WO2010108872A1 - Verfahren zum betrieb einer kraftwerksanlage und kraftwerksanlage - Google Patents

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WO2010108872A1
WO2010108872A1 PCT/EP2010/053650 EP2010053650W WO2010108872A1 WO 2010108872 A1 WO2010108872 A1 WO 2010108872A1 EP 2010053650 W EP2010053650 W EP 2010053650W WO 2010108872 A1 WO2010108872 A1 WO 2010108872A1
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WO
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power plant
solutions
mixture
energy
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PCT/EP2010/053650
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Inventor
Jochen Benz
Alois Kessler
Peter Stenzel
Original Assignee
Enbw Baden-Württemberg Ag
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/22—Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising carbon or oxygen or hydrogen and other elements; Fuel cells in which the fuel is based on materials comprising only elements other than carbon, oxygen or hydrogen
    • H01M8/227—Dialytic cells or batteries; Reverse electrodialysis cells or batteries
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/002—Forward osmosis or direct osmosis
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • 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
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a system for providing energy, in particular a power plant, wherein the system comprises: a first inlet for a first liquid solution having a first concentration of a solute, a second inlet for a second liquid solution with a second Concentration of a solute, wherein the second concentration is different from the first concentration, at least one membrane element, in which the two feeds are introduced, wherein the membrane element for performing an osmotic process or an electrodialytic process for energy production to form a mixture of first and second liquid solution is formed and suitable in a first time range, and a sequence for the mixture of first and second liquid solution. Furthermore, the invention relates to a power plant.
  • a power plant of this kind is referred to as a salinity power plant.
  • WO 2007/009196 A1 discloses such a salinity power plant in combination with a seawater desalination plant.
  • seawater salt is extracted and discharged as process water.
  • the saline-enriched concentrated brine is fed to a salinity power plant.
  • seawater is supplied to the salinity power plant.
  • a power plant of this type is referred to in the case of performing an osmotic process as an osmotic power plant.
  • a power plant of this type is referred to in the case of performing an electrodialytic process as RED (reverse electrodialysis) power plant.
  • the salinity energy can be used in osmotic power plants by utilizing the osmotic effect.
  • the effect of osmosis occurs when two solutions of different concentrations are brought into contact via a so-called semipermeable membrane.
  • a semipermeable membrane is permeable only to certain molecules or ions.
  • the diffusion process leads to a dilution of the more highly concentrated solution and thus to a change in the solution volumes (permeate flow direction from the less concentrated to the more concentrated solution).
  • the diffusion process comes to a standstill when the pressure difference between the solutions 1, 2 reaches the so-called osmotic pressure p.
  • osmotic pressure p the so-called osmotic pressure
  • d. H the chemical potentials of the solvent are the same in both solutions.
  • the PRO process is the process relevant to energy conversion in osmotic power plants. From the boundary conditions, the PRO process is an intermediate process between osmosis and reverse osmosis.
  • FIG. 2 showing an osmosis power plant of the prior art.
  • Osmosis power plants are in principle suitable for operation with all those solutions which differ in their concentration and can be combined in a mixing process.
  • the river water (low concentrated solution 2, V 2 ) is pumped by a pump 7 and before entering the membrane element or module 4 with a filter
  • the seawater (highly concentrated solution 1, Vi) is pumped by a pump 5 and also filtered by a filter 11 and the pressure is then increased by a pressure exchanger 8.
  • a pressure exchanger 8 Immediately after the pressure exchanger 8 (on the seawater side) is still a pump 6 for further pressure increase to the power plant operating pressure.
  • the efficiency of the pressure exchanger is> 95% and is thus better than the efficiency of a pump of comparable performance. As a result, a higher overall efficiency of the pressure increase or the overall system is achieved as a whole pump-based concept.
  • the pressure of the seawater (the more concentrated solution 1) is about
  • the part of the fresh water that is not permeated through the membrane 3 is used as purge stream (V 3 ) for discharging unwanted substances (solutes, particles, etc.) from the membrane 3.
  • the brackish water (result of the mixture in the membrane module 4) leaving the membrane module 4 is divided into two volume flows. About one third of the Water is used to drive a turbine 9. The amount of water with which the turbine 9 is acted upon, corresponds approximately to the permeate volume flow V P through the membrane 3. It is therefore only the pressure energy of the permeate volume flow in the turbine 9 in mechanical and then in the generator 10 is converted into electrical energy.
  • the remaining two thirds of the volume flow are used to increase the pressure of the fresh seawater in the pressure exchanger 8 (the amount of water corresponds approximately to the seawater volume flow Vi).
  • the pressure energy of this volume flow is used internally to maintain the power plant operation and is therefore not available for energy use.
  • the pumps 5 and 7 in front of the filters 11, 12 are required for the promotion of fresh and salt water and for overcoming the filter resistance or to compensate for further pressure losses (caused by internals, pipe friction, etc.) in the system.
  • the osmotic pressure is about 26 bar.
  • the volume flow of salt water is typically twice as large as that of the fresh water, so that a total volume flow of 3 m 3 / s for the power plant operation (power 0.8 MW e ⁇ ) is required.
