WO2010075847A2 - Verfahren zur wärmeabfuhr und verbesserung des gesamtwirkungsgrades bei einer stromerzeugung, insbesondere durch meeresfern bzw. in ariden regionen errichtete solarthermische kraftwerke oder solare kollektorfelder - Google Patents

Verfahren zur wärmeabfuhr und verbesserung des gesamtwirkungsgrades bei einer stromerzeugung, insbesondere durch meeresfern bzw. in ariden regionen errichtete solarthermische kraftwerke oder solare kollektorfelder Download PDF

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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
    • 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
    • F03G6/00—Devices for producing mechanical power from solar energy
    • F03G6/06—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means
    • F03G6/065—Devices for producing mechanical power from solar energy with solar energy concentrating means having a Rankine cycle
    • F03G6/067—Binary cycle plants where the fluid from the solar collector heats the working fluid via a heat exchanger
    • 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
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling of thermal power plants and to improve the overall efficiency of power generation by in remote arid regions erected power plants, especially solar thermal power plants or built in arid regions solar farms.
  • thermodynamic cycle processes require a dissipation of energy that has not been converted into electrical energy on the cool side of the thermodynamic cycle.
  • thermal power plants are therefore built on rivers and on the sea to use these waters as cooling water.
  • a heat transfer to the ambient air in conjunction with cooling towers is another alternative, but usually reduces the efficiency.
  • DE 2548715 A1 the "transport of solar heat from tropical regions” by means of “heat vessels” described.
  • a maximum operating radius of 50 km is assumed for combined heat and power with pipelines, because apparently the significant reduction in costs with the transmission power is ignored.
  • Also proposed was drinking water from seawater with the aid of solar parks near the coast.
  • Solar parks with solar thermal power plants are preferably built in regions with high direct solar radiation, so in particular with low cloud cover. These are mostly arid areas where water is scarce.
  • the object of the invention is therefore to provide a solution for improving the efficiency of power generation by arsenic regions in remote sea power plants, especially solar thermal power plants or built in arid regions solar farms. This is achieved by improving the electrical efficiency by means of better cooling or by the extraction of useful heat.
  • water from the nearest sea is used, which even at distances of one hundred kilometers or more, can be the nearest body of water that allows greater extraction, and at a lower (cooling) water temperature than the ambient air.
  • the object is achieved by a method in which by means of a water pipe, preferably pipe over long distances and in large quantities seawater or seawater cooled water or water from cooler regions is supplied to the power plant as cooling water.
  • the thermodynamic cycle is extended over long distances by the steam generated in the solar park is guided over greater distances or differences in altitude up to a condenser closer to the possibilities for cooling water supply, and the cooled water of the circulation process is returned after heat release and condensation.
  • the expansion of the thermodynamic cycle includes the two ways to transport the steam at higher pressure and to arrange the steam turbine and power generator in the vicinity of the cooling water supply, or, preferably, the relaxed steam after exiting the steam turbine with lower pressure management requirements of the line transport.
  • cooling water is to be understood in a broad sense. Also addressed is water which condenses the steam originating from a medium-pressure turbine or extraction condenser turbine in a heating condenser and is subsequently removed by heating and used. Because of the required dimensions of the water supply preferably several solar power plants are connected to a common cooling water pipe.
  • thermodynamic cycle A combination of the best possible solar radiation in arid regions with the use of cooler water for the recooling allows according to the invention, an improvement in the efficiency of the thermodynamic cycle and thus the electrical efficiency.
  • a preferred embodiment of the invention provides that with the heat on the cool side of the thermodynamic cycle of the solar thermal power plant a desalination plant is operated. While seawater desalination often provides for multiple heat transfer using the multi-distillation process in order to limit the high heat requirement and to obtain the coolest possible drinking water, the heat requirement does not matter if the freshwater obtained is subsequently to be used for heat supply.
  • Another embodiment of the invention is particularly suitable for solar parks at a higher altitude above sea level, eg on a particularly sunny area High plateau, in connection with deeply cut valleys.
  • a very large cost of pumps would be required, should be provided as cooling water seawater transported to this level.
  • a seawater feeding pipe is led to a heat exchanger near the sea, preferably in a deeply cut valley whose slopes already reach the height of the solar park.
  • a heat transfer from a separate cooling water circuit which is at this point corresponding to the greater sea level of the solar park under a high hydrostatic pressure.
  • the heat exchanger could be configured as a condenser in which condenses steam originating from the solar park.
  • the steam turbine itself could be near the heat exchanger / condenser or in the vicinity of the solar park.
  • a particularly favorable location for the heat exchanger would be a deep valley cut in the vicinity of the solar park, so that from there only a short distance must be covered, and yet the height difference is bridged.
  • the pipeline is designed as a pair of pipes and it is used a pipe for the inlet of the cooling water and the other pipe for the heat transport of the heated water for heating in remote from the power plant regions.
