EP4662405A1 - Geothermisches subterranes aufwindkraftwerk - Google Patents

Geothermisches subterranes aufwindkraftwerk

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Publication number
EP4662405A1
EP4662405A1 EP24704765.7A EP24704765A EP4662405A1 EP 4662405 A1 EP4662405 A1 EP 4662405A1 EP 24704765 A EP24704765 A EP 24704765A EP 4662405 A1 EP4662405 A1 EP 4662405A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
air
chimney
power plant
sector
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24704765.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Karl SCHLICHTING
Erik Reuther
Wolfgang Bader-Schlimpert
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ecotec Gruppe Ag
Original Assignee
Ecotec Gruppe Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ecotec Gruppe Ag filed Critical Ecotec Gruppe Ag
Publication of EP4662405A1 publication Critical patent/EP4662405A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/30—Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/48—Wind motors specially adapted for installation in particular locations using landscape topography, e.g. valleys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/30—Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/34—Wind motors specially adapted for installation in particular locations on stationary objects or on stationary man-made structures
    • F03D9/35—Wind motors specially adapted for installation in particular locations on stationary objects or on stationary man-made structures within towers, e.g. using chimney effects
    • F03D9/37—Wind motors specially adapted for installation in particular locations on stationary objects or on stationary man-made structures within towers, e.g. using chimney effects with means for enhancing the air flow within the tower, e.g. by heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G—SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS; MECHANICAL-POWER PRODUCING DEVICES OR MECHANISMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR OR USING ENERGY SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03G4/00—Devices for producing mechanical power from geothermal energy
    • F03G4/001—Binary cycle plants where the source fluid from the geothermal collector heats the working fluid via a heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2240/00—Components
    • F05B2240/10—Stators
    • F05B2240/13—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines
    • F05B2240/131—Stators to collect or cause flow towards or away from turbines by means of vertical structures, i.e. chimneys
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05B2260/24—Heat transfer, e.g. cooling for draft enhancement in chimneys, using solar or other heat sources
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/46—Conversion of thermal power into mechanical power, e.g. Rankine, Stirling or solar thermal engines
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction

Definitions

  • the invention is based on an updraft power plant with at least one chimney which runs at least partially underground and which is connected at its lower end to an air collection chamber in which air from all air-conducting system components is collected and through which the air can flow into the chimney, as well as supply air ducts through which ambient air can be fed into the air collection chamber in such a way that the air in the supply air ducts is heated by the soil surrounding the supply air ducts.
  • the air is preferably heated at the base before entering the chimney, for which purpose solar collectors are currently used, for example.
  • above-ground solar updraft power plants however, the chimney needs to be 200 m to more than 1000 m high, which, particularly due to the wind pressure at high altitudes, requires corresponding static requirements with regard to vibrations and deformations.
  • the currently known solar updraft power plants are not capable of base load due to the use of solar collectors, and the power output is dependent on solar radiation.
  • zones with a suitable amount of solar radiation for example in desert regions, weather events can occur more frequently, which can lead to increased abrasion of the solar collectors and thus lead to corresponding losses of performance and require additional maintenance.
  • an underground updraft power plant is known from WO-A 2004/033901, in which Air is heated geothermally, with disused mines in particular being used for the underground updraft power plant, with the mine tunnels being used to supply and heat the air and the actual power plant being located in the conveyor shaft.
  • Geothermal depth grading is used to heat the air, as a result of which the temperature increases with increasing depth, namely by 3 K per 100 m.
  • thermal water or waste heat from radioactive waste can be used for additional heat supply.
  • the disadvantage here is that when radioactive waste is used for additional air heating, sufficient measures must be taken against radioactive radiation, in particular it is necessary to ensure that no radioactivity is released to the outside with the air flowing through the chimney.
  • WO-A 2004/033901 refers to disused coal, salt or metal ore mines as updraft power plant construction.
  • the main shaft which is supposed to correspond to a former conveyor shaft, is used and, if necessary, supplemented by one or more air supply shafts.
  • the existing geothermal energy at depths of 1000 meters (temperature difference 30K) or more in a mine is not sufficient to permanently heat the amount of air required to operate a solar updraft power plant.
  • the earth would cool down with the required amount of air and lead to a significant reduction in the flow velocity.
  • the remaining convection of the air in a mine enables good ventilation of the tunnels, but has no potential for generating electricity. If the air is heated exclusively by geothermal deep grading, the achievable air temperature is usually not sufficient to operate the updraft power plant with sufficient output.
  • updraft power plants the chimney of which is at least partially underground, are also described, for example, in DE-A 102 03 469, WO-A 02/14689, DE-A 17 07 343, GB-A 2 301 633 or US-A 1 ,385,526.
  • the disadvantage of all the described solar updraft power plants is that it is not possible to operate them safely with a high power yield and, in particular, to adapt the power generation to the actual demand during operation.
  • Another disadvantage of the solar updraft power plants known from the state of the art is that the dimensions of power plants in mines and quarries as described cannot generate sufficient electrical power because the dimensions are too small and the losses due to the lack of flow optimization are too great.
  • the ratio of shaft depth and diameter is particularly relevant here, as are the temperature profiles at the inlet and outlet.
  • the object of the present invention is therefore to provide a solar updraft power plant which can be operated regardless of the weather, in which the power output can be adjusted to the actual demand with economic yield and which does not require the static effort required for above-ground power plants.
  • a solar updraft power plant with at least one chimney which runs at least partially underground and which is connected at its lower end to an air collection chamber in which air from all air-conducting system parts is collected and through which the air can flow into the chimney, as well as supply air ducts through which ambient air can be fed into the air collection chamber in such a way that the air in the supply air ducts is heated by the surrounding soil, wherein the air collection chamber is divided into at least four sectors, an outer sector (37) in which the air flowing in through the supply air ducts (9) is collected, a closable middle sector (47), a closable inner sector (49) and an innermost sector (41) through which the air heated in the middle sector or in the inner sector (49) can be fed to the chimney, wherein at least one switchable heat exchanger for heating the air is arranged in the middle sector (47) or in the inner sector (49) and at least one device for generating electrical energy in the inner sector (49) when the switchable heat exchanger is arranged in the middle sector (47),
  • underground or subterranean structures are understood to mean both natural depressions and depressions created by open-cast mining that lie below the normal ambient level, such as ravines, craters, brown coal open-cast mines, copper mines, titanium mines, gold mines, rock and gravel works, clay pits, gravel pits or quarries, and also include mines known in English as “surface mining”, for example “strip mining”, “open pit mining” or “mountain top removal mining”. It is irrelevant whether the depression is allowed to decay again after the updraft power plant has been built or whether the pit remains unfilled and the components in the pit are partially or completely visible.
  • Depressions can be used in such a way that at least one or more updraft power plants can be built, individually or in a network.
  • the lateral stability plays a key role here.
  • the stabilization of the terrain formation of the chimneys by complete or partial filling or other stabilization measures such as the connection of multiple chimneys plays an important role.
  • the air is heated in a switchable heat exchanger by direct or indirect heat transfer, using a heating medium that is heated by deep or medium-deep geothermal energy, heat from fault zones or heat from natural hotspots and then releases the absorbed heat to the air either by indirect heat transfer or by direct heat transfer by injecting the heating medium into the air to be heated.
  • a solar updraft power plant is a power plant for generating electrical energy in which air is heated by the addition of heat and rises in a chimney.
  • the speed of the rising air is high enough to drive a power generator.
  • the key variables for the performance of the solar updraft power plant are the temperature difference between the hot air entering the chimney and the ambient air, as well as the height and diameter of the enclosed column of air. It is not necessary for the air to rise vertically, i.e. at an angle of 90° to the horizontal.
  • the chimney can also be inclined or have areas of different inclinations, but it is preferred if the angle at which areas of the chimney are inclined relative to the horizontal is in the range of 45° to 90°, more preferably in the range of 70° to 90° and in particular in the range of 80° to 90°. Most preferably however, it is if the chimney runs essentially vertically, i.e. at an angle of 90° to the horizontal, whereby deviations from the vertical are particularly construction-related and can amount to up to 5°.
  • the chimney effect creates a large volume of hotter air in or on the supply air ducts and/or in the air collection chamber that is less dense than the colder air in the chimney.
  • colder air has a higher density, it begins to flow down the still cold inner wall of the chimney. In the inner area of the chimney, the hot and therefore lighter air flows upwards.
  • the cold air on the inner wall of the chimney is also displaced upwards by the buoyancy of warm air.
  • the colder air thus further fans the chimney draft, is also heated up and displaced upwards by further sinking colder air in a turbulent flow, so that the chimney increasingly fills with hot air and the inner walls of the chimney heat up.
  • the chimney is connected at its lower end to the innermost sector of the air collection chamber.
  • the air collection chamber is particularly preferably arranged below the chimney. In the air collection chamber with a suitable volume, all of the air from all air-conducting system components, in particular the supply air ducts, is collected and fed to the chimney.
  • the air collection chamber comprises at least four sectors.
  • Power generators and heat exchangers can also be arranged one above the other in the air collection chamber in the respective sectors.
  • the at least one device for generating electrical energy can be arranged in the inner sector and the at least one heat exchanger to be in the middle sector.
  • the outer sector and/or the innermost sector can be equipped with one or more heat exchangers. It is also possible to install one or more heat exchangers in the adjacent chimney.
  • This sectoral In the present invention, the structure of the air duct is referred to as a sectoral air collection chamber and includes all of the sectors mentioned above.
  • the heat exchanger(s) can also be arranged in the direction of air flow upstream of the device for generating electrical energy, alternatively or additionally in the air supply shafts at any point or in the chimney at any point.
  • the devices for generating electrical energy can additionally or alternatively be arranged at the outlet of the chimney. To do this, it is possible, for example, to build a ring around the chimney and close off the upper cross-section of the chimney, for example with a dome, so that the air leaving the chimney flows through the ring.
  • the devices for generating electrical energy are preferably arranged in the ring as described below for the air collection chamber.
  • the chimney can also be closed or covered at the top without the devices for generating electrical energy in order to protect it from environmental influences such as water or rain.
  • This type of arrangement must be such that the hot air can be directed to the power generators in a targeted manner. Turbulence must be minimized.
  • the middle sector and/or the inner sector can be closed with suitable devices and preferably regulated. This enables electricity to be generated as needed by only passing as much air through the middle sector as is required to generate the amount of electricity currently required. In contrast to known power plants, this allows rapid adjustment to the actual electricity demand.
  • the arrangement of the device for generating electrical energy in the closable middle sector or in the closable inner sector allows individual devices for generating electrical energy to be removed from the air flow and thus the power to be controlled.
  • the device for generating electrical energy is preferably arranged in the middle sector upstream of the switchable heat exchanger, since cold air has a higher density than warm air and thus more energy can be generated by the device for generating electrical energy.
  • the thermal load is much lower than when hot air flows through.
  • the air in the switchable heat exchanger is heated by the medium-depth or deep geothermal energy, preferably to a temperature of more than 100 °C.
  • Another advantage of the sectoral arrangement is the optimization of the performance of the devices for generating electrical energy.
  • a parallel arrangement of several devices for generating electrical energy is possible, which does not limit performance compared to a serial arrangement.
  • the serial arrangement of turbines described in WO-A 2004/033901 limits performance because the air pressure drops after each turbine and turbulence occurs that hinders the flow to the subsequent turbine connected in series.
  • the device for generating electrical energy preferably comprises at least one rotor and at least one generator or at least one wind-driven turbine with generator or at least one turbine generator or at least one pressure-stage turbine with generator or at least one turbo-expander turbine with generator or at least one pressure-stage wind turbine generator set.
  • Rotors are particularly preferably used to drive the generator, whereby the axis of the rotors can be arranged horizontally or inclined.
  • the axis of the rotor preferably has an angle in the range of 0° to 60° to the horizontal.
  • rotors can also be used whose axis is inclined at an angle between 60° and 90° to the horizontal.
  • the rotors can be It can also be a case of specially modified turbines for generating electricity with hot air, which are constructed similarly to the steam turbines used to generate electricity.
  • the turbine wheels are adapted to the lower density of the medium flowing through, i.e. the hot air.
  • Turbines that are preferably used to generate electricity do not operate in a speed-graded manner like a free-running wind energy converter (wind turbine), but rather as a sheathed pressure-graded wind turbine generator set, in which, like in a hydroelectric power station, static pressure is reduced to generate energy.
  • the air speed in front of and behind the turbine is approximately the same.
  • the power extracted is proportional to the product of the volume flow and the pressure drop across the turbine.
  • the aim of turbine control is to maximize this product in all operating conditions.
  • the turbine controls the pressure drop and thus the optimal air speed and air flow in the system via the blade adjustment.
  • the efficiency of such systems is 80% and more.
  • spiral updraft turbines Such rotors have a long, vertical axis that has a spherical mount at the lower end that is mounted on a permanent magnet. This design means that there is no friction, so no maintenance is necessary.
  • spiral updraft turbines can be installed anywhere in the chimney. It is also possible to position at least one spiral updraft turbine below the chimney in an expanded chimney area.
  • corresponding devices can also be installed in all other positions in the updraft power plant where air flows, including in the chimney or in supply air ducts or tunnels through which air flows.
  • rotors of the device for generating electrical energy in the chimney these are preferably installed as vertical rotors above the air collection space in the lowest part of the chimney.
  • the heat that the air absorbs directly from the surrounding soil is referred to as geothermal energy. Since the temperature of the soil increases by about 3 K per 100 m with increasing depth, the incoming air can already be preheated in this way. To make better use of the heat from the soil surrounding the supply air ducts, it is preferable to drive heat-conducting rods or pipes, in particular metal II pipes, into the walls of the supply air ducts. At the end protruding into the supply air duct, the air flowing around cools the heat-conducting rods and is thus heated.
  • the end of the heat-conducting rods protruding into the supply air duct is provided with ribs or fins to increase the heat-transfer surface.
  • a heat-conducting medium can flow through the heat-conducting rods.
  • a pump can be provided with which the heat-conducting medium is circulated in the heat-conducting pipes or the heat-conducting pipes work according to the principle of a heat pipe known to those skilled in the art.
  • Medium-depth or deep geothermal energy used for further heating refers to petrothermal or hydrothermal heat extracted from greater depths, whereby medium-depth or deep geothermal energy achieves a heat input of more than 20 K.
  • Medium-depth or deep geothermal energy includes systems in which geothermal energy is extracted via deep boreholes and whose energy can be used directly.
  • Medium-depth geothermal energy begins at a depth of more than 400 m and a temperature of more than 20 °C.
  • Deep geothermal energy begins at a depth of more than 1000 m and a temperature of more than 40 °C.
  • Deep geothermal energy includes hydrothermal systems, for example aquifers with hot, warm or thermal water, where hot water has a temperature of more than 100 °C, warm water has a temperature in the range of 60 to 100 °C and thermal water has a temperature of 20 to 60 °C.
