhäufung 19 derart gewählt ist, dass eine Temperatur in einem Bereich der Nutzpflanzen 19a auf deren Wärmebedürfnis abgestimmt ist.
  • Ferner kann vorgesehen sein, auf der Erdanhäufung 19 ein (in Figur 2 nicht dargestelltes) Gewächshaus zur Produktion der Nutzpflanzen 19a anzuordnen. Das Gewächshaus wird in diesem Falle durch die von der Wärmequelleneinrichtung 2 in die Erdanhäufung 19 eingetragene Wärme unmittelbar, das heißt ohne Verwendung weiterer Einrichtungen, geheizt. Hierdurch werden auch in kälteren Klimaten den Nutzpflanzen 19a geeignete Wachstumsbedingungen zur Verfügung gestellt.
  • Hierdurch wird eine kostengünstige und umweltschonende Produktion von wärmeliebenden Nutzpflanzen 19a zur Versorgung eines Marktes in der Umgebung des Kraftwerks 1 unter Vermeidung langer Transportwege ermöglicht werden.
  • In dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kraftmaschine 3 als Dampfturbine ausgebildet. Die Wärmequelleneinrichtung 2 erzeugt in einem Dampfkessel 20 Wasserdampf, welcher die Kraftmaschine 3, welche als Dampfturbine ausgebildet ist, durchströmt und in der Primärkühleinrichtung 4 kondensiert wird. Die Primärkühleinrichtung 4 ist in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel mithin als Dampfkondensator ausgebildet.
  • Ferner zeigt Figur 2 das Wärmekraftwerk 1 in einer Notfallsituation. In der vorliegenden Notfallsituation ist eine vollständige Kühlung der Wärmequelleneinrichtung 2 durch die Primärkühleinrichtung 4 nicht mehr möglich.
  • Die Sekundärkühleinrichtung 5 weist wenigstens eine erste Notfallventileinrichtung 21 und eine zweite Notfallventileinrichtung 22 auf, welche in der in Figur 2 dargestellten Notfallsituation geöffnet sind. Hierdurch kann das Sekundärkühlwasser 7 direkt in den Kraftwerksraum 1a eindringen und die Wärmequelleneinrichtung 2, in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel den Druckwasserreaktor, direkt kühlen. In einer näheren Umgebung der Wärmequelleneinrichtung 2 wird das Sekundärkühlwasser 7 erwärmt, steigt auf und verlässt den Kraftwerksraum 1a und die Betonhülle 18 über die zweite Notfallventileinrichtung 22, welche über der ersten Notfallventileinrichtung 21 angeordnet ist, in Richtung der Sekundärkühleinrichtung 5 und ferner die Sekundärkühleinrichtung 5 durch das Wasserleitelement 10 und den Wasserauslass 12 in Richtung des Wasserreservoirs 6. Der Fluss des Sekundärkühlwassers 7 durch den Kraftwerksraum 1a ist in dem in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch Pfeile gekennzeichnet. Insbesondere durchströmt das Sekundärkühlwasser 7 den Kraftwerksraum 1a selbsttätig und lediglich aufgrund von natürlicher Konvektion bzw. thermischer Wärmeströmung, so dass keine weiteren Energiequellen zum Betrieb von Pumpeneinrichtungen oder ähnlichem nötig sind.
  • Hinsichtlich der weiteren Bezugszeichenvergabe sei auf die Figur 1 verwiesen.
  • Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren möglichen Ausführungsform des Wärmekraftwerks 1.
  • In dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel des Wärmekraftwerks 1 sind zusätzlich zu der Sekundärkühleinrichtung 5 mit den Notfallventileinrichtungen 21 und 22 Notfallwasserleitelemente 23 und 24 vorgesehen.