  • Osmosis power plants are suitable for use in the base load, as the power plant output can be made constantly available.
  • the invention has for its object to provide a method for operating the aforementioned plant for the provision of energy and a suitably trained system that allows a locally comparatively independent provision of energy by means of an osmosis process not only in coastal areas.
  • Another object is to provide a method and system for providing energy that allows for efficient storage of energy so that when needed, especially with high energy requirements, the stored energy can be used to cover peak loads .
  • the solution of this object by the invention is according to the method characterized in that the running behind the plant for providing energy from the drain mixture is received in a storage container, wherein in a first time range at least partially downstream second time range, the mixture from the storage tank passed into a separator and there the mixture is separated with energy expenditure in two liquid solutions with different concentrations of the solute.
  • the inventive method is thus particularly suitable for storing energy and for covering peak loads, if that by the osmotic
  • Solutions of different concentrations are fed back to the first or the second feed.
  • the osmotic process carried out in the membrane element is preferably a pressure-retarded osmosis (PRO - Pressure Retarded Osmosis).
  • a pressure-retarded osmosis PRO - Pressure Retarded Osmosis
  • an electrodialytic process it is preferably a reverse electrodialysis (RED).
  • the separated liquid solutions with different concentrations are preferably passed for storage in two further storage containers, which are fluidically connectable to the first and the second inlet by means of suitable valves.
  • concentrations of the solute in the separated liquid solutions are preferably equal to the first and second concentrations of the solute in the first and second liquid solution. This creates a closed system for the delivery and storage of energy.
  • the liquid solution introduced into the first feed may be in accordance with another
  • Embodiment of the invention are taken from a hydrothermal deep water layer, if - which is at least predominantly the case - the deep water compared to the introduced into the second inlet liquid solution has an increased salt content, the liquid solution preferably before the introduction into the first inlet by a geothermal Power plant is passed. Accordingly, according to a geothermal power plant is combined with the osmosis or electrodialytic storage power plant according to the invention hereafter.
  • the liquid solution introduced into the second feed can be taken from a flow, which may be advantageous in particular when using liquid solutions of hydrothermal deep-water layers.
  • the separation of the mixture in the separator can be done by supplying thermal energy.
  • the thermal energy from a conventional power plant in particular in the form of process steam, which is provided by the conventional power plant for operating a steam turbine, is particularly suitable. It is also possible to use thermal energy from a solar module.
  • the thermal energy can be used by a combined heat and power plant, as well as geothermal energy or waste heat from industrial processes, for example from the glass industry.
  • the separation of the mixture in the separator can - depending on the choice of operating solutions - alternatively also be done by a magnetic and / or by an electric field.
  • the energy can be generated in a number of parallel connected membrane elements.
  • the substance dissolved in the liquid solutions is mostly salt.
  • the liquid solutions may be electrolyte solutions, for example ammonium salt solutions.
  • the liquid solutions may be organic solutions or polymer solutions.
  • the liquid solutions may be those based on nanoparticles, for example magnetoferritin solutions.
  • Separating device and the first and the second inlet is fluidically connectable.
  • the at least one further storage container of this preferred embodiment of the invention serves as a store for the higher concentration of the two solutions.
  • the further storage container serves as an energy store, and the higher concentration solution can then be added to the membrane element to re-release energy together with a lower concentration solution.
  • At least one further storage container is provided both for the more concentrated solution and for the less concentrated solution.
  • the first inlet may also be fluidically connectable to a geothermal power plant, wherein the geothermal power plant has a removal hole for a liquid solution of a hydrothermal deep water layer.
  • the flow of the highly concentrated, separated in the separator part of the solution can be discharged through a further hole back into the deep water layer in order not to change the liquid and Solutegehalt in the deep water layer sustainably.
  • the correspondingly low-concentrated part of the separated mixture, the flow from which the water was previously removed are fed back.
  • the flow and the deep water layer then serve as a replacement for further storage containers for the separated solution parts.
  • FIG. 1b schematically shows the status of the osmotic balance
  • Fig. 3 shows an osmosis storage power plant as an example of an inventive
  • Plant for providing energy 4 shows a geothermal power plant according to the prior art
  • Fig. 5 shows an embodiment of the osmosis storage power plant according to the invention in conjunction with a geothermal power plant and
  • Fig. 6 the plant of Fig. 5 downstream plant area with separation of originating from the osmotic storage power plant mixture of solutions.
  • the concept described below is an osmosis storage power plant. This concept is fundamentally based on the known principle of an osmotic power plant, for which reference is made to the above explanations with regard to the underlying physical or chemical processes. While prior osmosis power plants are designed for continuous power plant operation in the base load, the proposed concept of an osmosis storage power plant is a way to store energy. Osmosis storage power plants are also suitable for use in the control energy supply or peak load range.
  • the salinity energy can be used in osmotic power plants by bringing the two solutions into contact with each other via a semipermeable membrane.