  • hydrothermal systems with high energy at a depth of 1000 to 3500 m can be used to generate heat.
  • the heat can also come from fault zones or natural hotspots. Fault zones or natural hotspots are deep boreholes that cause very strong increases in ground temperature from a depth of 100 m. caused by geological faults, such as the Laxenburg project in Lower Austria.
  • petrothermal systems at depths of 1500 to over 10000 m, preferably from 2000 to 7500 m and especially from 2300 to 7000 m as a geothermal heat source, whereby the energy stored predominantly in the rock is used here.
  • these systems are Enhanced Geothermal Systems (EGS) or Hot Dry Rock Systems (HDR), which are also known as open systems. This involves energy being generated from the rock itself, so that it is largely independent of water-bearing structures.
  • the hot rock often the crystalline basement or sandstone with low porosity, is used as a heat exchanger.
  • Deep geothermal probes are particularly preferred for the use of medium-depth or deep geothermal energy, whereby the energy from any rock sequence is used with a closed circuit of the heating medium in the probe.
  • Deep geothermal probes are vertical closed heat exchangers that are installed in boreholes with a depth of more than 400 m.
  • the heating medium circulates in a closed system, preferably at a depth of 800 to 3000 m. Alternatively, depths of more than 3000 m up to 8000 m are also possible. It is particularly preferred if the geothermal probe is drilled from the lowest point of the updraft power plant, for example the floor of the air collection chamber or a deep inlet channel.
  • Geothermal probes with a closed control circuit are preferred, in which the heat is safely absorbed in a closed circuit system by a working medium without exchange with the deep water and without interaction with the deep rock. This makes it possible to build closed geothermal plants with very high power outputs, which are required for the solar updraft power plant described here.
  • An example of such geothermal probes with a larger circuit are the systems available under the name Eavor-LoopTM from Eavor GmbH or from Fervo Energy from Houston, Texas.
  • At least one heat exchanger with which the air is heated using medium-depth or deep geothermal energy, is located in the inner sector of the air collection chamber.
  • further heat exchangers in the innermost sector of the air collection chamber, in the area below the chimney or in the lower, middle or upper area of the chimney in order to heat the air, preferably a position in the middle or lower area of the chimney and particularly preferably a position in the lower area of the chimney.
  • heat exchangers in the supply air shafts, in which case the position is chosen so that the path from the heat exchanger to the outlet of the chimney is shorter than to the inlet into the supply shaft.
  • the performance of the updraft power plant according to the invention depends in particular on three factors, the cross-sectional area of the chimney, the height of the chimney and the temperature difference, whereby the height and the temperature difference are each included in the performance calculation of the kinetic energy of the updraft with the exponent 3/2. Since the square of the radius is included in the calculation of the cross-sectional area, the cross-sectional area of the chimney offers the greatest potential for increasing performance.
  • the chimney can have a diameter of 20 m to more than 1000 m, whereby the chimney preferably has a diameter of 20 to 500 m, more preferably 20 to 300 m and in particular 30 to 200 m. If the chimney does not have a round cross-sectional area, but any other cross-sectional area, the diameter of the hydraulic diameter is used, which is
  • the solar updraft power plant can also have several chimneys. This is particularly advantageous if the chimney effect is no longer sufficient due to a diameter that is too large. In this case, several chimneys, each with a smaller diameter, can be provided, with the total cross-sectional area of all chimneys corresponding to the desired cross-sectional area.
  • the air can be heated using solar thermal energy, waste heat from technical systems or combustion gases.
  • the device for heating the air usually includes at least one heat exchanger through which a heat transfer medium flows.
  • the heat transfer medium can then be heated, for example, by solar energy, waste heat from technical systems or combustion gases.
  • combustion gases it is also possible to use a It is also possible to use a burner or a combustion turbine and to introduce the resulting combustion gases directly into the air flowing through the chimney.
  • additional heating via the combustion of fossil or green energy sources that are on or under the earth's surface.
  • the waste heat from ironworks or steelworks can be used.
  • the heat transfer medium can be used directly to cool the technical system.
  • it is also possible to use cooling water from technical systems to heat the air in which case the cooling water is used to cool a technical process and then the cooling water can be used to heat the air.
  • Suitable heat exchangers include, for example, shell-and-tube heat exchangers, preferably with finned tubes, plate heat exchangers, finned heat exchangers, coiled tubes, smooth tube heat exchangers, heat exchangers with flat tubes or any special heat exchangers.
  • the device for heating the air can be installed in a sector of the air collection chamber, in air-conducting system components, in particular the supply air ducts, or in the chimney.
  • the device for heating the air is preferably arranged in the inner sector or in the chimney and in particular in the inner sector.
  • the air is effectively distributed or swirled at the chimney outlet. This allows the air to flow out of the chimney more quickly, which increases the flow speed in the chimney.
  • a chimney section can be located above ground. The higher the above-ground part of the chimney, the more advantageous it is for the distribution of the heated air. Since heights of more than 1000 m are technically possible, but heights of more than 600 m have so far been uneconomical, it is preferred if the above-ground part of the chimney has a height in the range of 10 to 600 m and in particular in the range of 20 to 400 m in order to distribute the air flow from the chimney. It However, it is also conceivable that the chimney has a height of less than 10 m or has no above-ground part at all.
  • cooling tower or cooling tower is a system that uses a heat exchanger to remove excess heat or heat that is no longer technically usable.
  • the use of a natural draft cooling tower is particularly suitable for this.
  • Cooling towers of this type are usually up to 400 m high from the ground level.
  • a type of hybrid system can be used in which the chimney has an above-ground part with a height of 50 to 400 m. In this above-ground part, the air is additionally cooled, thus increasing the temperature gradient in the solar updraft power plant and thus the efficiency.
  • a dome with corresponding generators can also be built on the chimney.
  • the generators for generating electricity are preferably not located in the air collection chamber, but at the outlet of the chimney at the top.
  • the underground part of the chimney preferably has a height of 100 m to 5000 m, with a height of 200 m to 4000 m being preferred and a height of 500 m to 3500 m being particularly preferred.
  • the height of the chimney also depends on the type of geothermal energy being used. A lower height is sufficient, particularly when using the heat from natural hotspots. When using natural hotspots, a chimney height of 100 to 500 m may be sufficient, although in this case a chimney height of 500 to 3000 m is also possible.
  • the solar updraft power plant can also comprise other system components, in particular rotors for generating vortices, burner systems, combustion turbines and/or steam injection.
  • the rotors for generating vortices and the steam injection can be used to improve efficiency.
  • the air temperature can be increased by means of burner systems or combustion turbines and thus the efficiency can also be improved.
  • burner systems or combustion turbines can be used to additionally heat the air for starting up the solar updraft power plant and thus accelerate the start-up process.
  • the burner systems or combustion turbines are preferably arranged in the innermost sector of the air collection chamber or in the lower area of the chimney.
  • Rotors for generating vortices and the Steam injection is preferably arranged in the lower part of the chimney, although steam injection can also take place in any of the sectors of the air plenum, in particular in the middle sector, the inner sector or the innermost sector.
  • burner systems or combustion turbines can be operated with natural gas, liquid gas, hydrogen or any other fuel, especially combustible gases.
  • green energy sources such as methane from biogas plants or ethanol from biomass is particularly preferred.
  • the burner systems or combustion turbines can be used in particular during start-up to heat up the updraft power plant more quickly or to increase the energy input into the updraft power plant and thus to increase the output.
  • the temperature level of the air heated in this way can be more than 600 °C, with the air flowing into the chimney preferably having a temperature of no more than 450 °C and in particular no more than 250 °C.
  • colder air is mixed with the exhaust gas from the burner system or the combustion turbine.
  • the colder air can either be ambient air or preheated air, with the preheated air having a temperature that is below the temperature of the exhaust gas.
  • the amount of air mixed with the exhaust gas is preferably such that the temperature of the air supplied to the chimney is in the range of 20 to 600 °C.
  • air is supplied via at least one supply air duct, preferably several supply air ducts.
  • the supply air ducts are preferably designed as shafts and/or tunnels in the ground. Shafts are understood to be ducts that run essentially vertically, and tunnels are understood to be ducts that run essentially horizontally or with only a slight incline.
  • the cross-sectional area of the supply air ducts is preferably at least 50% of the cross-sectional area of the chimney. It is further preferred if the cross-sectional area of the supply air ducts is at least 100% of the cross-sectional area of the chimney, more preferably at least 130% of the cross-sectional area of the chimney and in particular 150 to 500% of the cross-sectional area of the chimney. If several chimneys are included, the cross-sectional area of the supply air ducts refers to the total cross-sectional area of all chimneys. In order to minimize line losses in the supply air ducts and in the chimney, it is also advantageous if the supply air ducts and/or the chimney are aerodynamically optimized in order to achieve the most trouble-free air flow possible.
  • the surfaces of the supply air ducts and/or the chimney are preferably designed in such a way that turbulent flows are largely avoided and the air can flow laminarly through the supply air ducts.
  • the surfaces can be designed like shark skin or like the surface of golf balls with dimples.
  • the size of the dimples can vary depending on the size of the chimney.
  • the dimples are, for example, inserted into the outer wall using special formwork panels with a negative image of the dimples, so that a positive impression of the corresponding dimples is produced after concreting.
  • turbulent flows can be extracted through suitable slots in the inner wall of the chimney.
  • Pipes are laid in the concrete wall of the chimney, which suck the turbulent air from the wall surface via a negative pressure.
  • the negative pressure can be created by moving air in the shaft through higher outlets in the form of pipes or slots.
  • fittings can be used that can accelerate or slow down the air.
  • One or more diffusers can also be installed in the chimney or the supply air ducts to specifically direct and control the air flow and the associated reduction of turbulent flows.
  • baffles are also planned, although these can also be made of materials other than sheet metal, such as composite materials or other plastics, metals, wood or mineral building materials, in order to be able to better control the air flow. These components are particularly helpful in reducing or suppressing turbulence when there are bends in the supply air ducts.
  • heat storage units to store the heat.
  • Latent heat storage units or stones or piles of stones are suitable as heat storage units. In this way, for example, if more power is required or if sufficient heat cannot be provided, the air can be further heated using the stored heat.
  • the heat storage can be designed, for example, as a concrete heat storage with air ducts, as a rock fill, as a fluidized bed, as water, as oil or as a liquid salt mixture.
  • Suitable phase change materials for a latent heat storage system include water, salts or metals, which are melted to store heat and then solidify again to release heat. Heat storage can also be achieved using reversibly chemically reacting substances. Suitable heat storage materials, phase change materials or reversibly chemically reacting substances for heat storage are known to those skilled in the art.
  • all heat exchangers used to heat the air can be switched on to control the solar wind power plant and to regulate the power provided. This makes it possible to switch individual or all heat exchangers on or off so that the amount of heat supplied to the air can be adjusted. For example, it is possible to switch off individual heat exchangers if a sufficient air temperature can be achieved by using fewer heat exchangers.
  • each flow channel contains at least one device for generating electrical energy and at least at least one heat exchanger is included. It is also preferred if each flow channel can be closed. In this way, the output can be adjusted by opening or closing individual channels. Furthermore, heat exchangers in individual flow channels can also be switched off in order to achieve the desired air temperature at which the air flows into the chimney by mixing colder and warmer air.
  • a fresh air blower can be completely dispensed with, which further increases the overall efficiency.
  • a fresh air blower it is also possible to use a fresh air blower as a support.
  • a tangential or oblique air injection which is suitable for generating and stabilizing an air vortex, can be used as a vortex generator to create the air vortex in the chimney.
  • Suitable air guides such as guide plates or deflectors, can also be used to add a swirl to the air flow or to stabilize a swirl.
  • the air injection and/or the air guides can be arranged at one or more positions in the chimney at any height. If air guides are built into the chimney, they can be made of concrete, composite materials such as fiber-reinforced plastics or laminates, plastics or metals, for example.
  • the air vortex is created by tangential or oblique air injection, this can take place at any height in the chimney. It is preferable if the injected air has been enriched with saturated or superheated water vapor. To start the condensation process of water vapor and thus the release of latent heat energy, air with a suitable temperature or water can be injected tangentially at any height of the chimney.
  • Steam can be generated in the traditional way using burners or electricity. Alternatively, it is also possible to use the geothermal energy already used in solar updraft power plants to generate steam.
  • the solar updraft power plant according to the invention can be built in a disused mine or a disused mine, whereby it is necessary to install heat exchangers that use medium-depth or deep geothermal energy. Furthermore, it is necessary to adapt the shafts for the air supply in cross-section and, if necessary, to enlarge and/or supplement them in order to supply sufficient air for the chimney of the solar updraft power plant.
  • a key advantage of converting a disused, existing mine into a solar updraft power plant is that the drying out of the structures by the air currents of the solar updraft power plant can significantly reduce maintenance costs, i.e. the so-called perpetual costs. Furthermore, when using a mine, all geological formations are known.
  • the main shafts forming the chimneys are at least 300 m 2 , whereby a total cross-sectional area of the chimneys of at least 3000 m 2 is further preferred and a total cross-sectional area of the chimneys of at least 7000 m 2 or larger is particularly preferred.
  • a shaft with air supply shafts can also be built at any location at the required depth. It is also conceivable to build the chimney of the updraft power plant in a mountain. In this case, the air supply can be at the foot of the mountain, below the foot of the mountain or in the depths via appropriate air supply structures. However, geothermal drilling must still be carried out, which can then be connected to the chimney in accordance with the previous explanations.
  • Figure 1 is an overview view of a solar updraft power plant according to the invention
  • Figure 2 is a three-dimensional representation of the chimney with supply shaft
  • Figure 3 is a three-dimensional representation of the air collection chamber of a solar updraft power plant
  • Figure 4 is a sectional view of the air collection chamber
  • Figure 5 is a horizontal sectional view of the air collection chamber in three-dimensional representation.
  • Figure 1 shows an overview view of an updraft power plant according to the invention and Figure 2 shows a three-dimensional representation of the chimney of the updraft power plant with supply shaft.
  • the updraft power plant comprises a chimney 1 with an above-ground part 3 and an underground part 5. Below the chimney 1 on its inlet side there is an air collection chamber 7 in which the air flowing in from the supply air ducts 9 is collected and fed into the chimney.
  • the supply air ducts 9 have above-ground supply air structures 11 through which the supply air is introduced into the supply air ducts 9, but which at the same time also offer protection so that no people, animals or objects are sucked into the supply air ducts 9.
  • the supply air ducts 9 each have a vertical section 13 that opens into an intermediate shaft 15. At least one connecting shaft 17 branches off from the intermediate shaft 15 and opens into the air collection chamber 7.
  • the supply air ducts 9 can be closed individually and independently of one another.
  • suitable locks or valves can be provided at any point in the supply air duct 9.
  • the supply air ducts 9 are particularly preferably closed in the above-ground supply air structure 11.