  • Ein erstes Notfallwasserleitelement 23 wird im Falle einer Notfallsituation mittels einer nicht dargestellten Verschließeinrichtung vorzugsweise selbsttätig geöffnet, wodurch das Sekundärkühlwasser 7 in den Kraftwerksraum 1a eindringen kann und dort, wie im Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben, die Wärmequelleneinrichtung 2 direkt kühlen kann. Das durch die Wärmequelleneinrichtung 2 erwärmte Sekundärkühlwasser 7 verlässt den Kraftwerksraum 1a wiederum durch ein zweites Notfallwasserleitelement 24, welches über dem ersten Notfallwasserleitelement 23 angeordnet ist. Wiederum erfolgt die Kühlung der Wärmequelleneinrichtung 2 selbständig und auf natürlicher Konvektion beruhend.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Verschließeinrichtung in Abhängigkeit von einer Temperatur der Primärkühleinrichtung 4 und/oder einer Last bzw. momentanen Leistung der Wärmekraftwerks 1 geöffnet bzw. geschlossen wird. Dies kann auf Befehl oder selbsttätig erfolgen. Hierdurch ist die Kühlung und/oder eine Dimensionierung der Sekundärkühleinrichtung 5 des Kraftwerks 1 lastabhängig erweiterbar.
  • Die Notfallwasserleitelemente 23 und 24 sind unterhalb der Erdoberfläche 8 sowie unterhalb des Wasserspiegels 9 angeordnet.
  • Die Notfallwasserleitelemente 23 und 24 haben den Vorteil, dass eine passive Kühlung der Wärmequelleneinrichtung 2 auch unabhängig von der Sekundärkühleinrichtung 5 möglich ist. Ferner kann im Bedarfsfall bzw. in der Notfallsituation eine Kühlleistung bei einem Parallelbetrieb der Sekundärkühleinrichtung 5 sowie der Notfallwasserleitelemente 23 und 24 deutlich erhöht werden.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die Notfallwasserleitelemente 23 und 24 wenigstens annähernd denselben Strömungswiderstand, insbesondere denselben Durchmesser und dieselbe Länge, aufweisen wie die parallel dazu verlaufenden Abschnitte des Wasserleitelements 10.
  • Hinsichtlich der weiteren Bezugszeichenvergabe sei auf die Figuren 1 und 2 verwiesen.
  • In dem in den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Wärmequelleneinrichtung 2 vorzugsweise eine Leistung von 100 Megawatt bis 1.000 Megawatt auf. Das Wasserreservoir 6 weist ferner vorzugsweise ein Volumen von wenigstens 10 km3 sowie eine Tiefe von wenigstens 50 m auf.
  • In dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Wasserleitelement 10 entlang seiner gesamten Länge eine Querschnittsfläche von wenigstens 10 m2, vorzugsweise wenigstens 20 m2 auf. Außerdem weist in den Ausführungsbeispielen gemäß den Figuren 1 bis 3 das Wasserleitelement 10 vorzugsweise eine Gesamtlänge von mehr als 30 m und weniger als 1000 m, vorzugsweise weniger als 300 m, besonders bevorzugt weniger als 150 m auf. Hierdurch kann die Kühlung der Wärmequelleneinrichtung 2 selbständig und auf natürlicher Konvektion beruhend ausgeführt werden.
  • Ferner sind der Wassereinlass 11 und der Wasserauslass 12 in einem vertikalen Abstand von wenigstens 10 m, vorzugsweise wenigstens 20 m, besonders bevorzugt wenigstens 40 m zueinander angeordnet bzw. in vertikaler Richtung um wenigstens 10 m, vorzugsweise wenigstens 20 m, besonders bevorzugt wenigstens 40 m voneinander beabstandet.
  • In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass das Wasserreservoir 6 eine Überdachung aufweist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Wasserreservoir 6 um ein unterirdisches Wasserreservoir 6 handelt. Hierdurch kann ein Wärmeverlust bei der Nutzung der durch das Wärmekraftwerk 1 in das Wasserreservoir 6 eingetragenen Wärmeenergie verringert werden, was insbesondere bei einem Vorhandensein der Wärmetauscheinrichtung 14 von Vorteil ist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann in einer nicht dargestellten Ausführungsform eine auf dem Wasserreservoir 6 schwimmende Isolierung zur Verminderung eines Wärmeverlusts vorgesehen sein. Bei der schwimmenden Isolierung kann es sich insbesondere um miteinander verbundene Styroporplatten handeln. Diese sind ohne weitere Maßnahmen schwimmfähig und weisen eine gute Isolationswirkung auf.