  • the semipermeable membrane is ideally only permeable to the solvent and not to the solutes. Since the solutions endeavor to compensate for the difference in concentration, solvent flows from the lower concentration solution into the higher concentration solution (osmosis principle).
  • the technical process of energy conversion based on osmosis is referred to as "pressure-retarded-osmosis" (PRO for short).
  • the driving force for the conversion of salinity energy into pressure energy based on the PRO process is the osmotic pressure between the solutions.
  • osmosis storage power plants Due to a steadily increasing share of renewable and thus fluctuating energy in the power supply in Germany, it is assumed that the demand for storage and control energy will increase significantly in the future.
  • One possibility of energy storage is osmosis storage power plants according to the invention.
  • osmosis storage power plants stored salinity energy can, if required, be converted into electrical energy.
  • the function of an osmosis storage power plant is analogous to a classic water pumped storage power plant.
  • power plant operation and “storage or regeneration operation”.
  • the power plant operation is, analogous to the turbine operation of a pumped storage power plant, that mode in which electrical energy is delivered to the power grid. Osmosis storage power plants could thus be used in peak power generation and in the control energy supply.
  • FIG. 3 the structure of an osmotic storage power plant according to an embodiment of the invention is shown schematically.
  • the power plant has a first inlet 24 for a first liquid solution 1 with a first concentration of a solute and a second inlet 25 for a second liquid solution 2 with a second concentration of a solute.
  • the second concentration is different from the first concentration.
  • an essential feature is a membrane element 4, in which the two inlets 24 and 25 are introduced, wherein the membrane element 4 is preferably designed for carrying out an osmotic process, d. H. there is an energy production to form a mixture of first and second liquid solution 1, 2.
  • a sequence 26 for the mixture of first and second liquid solution 1, 2 is present.
  • the core of the invention is that the effluent from the drain 26 mixture is received in a storage container 14.
  • the mixture in a second time range downstream of the first time range, the mixture is passed from the storage container 14 into a separating device 17 and there the mixture is separated with energy expenditure into two liquid solutions 1, 2 with different concentrations of the dissolved substance.
  • An osmosis storage power plant consists of an osmosis power plant 13, three storage tanks 14, 15 and 16 for the operating solutions and a component for regeneration of the mixture produced during power plant operation, namely the separator 17.
  • the operating solutions higher and lower concentrated solution 1, 2
  • storage tanks 15 and 16 of a predetermined size are comparable to the storage tank at pumped storage power plants.
  • the actual osmosis power plant process can be constructed completely analogous to the process of a continuously operated osmosis power plant (see Fig. 2).
  • the solutions 1, 2 are used from the stores 15, 16 for the operation of the osmotic power plant 13.
  • the maximum duration of the power plant operation depends on the size of the memory 15, 16.
  • the power of the power plant is influenced by the osmotic pressure of the solutions 1, 2 and by the surface of the membrane 3 of the membrane element 4.
  • the resulting in the power plant process mixture is introduced into a memory 14.
  • the size of the memory 14 for the mixture must be as large as the sum of the volumes of the two individual memories 15, 16 for the operating solutions 1, 2. This memory 14 is comparable to the lower basin of a pumped storage power plant.
  • the targeted control of the volumes of the fluids used is accomplished by valves 18.
  • the storage or regeneration operation of an osmosis storage power plant corresponds to the pumping operation of a pumped storage power plant.
  • the difference between the two concepts is a different form of energy storage.
  • energy is stored in the form of potential potential energy of the water by pumping water from the lower reservoir to the higher upper reservoir.
  • electrical energy in the form of pump power is required.
  • the storage or regeneration operation is thus based on a separation of substances in solvent and solute. Energy is required for this process. Different methods can be used for the separation of substances (see below).
  • an osmosis storage power plant is a closed system.
  • Power station and storage operation are temporally decoupled, so that a
  • An osmosis storage power plant is not based on a location close to an estuary into the sea.
  • an osmosis storage power plant is significantly more independent topographically.
  • compressed air storage power plants are natural storage formations such. As saltsticks required.
  • locations are required where a height difference between the storage tank and the basins can be realized.
  • interventions in nature are required for the construction of such a power plant (construction of the upper basin, impoundment of a receiving water to the lower basin, etc.).
  • conditions of nature and landscape protection to consider There are only very limited potential locations available in Europe for the construction of new pumped storage power plants. In Germany, the construction of a new pumped storage power plant can practically be ruled out.
  • Osmosis storage power plants have no special requirements for the power plant location and no height difference is required between the reservoir and the power plant site. In principle, such a power plant could also be installed completely underground. With osmosis storage power plants both a long-term (seasonal) energy storage is possible, as well as a short-term energy storage, combined with the use of power plants in the peak load.
  • osmosis storage power plant The performance of an osmosis storage power plant is, in principle, available immediately upon request of the system. After opening the shut-off valves between the reservoirs for the solutions and the membrane module of the osmosis power plant operation begins (see Fig. 3). The exact period from the opening of the valves to the production of electricity is primarily dependent on the permeation rate through the membrane 3.
  • the power of the power plant can be controlled by the number of operating membrane modules.