  • geothermal boreholes 19 are preferably provided, as shown here, starting from the lower level of the solar updraft power plant, in which a geothermal probe through which the heating medium flows is particularly preferably accommodated. As it flows through the geothermal probe, the heating medium is heated and then gives off the absorbed heat to the air flowing into the chimney 1. It is particularly preferred if the geothermal boreholes are driven from underground geothermal spaces 20 in order to facilitate maintenance and assembly.
  • the air drives wind turbines or rotors that are connected to generators to produce electricity.
  • the electricity produced is fed to the earth's surface and can be distributed further via a power station 21.
  • the air can also be heated using other energy sources.
  • solar thermal energy it is possible to use solar thermal energy to heat the air.
  • a solar field 23 is provided, which is connected to underground solar thermal rooms 27 via a solar thermal station 25.
  • the solar thermal rooms contain suitable heat exchangers with which the air can be heated.
  • a heat storage unit 29 can be provided in which excess heat can be stored. As long as the geothermal or solar thermal energy provides more heat than is currently required, the excess heat can be stored in the heat storage unit 29. As soon as additional heat is required, for example For example, due to a decreasing temperature difference between the air supplied to the chimney and the ambient air, the heat from the heat accumulator 29 can be used to further heat the air flow supplied to the chimney.
  • a conveyor cage as known from underground mines, a classic freight elevator or a freight elevator with magnetic levitation technology can be moved in the chimney of the power plant or in a separate vertical supply shaft 31, which preferably runs parallel to the chimney of the power plant.
  • a freight elevator with magnetic levitation technology has the advantage that the mass of the ropes, which can weigh between 20 and 30 tons for a building that is 300 meters high or a shaft that is 300 meters deep, does not have to be accelerated and braked with each movement, which costs valuable energy. Furthermore, heights or depths of more than 300 meters can no longer be served because at some point the weight of the ropes becomes so great that they break. Another problem is the so-called natural frequency of the long ropes. It takes a lot of effort to suppress rope frequencies. Magnetic levitation technology does not have any of these problems and would solve a wide range of problems, especially in mining.
  • the elevator technology for elevators with magnetic levitation technology could be installed in the outer wall of chimney 1 or in the vertical supply shaft 31 of the solar chimney power plant. During the construction period, people and building materials could be easily transported. After the construction period for the shaft has ended, the elevator or elevators could be used for maintenance work.
  • assembly chambers 30 are provided at different heights.
  • the assembly chambers 30 are preferably connected to one another by the vertical supply shaft 31.
  • the vertical supply shaft 31 can be continuous if it is equipped with magnetic levitation technology or, in the case of classic freight elevators, as shown in Figure 2, can be controlled individually in alternation with the assembly chambers 30.
  • the alternating shafts 32 are necessary here because steel cables or other cables can only carry loads over a limited length. Therefore, the length of the elevator cables used is shortened in this way.
  • a supply road 33 via which soil can be removed during construction and via the plant components which are to be are difficult to transport with the conveyor cage, can be transported downwards.
  • This supply road 33 can be built spiral-shaped, with a gradient of 1% to 12%, preferably with a gradient of 3% to 10% and in particular with a gradient of 5% to 9% directly to the chimney 1 of the solar updraft power plant.
  • the supply road 33 has a distance of between 1 m and 10 m, more preferably a distance of between 10 m and 30 m and in particular a distance of 30 m or more from the chimney 1.
  • the supply line 33 may run outside the assembly chambers 30 and then be connected via horizontal supply shafts 34 or, as shown in Figure 2, between the assembly chambers and the chimney 1.
  • the horizontal supply shafts 34 then run via the supply line 33 to the assembly chambers 30 with access to the elevator or elevators in the vertical supply shaft 31.
  • the assembly chambers 30 can be used during the construction period to transport the waste when the chimney 1 is excavated. Disposal is preferably carried out using conveyor belts, as are known from underground and open-cast mining. Every 100 m to 500 m, preferably every 150 m to 200 m, extendable platforms are built through the horizontal supply shafts 34, which are used during the construction phase to transport concrete, as a starting point and also to lower or raise heavy equipment.
  • supply road 33 can also be used as an air supply shaft.
  • All supply shafts and roads can of course also be used for the construction of air supply shafts with suitable measures.
  • horizontal supply shafts must be created to the air supply shafts.
  • additional subterranean updraft power plants which are built directly next to an existing updraft power plant, could be built over the supply routes and shafts.
  • Figure 3 shows the air collection chamber as a three-dimensional view
  • Figure 4 shows the air collection chamber in a sectional view
  • Figure 5 shows a horizontal sectional view in three-dimensional representation.
  • the air collection chamber 7 has an octagonal cross-section.
  • the air collection chamber 7 can also have any shape. If the air collection chamber 7 is not circular, the number of edges preferably corresponds to the number of supply air ducts 9 fed to the air collection chamber 7, the connecting shafts 17 of which open into the air collection chamber 7.
  • the air collection chamber 7 in the embodiment shown in Figures 4 and 5 has an outer sector 37, a middle segment 39 and an innermost sector 41.
  • the middle segment 39 is divided into a middle sector 47 and an inner sector 49, in which the device for generating electrical energy and/or the heat exchangers are optionally placed.
  • a device for generating electrical energy or a heat exchanger can be placed in the middle sector 47 and, accordingly, a heat exchanger or a device for generating electrical energy can be placed in the inner sector 49.
  • the middle segment 39 is made up of at least one, preferably several flow channels 43, through which the air flows from the outer sector 37 into the innermost sector 41.
  • the flow channels 43 comprise closure devices 45 which can close the outer sector 37, flow generators 47, the heat exchangers 49 and closure devices 46 to close the flow channel 43 to the innermost sector 41.
  • the supply air ducts 9 open into the outer sector 37 of the air collection chamber, in which the air is collected and fed to the flow ducts 43 of the middle segment 39.
  • the outer sector 37, in which the air is collected, can ensure that the air is fed evenly to the flow ducts 43 even in the event of uneven air supply and that there is always sufficient air available, which can be fed through the flow ducts from the middle segment 39 to the innermost sector 41 in order to then flow into the chimney 1 via the outlet 35, thus ensuring continuous operation of the solar chimney power plant.
  • the individual flow channels 43 are designed in such a way that that they can each be closed independently of one another.
  • the flow channels 43 have a closing device 45, for example a bulkhead or a slide, at least at one end. It is preferred if the flow channels 43 can be closed at both ends, that is to say the end opening into the outer sector 37 and the end opening into the innermost sector 41, with a closing device 45, 46.
  • the flow channels 43 there is at least one device for generating electrical energy in the middle sector 47 and downstream of the device there is at least one heat exchanger in the inner sector 49, or there is at least one heat exchanger in the middle sector 47 and at least one device for generating electrical energy in the inner sector 49.
  • a heating medium flows through the heat exchanger, which draws its energy from medium-deep or deep geothermal energy, fault zones or natural hotspots.
  • the heat exchangers in the middle sector 47 or in the inner sector 49 are preferably switchable, so that it is also possible to pass air through the heat exchanger without it being heated further. This allows the air flow to be further controlled and the desired temperature to be set.
  • the devices for generating electrical energy accommodated in the middle sector 47 or in the inner sector 49 are, for example, turbines or rotors with generators, whereby the generators can be connected to the turbine or rotor via an axis or the rotation of the turbine or rotor is transmitted to a rotation axis of the generator by means of suitable gears or belts, whereby in this case the generator can be located outside the flow channel 43.
  • the generator is located inside the flow channel 43 and is directly connected to the axis of the rotor or turbine.
  • the inlet channels 9, flow channels 43 and all other tunnels or shafts, hereinafter referred to as channels are each shown with an octagonal cross-section.
  • the channels can also have any other cross-section, in particular a circular cross-section.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Aufwind Kraftwerk mit mindestens einem zumindest teilweise unterirdisch verlaufenden Kamin (1), der an seinem unteren Ende mit einem Luftsammelraum (7) verbunden ist, in dem Luft aller luftführenden Anlagenteile gesammelt wird und durch den die Luft in den Kamin (1) einströmen kann, sowie Zuluftkanälen (9), durch die Umgebungsluft in den Luftsammelraum (7) so zugeführt werden kann, dass die Luft in den Zuluftkanälen (9) durch das umgebende Erdreich erwärmt wird, wobei der Luftsammelraum (7) in mindestens vier Sektoren geteilt ist und wobei der Kamin (1) einen Innendurchmesser von mindestens 20 m und eine Höhe von mindestens 100 m aufweist.

Description

Geothermisches subterranes Aufwindkraftwerk
Die Erfindung geht aus von einem Aufwindkraftwerk mit mindestens einem zumindest teilweise unterirdisch verlaufenden Kamin, der an seinem unteren Ende mit einem Luftsammelraum verbunden ist, in dem Luft aller luftführenden Anlagenteile gesammelt wird und durch den die Luft in den Kamin einströmen kann, sowie Zuluftkanälen, durch die Umgebungsluft in den Luftsammelraum so zugeführt werden kann, dass die Luft in den Zuluftkanälen durch das die Zuluftkanäle umgebende Erdreich erwärmt wird.
Um eine ausreichend hohe Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Kamin zu erhalten, wird, bei oberirdischen Aufwindkraftwerken, diese vorzugsweise vor Eintritt an der Basis in den Kamin erwärmt, wozu derzeit zum Beispiel Solarkollektoren genutzt werden.
Nachteil von oberirdischen Aufwindkraftwerken ist jedoch, dass der Kamin eine Höhe von 200 m bis zu mehr als 1000 m benötigt, was insbesondere aufgrund des Winddrucks in großer Höhe entsprechende Anforderungen an die Statik gegenüber Schwingungen und Verformungen erfordert. Zudem sind die derzeit bekannten Aufwindkraftwerke aufgrund des Einsatzes von Solarkollektoren nicht grundlastfähig und die Stromausbeute ist von der Sonnenstrahlung abhängig. Zudem können in Zonen mit einer geeigneten Sonneneinstrahlungsdauer, beispielsweise in Wüstenregionen, häufiger Wetterereignisse auftreten, die zu einer erhöhten Abrasion der Solarkollektoren führen können und damit zu entsprechenden Leistungsverlusten führen und einen zusätzlichen Wartungsaufwand erfordern. Auch führt die Nutzung der Solarenergie für die Erwärmung der Luft zu einem deutlichen Leistungsunterschied zwischen Tag- und Nachtbetrieb sowie zu einer Leistungseinbuße an bewölkten Tagen und durch saisonal variierende Einstrahlungseffekte. Aufgrund der geringen erzeugbaren Temperaturdifferenz durch Solarthermie ist auch der Wirkungsgrad der bekannten Aufwindkraftwerke gering. Ein weiterer Nachteil solarer Aufwindkraftwerke ist der für den Betrieb erforderliche Flächenbedarf für die Solarkollektoren, der sich als Hürde für einen effektiven wirtschaftlichen Betrieb erweist und zudem häufig in entsprechenden Wirtschaftszonen, in denen das Aufwindkraftwerk betrieben werden soll, nicht verfügbar ist.
Um den Flächenbedarf zu reduzieren und den statischen Aufwand an den Kamin zu reduzieren ist aus der WO-A 2004/033901 ein unterirdisches Aufwindkraftwerk bekannt, in dem Luft geothermisch erwärmt wird, wobei insbesondere stillgelegte Bergwerke für das unterirdische Aufwindkraftwerk genutzt werden, wobei die Bergwerksstollen zur Zufuhr und Erwärmung der Luft genutzt werden und sich das eigentliche Kraftwerk im Förderschacht befindet. Zur Erwärmung der Luft wird die geothermische Tiefenstufung genutzt, aufgrund derer sich die Temperatur mit zunehmender Tiefe, nämlich um 3 K je 100 m erhöht. Für eine zusätzliche Wärmezufuhr kann nach WO-A 2004/033901 Thermalwasser genutzt werden oder die Abwärme aus radioaktiven Abfällen. Nachteil hier ist, dass bei Einsatz von radioaktiven Abfällen zur zusätzlichen Lufterwärmung ausreichende Maßnahmen gegen radioaktive Strahlung getroffen werden müssen, insbesondere ist es notwendig, sicherzustellen, dass keine Radioaktivität, mit der den Kamin durchströmenden Luft nach außen gebracht wird.
Weiterhin bezieht sich die WO-A 2004/033901 auf stillgelegte Kohle-, Salz- oder Metallerz- Bergwerke als Aufwindkraftwerksbau. Dabei wird der Hauptschacht, der einem ehemaligen Förderschacht entsprechen soll, genutzt und gegebenenfalls durch einen oder mehrere Zuluftschächte ergänzt. Förderschächte in Bergwerken egal in welchen haben einen Durchmesser von maximal 15 m. Die meisten Förderschächte bewegen sich in einem Durchmesser von 10 m. Größere Förderschächte sind im Untertagebau bis jetzt nicht bekannt.
Die in der WO-A 2004/033901 beschriebene Luftführung erzeugt keine nutzbare Luftströmung, um Luftturbinen anzutreiben. Bergwerksstollen sind aerodynamisch auf eine ausreichende Frischluftzuführung ausgelegt und keine Windgeschwindigkeiten, die für eine Stromerzeugung interessant wären. Die Stollen in Bergwerken erstrecken sich über mehrere Kilometer Distanz bis zum Förderschacht. Die Luftgeschwindigkeit würde auch bei einem hohen Energieeintrag in die Luft und damit mögliche höhere Strömungsgeschwindigkeit durch Turbulenzen und unebene Oberflächen derart reduziert, dass keine signifikante Energiegewinnung mehr möglich ist.
Die vorhandene Geothermie in Tiefen von 1000 Metern (Temperarturunterschied 30K) oder mehr in einem Bergwerk reicht nicht aus, um die Luftmenge, die für einen Betrieb eines Aufwindkraftwerk nötig ist, dauerhaft zu erwärmen. Das Erdreich würde bei der benötigten Luftmenge abkühlen und zu einer signifikanten Erniedrigung der Strömungsgeschwindigkeit führen. Die verbleibende Konvektion der Luft in einem Bergwerk ermöglicht eine gute Belüftung der Stollen, hat aber kein Potential zur Stromerzeugung. Bei ausschließlicher Erwärmung der Luft durch die geothermische Tiefenstufung reicht zudem die erzielbare Lufttemperatur in der Regel nicht aus, das Aufwind Kraftwerk mit ausreichender Leistung zu betreiben.
Ein weiterer Nachteil ist, bei Beibehaltung der Dimensionen, die sich bei Verwendung von Bergwerksstollen ergibt, dass die in der WO-A 2004/033901 beschriebenen Umbauten bei Beibehaltung aller Kanaldimensionen nicht zu einer signifikanten Energiegewinnung beitragen würden.