  • Figur 4 zeigt eine blockdiagrammmäßige Darstellung einer möglichen Ausführungsform eines Verfahrens zur Kühlung des Wärmekraftwerks 1.
  • Bei dem Verfahren zur Kühlung des Wärmekraftwerks 1, in welchem mittels der Wärmequelleneinrichtung 2 Wärmeenergie für einen Betrieb der Kraftmaschine 3 erzeugt wird, wird in einem Primärkühlblock 30 die Kraftmaschine 3 durch die Primärkühleinrichtung 4 gekühlt. In einem Sekundärkühlblock 31 wird wenigstens die Primärkühleinrichtung 4 durch die Sekundärkühleinrichtung 5 mit Sekundärkühlwasser 7 aus dem Wasserreservoir 6 gekühlt. Im Rahmen des Sekundärkühlblocks 31 wird das Sekundärkühlwasser 7 in einer größeren Tiefe aus dem Wasserreservoir 6 entnommen und in einer geringeren Tiefe dem Wasserreservoir 6 wieder zugeführt. Ferner wird das Sekundärkühlwasser 7 im Rahmen des Sekundärkühlblocks 31 ausschließlich selbständig durch eine statische Auftriebskraft durch die Sekundärkühleinrichtung 5 bewegt.
  • Im Rahmen des Primärkühlblocks 30 und/oder des Sekundärkühlblocks 31 kann vorgesehen sein, dass die Primärkühleinrichtung 4 vorzugsweise unterhalb der Erdoberfläche 8 und unterhalb des Wasserspiegels 9 des Wasserreservoirs 6 gekühlt wird.
  • Vorzugsweise wird das Wärmekraftwerk 1 unterhalb der Erdoberfläche 8 angeordnet.
  • Bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform des Verfahrens ist ferner ein Wärmetauschblock 32 vorgesehen, bei dem dem Wasserreservoir 6 mittels der Wärmetauscheinrichtung 14 Wärmeenergie entnommen wird.
  • Die entnommene Wärmeenergie kann insbesondere in das Heizwärmenetz 15 eingespeist und zu den Heizwärmeverbrauchern 16 weitergeleitet werden. Hierzu kann die Wärmeenergie dem Wasserreservoir 6 vorzugsweise mittels einer Wärmepumpe entnommen werden.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Wärmekraftwerk
    1a
    Kraftwerksraum
    2
    Wärmequelleneinrichtung
    3
    Kraftmaschine
    4
    Primärkühleinrichtung
    5
    Sekundärkühleinrichtung
    6
    Wasserreservoir
    7
    Sekundärkühlwasser
    8
    Erdoberfläche
    9
    Wasserspiegel
    10
    Wasserleitelement
    11
    Wassereinlass
    12
    Wasserauslass
    13
    Kernreaktor
    14
    Wärmetauscheinrichtung
    15
    Heizwärmenetz
    16
    Heizwärmeverbraucher
    17
    Druckwasserbehälter
    18
    Betonhülle
    19
    Erdanhäufung
    19a
    Nutzpflanze
    20
    Dampfkessel
    21
    erste Notfallventileinrichtung
    22
    zweite Notfallventileinrichtung
    23
    erstes Notfallwasserleitelement
    24
    zweites Notfallwasserleitelement
    30
    Primärkühlblock
    31
    Sekundärkühlblock
    32
    Wärmetauschblock

Claims (10)

  1. Wärmekraftwerk (1), wenigstens aufweisend:
    - eine Wärmequelleneinrichtung (2) zur Erzeugung einer Wärmeenergie,
    - eine Kraftmaschine (3) zur Umwandlung der Wärmeenergie in nutzbare kinetische Energie,
    - eine Primärkühleinrichtung (4) zur Kühlung der Kraftmaschine (3),
    - eine Sekundärkühleinrichtung (5), welche wenigstens zur Kühlung der Primärkühleinrichtung (4) eingerichtet ist,
    - ein Wasserreservoir (6) mit einem Sekundärkühlwasser (7) für einen Betrieb der Sekundärkühleinrichtung (5),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Wärmequelleneinrichtung (2) und die Sekundärkühleinrichtung (5) unterhalb einer Erdoberfläche (8) und unterhalb eines Wasserspiegels (9) des Wasserreservoirs (6) angeordnet sind, dass