  • the total power of the power plant is divided into a plurality of independently operable membrane module blocks 4 (in Fig. 3, only one of these membrane elements 4 is shown).
  • the power plant could then be designed so that a power of z. B. 100 MW e ⁇ deleted.
  • the total output of the power plant does not have to be evenly distributed over the membrane blocks, but can be chosen arbitrarily.
  • Each membrane block would then include a correspondingly sized turbine.
  • Pumped storage power plants have a similar power distribution.
  • the pumped storage power plant Vianden z. B. the total power divided into 10 independently operable machine sets.
  • osmosis storage power plants are not tied to naturally occurring solutions. Since the solutions are in a closed system, the solutions can be made according to the requirements of the process. A pre-cleaning of the solutions, as required in the use of natural solutions (eg, river and sea water) can be dispensed with.
  • the solutions are highly pure for special production and consist only of the solvent and the desired solutes.
  • a separation of substances in solvents and solutes is required for the operating solution as a process step (regeneration of the Solvent).
  • the material separation should have the lowest possible energy consumption in order to achieve a high efficiency (overall efficiency) of the overall process.
  • the solutions or solutes should generally have the following properties: Firstly, a high solubility of the solute should be given in a solvent, whereby high osmotic pressures can be achieved; On the other hand, a simple and cost-effective detachability of the solute from the solution should be possible, i. H. a slight regenerability.
  • electrolyte solutions eg ammonium salt solutions
  • polymer or organic solutions e.g. polymer or organic solutions
  • solutions based on nanoparticles such as magnetoferritin solutions.
  • solutes are to be chosen so that a separation from the osmosis operating solution can be realized with the lowest possible energy requirement.
  • separation of solutes it is further possible to distinguish between the use of two partially miscible liquids or a liquid and a gas whose miscibility is a function of temperature and the use of a liquid and a solid, the solid solubility being a function of temperature.
  • the separation of substances is the central element of an osmosis storage power plant and significantly determines the overall efficiency of such a plant. Considering the pure mechanical efficiency (total system, thermal energy requirement for the regeneration is not considered) of an osmosis storage power plant, this is in the range between 70 and 80%.
  • the overall efficiencies of pumped storage power plants typically range between 70 and 85%. Compressed air storage power plants achieve an efficiency of 50 to 70%.
  • pumped and compressed air storage power requires power for storage operation (pumping or compression capacity).
  • thermal energy can be used for the storage or regeneration operation.
  • a very low temperature level of z. B. 40 to 60 ° C vacuum distillation of a Ammonium salt solution
  • Regenerations L. Storage operation can thus be used low-temperature (from) heat (eg heat from power plant processes, solar heat, CHP waste heat, geothermal energy and waste heat from industrial processes, etc.).
  • low-temperature (from) heat eg heat from power plant processes, solar heat, CHP waste heat, geothermal energy and waste heat from industrial processes, etc.
  • the concept is therefore particularly interesting when there is no other heat consumer for the decrease of locally incurred low temperature (ab) heat.
  • FIG. 5 Another embodiment of the present invention is the coupling of the osmotic power plant to a geothermal power plant, which is illustrated in Figures 5 and 6, wherein Figure 4 illustrates a geothermal power plant according to the prior art.
  • a hydrothermal-osmosis storage power plant is thus understood to mean the combination of a geothermal power plant 19 based on hydrothermal deep water 23 with an osmosis storage power plant 13.
  • hydrothermal water layers have a very high salt content.
  • the salinity depends primarily on the local geological conditions.
  • the following table shows the salt contents of selected hydrothermal deep waters, which were investigated or developed in connection with geothermal projects.
  • the composition of the salts also varies depending on the geological conditions.
  • the main constituents of the salts include (no order of ranking): Na, Ca, K, Mg, Sr, Zn, Fe (cations) and Cl, CO 3 , SiO 3 , BO 3 , HSO 4 (anions).
  • the geothermal power plant operates in power generation or, alternatively, as a pure thermal power plant (depending on the temperature level of the deep water).
  • the osmosis storage power plant is used only in peak load.
  • the osmosis power plant 13 can also be put into operation, s. Fig. 5.
  • the thermal water after use in geothermal power plant 19 is not returned to the deep water layer 23, but passed to the osmotic power plant 13 and used as an operating solution.
  • the salinity energy of the thermal water is converted into electrical energy, which can be fed into the power grid to cover peak load.
  • the power and / or heat generation in the geothermal power plant 19 is not affected by the additional use in the osmotic power plant 13.
  • the mixture produced during the osmosis power plant operation is temporarily stored in the storage tank 14 (see FIG. 5).
  • the material separation of the mixture required for the recycling is temporally decoupled by the intermediate storage from the time of the formation of the mixture in osmosis power plant operation.
  • the regeneration operation should ideally take place at a time of low network load.