  • the heat release to the cooling water depending on
  • Ratios of cooling water used and stored at different temperature levels are Ratios of cooling water used and stored at different temperature levels.
  • a further embodiment of the method provides that in the pipeline with the cooling water, a substance is carried, which changes its state of aggregation depending on flow and return temperature and thus has a higher heat capacity. This would significantly reduce the required volume flow, especially with a cooling water circulation without heat utilization and with a small temperature change.
  • the pipeline is designed slightly more spacious with a little more generous, in addition to the transport of seawater or other cooling water in the direction of the power plant and the removal of the heated water additional To take over transport tasks.
  • This could be the transport of drinking water from a region rich in water in the direction of the arid region of the solar park, which is branched off in front of the power plant, or in the opposite direction to the transport of from a power plant accompanying seawater desalination plant originating product water (fresh water) or the discharge of Salt concentrated residual lye into the sea.
  • the line could also be operated in the opposite direction, to require no second pipe, for example, in the construction phase, or take over other transport tasks in alternation, such as transport natural gas.
  • fresh water is supplied to the power plant from cooler or more water-rich regions as cooling water, which is treated after drinking water without return to the source waters to drinking water or discharged into the environment and preferably used for irrigation agricultural land.
  • the seawater remote solar thermal power plant seawater is supplied as cooling water.
  • a desalination by way of the distillation of the water to be heated anyway to reduce the risk of corrosion in the network and to be able to use the water more versatile.
  • the water from the sea is then transported to cooler regions. In the cooler region, the hot water is used for heating purposes or for heating water, before it is discharged without being returned to the environment, e.g. can also be done on greenhouses. A return from the cooler and mostly water-rich regions is omitted for cost reasons.
  • the inventive method provides that a distance of much more than 100 km is bridged and a very large heat output, preferably well above 3 GW, is transported.
  • Decisive for the invention is the fact that the flow resistance or pressure drop on a hot water-carrying pipe decreases very sharply with increasing diameter.
  • the transport capacity of a pipeline increases much more with the diameter than the cost. This means that even very large distances between climatically different regions can be bridged by means of a water-bearing pipeline of large diameter. Therefore, in the case of extremely large transport volumes, the use of economies of scale, even at long distances of hundreds and possibly more than a thousand kilometers, can achieve a reasonable cost-benefit ratio. According to first rough calculations this is the case for the heat supply of around 10 million inhabitants even at very long distances.
  • the invention is therefore based on the recognition that configurations of the type described here for improving the thermodynamic efficiency or the overall efficiency, including the use of heat, can be worthwhile only with very large connection capacities to the recooling system.
  • cooling with seawater instead of cooling with fresh water from cooler and wetter climates is also possible.
  • optimum cooling is accompanied by a small difference between the supply and return temperatures of the cooling water, ie at a given waste heat quantity with large circulating water volumes.
  • the introduction of moderately warm cooling water with medium transport distances - in the case of seawater possibly with the requirement of additional heat exchangers - would be more favorable than the introduction of water from cooler climates over much greater distances.
  • FIG. 1 shows the sea 1 with sea water pipes 2, 3, which lead back in a valley cut to a heat exchanger 4 and the sea.
  • solar heat is collected and helps if necessary by means of special thermal oils, heat storage and evaporator to produce under high pressure steam 6, which is expanded in one or more turbines 7 and in a state 8 with lower temperature and lower pressure a capacitor 9 is supplied.
  • the heat is transferred to another cooling water circuit 10, 11, which must withstand high hydrostatic pressure in the valley.
  • the condensed steam 12 is fed back to the evaporator in the solar park 5 via a feed pump 13.
  • the condenser 9 could be omitted and instead the cooled steam 8 can be led to the heat exchanger 4, in which then at the same time the condensation of the steam 8 would take place.
  • the turbine 7 could be relocated in the vicinity. In the case of special thermal oils in the solar collectors, these could circulate up there and give off their heat.
  • FIG. 2 shows a solar thermal power plant with the solar field 5, the medium-pressure turbine 7 and the low-pressure turbine 19.
  • the cooling water 2 removed from the sea 1 is fed to a distillation plant 20, distilled water 21 is produced which evaporates in the cooling tower 22, while the concentrate water 23 returns to the sea to be led.
  • the distillation unit 20 is fed with steam of sufficient temperature from the medium-pressure turbine 7, while the greater part of the steam is passed through the low-pressure turbine 19 and condensed in the cooling tower 22.
  • FIG 3 shows a cooling water pipe 2 from the sea 1 to the condenser 9 with the other components of the power plant as in Figure 1.
  • the heated salt water is fed to a heat exchanger 15 in the vicinity of the consumer 16, and then cooled via the line 17 at another Place flushed in the sea 18.

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Abstract

Durch den Ferntransport von Kühlwasser zu und von solarthermischen Kraftwerken wird der Gesamtwirkungsgrad erhöht. Vorzugsweise wird dabei Meerwasser mit Abwärme der Kraftwerke entsalzt und das destillierte Wasser dann entweder Nasskühltürmen zugeführt oder über weite Rohrleitungen zu Wärmeverbrauchern transportiert.