Zudem wäre es notwendig, die Luftzufuhr in den Schächten aerodynamisch zu optimieren, um Leitungsverluste innerhalb des Bergwerks zu minimieren. In der Regel reichen Kanäle für die Belüftung eines Bergwerks nicht aus, ein Aufwindkraftwerk wirtschaftlich zu betreiben.
Ein weiterer Nachteil ergibt sich aus der beschriebenen seriellen Anordnung von vertikalen Propellern, Turbinen oder Windrädern aufgrund der sich ergebenden aufwendigen Wartung. Zudem ist die Installation technisch anspruchsvoll und entsprechend teuer und die statische Belastung der Verkleidung der Schächte wäre so hoch, dass die Baukosten unverhältnismäßig steigen würden. Insbesondere die Wärmebelastung durch die heiße Luft an den Turbinen im Schacht stellt für horizontale Systeme eine unverhältnismäßig hohe Belastung dar.
Weitere Aufwindkraftwerke, deren Kamin zumindest teilweise unterirdisch verläuft, sind zum Beispiel auch in DE-A 102 03 469, WO-A 02/14689, DE-A 17 07 343, GB-A 2 301 633 oder US-A 1 ,385,526 beschrieben.
Nachteil aller beschriebenen Aufwindkraftwerke ist jedoch, dass es nicht möglich ist, diese mit hoher Stromausbeute sicher zu betreiben und insbesondere die Stromerzeugung während des Betriebs an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Ein weiterer Nachteil, der aus dem Stand der Technik bekannten Aufwindkraftwerke ist, dass die Dimensionen Kraftwerke in Minen und Bergwerken, wie sie beschriebenen sind, nicht ausreichend elektrische Leistung erzeugen können, da die Dimensionen zu klein sind und die Verluste durch nicht vorhandene Strömungsoptimierung zu groß. Hierbei sind insbesondere das Verhältnis von Schachttiefe und Durchmesser relevant, sowie die Temperaturverläufe am Eintritt und Austritt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Aufwindkraftwerk bereitzustellen, das witterungsunabhängig betrieben werden kann, bei dem eine Regelung der Stromausbeute an den tatsächlichen Bedarf mit wirtschaftlicher Ausbeute möglich ist und das den statischen Aufwand für oberirdische Kraftwerke nicht erfordert.
Gelöst wird die Aufgabe durch ein Aufwindkraftwerk mit mindestens einem zumindest teilweise unterirdisch verlaufenden Kamin, der an seinem unteren Ende mit einem Luftsammelraum verbunden ist, in dem Luft aller luftführenden Anlagenteile gesammelt wird und durch den die Luft in den Kamin einströmen kann, sowie Zuluftkanälen, durch die Umgebungsluft in den Luftsammelraum so zugeführt werden kann, dass die Luft in den Zuluftkanälen durch das umgebende Erdreich erwärmt wird, wobei der Luftsammelraum in mindestens vier Sektoren geteilt ist, einen äußeren Sektor (37), in dem die durch die Zuluftkanäle (9) einströmende Luft gesammelt wird, einen verschließbaren mittleren Sektor (47), einen verschließbaren inneren Sektor (49) und einen innersten Sektor (41), durch den die im mittleren Sektor oder im inneren Sektor (49) erwärmte Luft dem Kamin zugeleitet werden kann, wobei mindestens ein schaltbarer Wärmetauscher zur Erwärmung der Luft im mittleren Sektor (47) oder im inneren Sektor (49) angeordnet ist und mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie im inneren Sektor (49), wenn der schaltbare Wärmetauscher im mittleren Sektor (47) angeordnet ist, im mittleren Sektor (47), wenn der schaltbare Wärmetauscher im inneren Sektor (49) angeordnet ist, und/oder am Auslass des Kamins (1) angeordnet ist, wobei die Luft im schaltbaren Wärmetauscher mittels mitteltiefer oder tiefer Geothermie, Wärme aus Störungszonen oder Wärme aus natürlichen Hotspots erwärmt wird, und wobei der Kamin einen Innendurchmesser von mindestens 20 m und eine Höhe von mindestens 100 m aufweist.
Als unterirdisch beziehungsweise subterrane Bauwerke werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl natürliche, als auch durch Tagebau erzeugte, unter dem normalen Umgebungsniveau liegende Vertiefungen verstanden, wie zum Beispiel Schluchten, Krater, Braunkohletagebaugruben, Kupferminen, Titanminen, Goldminen, Fels- und Kieswerke, Lehmkuhlen, Kiesgruben oder Steinbrüche und beinhalten weiterhin auch die im Englischen als „Surface Mining“ bezeichneten Minen, zum Beispiel „Strip Mining“, „Open Pit Mining“ oder „Mountain Top Removal Mining“. Dabei ist es unerheblich, ob die Vertiefung nach dem Aufbau des Aufwindkraftwerkes wieder verfallt wird oder die Grube unverfüllt verbleibt und die Bauteile in der Grube teilweise oder vollständig sichtbar sind. Es können dabei Vertiefungen derart genutzt werden, dass mindestens ein oder mehrere Aufwindkraftwerke, einzeln oder miteinander vernetzt, gebaut werden können. Hierbei spielt die laterale Stabi- lisierung durch die Geländeformation der Kamine durch vollständiges oder teilweises Verfüllen oder anderweitige Stabilisierungsmaßnahmen wie zum Beispiel die Verbindung multipler Kamine eine wesentliche Rolle.
Durch die Erwärmung der Luft durch das die Zuluftkanäle umgebende Erdreich und die zusätzliche Erwärmung mittels mitteltiefer oder tiefer Geothermie, Wärme aus Störungszonen oder Wärme aus natürlichen Hotspots, ist ein Wärmeeintrag in die Luft möglich, durch den der Wirkungsgrad des Aufwindkraftwerks gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Aufwindkraftwerke erhöht wird. Zudem können Leistungsdefizite minimiert werden. Durch die ständige und gleichmäßige Verfügbarkeit der Geothermie werden weiterhin die bei solarthermischen Aufwindkraftwerken auftretenden wetterbedingten Einflüsse stark reduziert oder fallen sogar vollständig weg. Auch ist die benötigte Fläche sehr viel kleiner als bei solar betriebenen Aufwindkraftwerken und die statischen Anforderungen sind aufgrund des unterirdischen Kamins ebenfalls sehr viel geringer als bei einem überirdischen Turm, der im Falle eines solarthermischen Aufwindkraftwerks eine Höhe von bis zu 1000 m benötigt. Die Erwärmung der Luft erfolgt dabei in einem schaltbaren Wärmetauscher durch direkte oder indirekte Wärmeübertragung, wobei hierzu ein Heizmedium eingesetzt wird, das durch die tiefe oder mitteltiefe Geothermie, die Wärme aus Störungszonen oder die Wärme aus natürlichen Hotspots erwärmt wird und anschließend die aufgenommene Wärme entweder durch indirekte Wärmeübertragung oder durch direkte Wärmeübertragung, indem das Heizmedium in die zu erwärmende Luft eingespritzt wird, an die Luft abgibt.
Als Aufwindkraftwerk wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Kraftwerk zur Erzeugung elektrischer Energie bezeichnet, bei dem Luft durch Wärmezufuhr aufgeheizt wird und in einem Kamin aufsteigt. Die Geschwindigkeit der aufsteigenden Luft ist ausreichend groß, um einen Stromgenerator anzutreiben. Je höher der Kamin, in dem die Luft aufsteigt und damit die umschlossene vertikale Luftsäule, umso niedriger ist der Druck am Auslass des Kamins, wodurch die Durchflussrate und damit die Leistungsabgabe erhöht wird (Kamineffekt). Die wesentlichen Größen für die Leistung des Aufwindkraftwerks sind die Temperaturdifferenz zwischen der in den Kamin eintretenden heißen Luft und der Umgebungsluft, sowie die Höhe und der Durchmesser der umschlossenen Luftsäule. Hierbei ist es nicht notwendig, dass die Luft senkrecht, also in einem Winkel von 90° zur Horizontalen aufsteigt. Der Kamin kann auch geneigt sein oder Bereiche unterschiedlicher Neigung aufweisen, wobei es jedoch bevorzugt ist, wenn der Winkel, mit dem Bereiche des Kamins gegenüber der Horizontalen geneigt sind im Bereich von 45° bis 90°, mehr bevorzugt im Bereich von 70° bis 90° und insbesondere im Bereich von 80° bis 90° liegen. Ganz besonders bevorzugt ist es jedoch, wenn der Kamin im Wesentlichen vertikal, also in einem Winkel von 90° zur Horizontalen verläuft, wobei Abweichungen von der Vertikalen insbesondere baubedingt sind und bis zu 5° betragen können.
Durch den Kamineffekt entsteht in oder an den Zuluftkanälen und/oder im Luftsammelraum ein großes Volumen an heißerer Luft mit geringerer Dichte als der im Kamin befindlichen kälteren Luft. Da kältere Luft eine höhere Dichte aufweist, beginnt diese an der noch kalten Innenwandung des Kamins herabzufließen. Im inneren Bereich des Kamins strömt die heiße und damit leichtere Luft nach oben. Mit zunehmender Erwärmung des Kamins wird auch die kalte Luft an der Innenwandung des Kamins nach oben durch den Auftrieb warmer Luft verdrängt. Die kältere Luft facht damit den Kaminzug weiter an, wird ebenfalls erhitzt und durch weitere absinkende kältere Luft mit einer turbulenten Strömung nach oben verdrängt, so dass sich der Kamin zunehmend mit heißer Luft füllt und sich die Innenwandungen des Kamins erwärmen. Damit baut sich gegenüber der Außenluft ein hydrostatisches Druckungleichgewicht auf, das sich dadurch auszugleichen beginnt, dass kältere und damit dichtere, schwerere Umgebungsluft durch die Zuluftkanäle in den Kamin nachgezogen wird und die heiße, weniger dichte Luft im Kamin nach oben strömt.
Damit immer ausreichend Luft zur Verfügung gestellt werden kann, ist der Kamin an seinem unteren Ende mit dem innersten Sektor des Luftsammelraumes verbunden. Der Luftsammelraum ist dabei besonders bevorzugt unterhalb des Kamins angeordnet. Im Luftsammelraum mit geeignetem Volumen wird die gesamte Luft aller luftführenden Anlagenteile, insbesondere der Zuluftkanäle, gesammelt und dem Kamin zugeführt. Erfindungsgemäß umfasst der Luftsammelraum mindestens vier Sektoren. Einen äußern Sektor, in dem die Luft aus den luftführenden Anlagenteilen, insbesondere den Zuluftkanälen gesammelt wird, einen mittleren Sektor, in dem die mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie aufgenommen ist und stromab einen inneren Sektor, in dem sich mindestens ein Wärmetauscher befindet, mit dem die Luft mittels geothermisch gewonnener Energie geheizt werden kann und einen innersten Sektor, in dem die erwärmte Luft dem Kamin zugeleitet wird. Stromerzeuger und Wärmetauscher können im Luftsammelraum in den jeweiligen Sektoren auch übereinander angeordnet sein. Weiterhin ist es auch möglich, dass die mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie im inneren Sektor angeordnet ist und sich der mindestens eine Wärmetauscher im mittleren Sektor befindet. Darüber hinaus kann auch der äußere Sektor und/oder der innerste Sektor mit einem oder mehreren Wärmetauschern ausgestattet werden. Weiterhin ist es möglich auch einen oder mehrere Wärmetauscher in den sich anschließenden Kamin einzubauen. Dieser sektorielle Aufbau der Luftführung wird in der vorliegenden Erfindung als sektorieller Luftsammelraum bezeichnet und beinhaltet alle oben benannten Sektoren.
Der oder die Wärmetauscher können auch in Strömungsrichtung der Luft vor der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie angeordnet sein, alternativ oder zusätzlich auch in den Luftzufuhrschächten an jeder beliebigen Stelle oder auch im Kamin an einem beliebigen Ort.
Die Vorrichtungen zu Erzeugung der elektrischen Energie können zusätzlich oder alternativ auch am Auslass des Kamins angeordnet werden. Hierzu ist es zum Beispiel möglich, einen Ring um den Kamin zu bauen und den oberen Querschnitt des Kamins zu verschließen, beispielsweise mit einer Kuppel, so dass die den Kamin verlassende Luft durch den Ring strömt. Die Vorrichtungen zur Erzeugung der elektrischen Energie werden vorzugsweise so in dem Ring angeordnet, wie nachfolgend für den Luftsammelraum beschrieben. Der Kamin kann auch ohne die Vorrichtungen zur Erzeugung von elektrischer Energie nach oben verschlossen oder abgedeckt werden, um diesen vor Umwelteinflüssen, wie beispielsweise Wasser oder Regen zu schützen. Gleiches gilt für die Zuluftschächte, die überdacht werden können, wobei sich unter der Überdachung wahlweise mindestens eine Einrichtung zur Stromerzeugung befinden kann oder einfach nur Lufteinlässe.
Diese Art der Anordnung muss dabei so erfolgen, dass die heiße Luft gezielt den Stromerzeugern zugeführt werden kann. Dabei müssen Turbulenzen minimiert werden.
Der mittlere Sektor und/oder der innere Sektor ist mit geeigneten Einrichtungen verschließbar und vorzugsweise regulierbar. Dies ermöglicht eine bedarfsgerechte Stromerzeugung, indem nur so viel Luft durch den mittleren Sektor geleitet wird, wie für die Erzeugung der aktuell benötigten Strommenge erforderlich ist. Im Unterschied zu bekannten Kraftwerken erlaubt dies eine schnelle Anpassung an den tatsächlichen Strombedarf.
Durch die direkte Zufuhr der Zuluft über die Zufuhrschächte in den äußeren Sektor des Luftsammelraums und den Einsatz der Wärmetauscher in den nachfolgenden Sektoren und gegebenenfalls im Kamin ist es nicht notwendig, die Zuluft zur Erwärmung durch Stollen zu leiten, wie dies in dem in der WO-A 2004/033901 beschrieben ist. Die Durchleitung der Luft durch die Stollen würde aufgrund der nach dem Bergbau ausgerichteten Konstruktion starke Turbulenzen auslösen, die bei den angestrebten Windgeschwindigkeiten die Leistung negativ beeinflussen und sehr wahrscheinlich zu baulichen Mängeln führen würde. Erfindungsgemäß erlaubt die Anordnung der Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie im verschließbaren mittleren Sektor oder im verschließbaren inneren Sektor, einzelne Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie aus dem Luftstrom zu nehmen und so die Leistung zu steuern. Bevorzugt ist die Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie im mittleren Sektor stromauf des schaltbaren Wärmetauschers angeordnet, da kalte Luft eine höhere Dichte als warme Luft aufweist und so durch die Einrichtung elektrischer Energie mehr Energie erzeugt werden kann. Darüber hinaus ist die thermische Belastung viel geringer als bei Durchströmen mit heißer Luft. Die Luft wird im schaltbaren Wärmetauscher durch die mitteltiefe oder tiefe Geothermie vorzugsweise auf eine Temperatur von mehr als 100 °C erwärmt. Die mögliche Abtrennung des Sektors, in dem die Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie angeordnet ist, erlaubt, trotz der hohen Temperaturen, die durch Erdwärme in der Tiefe des Luftsammelraums erreicht werden können, Wartungsarbeiten an der Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie oder am Wärmetauscher im laufenden Betrieb.