  • the heat required for the separation of substances can be provided in whole or in part by the thermal water of the geothermal power plant (depending on the temperature level). In the separation of materials, the thermal water is then passed directly from the removal hole 21 to the unit 17 for the separation of substances and the heat used for the separation of substances. Use in the geothermal power plant does not take place. If additional heat is required for the separation of substances, a further coupling with systems for solar heat utilization or the use of process steam, z. B. from power plant processes, conceivable.
  • the regeneration operation should ideally take place at a time of low network load.
  • the material streams are returned to the collection waters (see FIG. 6), d. H. into the flow 20 or via the injection bore 22 into the hydrothermal deep-water layer 23.
  • the starting solutions should be restored as far as possible in relation to their volume flow and their concentration, so that a return is easily possible.
  • hydrothermal osmosis storage power plant The advantages of the concept of a hydrothermal osmosis storage power plant are, on the one hand, the high membrane outputs which are to be expected when using highly concentrated solutions and, on the other hand, the omission of the storage containers 15, 16 (see FIG to a pure osmosis Power Station. In hydrothermal-osmosis storage power plants only a memory 14 for the mixture resulting from osmosis power plant operation is required.
  • the PRO process is based on the basic principle of osmosis. Processes based on the PRO process are therefore also referred to as osmosis power plants or osmosis storage power plants.
  • the described concept can also be realized with the method of RED.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zum Bereitstellen von Energie, insbesondere einer Kraftwerksanlage, wobei die Anlage aufweist: einen ersten Zulauf (24) für eine erste flüssige Lösung (1) mit einer ersten Konzentration eines gelösten Stoffes, einen zweiten Zulauf (25) für eine zweite flüssige Lösung (2) mit einer zweiten Konzentration eines gelösten Stoffes, wobei die zweite Konzentration von der ersten Konzentration unterschiedlich ist, mindestens ein Membranelement (4), in das die beiden Zuläufe (24, 25) eingeleitet werden, wobei das Membranelement (4) zur Durchführung eines osmotischen Vorgangs oder eines elektrodialytischen Vorgangs zur Energiegewinnung unter Bildung einer Mischung aus erster und zweiter flüssiger Lösung (1, 2) in einem ersten Zeitbereich ausgebildet und geeignet ist, und einen Ablauf (26) für die Mischung aus erster und zweiter flüssiger Lösung (1, 2). Um eine solche Kraftwerksanlage zur Speicherung von Energie auszubilden, sieht die Erfindung vor, dass die von dem Ablauf (26) ablaufende Mischung in einem Speicherbehälter (14) aufgenommen wird, wobei in einem dem ersten Zeitbereich zumindest teilweise nachgelagerten zweiten Zeitbereich die Mischung aus dem Speicherbehälter (14) in eine Trenneinrichtung (17) geleitet und dort die Mischung unter Energieaufwendung in zwei flüssige Lösungen (1, 2) mit unterschiedlichen Konzentrationen des gelösten Stoffes aufgetrennt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Kraftwerksanlage.

Description

Verfahren zum Betrieb einer Kraftwerksanlage und Kraftwerksanlage
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Anlage zum Bereitstellen von Energie, insbesondere einer Kraftwerksanlage, wobei die Anlage aufweist: einen ersten Zulauf für eine erste flüssige Lösung mit einer ersten Konzentration eines gelösten Stoffes, einen zweiten Zulauf für eine zweite flüssige Lösung mit einer zweiten Konzentration eines gelösten Stoffes, wobei die zweite Konzentration von der ersten Konzentration unterschiedlich ist, mindestens ein Membranelement, in das die beiden Zuläufe eingeleitet werden, wobei das Membranelement zur Durchführung eines osmotischen Vorgangs oder eines elektrodialytischen Vorgangs zur Energiegewinnung unter Bildung einer Mischung aus erster und zweiter flüssiger Lösung in einem ersten Zeitbereich ausgebildet und geeignet ist, und einen Ablauf für die Mischung aus erster und zweiter flüssiger Lösung. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Kraftwerksanlage.
Eine Kraftwerksanlage dieser Art wird als Salinitäts-Kraftwerk bezeichnet. Die WO 2007/009196 Äl offenbart ein solches Salinitäts-Kraftwerk in Kombination mit einer Meerwasserentsalzungsanlage. Hier wird Meerwasser Salz entzogen und als Brauchwasser abgeführt. Die im Salzgehalt angereicherte konzentrierte Salzsole wird einem Salinitäts-Kraftwerk zugeführt. Gleichzeitig wird dem Salinitäts-Kraftwerk Meerwasser zugeführt. Damit liegen zwei Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen an Salz vor, aus denen im Salinitäts-Kraftwerk eine Umwandlung der Salinitäts-Energie in Druck- bzw. elektrische Energie stattfindet. Eine Kraftwerksanlage dieser Art wird im Falle der Durchführung eines osmotischen Vorgangs als Osmose-Kraftwerk bezeichnet. Eine Kraftwerksanlage dieser Art wird im Falle der Durchführung eines elektrodialytischen Vorgangs als RED-(Reverse- Electrodialysis)-Kraftwerk bezeichnet.