Description

Verfahren zur Wärmeabfuhr und Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bei einer Stromerzeugung, insbesondere durch meeresfern bzw. in ariden Regionen errichtete solarthermische Kraftwerke oder solare Kollektorfelder
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von thermischen Kraftwerken und zur Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bei der Stromerzeugung durch in ariden Regionen meeresfern errichteten Kraftwerken, insbesondere solarthermischen Kraftwerken oder durch in ariden Regionen errichteten Solarparks.
Dampfkraftwerke und andere Kraftwerke auf der Basis thermodynamischer Kreislaufprozesse benötigen eine Abfuhr der nicht in elektrische Energie umgewandelten Energie auf der kühlen Seite des thermodynamischen Kreislaufs. Vorzugsweise werden Wärmekraftwerke daher an Flüssen und am Meer errichtet, um diese Gewässer als Kühlwasser zu nutzen.
Eine Wärmeabgabe an die Umgebungsluft in Verbindung mit Kühltürmen stellt eine weitere Alternative dar, vermindert aber meist den Wirkungsgrad. In der DE 2548715 A1 der „Transport von Sonnenwärme aus tropischen Gegenden" mittels „Wärmeschiffen" beschrieben. Für die Kraft-Wärme-Kopplung mit Rohrleitungen wird dort wie auch allgemein in der Literatur von einem maximalen Einsatzradius von 50 km ausgegangen, weil offenbar die deutliche Degression der Kosten mit der Übertragungsleistung nicht beachtet wird. Vorgeschlagen wurde auch die Trinkwassergewinnung aus Meerwasser mit Hilfe von Solarparks in Küstennähe.
Solarparks mit solarthermischen Kraftwerken werden bevorzugt in Regionen mit hoher direkter Sonneneinstrahlung errichtet, also insbesondere mit geringer Bewölkung. Dabei handelt es sich meist um aride Gegenden, in denen Wasser knapp ist.
BESTATIGUNGSKOPIE In den letzten Jahren wurden zahlreiche derartige Projekte initiiert, vor allem im Mittelmeerraum und in den Südweststaaten der USA. Bei kleineren Projekten konnte Kühlwasser aus der Region herangeführt oder gepumpt werden. Oft befinden sich aride Regionen aber in beträchtlicher Entfernung von den nächsten Gewässern, oder jedenfalls vom Meer oder von Fließgewässern, bei denen eine Wasserentnahme für Kühlzwecke in größerem Umfang möglich wäre. Solarthermische Kraftwerke werden daher meist mit Luftwärmetauschern ausgestattet bzw. projektiert. Nachteil ist der geringere Wirkungsgrad, zumal tagsüber bzw. zum Zeitpunkt der größten Sonneneinstrahlung besonders hohe Lufttemperaturen vorliegen. Ein weiterer Nachteil ist nicht auszuschließen, dass ein zusätzlicher Wärmeeintrag in die Region über Kühltürme bei verbreiteter Nutzung der Solarenergie zu vermehrter Thermik führt und damit das Lokalklima in Richtung verstärkter Wolkenbildung verändert.
Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Lösung zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei der Stromerzeugung durch in ariden Regionen meeresfern errichteten Kraftwerken, insbesondere solarthermischen Kraftwerken oder durch in ariden Regionen errichteten Solarparks bereitzustellen. Dies wird durch eine Verbesserung des elektrischen Wirkungsgrades mittels besserer Kühlung oder durch die Auskopplung von Nutzwärme erreicht.
Während in einer für Solarkraftwerke besonders geeigneten Wüstenregion in der Regel weder Kühlwasser noch Wärmebedarf vorhanden ist, kann der Ferntransport eines Kühlbzw. Wärmeträgermediums diese Aufgabe lösen, indem vorzugsweise verschiedene Klimazonen überbrückt werden.
In bevorzugter Ausführung wird Wasser aus dem nächstgelegenen Meer genutzt, das selbst bei Entfernungen von hundert Kilometern oder mehr das nächstgelegene Gewässer sein kann, das eine Entnahme in größerem Umfang ermöglicht, und dies bei niedrigerer (Kühl-) Wassertemperatur als die Umgebungsluft.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem mittels einer Wasserleitung, vorzugsweise Rohrleitung über weite Entfernungen und in großen Mengen Meereswasser oder mit Meerwasser gekühltes Wasser oder Wasser aus kühleren Regionen dem Kraftwerk als Kühlwasser zugeführt wird. In einer Variante hiervon wird der thermodynamische Kreislauf über weite Entfernungen ausgedehnt, indem der in dem Solarpark erzeugte Dampf über größere Strecken oder Höhenunterschiede bis zu einem Kondensator näher an den Möglichkeiten zur Kühlwasserversorgung geführt wird, und das abgekühlte Wasser des Kreislaufprozesses nach Wärmeabgabe und Kondensation zurückgeführt wird. Die Ausdehnung des thermodynamischen Kreislaufes beinhaltet die beiden Möglichkeiten, den Dampf mit höherem Druck zu transportieren und die Dampfturbine nebst Stromerzeuger in Nähe der Kühlwasserversorgung anzuordnen, oder aber, vorzugsweise, den entspannten Dampf nach Austritt aus der Dampfturbine mit geringeren Anforderungen an die Druckhaltung der Leitung zu befördern.