Ein weiterer Vorteil der sektoriellen Anordnung ist die Optimierung der Leistung der Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie. So ist es einerseits möglich, Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie zu nutzen, die aufgrund ihres Gewichts nicht in den Kamin gebaut werden können. Andererseits ist eine parallele Anordnung mehrerer Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie möglich, die gegenüber einer seriellen Anordnung nicht leistungshemmend ist. Die in der WO-A 2004/033901 beschriebene serielle Anordnung von Turbinen ist leistungshemmend, da nach jeder Turbine der Luftdruck abfällt und Turbulenzen entstehen, die das Anströmen der nachfolgenden in Reihe geschalteten Turbine behindern.
Als Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie kann jede beliebige, dem Fachmann bekannte Einrichtung zur Stromerzeugung, bei der Windenergie in elektrische Energie gewandelt wird, eingesetzt werden. Vorzugsweise umfasst die Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie mindestens einen Rotor und mindestens einen Generator oder mindestens eine windgetriebene Turbine mit Generator oder mindestens einen Turbinengenerator oder mindestens eine druckgestufte Turbine mit Generator oder mindestens eine Turboexpanderturbine mit Generator oder mindestens einen druckgestuften Windturbogeneratorsatz. Besonders bevorzugt werden Rotoren zum Antrieb des Generators genutzt, wobei die Achse der Rotoren horizontal oder geneigt angeordnet sein können. Hierzu weist die Achse des Rotors vorzugsweise einen Winkel im Bereich von 0° bis 60° zur Horizontalen auf. Zusätzlich oder alternativ können auch Rotoren eingesetzt werden, deren Achse in einem Winkel zwischen 60° und 90° zur Horizontalen geneigt ist. Bei den Rotoren kann es sich auch um spezielle modifizierte Turbinen zur Stromerzeugung mit heißer Luft handeln, die ähnlich den Dampfturbinen, die zur Stromerzeugung eingesetzt werden, aufgebaut sind. Die Turbinenräder werden dazu der geringeren Dichte des durchströmenden Mediums, das heißt der heißen Luft, angepasst. Vorzugsweise werden Turbinen zur Stromerzeugung eingesetzt, die nicht geschwindigkeitsgestuft wie ein freilaufender Windenergiekonverter (Windrad) arbeiten, sondern als ummantelter druckgestufter Windturbogeneratorsatz, bei dem, wie bei einem Wasserkraftwerk, statischer Druck zur Energieerzeugung abgebaut wird.
Bei solchen Windturbogeneratorsätzen ist die Luftgeschwindigkeit vor und hinter der Turbine etwa gleich. Die entzogene Leistung ist proportional zum Produkt aus dem Volumenstrom und dem Druckabfall an der Turbine. Im Hinblick auf eine maximale Energieausbeute ist es Ziel der Turbinenregelung, dieses Produkt in allen Betriebszuständen zu maximieren. Über die Blattverstellung regelt die Turbine den Druckabfall und damit die optimale Luftgeschwindigkeit und den Luftstrom in der Anlage. Der Wirkungsgrad solcher Systeme liegt bei 80 % und mehr.
Weiterhin ist es auch möglich, Rotoren mit vertikaler Achse vorzusehen, die einen Spiralwirbeleffekt verwenden. Im Folgenden werden derartige Rotoren auch als Spiralaufwindturbine bezeichnet. Derartige Rotoren weisen eine lange stehende Achse auf, die am unteren Ende eine kugelförmige Aufnahme hat, die auf einem Dauermagneten gelagert ist. Durch diesen Aufbau entsteht keine Reibung, so dass keine Wartung notwendig ist. Solche Spiralaufwindturbinen können an jeder Stelle in den Kamin eingebaut werden. Weiterhin ist es auch möglich, mindestens eine Spiralaufwindturbine unterhalb des Kamins in einem aufgeweiteten Kaminbereich zu positionieren.
Neben dem Einbau der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie im mittleren und/oder inneren Sektor können entsprechende Einrichtungen auch an allen anderen Positionen im Aufwindkraftwerk, an denen Luft strömt, so auch im Kamin oder in Zuluftkanälen oder Stollen, die von Luft durchströmt werden, eingebaut werden. Bevorzugt ist es jedoch, die Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie im mittleren und/oder inneren Sektor und, falls weitere Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie vorgesehen sind, diese in horizontalen Kanälen oder Kanälen mit geringer Steigung, das heißt einer Steigung von weniger als 45° einzubauen, damit diese für Reparatur- und Wartungsarbeiten auf einfache Weise zugänglich sind. Wenn vorgesehen ist, Rotoren der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie im Kamin einzubauen, so werden diese bevorzugt als vertikale Rotoren oberhalb des Luftsammelraums im untersten Teil des Kamins eingebaut. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird die Wärme, die die Luft direkt aus dem umgebenden Erdreich aufnimmt, als Erdwärme bezeichnet. Da mit zunehmender Tiefe die Temperatur des Erdreichs um etwa 3 K je 100 m zunimmt, kann die zuströmende Luft bereits auf diese Weise vorgewärmt werden. Zur besseren Nutzung der Wärme aus dem die Zuluftkanäle umgebenden Erdreich ist es bevorzugt, wärmeleitende Stäbe oder Rohre, insbesondere Meta II roh re in die Wandungen der Zuluftkanäle zu treiben. An ihrem in den Zuluftkanal ragenden Ende kühlt die umströmende Luft die wärmeleitenden Stäbe und wird auf diese Weise erwärmt. Für einen besseren Wärmeübergang ist es bevorzugt, wenn das in den Zuluftkanal ragende Ende der wärmeleitenden Stäbe zur Vergrößerung der wärmeübertragenden Oberfläche mit Rippen oder Lamellen versehen ist. Zusätzlich können die wärmeleitenden Stäbe von einem wärmeleitenden Medium durchströmt werden. Hierzu kann entweder eine Pumpe vorgesehen sein, mit der das wärmeleitende Medium in den wärmeleitenden Rohren im Kreislauf gefördert wird oder die wärmeleitenden Rohre arbeiten nach dem Prinzip eines dem Fachmann bekannten Wärmerohrs (Heat Pipe).
Die zur weiteren Erwärmung genutzte mitteltiefe oder tiefe Geothermie bezeichnet petrothermale oder hydrothermale Wärme, die aus größeren Tiefen extrahiert wird, wobei durch die mitteltiefe oder tiefe Geothermie ein Wärmeeintrag von mehr als 20 K erreicht wird.
Die mitteltiefe oder tiefe Geothermie umfasst Systeme, bei denen geothermische Energie über Tiefbohrungen erschlossen wird und deren Energie direkt genutzt werden kann. Hierbei beginnt die mitteltiefe Geothermie bei einer Tiefe von mehr als 400 m und einer Temperatur von über 20 °C. Die tiefe Geothermie beginnt bei einer Tiefe von mehr als 1000 m und einer Temperatur von mehr als 40 °C.
Zur tiefen Geothermie gehören dabei hydrothermale Systeme, zum Beispiel Grundwasserleiter (Aquifere) mit heißem, warmem oder thermalem Wasser, wobei heißes Wasser eine Temperatur von mehr als 100 °C aufweist, warmes Wasser eine Temperatur im Bereich von 60 bis 100 °C und thermales Wasser eine Temperatur von 20 bis 60 °C. So können zum Beispiel auch hydrothermale Systeme mit hoher Energie in einer Tiefe von 1000 bis 3500 m, wie beispielsweise eine hydrothermale Bohrungsdublette zur Wärmeerzeugung eingesetzt werden. Alternativ kann die Wärme auch aus Störungszonen oder natürlichen Hotspots stammen. Bei Störungszonen oder natürlichen Hotspots handelt es sich um Tiefbohrungen, die bereits ab einer Tiefe von 100 m sehr starke Anstiege der Bodentemperatur bedingt durch geologische Verwerfungen zeigen, wie beispielsweise das Projekt Laxenburg in Niederösterreich.
Sofern keine natürlichen Hotspots vorhanden sind, ist es besonders bevorzugt, als geothermische Wärmequelle petrothermale Systeme in Tiefen von 1500 bis über 10000 m, bevorzugt von 2000 bis 7500 m und insbesondere von 2300 bis 7000 m zu nutzen, wobei hier die überwiegend im Gestein gespeicherte Energie genutzt wird. Beispiele für diese Nutzungssysteme sind Enhanced Geothermal Systems (EGS) oder Hot Dry Rock Systems (HDR), die auch als offene Systeme bezeichnet werden. Hierbei handelt es sich um eine Energiegewinnung aus dem Gestein selbst, so dass diese weitgehend unabhängig von wasserführenden Strukturen ist. Das heiße Gestein, häufig das kristalline Grundgebirge o- der auch Sandstein mit geringer Porosität, wird als Wärmetauscher genutzt.
Besonders bevorzugt können zur Nutzung der mitteltiefen oder tiefen Geothermie tiefe Erdwärmesonden eingesetzt werden, wobei die Energie aus einer beliebigen Gesteinsabfolge mit geschlossenem Kreislauf des Heizmediums in der Sonde genutzt wird. Tiefe Erdwärmesonden sind vertikale geschlossene Wärmetauscher, die in Bohrungen mit einer Tiefe von mehr als 400 m installiert werden. In der tiefen Erdwärmesonde zirkuliert das Heizmedium in einem geschlossenen System vorzugsweise in einer Tiefe von 800 bis 3000 m. Alternativ sind jedoch auch Tiefen von mehr als 3000 m bis zu 8000 m möglich. Besonders bevorzugt hierbei ist es, wenn die Erdwärmesonde ausgehend von tiefsten Punkt des Auf- windkraftwerks, zum Beispiel dem Boden des Luftsammelraums oder einem tief liegenden Zulaufkanal gebohrt wird. Bevorzugt werden Erdwärmesonden mit einem geschlossenen Regelkreis eingesetzt, bei denen die Wärmeaufnahme sicher in einem geschlossenen Kreislaufsystem durch ein Arbeitsmedium ohne Austausch mit dem Tiefenwasser und ohne Interaktion mit dem Tiefengestein erfolgt. Dies ermöglicht es, geschlossene Geothermieanlagen mit sehr hohen Leistungsabgaben zu bauen, die für das hier beschriebene Aufwindkraftwerk benötigt werden. Ein Beispiel für solche Erdwärmesonden mit größerem Kreislauf sind die unter dem Namen Eavor-Loop™ erhältlichen Systeme der Eavor GmbH oder von der Firma Fervo Energy aus Houston Texas.
Bevorzugt befindet sich mindestens ein Wärmetauscher, mit dem die Luft unter Nutzung der mitteltiefen oder tiefen Geothermie erwärmt wird, im inneren Sektor des Luftsammelraums. Zusätzlich ist es möglich, weitere Wärmetauscher im innersten Sektor des Luftsammelraums, im Bereich unterhalb des Kamins oder im unteren, mittleren oder oberen Bereich des Kamins vorzusehen, um die Luft zu erwärmen, wobei bevorzugt eine Position im mittleren oder unteren Bereich des Kamins und besonders bevorzugt eine Position im unteren Bereich des Kamins ist. Weiterhin ist es auch möglich, Wärmetauscher in den Zuluftschächten anzuordnen, wobei in diesem Fall die Position so gewählt wird, dass der Weg vom Wärmetauscher zum Ausgang des Kamins kürzer ist als zum Einlass in den Zuführschacht.
Die Leistung des erfindungsgemäßen Aufwindkraftwerks hängt insbesondere von drei Faktoren ab, der Querschnittsfläche des Kamins, der Höhe des Kamins und der Temperaturdifferenz, wobei die Höhe und die Temperaturdifferenz jeweils mit dem Exponenten 3/2 in die Leistungsberechnung der kinetischen Energie des Aufwindes eingehen. Da das Quadrat des Radius in die Berechnung der Querschnittfläche eingeht, bietet die Querschnittsfläche des Kamins das größte Potential zur Leistungssteigerung. Hierbei kann der Kamin einen Durchmesser von 20 m bis zu mehr als 1000 m aufweisen, wobei der Kamin vorzugsweise einen Durchmesser von 20 bis 500 m, mehr bevorzugt von 20 bis 300 m und insbesondere von 30 bis 200 m aufweist. Wenn der Kamin keine runde Querschnittsfläche, sondern eine beliebige andere Querschnittsfläche aufweist, ist der Durchmesser der hydraulische Durchmesser genutzt, der sich zu
4A dh = ~ü mit der Querschnittsfläche A und dem Umfang U berechnet. Bevorzugt ist es jedoch, wenn der Kamin eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweist. Dies gilt entsprechend auch für die Zuluftkanäle.
Neben nur einem Kamin kann das Aufwindkraftwerk auch mehrere Kamine aufweisen. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn der Kamineffekt aufgrund eines zu großen Durchmessers nicht mehr ausreichend ist. In diesem Fall können mehrere Kamine mit jeweils einem kleineren Durchmesser vorgesehen sein, wobei die Gesamtquerschnittsfläche aller Kamine der gewünschten Querschnittsfläche entspricht.
Neben der Erwärmung der Luft durch Erdwärme und Geothermie ist es möglich, dass mindestens eine vorzugsweise schaltbare Einrichtung zur Erwärmung der Luft umfasst ist, durch die die Luft mittels Solarthermie, Abwärme von technischen Anlagen oder Verbrennungsgasen erwärmt werden kann. Die Einrichtung zur Erwärmung der Luft umfasst dabei üblicherweise mindestens einen Wärmetauscher, der von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. Das Wärmeträgermedium kann dann beispielsweise durch Sonnenenergie, Abwärme von technischen Anlagen oder Verbrennungsgasen erwärmt werden. Insbesondere bei der Nutzung von Verbrennungsgasen ist es alternativ auch möglich, einen Brenner oder eine Verbrennungsturbine einzusetzen und die entstehenden Verbrennungsgase direkt in die den Kamin durchströmende Luft einzuleiten. Auch ist es möglich alternativ oder zusätzlich weitere Zusatzheizungen über die Verbrennung von fossilen oder grünen Energieträgern, die auf oder unter der Erdoberfläche stehen, zu nutzen. Insbesondere kann die Abwärme von Eisenhütten oder Stahlwerken genutzt werden.