Zu den physikalischen bzw. chemischen Grundlagen der Arbeitsweise eines Kraftwerks der genannten Art sei folgendes angemerkt, wobei die Ausführungen zu osmotischen Prozessen hier und im Folgenden (auch in Bezug auf die Beschreibung der Erfindung) prinzipiell analog auch für elektrodialytische Prozesse gelten: Bei der Mischung von Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen wird Energie freigesetzt. Die Menge der freiwerdenden Energie ergibt sich aus der Änderung der Gibbs-Energie und kann als Gibbs-Energie der Mischung oder Salinitäts-Energie bezeichnet werden.
Die Salinitäts-Energie kann in Osmose-Kraftwerken unter Ausnutzung des osmotischen Effektes genutzt werden. Der Effekt der Osmose tritt auf, wenn zwei Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen über eine so genannte semipermeable Membran in Kontakt gebracht werden. Eine semipermeable Membran ist dabei nur für bestimmte Moleküle bzw. Ionen durchlässig.
Werden Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen miteinander in Kontakt gebracht, streben diese stets einen Konzentrationsausgleich an. Im Falle der Kontaktierung über eine semipermeable Membran kann ein Konzentrationsausgleich nur erreicht werden, indem das Lösungsmittel durch die Membran von der niedriger konzentrierten in die höher konzentrierte Lösung diffundiert. Dies ist in Fig. Ia bis Fig. Id illustriert, in denen das Prinzip der Osmose dargestellt ist. Für die Solute (die gelösten Stoffe) ist die Membran im Idealfall undurchlässig.
Durch den Diffusionsprozess kommt es zu einer Verdünnung der höher konzentrierten Lösung und damit zu einer Änderung der Lösungsvolumina (Permeatflussrichtung von der niedriger konzentrierten in die höher konzentrierte Lösung). Der Diffusionsprozess kommt zum Erliegen, wenn der Druckunterschied zwischen den Lösungen 1, 2 den so genannten osmotischen Druck p erreicht. In diesem Zustand hat sich ein thermodynamisches bzw. osmotisches Gleichgewicht eingestellt, d. h. die chemischen Potentiale des Lösungsmittels sind in beiden Lösungen gleich. Die Triebkräfte für die Osmose sind daher die unterschiedlichen chemischen Potentiale der Lösungsmittel im Ausgangszustand. Im Ausgangszustand besteht bei der Osmose zwischen den Lösungen kein Druckunterschied (Δp = 0; s. Fig. Ia).
Die Potentiale der gelösten Stoffe spielen für das Gleichgewicht keine Rolle (jedenfalls im Falle der Annahme einer idealen Diffusion, d. h. nur Lösungsmittel kann durch die Membran 3 diffundieren) bzw. werden aufgrund der geringen Diffusionsmengen vernachlässigt. Je größer der Konzentrationsunterschied zwischen den Lösungen ist, desto größer ist auch der osmotische Druck. Soll das Eindringen von Lösungsmittel in die höher konzentrierte Lösung von vornherein verhindert werden, muss auf diese Lösung ein Druck von der Höhe des osmotischen Druckes ausgeübt werden. Das System befindet sich dann ebenfalls im Gleichgewicht (Δp = p; siehe Fig. Ib).
Soll das Lösungsmittel aus der höher konzentrierten Lösung durch die Membran in die niedriger konzentrierte Lösung strömen, so muss an die höher konzentrierte Lösung ein äußerer Druck angelegt werden, der höher als der osmotische Druck zwischen den Lösungen ist (Δp > p). Dieser Prozess wird als Umkehrosmose bezeichnet und wird z. B. in der Meerwasserentsalzung angewendet (siehe Fig. Ic). Die Triebkraft für den Stofftransport durch die Membran ist bei der Umkehrosmose der äußere Druck, der auf die höher konzentrierte Lösung ausgeübt wird. Typische Betriebsdrücke bei Umkehrosmoseprozessen in der Meerwasserentsalzung liegen im Bereich von 50 bis 70 bar.
Beim Prozess der druckverzögerten Osmose (Pressure-retarded-osmosis - PRO, s. Fig.
Id) steht die höher konzentrierte Lösung analog zur Umkehrosmose ebenfalls unter Druck. Die Druckdifferenz Δp ist aber kleiner als der osmotische Druck (p > Δp > 0). Die Permeatflussrichtung ist daher analog zur Osmose von der niedriger konzentrierten in die höher konzentrierte Lösung gerichtet (Permeation entgegen der Druckdifferenz Δp, siehe Fig. Id). Der PRO-Prozess ist der für eine Energieumwandlung in Osmose-Kraftwerken relevante Prozess. Von den Randbedingungen her ist der PRO-Prozess ein Zwischenprozess zwischen der Osmose und der Umkehrosmose.
Wie dieses Prinzip in einem Osmose-Kraftwerk konkret umgesetzt wird, ergibt sich aus
Fig. 2, die ein Osmose-Kraftwerk nach dem Stand der Technik zeigt.
Osmose-Kraftwerke eignen sich prinzipiell für den Betrieb mit all denjenigen Lösungen, die sich in ihrer Konzentration unterscheiden und in einem Mischungsprozess zusammengeführt werden können.