Das Wort Kühlwasser ist weitem Sinne zu verstehen. Angesprochen ist auch Wasser, das den einer Mitteldruckturbine bzw. Entnahmekondensationsturbine entstammenden Dampf in einem Heizkondensator kondensiert und anschließend erwärmt abtransportiert und genutzt wird. Wegen den benötigten Dimensionen der Wasserführung werden vorzugsweise mehrere Solarkraftwerke an eine gemeinsame Kühlwasserleitung angeschlossen.
Eine Kombination der bestmöglichen Sonneneinstrahlung in ariden Regionen mit der Nutzung kühleren Wassers für die Rückkühlung ermöglicht gemäß der Erfindung eine Verbesserung des Wirkungsgrades des thermodynamischen Kreislaufes und damit des elektrischen Wirkungsgrades.
Der Errichtung eines Solarparks in Meeresnähe können verschiedene Gesichtspunkte entgegenstehen, z.B. eine größere Verunreinigung der Kollektoren durch Salzablagerung, eine größere Gefahr von Beschädigungen der Reflektoren durch Sandstürme oder Vandalismus und höhere Grundstückskosten. Vor allem können in Meeresnähe durch die höhere Luftfeuchtigkeit und geringe Höhenlage ungünstigere Einstrahlungsverhältnisse vorliegen. Diese Probleme werden mit der vorliegenden Erfindung überwunden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass mit der Wärmeabgabe an der kühlen Seite des thermodynamischen Kreislaufes des solarthermischen Kraftwerks eine Meerwasserentsalzungsanlage betrieben wird. Während die Meerwasserentsalzung häufig eine mehrfachen Wärmeübergang nach dem Multidestillationsverfahren vorsieht, um den hohen Wärmebedarf zu begrenzen und möglichst kühles Trinkwasser zu gewinnen, spielt der Wärmebedarf keine Rolle, wenn das gewonnene Süßwasser anschließend zur Wärmeversorgung genutzt werden soll.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung eignet sich besonders für Solarparks in größerer Höhe über dem Meeresspiegel, z.B. auf einem besonders sonnenreichen Hochplateau, in Verbindung mit tief eingeschnittenen Tälern. Hier würde ein sehr großer Aufwand für Pumpen erforderlich, sollte das als Kühlwasser vorgesehene Meerwasser auf diese Höhe befördert werden.
Möglich wäre zwar, dass in der abwärtsgerichteten Fließrichtung dem erwärmten Kühlwasser mittels Turbinenschaufeln Energie entnommen wird, und diese Energie mittels mechanische Kopplung direkt Pumpen zugeführt wird, die in der aufwärtsgerichteten Fließrichtung die erforderliche Druckerhöhung bewirken. Dennoch wären Verluste zu ersetzen. Würde dagegen ein Kühlwasserumlauf von dem Kraftwerk bis zu einem Wärmetauscher an der Küste geführt werden, müsste die Leitung ggf. über eine weite Strecke bis zum Meer für einen hohen hydrostatischen Druck ausgelegt werden.
Stattdessen wird in bevorzugter Bauweise eine Meerwasser zuführende Rohrleitung bis zu einem Wärmetauscher in geringer Meeresnähe geführt, vorzugsweise in einem tief eingeschnittenen Tal, dessen Hänge bereits die Höhe des Solarparks erreichen. Dort erfolgt in bevorzugter Bauweise eine Wärmeübertragung von einem gesonderten Kühlwasserkreislauf, der an dieser Stelle entsprechend der größeren Meereshöhe des Solarparks unter einem hohen hydrostatischen Druck steht.
Alternativ dazu könnte der Wärmetauscher als Kondensator ausgebildet sein, in dem aus dem Solarpark stammender Dampf kondensiert. Die Dampfturbine selbst könnte dabei in Nähe des Wärmetauschers / Kondensators oder in Nähe des Solarparks stehen. Ein besonders günstiger Standort für den Wärmetauscher wäre ein tiefer Taleinschnitt in Nähe des Solarparks, so dass von dort nur noch eine kurze Strecke zurückgelegt werden muss, und dennoch die Höhendifferenz überbrückt wird.
Gemäß einer einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Rohrleitung als Rohrleitungspaar ausgebildet und es wird eine Rohrleitung für den Zulauf des Kühlwassers und die andere Rohrleitung für den Wärmetransport des erwärmten Wassers für Heizzwecke in vom Kraftwerk entferntere Regionen genutzt.