Bei der Nutzung der Abwärme von technischen Anlagen kann das Wärmeträgermedium direkt genutzt werden, die technische Anlage zu kühlen. Alternativ ist es auch möglich, Kühlwasser aus technischen Anlagen zur Erwärmung der Luft zu nutzen, wobei in diesem Fall mit dem Kühlwasser ein technischer Prozess gekühlt wird und anschließend mit dem Kühlwasser die Luft erwärmt werden kann. Alternativ ist es auch möglich, das Kühlwasser mit dem Wärmeträgermedium zu kühlen und anschließend die Luft mit Hilfe des Wärmeträgermediums zu erwärmen. Insbesondere diese Variante ermöglicht einen Wärmepumpenbetrieb, durch den die Luft auf höhere Temperaturen als die des erwärmten Kühlwassers geheizt werden kann.
Als Wärmetauscher zur Erwärmung der Luft kann jeder beliebige, dem Fachmann bekannte Wärmetauscher, in dem Luft durch ein Wärmeträgermedium durch direkte oder indirekte Wärmeübertragung erwärmt wird, eingesetzt werden. Geeignete Wärmetauscher sind zum Beispiel Rohrbündelwärmetauscher, vorzugsweise mit Rippenrohren, Plattenwärmetauscher, Lamellenwärmetauscher, Rohrschlangen, Glattrohrwärmetauscher, Wärmetauscher mit Flachrohren oder auch beliebige Sonderwärmetauscher.
Die Einrichtung zur Erwärmung der Luft kann dabei in einem Sektor des Luftsammelraums, in luftführenden Anlagenteilen, insbesondere den Zuluftkanälen oder in den Kamin eingebaut werden. Bevorzugt ist die Einrichtung zur Erwärmung der Luft im inneren Sektor oder im Kamin und insbesondere im inneren Sektor angeordnet.
Um die Leistung des Aufwindkraftwerks zu steigern, ist es vorteilhaft, wenn die Luft am Kaminaustritt effektiv verteilt oder verwirbelt wird. Dadurch kann die Luft schneller aus dem Kamin strömen, wodurch sich die Strömungsgeschwindigkeit im Kamin erhöht. Zur Erhöhung des Prozesswirkungsgrades des Aufwindkraftwerks kann sich ein Kaminteil über der Erde befinden. Je höher der überirdische Teil des Kamins ist, umso vorteilhafter ist dies für die Verteilung der erwärmten Luft. Da Höhen von mehr als 1000 m zwar technisch möglich sind, jedoch Höhen von mehr als 600 m bisher unwirtschaftlich sind, ist es bevorzugt, wenn der oberirdische Teil des Kamins eine Höhe im Bereich von 10 bis 600 m und insbesondere im Bereich von 20 bis 400 m aufweist, um den Luftstrom aus dem Kamin zu verteilen. Es ist jedoch auch denkbar, dass der Kamin eine Höhe von weniger als 10 m hat oder überhaupt keinen oberirdischen Teil aufweist.
Weiterhin kann eine Leistungssteigerung erzielt werden, wenn der oberirdische Teil als Kühlturm ausgebildet ist. Als Kühlturm oder auch Rückkühlwerk wird dabei eine Anlage bezeichnet, die mittels eines Wärmeübertragers überschüssige oder technisch nicht mehr nutzbare Wärme abführt. Der Einsatz eines Naturzug-Kühlturms ist dabei besonders geeignet. Derartige Kühltürme weisen üblicherweise eine Höhe von bis zu 400 m ab Geländeoberkante auf. Alternativ kann auch eine Art Hybridsystem zum Einsatz kommen, bei der der Kamin einen oberirdischen Teil mit einer Höhe von 50 bis 400 m aufweist. In diesem oberirdischen Teil wird die Luft zusätzlich gekühlt und so der Temperaturgradient im Aufwindkraftwerk und damit der Wirkungsgrad erhöht.
Alternativ zu einem Kühlturm oder einem oberirdischen Kamin kann auch eine Kuppel mit entsprechenden Generatoren auf den Kamin gebaut werden. In diesem Fall befinden sich die Generatoren für die Stromerzeugung vorzugsweise nicht im Luftsammelraum, sondern am Austritt des Kamins oben.
Der unterirdische Teil des Kamins hat vorzugsweise eine Höhe von 100 m bis 5000 m, wobei eine Höhe von 200 m bis 4000 m bevorzugt ist und eine Höhe von 500 m bis 3500 m besonders bevorzugt. Die Höhe des Kamins ist dabei auch davon abhängig, welche Art Geothermie genutzt wird. Insbesondere bei der Nutzung der Wärme von natürlichen Hotspots ist eine geringere Höhe ausreichend. So kann bei der Nutzung von natürlichen Hotspots bereits eine Höhe des Kamins von 100 bis 500 m ausreichend sein, wobei auch in diesem Fall eine Höhe des Kamins von 500 bis 3000 m möglich ist.
Das Aufwindkraftwerk kann neben den Wärmetauschern zur Erwärmung der Luft und den Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie auch weitere Anlagenkomponenten umfassen, insbesondere Rotoren zur Wirbelerzeugung, Brennersysteme, Verbrennungsturbinen und/oder eine Dampfeinspritzung. Insbesondere die Rotoren zur Wirbelerzeugung und die Dampfeinspritzung können zur Verbesserung des Wirkungsgrades genutzt werden. Mittels Brennersystemen oder Verbrennungsturbinen kann die Lufttemperatur erhöht werden und damit auch der Wirkungsgrad verbessert werden. Zusätzlich können Brennersysteme oder Verbrennungsturbinen genutzt werden, um die Luft zum Anfahren des Aufwindkraftwerks zusätzlich zu erwärmen und so den Anfahrprozess zu beschleunigen. Bevorzugt sind die Brennersysteme oder Verbrennungsturbinen im innersten Sektor des Luftsammelraums oder im unteren Bereich des Kamins angeordnet. Rotoren zur Wirbelerzeugung und die Dampfeinspritzung sind vorzugsweise im unteren Teil des Kamins angeordnet, wobei die Dampfeinspritzung auch in jedem der Sektoren des Luftsammelraums, insbesondere im mittleren Sektor, im inneren Sektor oder im innersten Sektor erfolgen kann.
Wenn Brennersysteme oder Verbrennungsturbinen eingesetzt werden, so können diese zum Beispiel mit Erdgas, Flüssiggas, Wasserstoff oder beliebigen anderen Brennstoffen, insbesondere brennbaren Gasen betrieben werden. Besonders bevorzugt ist der Einsatz sogenannter grüner Energieträger wie Methan aus Biogasanlagen oder Ethanol aus Biomasse. Die Brennersysteme oder Verbrennungsturbinen können insbesondere beim Anfahren zum schnelleren Anheizen des Aufwindkraftwerks eingesetzt werden oder auch zur Erhöhung des Energieeintrags in das Aufwindkraftwerk und damit zur Erhöhung der Leistung. Das Temperaturniveau der derart aufgeheizten Luft kann dabei mehr als 600 °C betragen, wobei die dem Kamin zuströmende Luft vorzugsweise eine Temperatur von nicht mehr als 450 °C und insbesondere von nicht mehr als 250 °C aufweist.
Bevorzugt ist es, wenn dem Abgas aus dem Brennersystem oder der Verbrennungsturbine kältere Luft beigemischt wird. Hierbei kann die kältere Luft entweder Umgebungsluft sein oder bereits vorgewärmte Luft, wobei die vorgewärmte Luft eine Temperatur aufweist, die unterhalb der Temperatur des Abgases liegt. Die Menge an dem Abgas beigemischter Luft wird vorzugsweise so bemessen, dass die Temperatur der dem Kamin zugeführten Luft im Bereich von 20 bis 600 °C liegt. Durch die Temperatureinstellung durch die Mischung von Abgas und Luft kann gewährleistet werden, dass keine unerwarteten thermischen Schäden an Bauteilen des Aufwindkraftwerks auftreten.
Um ausreichend Luft zum Betrieb des Aufwindkraftwerks bereitzustellen, wird Luft über mindestens einen Zuluftkanal, bevorzugt mehrere Zuluftkanäle zugeführt. Die Zuluftkanäle sind dabei vorzugsweise als Schächte und/oder Stollen im Erdreich ausgebildet. Als Schächte werden dabei Kanäle verstanden, die im Wesentlichen vertikal verlaufen und als Stollen im Wesentlichen horizontal oder mit nur einer geringen Steigung verlaufende Kanäle.
Die Querschnittsfläche der Zuluftkanäle beträgt vorzugsweise mindestens 50 % der Querschnittsfläche des Kamins. Weiter bevorzugt ist es, wenn die Querschnittsfläche der Zuluftkanäle mindestens 100 % der Querschnittsfläche des Kamins beträgt, mehr bevorzugt mindestens 130 % der Querschnittsfläche des Kamins und insbesondere 150 bis 500 % der Querschnittsfläche des Kamins. Wenn mehrere Kamine umfasst sind, bezieht sich die Querschnittsfläche der Zuluftkanäle jeweils auf die Gesamtquerschnittsfläche aller Kamine. Um Leitungsverluste in den Zuluftkanälen und im Kamin zu minimieren, ist es weiterhin vorteilhaft, wenn die Zuluftkanäle und/oder der Kamin aerodynamisch optimiert werden, um so eine möglichst störungsfreie Luftströmung zu erhalten. Hierbei werden vorzugsweise die Oberflächen der Zuluftkanäle und/oder des Kamins so gestaltet, dass turbulente Strömungen weitgehend vermieden werden und die Luft laminar durch die Zuluftkanäle strömen kann. Hierzu können die Oberflächen zum Beispiel wie eine Haifischhaut oder wie die Oberfläche von Golfbällen mit Dimpeln beschaffen sein. Die Größe der Dimpel kann je nach Größe des Kamins variieren. Die Dimpel werden zum Beispiel in die Außenwand über spezielle Schaltafeln mit einem Negativabbild der Dimpel eingebracht, so dass sich nach dem Betonieren ein positiver Abdruck der entsprechenden Dimpel ergibt.
Weiterhin können durch geeignete Schlitze in der Innenwand des Kamins turbulente Strömungen abgesaugt werden. Dabei werden in der Betonwand des Kamins Rohrleitungen verlegt, die über einen Unterdrück die turbulente Luft von der Wandoberfläche absaugen. Der Unterdrück kann dabei durch höherliegende Auslässe in Form von Rohren oder Schlitzen durch bewegte Luft im Schacht erzeugt werden. Im Hauptschacht des Aufwindkraftwerkes und den Zuluftkanälen können Einbauten verwendet werden, die die Luft beschleunigen oder abbremsen können. Auch können ein oder mehrere Diffusoren in dem Kamin oder den Zuluftkanälen verbaut werden zur gezielten Leitung und Kontrolle der Luftströmung und der damit einhergehenden Reduzierung von turbulenten Strömungen. Auch der Einbau von Leitblechen ist vorgesehen, wobei diese auch aus anderen Materialien als Blech, wie Kom- posit-Werkstoffen oder anderen Kunststoffen, Metallen, Holz oder mineralischen Baustoffen, sein können, um den Luftstrom besser kontrollieren zu können. Speziell bei Krümmungen im Bereich der Zuluftkanäle sind diese Bauteile hilfreich, um Turbulenzen zu reduzieren oder zu unterdrücken.
Wenn nicht die gesamte von den Wärmetauschern bereitgestellte Wärme für die Erwärmung der Luft benötigt wird, ist es möglich, Wärmespeicher vorzusehen, mit denen die Wärme gespeichert wird. Als Wärmespeicher eignen sich zum Beispiel Latentwärmespeicher oder auch Steine oder Steinhaufen als Wärmespeicher. Auf diese Weise kann zum Beispiel dann, wenn mehr Leistung benötigt wird oder nicht ausreichend Wärme bereitgestellt werden kann, die Luft mittels der gespeicherten Wärme weiter erwärmt werden. Durch die Wärmespeicher und die damit mögliche Zwischenspeicherung von Wärme ist es möglich, die Wärme zu einem späteren Zeitpunkt zu nutzen, so dass ein zeitlich flexibler Betrieb des Aufwindkraftwerks mit schnellen Reaktionszeiten möglich ist, da die Wärme nicht erst über die Geothermie zusätzlich generiert werden muss. Der Wärmespeicher kann zum Beispiel als Betonwärmespeicher mit Luftkanälen, als Gesteinsschüttung, als Wirbelschicht, als Wasser, als Öl oder als flüssige Salzmischung ausgebildet sein. Als Phasenwechselmaterial für einen Latentwärmespeicher eignen sich zum Beispiel Wasser, Salze oder Metalle, die zur Wärmespeicherung aufgeschmolzen werden und zur Wärmeabgabe wieder erstarren. Auch kann die Wärmespeicherung durch reversibel chemisch reagierende Substanzen erfolgen. Geeignete Wärmespeichermaterialien, Phasenwechselmaterialien oder reversibel chemisch reagierende Substanzen zur Wärmespeicherung sind dem Fachmann bekannt.
Da aufgrund der größeren Temperaturdifferenz bei kälterer Außenluft, zum Beispiel im Winter oder nachts, in der Regel eine höhere Leistung erzielt wird als bei höherer Außentemperatur, zum Beispiel im Sommer oder tagsüber, können durch die Steuerung der Wärmetauscher und den Einsatz der Wärmespeicher auch solche Leistungsdifferenzen ausgeglichen werden.
Für die Steuerung des Aufwindkraftwerks und zur Regelung der bereitgestellten Leistung sind erfindungsgemäß alle Wärmetauscher, mit denen die Luft erwärmt wird, schaltbar. Dies ermöglicht es, einzelne oder alle Wärmetauscher anzuschalten oder abzuschalten, so dass die der Luft zugeführte Wärmemenge eingestellt werden kann. So ist es zum Beispiel möglich, einzelne Wärmetauscher abzuschalten, wenn bereits durch den Einsatz von weniger Wärmetauschern eine ausreichende Lufttemperatur erzielt wird.
Auch ist es vorteilhaft, wenn einzelne Schächte oder Stollen des Aufwindkraftwerks, insbesondere einzelne Zuluftkanäle, verschließbar sind und als intrinsische Wärmespeicher genutzt werden können. Sobald mehr Leistung benötigt wird, können die Schächte oder Stollen, insbesondere die Zuluftkanäle geöffnet werden.
Bevorzugt sind im Kamin Einbauten vorgesehen, die den Kamindurchmesser verkleinern oder gegebenenfalls vergrößern können, um einen Venturi-Effekt oder auch einen künstlichen Luftwirbel zu generieren.
Um die Leistung des Aufwindkraftwerks regeln zu können, ist es bevorzugt, wenn der äußere Sektor des Luftsammelraums über mehrere den mittleren und inneren Sektor bilden- dende Strömungskanäle mit dem innersten Sektor verbunden ist. Hierbei sind in jedem Strömungskanal mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und min- destens ein Wärmetauscher aufgenommen. Weiterhin ist es bevorzugt, wenn jeder Strömungskanal verschließbar ist. Auf diese Weise kann durch Öffnen oder Verschließen einzelner Kanäle die Leistung eingestellt werden. Weiterhin können auch Wärmetauscher in einzelnen Strömungskanälen abgeschaltet werden, um auf diese Weise durch Vermischung von kälterer und wärmerer Luft die gewünschte Lufttemperatur, mit der die Luft in den Kamin einströmt, zu erzielen.