Günstige Standorte für Osmose-Kraftwerke finden sich an Flussmündungen in das Meer. Hier kann der Unterschied in der Salzkonzentration zwischen Süß- und Salzwasser genutzt werden. Die unterschiedlichen Salzkonzentrationen ergeben sich aus dem natürlichen Wasserkreislauf der Erde. Osmose-Kraftwerke auf Basis von Fluss- und Meerwasser zählen demnach zu den regenerativen Energien. Die energetische Nutzung von Fluss- und Meerwasser wird als Haupteinsatzgebiet für Osmose-Kraftwerke gesehen. In Fig. 2 ist das Grundkonzept eines Osmose- Kraftwerks schematisch dargestellt. Die im Folgenden genannten Daten beziehen sich auf den Betrieb mit Fluss- und Meerwasser, es gelten prinzipiell aber analoge Beziehungen für den Betrieb mit anderen Lösungskombinationen.
Das Flusswasser (niedriger konzentrierte Lösung 2; V2) wird von einer Pumpe 7 gepumpt und vor dem Eintritt in das Membranelement bzw. -modul 4 mit einem Filter
12 gefiltert. Das Meerwasser (höher konzentrierte Lösung 1; Vi) wird von einer Pumpe 5 gepumpt und ebenfalls von einem Filter 11 gefiltert und der Druck anschließend durch einen Druckaustauscher 8 erhöht. Direkt nach dem Druckaustauscher 8 (auf der Meerwasserseite) befindet sich noch eine Pumpe 6 zur weiteren Druckerhöhung auf den Kraftwerksbetriebsdruck. Der Wirkungsgrad des Druckaustauschers liegt bei > 95 % und ist damit besser als der Wirkungsgrad einer Pumpe vergleichbarer Leistung. Dadurch wird insgesamt ein höherer Wirkungsgrad der Druckerhöhung bzw. des Gesamtsystems erreicht, als bei einem reinen pumpenbasierten Konzept. Nach der Pumpe 6 liegt der Druck des Meerwassers (der höher konzentrierten Lösung 1) bei ca.
13 bar und entspricht somit ungefähr der Hälfte des osmotischen Druckes zwischen Fluss- und Meerwasser.
Beim Eintritt in das Membranmodul 4 hat das Flusswasser ungefähr Umgebungsdruck.
Im Membranmodul 4 permeieren aufgrund des osmotischen Effektes 80 - 90 % des Süßwassers entgegen der Druckdifferenz (VP: Permeatvolumenstrom; im Idealfall reines Wasser) durch die Membran 3. Durch die Permeation kommt es zu einer Druckerhöhung des Permeatvolumenstromes VP sowie zu einer Erhöhung des Volumenstromes auf der Membranseite der höher konzentrierten Lösung (Vi + VP). Der Druck im Membranmodul 4 bleibt bei Vernachlässigung von strömungsmechanischen Druckverlusten konstant (pi = konst.). Das Membranmodul 4 funktioniert demnach wie eine Art "osmotische Pumpe", deren Triebkraft der Konzentrationsunterschied zwischen den Lösungen ist. Im Membranmodul 4 findet eine Umwandlung von Salinitäts-Energie in Druckenergie statt. Dieser Prozess stellt die Schlüsselenergieumwandlung in Osmose-Kraftwerken dar.
Der Teil des Süßwassers, der nicht durch die Membran 3 permeiert ist, wird als Spülstrom (V3) zum Austrag unerwünschter Substanzen (Solute, Partikel etc.) aus der Membran 3 verwendet.
Das Brackwasser (Ergebnis der Mischung im Membranmodul 4), das das Membranmodul 4 verlässt, wird in zwei Volumenströme aufgeteilt. Etwa ein Drittel des Wassers wird zum Antrieb einer Turbine 9 verwendet. Die Wassermenge, mit der die Turbine 9 beaufschlagt wird, entspricht ungefähr dem Permeatvolumenstrom VP durch die Membran 3. Es wird daher lediglich die Druckenergie des Permeatvolumenstroms in der Turbine 9 in mechanische und anschließend im Generator 10 in elektrische Energie umgewandelt.
Die restlichen zwei Drittel des Volumenstroms werden zur Druckerhöhung des frischen Meerwassers im Druckaustauscher 8 verwendet (die Wassermenge entspricht ungefähr dem Meerwasservolumenstrom Vi). Die Druckenergie dieses Volumenstromes wird intern zur Aufrechterhaltung des Kraftwerksbetriebes verwendet und steht demnach nicht für eine energetische Nutzung zur Verfügung.
Die Pumpen 5 und 7 vor den Filtern 11, 12 werden für die Förderung von Süß- und Salzwasser benötigt und dafür, die Filterwiderstände zu überwinden bzw. weitere Druckverluste (hervorgerufen durch Einbauten, Rohrreibung etc.) im System auszugleichen.