Vorzugsweise wird die Wärmeabgabe an das Kühlwasser in Abhängigkeit vom
Elektroenergiebedarf und dem solaren Wärmeeintrag gesteuert, und je nach aktuellen
Verhältnissen Kühlwasser auf verschiedenen Temperaturniveaus verwendet und gespeichert.
Während bei konventionellen Kraftwerksstandorten das vorhandene Kühlwasser mit der jahreszeitlich bedingten Wassertemperatur genutzt und nach geringer Erwärmung abgeführt wird, um mit möglichst niedrigen Temperaturen den Wirkungsgrad zu maximieren, muss mit dem erfindungsgemäß weit herangeschafften Kühlwasser sparsamer umgegangen werden. Außerdem müssen solarthermische Kraftwerke künftig auch Bedarf und Stromerzeugung balancieren und damit bedarfsgerecht elektrische Energie liefern. Bei hohem Elektronenergiebedarf und begrenzter solarer Einstrahlung können sie dann mit möglichst geringen Kühlmitteltemperaturen betrieben werden, also das Kühlwasser in der Temperatur nutzen, wie es aus der Zuleitung kommt. Das Kühlwasser wird dann mit einer begrenzten, mittleren Temperatur zwischengespeichert. Bei geringerem Elektroenergiebedarf und genügender Sonneneinstrahlung wird, ggf. auch in mehreren Abstufungen, stattdessen das vorerwärmte Kühlwasser verwendet und weiter erhitzt, bis es die Temperatur erreicht, mit der es der Fernleitung zu den Wärmeabnehmern zugeführt werden soll. Auf diese Weise erfolgt die zusätzliche Erhitzung des Kühlwassers jeweils zu Zeitpunkten, an dem die daraus resultierende Verschlechterung des elektrischen Wirkungsgrades weniger wichtig oder unerheblich ist.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass in der Rohrleitung mit dem Kühlwasser ein Stoff mitgeführt wird, der in Abhängigkeit von Vorlauf- und Rücklauftemperatur seinen Aggregatszustand ändert und so eine höhere Wärmekapazität aufweist. Dies würde vor allem bei einem Kühlwasserumlauf ohne Wärmenutzung und mit geringer Temperaturänderung den benötigten Volumenstrom deutlich reduzieren.
Viele Kompensatoren zum Ausgleich von Längenänderungen beruhen auf einer Biegung der entsprechenden Rohrleitung. Die Erfindung ist aber nur bei Rohrleitungen mit mehreren Metern Durchmesser wirtschaftlich einsetzbar, und im Fall der Wärmeversorgung ist mit beträchtlicher Erwärmung der Leitung zu rechnen. Die sehr große Steifigkeit einer Rohrleitung dieses Querschnitts kann gemindert werden, indem der Querschnitt über eine begrenzte Strecke in mehrere schmale, nebeneinanderliegende „Scheiben" aufteilt wird, die jede für sich leichter um ihre Schmalseite zu verbiegen sind. Nach der Biegestelle wird wieder der ungeteilte, z.B. kreisrunde Querschnitt hergestellt. Eine Aufteilung in zahlreiche kreisförmige Einzelrohre hätte an sich denselben Effekt, erscheint aber aufwändiger. Alternativ möglich wären lamellenartige Einbauten an Biegungsstellen der Rohrleitung, die den Wasserstrom führen und insbesondere eine Verwirbelung des Wasserstroms als Folge der geänderten Krümmung vermindern.
Vorzugsweise wird die Rohrleitung mit geringem Mehraufwand etwas großzügiger ausgelegt, um neben dem Transport von Meerwasser bzw. anderem Kühlwasser in Richtung des Kraftwerks und dem Abtransport des erwärmten Wassers zusätzliche Transportaufgaben zu übernehmen. Dabei könnte es sich um den Transport von Trinkwasser aus einer wasserreicheren Region in Richtung der ariden Region des Solarparks handeln, das vor dem Kraftwerk abgezweigt wird, oder in Gegenrichtung um den Transport von aus einer kraftwerksbegleitenden Meerwasserentsalzungsanlage stammendem Produktwasser (Süßwasser) oder die Abfuhr der mit Salz konzentrierter Restwasserlauge in das Meer. Die Leitung könnte auch in Wechselrichtung betrieben werden, um keine zweites Rohr zu benötigen, beispielsweise in der Aufbauphase, oder im Wechsel andere Transportaufgaben übernehmen, etwa Erdgas befördern.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird dem Kraftwerk aus kühleren bzw. wasserreicheren Regionen Süßwasser als Kühlwasser zugeführt, das nach Erwärmen ohne Rückführung zum Herkunftsgewässer zu Trinkwasser aufbereitet oder in die Umwelt geleitet und vorzugsweise zur Bewässerung landwirtschaftlich genutzter Flächen verwendet wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird dem an sich meeresfern gelegenen solarthermischen Kraftwerk Meerwasser als Kühlwasser zugeführt. Gegebenenfalls erfolgt eine Entsalzung auf dem Wege der Destillation des ohnehin zu erhitzenden Wassers, um die Korrosionsgefahr im Leitungsnetz zu mindern und das Wasser vielseitiger verwenden zu können. In erwärmtem Zustand wird das aus dem Meer stammende Wasser dann in kühlere Regionen befördert. In der kühleren Region wird das heiße Wasser zu Heizzwecken oder zur Warmwasserbereitung genutzt, bevor es ohne Rückführung in die Umwelt entlassen wird, was z.B. auch über Gewächshäuser erfolgen kann. Auf eine Rückführung aus der kühleren und meist wasserreicheren Regionen wird aus Kostengründen verzichtet. Das an sich absurd erscheinende Ergebnis, das Wasser aus der Wüste in eine kühlere und regelmäßig auch wasserreichere Region befördert wird, statt umgekehrt, rechtfertigt sich dadurch, dass das heiße Wasser in der kühlen Region einen größeren Wert hat und den Energieaufwand für den Transport rechtfertigt, während ein Rücktransport des abgekühlten Wassers sich evtl. nicht lohnt.