Weiterhin ist es besonders bevorzugt, wenn jeder Strömungskanal einen Bypass aufweist, durch den die Luft an der im Strömungskanal aufgenommenen Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und/oder dem Wärmetauscher vorbeigeleitet werden kann. Dies ermöglicht die Zufuhr einer unveränderten Luftmenge in den Kamin bei reduzierter Erzeugung elektrischer Energie, indem die Luft nicht durch die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie, sondern durch den Bypass strömt. Die Abschaltung des Wärmetauschers führt dazu, dass die den Wärmetauscher durchströmende Luft nicht erwärmt wird. Alternativ kann die Luft auch um den Wärmetauscher geleitet werden, um eine Erwärmung zu verhindern. Auf diese Weise kann Luft, die durch Wärmetauscher geleitet wurde mit Luft, die nicht erwärmt wurde, gemischt werden, um so die gewünschte T emperatur zu erzielen. Auf diese Weise und gegebenenfalls durch Zuheizung mit einem Brennersystem oder einer Verbrennungsturbine kann jedes gewünschte Temperaturniveau der dem Kamin zugeführten Luft oberhalb von 20 °C eingestellt werden. Durch die Einstellung der Temperatur wird die Luftgeschwindigkeit im Kamin gesteuert, wodurch die Last der Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie, insbesondere der Generatoren, beeinflusst und damit die Energieerzeugung geregelt werden kann. Je nach sich ausbildender Temperaturdifferenz, Geometrie des Kamins und dessen Höhe kann so ein geeigneter konvektiver Aufwind im Kamin erzeugt werden, der die Strömung in den Strömungskanälen beeinflusst und damit zur Stromerzeugung dient.
Aufgrund der Mischvorgänge kann auf ein Frischluftgebläse vollständig verzichtet werden, wodurch der Gesamtwirkungsgrad weiter erhöht wird. Alternativ ist es jedoch auch möglich, unterstützend ein Frischluftgebläse einzusetzen.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn durch die Installation geeigneter Bauteile ein künstlicher Luftwirbel im Kamin des Aufwindkraftwerks generiert wird, der die Probleme eines künstlichen Luftwirbels mit seiner unkontrollierten Interaktion oberhalb und außerhalb des Wirbelgenerators in der Atmosphäre löst. Der Luftwirbel, der durch die geeigneten Bauteile erzeugt wird, befindet sich im Wesentlichen im Kamin des Aufwindkraftwerks, so dass das Kraftwerk nicht auf kilometerhohe, unkontrollierbare Systeme in der freien Natur angewiesen ist.
Als Wirbelgenerator zur Erzeugung des Luftwirbels im Kamin können eine tangentiale oder schräge Lufteinspritzung, die zur Erzeugung und Stabilisierung eines Luftwirbels geeignet sind, genutzt werden. Weiterhin können geeignete Luftleitwerke, beispielsweise Führungsbleche oder Abweiser, genutzt werden, um dem Luftstrom einen Drall hinzuzufügen oder einen Drall zu stabilisieren. Die Lufteinspritzung und/oder die Luftleitwerke können an einer oder mehreren Positionen im Kamin auf einer beliebigen Höhe angeordnet sein. Wenn Luftleitwerke in den Kamin eingebaut sind, können diese zum Beispiel aus Beton, Komposit- werkstoffen wie faserverstärkten Kunststoffen oder Laminaten, Kunststoffen oder Metallen gefertigt sein.
Wenn ein Wirbelgenerator vorgesehen ist, so befindet sich dieser vorzugsweise direkt unter dem Kamin im innersten Sektor des Luftsammelraums oder im unteren Teil des Kamins, vorzugsweise innerhalb der untersten 100 m des Kamins. Hierdurch befindet sich der erzeugte Luftwirbel im Wesentlichen im Kamin des Aufwindkraftwerks, kann aber auch darüber hinausgehen und außerhalb des Kamins bestehen.
Besonders bevorzugt ist es weiterhin, wenn eine Dampfeinspritzung umfasst ist. Der Dampf kann beispielsweise durch die Energie aus den geothermischen Sonden oder allgemein aus Geothermie erzeugt werden. Mit der Dampfeinspritzung wird die Luft vor oder nach den Wärmetauschern mit gesättigtem oder überhitztem Wasserdampf angereichert. Der Wasserdampf dient dabei als Energieträger und kann an beliebigen Stellen im Luftsammelraum und/oder an einer oder mehreren beliebigen Stellen im Kamin des Aufwindkraftwerks eingespeist werden. Die mit dem Wasserdampf angereicherte Luft kühlt sich innerhalb oder außerhalb des Kamins ab, bis der Wasserdampf kondensiert. Durch den latenten Wärmeübergang des Wasserdampfs im Kamin von gasförmig nach flüssig werden große Mengen an Energie freigesetzt. Diese freigesetzte Energie dient insbesondere zur Erzeugung und Stabilisierung des Luftwirbels. Der kondensierende Wasserdampf setzt so viel Energie frei, dass die Entstehung des Luftwirbels unterstützt und der Betrieb des Luftwirbels aufrechterhalten wird. Die freigesetzte Wärme wirkt dabei im Kamin wie ein Nachbrenner bei einer Jet-Turbine.
Wenn der Luftwirbel durch die tangentiale oder schräge Lufteinspritzung erfolgt, kann diese auf jeder beliebigen Höhe im Kamin erfolgen. Bevorzugt ist es dabei, wenn die eingespritzte Luft mit gesättigtem oder überhitztem Wasserdampf angereichert wurde. Um den Kondensationsprozess des Wasserdampfs und damit die Freisetzung der latenten Wärmeenergie zu starten, kann in jeder beliebigen Höhe des Kamins Luft mit einer geeigneten Temperatur oder Wasser tangential injiziert werden.
Auch dann, wenn kein Wirbelgenerator vorgesehen ist, ist es bevorzugt, wenn vor oder nach den Wärmetauschern gesättigter oder überhitzter Wasserdampf in die Luft eingespritzt wird. Auch in diesem Fall dient der Wasserdampf als Energieträger und kann insbesondere an einer oder mehreren Stellen im Kamin eingespeist werden. Durch die bei der Kondensation des Wassers freigesetzte Wärme wird der Zug im Kamin deutlich erhöht, was zu einer Leistungserhöhung führt.
Die Dampferzeugung kann klassisch mit Brennern oder mit Strom erfolgen. Alternativ ist es auch möglich, die schon im Aufwindkraftwerk genutzte Geothermie zur Dampferzeugung einzusetzen.
Das erfindungsgemäße Aufwindkraftwerk kann in einem stillgelegten Bergwerk oder einer stillgelegten Mine gebaut werden, wobei hierzu erforderlich ist, Wärmetauscher, mit denen die mitteltiefe oder tiefe Geothermie nutzen, eingebaut werden. Weiterhin ist es erforderlich die Schächte für die Luftzufuhr im Querschnitt anzupassen und gegebenenfalls zu vergrößern und/oder zu ergänzen, um ausreichend Luft für den Kamin des Aufwindkraftwerks zuzuführen.
Zur Erhöhung der Luftabfuhr aus dem Kamin ist es bei Nutzung eines stillgelegten Bergwerks oder einer stillgelegten Mine weiterhin vorteilhaft, den Kamin oberirdisch zu verlängern, so dass der Kamin einen oberirdischen Teil von bis zu 600 m Höhe aufweist.
Ein wesentlicher Vorteil des Umbaus eines stillgelegten, bestehenden Bergwerks zu dem Aufwindkraftwerk liegt darin, dass die Austrocknung der Gewerke durch die Luftströme des Aufwindkraftwerks die Instandhaltungskosten, das heißt die sogenannten Ewigkeitskosten deutlich reduzieren kann. Weiterhin sind bei der Nutzung eines Bergwerks alle geologischen Formationen bekannt.
Um das Aufwindkraftwerk in einem stillgelegten Bergwerk oder einer stillgelegten Mine zu bauen, ist es notwendig, dass die Hauptschächte, die die Kamine bilden, auf mindestens 300 m2 erweitert werden, wobei eine Gesamtquerschnittsfläche der Kamine von mindestens 3000 m2 weiter bevorzugt ist und eine Gesamtquerschnittsfläche der Kamine von mindestens 7000 m2 oder größer besonders bevorzugt ist.
Neben dem Bau des Aufwind Kraftwerks in eine stillgelegte Mine oder ein stillgelegtes Bergwerk kann auch an einen beliebigen Ort ein Schacht mit Luftzuführungsschächten in der benötigten Tiefe gebaut werden. Weiterhin ist es denkbar den Kamin des Aufwind kraftwerks in einen Berg zu bauen. In diesem Fall kann die Luftzufuhr am Fuß des Berges, unterhalb des Fußes des Berges oder in der Tiefe über entsprechende Bauwerke zur Luftzufuhr erfolgen. Allerdings müssen dann immer noch die Geothermie-Bohrungen erfolgen, die dann an den Kamin entsprechend der vorherigen Ausführungen angeschlossen werden können.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine Übersichtsansicht eines erfindungsgemäßen Aufwindkraftwerks, Figur 2 eine dreidimensionale Darstellung des Kamins mit Versorgungsschacht, Figur 3 eine dreidimensionale Darstellung des Luftsammelraums eines Aufwindkraftwerks,
Figur 4 eine Schnittansicht des Luftsammelraums,
Figur 5 eine horizontale Schnittansicht des Luftsammelraums in dreidimensionaler Darstellung.
Figur 1 zeigt eine Übersichtsansicht eines erfindungsgemäßen Aufwind kraftwerks und Figur 2 eine dreidimensionale Darstellung des Kamins des Aufwind kraftwerks mit Versorgungsschacht.
Das Aufwindkraftwerk umfasst einen Kamin 1 mit einem überirdischen Teil 3 und einem unterirdischen Teil 5. Unterhalb des Kamins 1 an dessen Eintrittsseite befindet sich ein Luftsammelraum 7, in dem die aus Zuluftkanälen 9 zuströmende Luft gesammelt und dem Kamin zugeführt wird. Zur Absicherung weisen die Zuluftkanäle 9 oberirdische Zuluftbauwerke 11 auf, durch die die Zuluft in die Zuluftkanäle 9 eingeleitet wird, die gleichzeitig jedoch auch einen Schutz bieten, damit keine Personen, Tiere oder Gegenstände in die Zuluftkanäle 9 eingesaugt werden. In der hier dargestellten Ausführungsform weisen die Zuluftkanäle 9 jeweils einen vertikalen Abschnitt 13 auf, der in einem Zwischenschacht 15 mündet. Aus dem Zwischenschacht 15 zweigt jeweils mindestens ein Verbindungsschacht 17 ab, der in den Luftsammelraum 7 mündet. Um die dem Kamin zugeführte Luftmenge steuern zu können, ist es bevorzugt, wenn die Zuluftkanäle 9 einzeln unabhängig voneinander verschlossen werden können. Hierzu können an jeder beliebigen Stelle im Zuluftkanal 9 geeignete Schleusen oder Ventile vorgesehen sein. Besonders bevorzugt werden die Zuluftkanäle 9 im oberirdischen Zuluftbauwerk 11 verschlossen.
Um zusätzlich zu der durch das Erdreich aufgrund der Tiefe der Zuluftkanäle 9 an die durch die Zuluftkanäle 9 strömende Luft abgegebene Wärme weitere Wärme zuführen zu können, werden Wärmetauscher eingesetzt, die von einem Heizmedium durchströmt werden, das seine Wärme aus tiefer Geothermie bezieht. Hierzu werden vorzugsweise, wie hier dargestellt, ausgehend von der unteren Ebene des Aufwindkraftwerks Geothermiebohrungen 19 vorgesehen, in denen besonders bevorzugt eine von dem Heizmedium durchströmte Erdsonde aufgenommen ist. Beim Durchströmen der Erdsonde wird das Heizmedium erwärmt und gibt dann die aufgenommene Wärme an die in den Kamin 1 strömende Luft ab. Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn die Geothermiebohrungen aus unterirdischen Geothermieräumen 20 vorgetrieben werden, um so die Wartung und Montage zu erleichtern.
Beim Durchströmen des Luftsammelraums 7 treibt die Luft Windturbinen oder Rotoren an, die mit Generatoren zur Stromerzeugung verbunden sind. Der produzierte Strom wird an die Erdoberfläche geleitet und kann über eine Kraftwerksstation 21 weiterverteilt werden.
Neben der Nutzung der Geothermie kann die Luft zusätzlich durch die Nutzung weiterer Energiequellen erwärmt werden. So ist es zum Beispiel möglich, Solarthermie für die Erwärmung der Luft zu nutzen. Hierzu wird ein Solarfeld 23 vorgesehen, das über eine Solar- thermiestation 25 mit unterirdischen Solarthermieräumen 27 verbunden ist. In den Solar- thermieräumen befinden sich geeignete Wärmetauscher, mit denen die Luft erwärmt werden kann.
Zum Ausgleich von Temperaturschwankungen, zum Beispiel aufgrund sich ändernder Umgebungstemperatur kann ein Wärmespeicher 29 vorgesehen sein, in dem überschüssige Wärme gespeichert werden kann. Solange durch die Geothermie oder die Solarthermie mehr Wärme bereitgestellt wird, als aktuell benötigt wird, kann die überschüssige Wärme im Wärmespeicher 29 gespeichert werden. Sobald zusätzlich Wärme benötigt wird, zum Beispiel aufgrund einer sinkenden Temperaturdifferenz zwischen der dem Kamin zugeführten Luft und der Umgebungsluft, kann die Wärme aus dem Wärmespeicher 29 zur weiteren Erwärmung des dem Kamin zugeführten Luftstroms genutzt werden.
Um die unterirdischen Anlagenteile schnell zu erreichen, kann im Kamin des Kraftwerkes oder in einem separaten vertikalen Versorgungsschacht 31 , der vorzugsweise parallel zum Kamin des Kraftwerkes verläuft, ein Förderkorb, wie aus Untertagebergwerken bekannt, ein klassischer Lastenaufzug oder ein Lastenaufzug mit Magnetschwebetechnik bewegt werden.