    - die Sekundärkühleinrichtung (5) wenigstens ein Wasserleitelement (10) aufweist, welches zur Durchströmung mit dem Sekundärkühlwasser (7) aus dem Wasserreservoir (6) eingerichtet ist und wenigstens einen Wassereinlass (11) und wenigstens einen Wasserauslass (12) umfasst, dass
    - der Wassereinlass (11) und der Wasserauslass (12) in dem Wasserreservoir (6) angeordnet sind, wobei der Wassereinlass (11) in dem Wasserreservoir (6) unterhalb des Wasserauslasses (12) angeordnet ist, und dass
    - die Primärkühleinrichtung (4), die Sekundärkühleinrichtung (5) und das Wasserreservoir (6) derart eingerichtet, insbesondere dimensioniert, sind, dass das Sekundärkühlwasser (7) das Wasserleitelement (10) bei einem Betrieb der Wärmequelleneinrichtung (2) ausschließlich selbständig und auf einer thermischen Wärmeströmung basierend durchströmt.
  2. Wärmekraftwerk (1) nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Wasserreservoir (6) ganz oder teilweise ein Meer oder ein See ist.
  3. Wärmekraftwerk (1) nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    eine Wärmetauscheinrichtung (14) zur Entnahme von Wärmeenergie aus dem Wasserreservoir (6) vorgesehen ist.
  4. Wärmekraftwerk (1) nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    ein Heizwärmenetz (15) zur Weiterleitung der dem Wasserreservoir (6) entnommenen Wärmeenergie zu einem oder mehreren Heizwärmeverbrauchern (16) vorgesehen ist.
  5. Wärmekraftwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Wärmequelleneinrichtung (2) einen Kernreaktor (13) aufweist.
  6. Wärmekraftwerk (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - die Wärmequelleneinrichtung (2) eine Leistung von 100 MW bis 1000 MW aufweist, dass
    - das Wasserreservoir (6) ein Volumen von wenigstens 10 Kubikkilometer aufweist, und dass
    - das Wasserreservoir (6) eine Tiefe von wenigstens 50 m aufweist.
  7. Verfahren zur Kühlung eines Wärmekraftwerks (1), in welchem mittels einer Wärmequelleneinrichtung (2) Wärmeenergie für einen Betrieb einer Kraftmaschine (3) erzeugt wird, wonach
    - die Kraftmaschine (3) durch eine Primärkühleinrichtung (4) gekühlt wird, und
    - wenigstens die Primärkühleinrichtung (4) durch eine Sekundärkühleinrichtung (5) mit einem Sekundärkühlwasser (7) aus einem Wasserreservoir (6) gekühlt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    - das Sekundärkühlwasser (7) in einer größeren Tiefe aus dem Wasserreservoir (6) entnommen wird und in einer geringeren Tiefe dem Wasserreservoir (6) wieder zugeführt wird, und dass
    - das Sekundärkühlwasser (7) ausschließlich selbständig durch eine statische Auftriebskraft durch die Sekundärkühleinrichtung (5) bewegt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Primärkühleinrichtung (4) unterhalb einer Erdoberfläche (8) und unterhalb eines Wasserspiegels (9) des Wasserreservoirs (6) gekühlt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Wärmekraftwerk (1) unterhalb der Erdoberfläche (8) angeordnet wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    dem Wasserreservoir (6) mittels einer Wärmetauscheinrichtung (14) Wärmeenergie entnommen wird.
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0656633A1 (de) 1995-01-16 1995-06-07 Siemens Aktiengesellschaft Kernbehälter eines Siedewasser-Reaktors sowie Verfahren zur Ertüchtigung eines Kernbehälters
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