Bevorzugt sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass eine Entfernung von weit mehr als 100 km überbrückt wird und eine sehr große Wärmeleistung, vorzugsweise deutlich über 3 GW, transportiert wird.
Bei Querung eines Meeres bietet sich eine in etwa 30 bis 40 Meter Tiefe „schwebende" Verlegung der Rohrleitung an. Eine Befestigung am Meeresgrund erfolgt ggf. zur Fixierung gegen seitliche Abdrift, während anders als in der DE 2548560 der Feinausgleich des Gewichts mit beweglich verbundenen Auftriebskörpern erfolgt, deren Form Ölplattformen des SPAR-Typs ähnelt und die u.a. Warnvorrichtungen für die Schifffahrt enthalten.
Bedingung für die Realisierung der Erfindung sind vertretbare Kostenverhältnisse zwischen den Vorteilen und den Kosten der sehr langen Rohrleitung vom Meer beziehungsweise der entfernt liegenden kühleren Region zum Kraftwerk, die mitunter mehrere hundert Kilometer überbrücken muss.
Neben der Verbesserung des Wirkungsgrades des thermodynamischen Kreislaufes ergeben sich Kosteneinsparungen für ansonsten notwendige Luftkühlsysteme.
Liegen an der Küste ebenfalls günstige Einstrahlungsverhältnisse vor, so kann eine Standortwahl des Kraftwerks weiter im Landesinneren auch durch weitere wirtschaftliche Verhältnisse begünstigt werden. Beispielsweise könnten hinter einer Staatengrenze günstigere Strompreise vorliegen.
Maßgeblich für die Erfindung ist die Tatsache, dass der Strömungswiderstand bzw. Druckabfall an einer von warmem Wasser durchflossenen Rohrleitung mit zunehmendem Durchmesser sehr stark abnimmt. Die Transportkapazität einer Rohrleitung nimmt viel stärker mit dem Durchmesser zu als die Kosten. Damit können auch sehr große Entfernungen zwischen klimatisch unterschiedlichen Regionen mittels einer wasserführenden Rohrleitung großen Durchmessers überbrückt werden. Daher kann im Falle äußerst großer Transportmengen durch die Nutzung von Skaleneffekten selbst bei weiten Entfernungen von hunderten und möglicherweise über tausend Kilometern ein vertretbares Verhältnis von Aufwand und Nutzen erreicht werden. Nach ersten Überschlagsrechnungen ist dies bei der Wärmeversorgung von rund 10 Millionen Einwohnern auch bei sehr weiten Entfernungen der Fall. Die Erfindung beruht daher auf der Erkenntnis, dass sich Ausgestaltungen der hier beschriebenen Art zur Verbesserung des thermodynamischen Wirkungsgrades bzw. des Gesamtwirkungsgrades unter Einschluss der Wärmenutzung ausschließlich bei sehr großen Anschlussleistungen an dem Rückkühlsystem lohnen können.
Beispielsweise waren bis Juni 2009 allein in Kalifornien auf Flächen des Bureau of Land Management rund 70 Solarparks mit angegebenen elektrischen Leistungen beantragt worden, die zusammengenommen ca. 50 GW betrugen, mit einem Schwerpunkt in der Mojave-Wüste in rund 250 km Abstand vom Pazifik. Die Abwärme dürfte mehr als die dreifache Leistung umfassen. Trotz der Zahl und Größenordnung der Planungen, die längst eine Größe erreichen, bei der eine Kühlwasserleitung dieser Länge wirtschaftlich erscheint, sind Pläne zur Kühlung und Wirkungsgradsteigerung mittels Meerwasser nicht bekannt. Die besagte Wüstenregion würde auch eine Abfuhr von Wärme in die winterkalte Region San Francisco ermöglichen.