Ein Lastenaufzug mit Magnetschwebetechnik hat den Vorteil, dass die Masse der Seile, die bei einer Höhe eines Gebäudes oder einer Tiefe eines Schachtes von 300 Metern alleine ein Gewicht von 20 bis 30 Tonnen erreichen, nicht bei jeder Bewegung beschleunigt und gebremst werden muss, was wertvolle Energie kostet. Weiterhin können Höhen bzw. Tiefen mit über 300 m nicht mehr bedient werden, da irgendwann das Eigengewicht der Seile so groß wird, dass diese reißen. Ein weiteres Problem ist die sogenannte Eigenfrequenz der langen Seile. Mit großem Aufwand müssen Seilfrequenzen unterdrückt werden. Diese ganzen Probleme hat die Magnetschwebetechnik nicht und würde speziell im Bergbau mannigfaltige Probleme lösen. Die Aufzugtechnik für Aufzüge mit Magnetschwebetechnik könnte in die Außenwand des Kamins 1 oder in den vertikalen Versorgungsschacht 31 des Aufwindkraftwerkes eingelassen werden. Während der Bauzeit könnten Menschen und Baumaterial leicht transportiert werden. Nach Ende der Bauzeit für den Schacht könnten der oder die Aufzüge für Wartungsarbeiten dienen.
Für den Bau und die Wartung des Aufwindkraftwerks ist es bevorzugt, wenn Montagekammern 30 auf unterschiedlichen Höhen vorgesehen sind. Die Montagekammern 30 werden vorzugsweise durch den vertikalen Versorgungsschacht 31 miteinander verbunden.
Der vertikale Versorgungsschacht 31 kann durchgehend sein, wenn er mit der Magnetschwebetechnik ausgestattet ist, oder, wenn es sich um klassische Lastenaufzüge handelt, wie in Figur 2 dargestellt, alternierend zu den Montagekammern 30 einzeln angesteuert werden. Die alternierenden Schächte 32 sind hierbei nötig, da Stahlkabel oder andere Kabel nur in einer begrenzten Länge Lasten tragen können. Daher verkürzt man auf dies Art die Länge der eingesetzten Aufzugskabel.
Zusätzlich ist es bevorzugt, wenn eine Versorgungsstraße 33 vorgesehen ist, über die während des Baus Erdreich abtransportiert werden kann und über die Anlagenteile, die zu schwer für den Transport mit dem Förderkorb sind, nach unten transportiert werden können. Diese Versorgungsstraße 33 kann spiralförmig, mit einer Steigung von 1 % bis 12 %, bevorzugt mit einer Steigung von 3 % bis 10 % und insbesondere mit einer Steigung von 5 % bis 9 % direkt an den Kamin 1 des Aufwindkraftwerkes gebaut werden. Bevorzugt ist es jedoch, wenn die Versorgungsstraße 33 einen Abstand zwischen 1 m und 10 m, mehr bevorzugt einen Abstand zwischen 10 m und 30 m und insbesondere einen Abstand von 30 m oder mehr zum Kamin 1 aufweist.
Die Versorgungsstraße 33 kann außerhalb der Montagekammern 30 verlaufen und dann über horizontale Versorgungsschächte 34 verbunden werden oder, wie in Figur 2 dargestellt, zwischen den Montagekammern und dem Kamin 1. Die horizontalen Versorgungsschächte 34 laufen dann über die Versorgungsstraße 33 zu den Montagekammern 30 mit Zugang zu dem Aufzug oder den Aufzügen in dem vertikalen Versorgungsschacht 31.
Die Montagekammern 30 können während der Bauzeit zum Abtransport des Abraums dienen, wenn der Kamin 1 ausgegraben wird. Dabei erfolgt die Entsorgung vorzugsweise mittels Förderbändern, wie sie aus dem Untertagebau und Tagebau bekannt sind. Alle 100 m bis 500 m, bevorzugt alle 150 m bis 200 m werden durch die horizontalen Versorgungsschächte 34 ausfahrbare Plattformen gebaut, die in der Bauphase zum Betontransport, als Anlaufpunkt und weiterhin um schweres Gerät abzuseilen oder hochzufahren, dienen.
Alternativ können Gerätschaften auch über die Versorgungsstraße 33 angefahren werden. In der Bauphase können so auch größere Bauteile, die über die Lastenaufzüge nicht transportiertwerden können, nach unten befördert werden. Nach Ende des Schachtbaus können so auch Anlagenteile zum Beispiel zum Luftsammelraum 7 oder anderen Bauteilen des Aufwindkraftwerkes transportiert werden. Im Betrieb des Aufwindkraftwerkes kann die Versorgungsstraße 33 als Luftzufuhrschacht mitgenutzt werden.
Alle Versorgungsschächte und Straßen können natürlich auch mit geeigneten Maßnahmen für den Bau der Luftzufuhrschächte genutzt werden. Hierbei müssen zum Beispiel horizontale Verdingungsschächte zu den Zuluftschächten erstellt werden. Es ist auch denkbar, dass weitere subterrane Aufwindkraftwerke, die direkt neben ein bestehendes Aufwindkraftwerk gebaut werden über die Versorgungswege und Schächte gebaut werden.
Figur 3 zeigt den Luftsammelraum als dreidimensionale Ansicht, in Figur 4 ist der Luftsammelraum in Schnittdarstellung abgebildet und Figur 5 zeigt eine horizontale Schnittansicht in dreidimensionaler Darstellung. In der hier dargestellten Ausführungsform weist der Luftsammelraum 7 einen achteckigen Querschnitt auf. Neben der hier dargestellten achteckigen Form kann der Luftsammelraum 7 jedoch auch jede beliebige Form aufweisen. Sofern der Luftsammelraum 7 nicht kreisförmig ist, entspricht die Anzahl der Kanten vorzugsweise der Anzahl der dem Luftsammelraum 7 zugeführten Zuluftkanäle 9, deren Verbindungsschächte 17 in den Luftsammelraum 7 münden.
An der Oberseite des Luftsammelraums befindet sich ein Auslass 35, an den sich der in den Figuren 3,4 und 5 nicht dargestellte Kamin 1 anschließt.
Erfindungsgemäß weist der Luftsammelraum 7 in der in den Figuren 4 und 5 dargestellten Ausführungsform einen äußeren Sektor 37, ein mittleres Segment 39 und einen innersten Sektor 41 auf. Das mittlere Segment 39 unterteilt sich in einen mittleren Sektor 47 und einen inneren Sektor 49, in denen wahlweise die Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und/oder die die Wärmetauscher platziert werden. So kann im mittleren Sektor 47 entweder eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie oder ein Wärmetauscher platziert werden und entsprechend im inneren Sektor 49 ein Wärmetauscher oder eine Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie. Das mittlere Segment 39 ist dabei aus mindestens einem, bevorzugt aus mehreren Strömungskanälen 43 aufgebaut, durch die die Luft aus dem äußeren Sektor 37 in den innersten Sektor 41 strömt. Die Strömungskanäle 43 umfassen Verschlusseinrichtungen 45, die den äußeren Sektor 37 verschließen können, Strömungsgeneratoren 47, die Wärmetauscher 49 und Verschlusseinrichtungen 46, um den Strömungskanal 43 zum innersten Sektor 41 zu verschließen.
Die Zuluftkanäle 9 münden in den äußeren Sektor 37 des Luftsammelraums, in dem die Luft gesammelt wird und den Strömungskanälen 43 des mittleren Segments 39 zugeführt wird. Durch den äußeren Sektor 37, in dem die Luft gesammelt wird, kann auch bei ungleichmäßiger Luftzufuhr sichergestellt werden, dass die Luft den Strömungskanälen 43 gleichmäßig zugeführt wird und immer ausreichend Luft zur Verfügung steht, die durch die Strömungskanäle aus dem mittleren Segment 39 dem innersten Sektor 41 zugeführt werden kann, um dann über den Auslass 35 in den Kamin 1 zu strömen, damit ein kontinuierlicher Betrieb des Aufwindkraftwerks sichergestellt ist.
Um das Aufwindkraftwerk Regeln zu können und die erzeugte elektrische Energie an den tatsächlichen Bedarf anzupassen, sind die einzelnen Strömungskanäle 43 so aufgebaut, dass sie jeweils unabhängig voneinander verschließbar sind. Hierzu weisen die Strömungskanäle 43 zumindest an einem Ende eine Verschlusseinrichtung 45, zum Beispiel ein Schott oder einen Schieber, auf. Bevorzugt ist es, wenn die Strömungskanäle 43 an beiden Enden, das heißt dem in den äußeren Sektor 37 mündenden Ende und dem in den innersten Sektor 41 mündenden Ende mit einer Verschlusseinrichtung 45, 46 verschließbar sind.
In den Strömungskanälen 43 befindet sich jeweils mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie im mittleren Sektor 47 und stromab der Vorrichtung mindestens ein Wärmetauscher im inneren Sektor 49, oder es befindet sich jeweils mindestens ein Wärmetauscher im mittleren Sektor 47 und mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie im inneren Sektor 49. Der Wärmetauscher wird von einem Heizmedium durchströmt, das seine Energie aus mitteltiefer oder tiefer Geothermie, Störungszonen oder natürlichen Hotspots bezieht. Die Wärmetauscher im mittleren Sektor 47 oder im inneren Sektor 49 sind dabei vorzugsweise jeweils schaltbar, so dass es auch möglich ist, Luft durch den Wärmetauscher zu leiten, ohne dass diese weiter erwärmt wird. Hierdurch kann die Luftströmung weiter gesteuert werden und die gewünschte Temperatur eingestellt werden.
Die in im mittleren Sektor 47 oder im inneren Sektor 49 aufgenommenen Vorrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie sind zum Beispiel Turbinen oder Rotoren mit Generatoren, wobei die Generatoren über eine Achse mit der Turbine oder dem Rotor verbunden sein können oder die Rotation der Turbine oder des Rotors mittels geeigneter Getriebe oder Riemen an eine Drehachse des Generators übertragen wird, wobei in diesem Fall der Generator außerhalb des Strömungskanals 43 stehen kann. Bevorzugt ist es jedoch, wenn der Generator innerhalb des Strömungskanals 43 steht und direkt mit der Achse des Rotors oder der T urbine verbunden ist.
In den Figuren sind die Zulaufkanäle 9, Strömungskanäle 43 und alle weiteren Stollen oder Schächte, im Folgenden unter dem Begriff Kanäle zusammengefasst, jeweils mit einem achteckigen Querschnitt dargestellt. Neben dem hier dargestellten achteckigen Querschnitt können die Kanäle auch jeden beliebigen anderen Querschnitt aufweisen, insbesondere einen kreisförmigen Querschnitt. Um insbesondere die horizontal oder mit geringer Steigung verlaufenden Kanäle betreten oder befahren zu können, ist es weiterhin bevorzugt, wenn diese einen ebenen Boden aufweisen.

Claims

Patentansprüche
1. Aufwind Kraftwerk mit mindestens einem zumindest teilweise unterirdisch verlaufenden Kamin (1), der an seinem unteren Ende mit einem Luftsammelraum (7) verbunden ist, in dem Luft aller luftführenden Anlagenteile gesammelt wird und durch den die Luft in den Kamin (1) einströmen kann, sowie Zuluftkanälen (9), durch die Umgebungsluft in den Luftsammelraum (7) so zugeführt werden kann, dass die Luft in den Zuluftkanälen (9) durch das umgebende Erdreich erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftsammelraum (7) in mindestens vier Sektoren geteilt ist, einen äußeren Sektor (37), in dem die durch die Zuluftkanäle (9) einströmende Luft gesammelt wird, einen verschließbaren mittleren Sektor (47), einen verschließbaren inneren Sektor (49) und einen innersten Sektor (41), durch den die im mittleren Sektor oder im inneren Sektor (49) erwärmte Luft dem Kamin zugeleitet werden kann, wobei mindestens ein schaltbarer Wärmetauscher zur Erwärmung der Luft im mittleren Sektor (47) oder im inneren Sektor (49) angeordnet ist und mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie im inneren Sektor (49), wenn der schaltbare Wärmetauscher im mittleren Sektor (47) angeordnet ist, im mittleren Sektor (47), wenn der schaltbare Wärmetauscher im inneren Sektor (49) angeordnet ist, und/oder am Auslass des Kamins (1) angeordnet ist, wobei die Luft im schaltbaren Wärmetauscher mittels mitteltiefer oder tiefer Geothermie, Wärme aus Störungszonen oder Wärme aus natürlichen Hotspots erwärmt wird und wobei der Kamin einen Innendurchmesser von mindestens 20 m und eine Höhe von mindestens 100 m aufweist.
2. Aufwindkraftwerk gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Aufwindkraftwerk in eine Schlucht, einen Krater, eine Braunkohletagebaugrube, eine Kupfermine, eine Goldmine, Fels, ein Kieswerk, eine Lehmkuhle, eine Kiesgrube oder einen Steinbruch gebaut ist.
3. Aufwindkraftwerk gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine vorzugsweise schaltbare Einrichtung zur Erwärmung der Luft umfasst ist, durch die die Luft mittels Solarthermie (23, 25, 27), Abwärme von technischen Anlagen oder Verbrennungsgasen erwärmt werden kann.
4. Aufwind Kraftwerk gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erwärmung der Luft im innersten Sektor (41) oder im inneren Sektor (49) oder im mittleren Sektor (47) oder in dem mindestens einen Kamin (1) angeordnet ist.
5. Aufwindkraftwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Rotoren zur Wirbelerzeugung, Brennersysteme, Verbrennungsturbinen und/oder eine Dampfeinspritzung umfasst sind.
6. Aufwindkraftwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Zuluftkanal (9) separat verschließbar ist.
7. Aufwindkraftwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Bypass umfasst ist, durch die die Luft an der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie und/oder dem Wärmetauscher vorbeigeleitet werden kann.
8. Aufwindkraftwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Erzeugung elektrischer Energie mindestens einen Rotor und mindestens einen Generator oder mindestens eine windgetriebene Turbine mit Generator oder mindestens einen Turbinengenerator oder mindestens eine druckgestufte Turbine mit Generator oder mindestens eine Turboexpanderturbine mit Generator oder mindestens einen druckgestuften Windturbogeneratorsatz umfassen.
9. Aufwindkraftwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen Kamin (1) einen hydraulischen Durchmesser im Bereich von 20 bis 500 m und eine Tiefe im Bereich von 100 bis 5000 m aufweist.
10. Aufwindkraftwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kamin (1) einen oberirdischen (3) Teil aufweist.
11. Aufwindkraftwerk gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der oberirdische Teil (3) als Kühlturm ausgebildet ist.
12. Aufwindkraftwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Gesamtquerschnittsfläche aller Zuluftkanäle (9) im Bereich von 20 bis 500 % der Querschnittsfläche des mindestens einen Kamins (1) liegt.
13. Aufwind Kraftwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Kamin (1) Einbauten zur Erzeugung von Luftwirbeln umfasst.
14. Aufwindkraftwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Wärmespeicher (29) umfasst ist, in dem überschüssige Wärme gespeichert werden kann.
15. Aufwindkraftwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 dadurch gekennzeichnet, dass Oberflächen des Kamins (1) und/oder mindestens eines Zuluftkanals (9) wie eine Haifischhaut beschaffen sind oder Dimpel aufweisen.
16. Aufwindkraftwerk gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine spiralförmige Versorgungsstraße (33) umfasst ist, die um den Kamin (1) umläuft.
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