An Stelle der Kühlung mit Meerwasser kommt auch eine Kühlung mit Süßwasser aus kühleren und feuchteren Klimazonen in Betracht. Eine optimale Kühlung geht allerdings mit einer geringen Differenz zwischen Vor- und Rücklauftemperatur des Kühlwassers einher, also bei vorgegebener Abwärmemenge mit großen umlaufenden Wassermengen. Im Fall von ausschließlich zur Stromerzeugung betriebenen Kondensationskraftwerken wäre daher die Heranführung von mäßig warmem Kühlwasser mit mittleren Transportentfernungen - im Falle von Meerwasser ggf. mit der Erfordernis zusätzlicher Wärmetauscher - günstiger als die Heranführung von Wasser aus kühleren Klimazonen über wesentlich größere Entfernungen.
Ein besseres Verhältnis zwischen Wassereinsatz und Kühleffekt kann mit Nasskühltürmen erreicht werden. Der unmittelbare Einsatz von Salzwasser in einem Kühlturm verbietet sich wegen dem Salzeintrag. Es wäre aber möglich, dem Kraftwerk Meerwasser zuzuführen, das zunächst auf dem Wege der Destillation entsalzt und wieder kondensiert wird: Dabei würde vorzugsweise eine kaskadenförmige Verdampfung nach dem Mehrfachdestillationsverfahren erfolgen, um für die Destillation möglichst wenig Wärme auf einem höheren Temperaturniveau zu benötigen, und das so gewonnene, destillierte Wasser wieder möglichst weit abzukühlen. Anschließend wird das nun salzfreie Wasser in einem Nasskühlturm in die Umwelt entlassen und verdunstet dort bei geringem Temperaturniveau, was einen verbesserten Wirkungsgrad bei begrenzter Wasserzufuhr zur Folge hat. Dieses Verfahren ließe sich ggf. auch in Verbindung mit einer Wasserzufuhr mittels Transportbehältern, vorzugsweise auf dem Schienenweg, wirtschaftlich umsetzen.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich auch in Kraftwerken nutzen, in denen ein Brennstoff, wie z.B. Erdgas, die Stromerzeugung zeitweilig unterstützt oder in anderen Kraftwerken, die fernab von Kühlwasser fossile Brennstoffe oder Kernenergie nutzen. Figur 1 zeigt das Meer 1 mit Meerwasserleitungen 2, 3, die in einem Taleinschnitt zu einem Wärmetauscher 4 und zum Meer zurück führen. Im Solarpark 5 wird Solarwärme aufgefangen und trägt dazu bei, ggf. mittels besonderer Thermoöle, Wärmespeicher und Verdampfer, unter hohen Druck stehenden Dampf 6 zu erzeugen, der in einer oder mehreren Turbinen 7 entspannt wird und in einem Zustand 8 mit geringerer Temperatur und geringeren Druck einem Kondensator 9 zugeführt wird. Dort wird die Wärme an einen weiteren Kühlwasserkreislauf 10, 11 übertragen, der im Tal einem hohen hydrostatischen Druck standhalten muss. Der kondensierte Dampf 12 wird über eine Speisepumpe 13 wieder dem Verdampfer in dem Solarpark 5 zugeführt.
In einer ähnlichen Verfahrensweise könnte der Kondensator 9 entfallen und stattdessen der abgekühlte Dampf 8 bis zu dem Wärmetauscher 4 geführt werden, in dem dann zugleich die Kondensation des Dampfes 8 stattfände. Auch die Turbine 7 könnte in dessen Nähe verlagert werden. Im Fall besonderer Thermoöle in den Solarkollektoren könnten auch diese bis dort zirkulieren und ihre Wärme abgeben.
Figur 2 zeigt ein solarthermisches Kraftwerk mit dem Solarfeld 5, der Mitteldruckturbine 7 und der Niederdruckturbine 19. Das dem Meer 1 entnommene Kühlwasser 2 wird einer Destillationsanlage 20 zugeführt, destilliertes Wasser 21 erzeugt, das im Kühlturm 22 verdampft, während das Konzentratwasser 23 zum Meer zurück geführt wird. Die Destillationsanlage 20 wird mit Dampf genügender Temperatur aus der Mitteldruckturbine 7 gespeist, während der größere Teil des Dampfes über die Niederdruckturbine 19 geführt und im Kühlturm 22 kondensiert wird.
Figur 3 zeigt eine Kühlwasserleitung 2 vom Meer 1 zum Kondensator 9 mit den weiteren Bestandteilen des Kraftwerks wie in Figur 1. Über eine Ferntransportleitung 14 wird das erhitzte Salzwasser einem Wärmetauscher 15 in Nähe der Verbraucher 16 zugeführt, und sodann über die Leitung 17 abgekühlt an anderer Stelle in das Meer 18 gespült.
Speicher und elektrische Komponenten sind jeweils nicht dargestellt.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Wärmeabfuhr und Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades bei einer Stromerzeugung, insbesondere durch meeresfern bzw. in ariden Regionen errichtete solarthermische Kraftwerke oder solare Kollektorfelder, dadurch gekennzeichnet, dass über weite Entfernungen mittels einer Wasserleitung (2, 3) in sehr großen Mengen Meereswasser oder mit Meerwasser gekühltes Wasser oder Wasser aus kühleren Regionen als Kühlwasser für das Kraftwerk zugeführt wird, oder der thermodynamische Kreislauf über weite Entfernungen ausgedehnt wird, indem der in dem Solarpark erzeugte Dampf über größere Strecken oder Höhenunterschiede bis zu einem Kondensator näher an den Möglichkeiten zur Kühlwasserversorgung geführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Wärmeabgabe an der kühlen Seite des thermodynamischen Kreislaufes des solarthermischen Kraftwerks eine Meerwasserentsalzungsanlage betrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 bei einem Solarpark in größerer Meereshöhe und Nutzung von Meerwasser zu Kühlzwecken, dadurch gekennzeichnet, dass eine Meerwasser zuführende Rohrleitung (2) bis zu einem Wärmetauscher (4) in geringer Meeresnähe geführt wird, und dort entweder eine Wärmeübertragung von einem gesonderten Kühlwasserkreislauf (10, 11) erfolgt, der an dieser Stelle entsprechend der größeren Meereshöhe des Solarparks unter einem hohen hydrostatischen Druck steht, oder der Wärmetauscher als Kondensator ausgebildet ist, in dem aus dem Solarpark stammende Dampf (8) kondensiert.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rohrleitung für den Zulauf des Kühlwassers zum Kraftwerk bzw. Kondensator und eine andere Rohrleitung für den Transport des erwärmten Wassers für Heizzwecke in vom Kraftwerk entferntere Regionen genutzt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabgabe an das Kühlwasser in Abhängigkeit vom Elektroenergiebedarf und dem solaren Wärmeeintrag gesteuert wird und Kühlwasser auf verschiedenen Temperaturniveaus verwendet und gespeichert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rohrleitung mit dem Kühlwasser ein Stoff mitgeführt wird, der zwischen der Vorlauf- und Rücklauftemperatur seinen Aggregatszustand ändert und so eine höhere spezifische Wärmekapazität aufweist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Biegungen der Rohrleitung, insbesondere bei Kompensatoren zum Ausgleich von Längenänderungen, der Querschnitt der Rohrleitung in mehrere schmalere, nebeneinanderliegende Abschnitte aufteilt wird, womit eine geringere Steifigkeit bzw. leichtere Verbiegung der Leitung erreicht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die über weite Entfernungen führende Rohrleitung neben dem Transport von Meerwasser bzw. anderem Kühlwasser in Richtung des Kraftwerks auch für den Transport von Süßwasser aus einer wasserreicheren Region in gleicher Richtung oder in Gegenrichtung für den Transport von aus einer Meerwasserentsalzungsanlage stammendem Produktwasser oder von Restwasserlauge aus der Meerwasserentsalzungsanlage genutzt wird, oder in Wechselrichtung für den Zulauf von Kühlwasser und den Transport des erwärmten Wassers oder wechselweise für den Transport anderer Stoffe, insbesondere Erdgas, genutzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kraftwerk aus kühleren bzw. wasserreicheren Regionen Süßwasser als Kühlwasser zugeführt wird, das nach Erwärmen ohne Rückführung zum Herkunftsgewässer zu Trinkwasser aufbereitet oder in die Umwelt geleitet und insbesondere zur Bewässerung landwirtschaftlich genutzter Flächen verwendet wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kraftwerk Meerwasser als Kühlwasser zugeführt wird, das nach dem Erwärmen, gegebenenfalls nach Entsalzung auf dem Wege der Destillation, über weite Strecken (14) in kühlere Regionen geführt und dort zur Wärmeversorgung (16) genutzt wird, bevor es ohne Rückführung in die Umwelt entlassen (17) wird.
11. Verfahren zur Verbesserung des Wirkungsgrades bei einer Stromerzeugung in meeresfern bzw. in ariden Regionen errichteten solarthermischen Kraftwerken, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kraftwerk über eine Rohrleitung oder mittels Transportbehältern Meerwasser zugeführt wird, das auf dem Wege der Destillation (20) entsalzt und wieder kondensiert wird, und anschließend in einem Nasskühlturm (22) als Kühlwasser genutzt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entfernung von mehr als 50 km zwischen Meer und Solarpark oder mehr als 100 km zwischen Solarpark und Wärmeabnehmern überbrückt wird und eine Wärmeleistung von mehr als 3 GW (Gigawatt) transportiert wird.
PCT/DE2009/001814 2008-12-30 2009-12-25 Verfahren zur wärmeabfuhr und verbesserung des gesamtwirkungsgrades bei einer stromerzeugung, insbesondere durch meeresfern bzw. in ariden regionen errichtete solarthermische kraftwerke oder solare kollektorfelder WO2010075847A2 (de)

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