Für Fluss- und Meerwasser liegt der osmotische Druck bei ca. 26 bar. Für einen Süßwasservolumenstrom von 1 m3/s ergibt sich hieraus (für ein Osmose-Kraftwerk auf Basis des PRO-Prozesses) eine elektrische Kraftwerksleistung (netto) von ca. 0,8 MWΘ|. Der Volumenstrom von Salzwasser ist typischerweise doppelt so groß wie der des Süßwassers, so dass insgesamt ein Volumenstrom von 3 m3/s für den Kraftwerksbetrieb (Leistung 0,8 MWeι) erforderlich ist.
Osmose-Kraftwerke eignen sich für den Einsatz in der Grundlast, da die Kraftwerksleistung konstant zur Verfügung gestellt werden kann.
Der Erfindung liegt die A u f g a b e zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb der eingangs genannten Anlage zur Bereitstellung von Energie sowie eine entsprechend ausgebildete Anlage vorzuschlagen, die eine örtlich vergleichsweise unabhängige Bereitstellung von Energie mittels eines Osmoseprozesses nicht nur in Küstenbereichen ermöglicht. Eine weitere Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Anlage zum Bereitstellen von Energie zur Verfügung zu stellen, die eine effiziente Speicherung von Energie ermöglicht, so dass im Bedarfsfalle, insbesondere bei einem hohen Energiebedarf, auf die gespeicherte Energie zurückgegriffen werden kann, um Lastspitzen abzudecken. Die L ö s u n g dieser Aufgabe durch die Erfindung ist verfahrensgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die hinter der Anlage zum Bereitstellen von Energie von dem Ablauf ablaufende Mischung in einem Speicherbehälter aufgenommen wird, wobei in einem dem ersten Zeitbereich zumindest teilweise nachgelagerten zweiten Zeitbereich die Mischung aus dem Speicherbehälter in eine Trenneinrichtung geleitet und dort die Mischung unter Energieaufwendung in zwei flüssige Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen des gelösten Stoffes aufgetrennt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich somit insbesondere dann zum Speichern von Energie und zur Abdeckung von Spitzenlasten, wenn das durch den osmotischen
Vorgang erzeugte Gemisch zu Zeiten geringen Energiebedarfs mit überschüssiger
Energie aufgetrennt wird und das aufgetrennte Gemisch zu Zeiten hohen
Energiebedarfs wieder zur Bereitstellung von Energie genutzt wird, in dem die
Lösungen unterschiedlicher Konzentration dem ersten bzw. dem zweiten Zulauf wieder zugeführt werden.
Bei dem im Membranelement durchgeführten osmotischen Vorgang handelt es sich bevorzugt um eine druckverzögerte Osmose (PRO - Pressure Retarded Osmosis). Im Falle eines elektrodialytischen Prozesses handelt es sich bevorzugt um eine umgekehrte Elektrodialyse (RED - Reverse Electrodialysis).
Die aufgetrennten flüssigen Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen werden bevorzugt zur Speicherung in zwei weitere Speicherbehälter geleitet, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Zulauf mittels geeigneter Ventile fluidisch verbindbar sind.
Die Konzentrationen des gelösten Stoffes in den aufgetrennten flüssigen Lösungen sind dabei bevorzugt gleich mit der ersten und zweiten Konzentration des gelösten Stoffes in der ersten und zweiten flüssigen Lösung. Somit entsteht ein geschlossenes System zur Abgabe und Speicherung von Energie.
Die in den ersten Zulauf eingeleitete flüssige Lösung kann gemäß einer anderen
Ausgestaltung der Erfindung aus einer hydrothermalen Tiefenwasserschicht entnommen werden, sofern - was zumindest überwiegend der Fall ist - das Tiefenwasser gegenüber der in den zweiten Zulauf eingeleiteten flüssigen Lösung einen erhöhten Salzgehalt aufweist, wobei die flüssige Lösung vorzugsweise vor der Einleitung in den ersten Zulauf durch ein geothermisches Kraftwerk geleitet wird. Dem gemäß wird hiernach ein Geothermie-Kraftwerk mit dem erfindungsgemäßen Osmoseoder elektrodialytischen Speicherkraftwerk kombiniert. Die in den zweiten Zulauf eingeleitete flüssige Lösung kann dabei aus einem Fluss entnommen werden, was insbesondere bei der Nutzung von flüssigen Lösungen aus hydrothermalen Tiefenwasserschichten von Vorteil sein kann.
Die Auftrennung der Mischung in der Trenneinrichtung kann durch Zufuhr von thermischer Energie erfolgen. Hierbei bietet sich insbesondere die thermische Energie von einem konventionellen Kraftwerk an, insbesondere in Form von Prozessdampf, der von dem konventionellen Kraftwerk zum Betrieb einer Dampfturbine zur Verfügung gestellt wird. Möglich ist auch die Nutzung thermischer Energie von einem Solarmodul. Weiterhin kann die thermische Energie von einem Blockheizkraftwerk genutzt werden, ebenso wie geothermische Energie oder Abwärme von Industrieprozessen, beispielsweise aus der Glasindustrie.
Die Auftrennung der Mischung in der Trenneinrichtung kann - je nach Wahl der Betriebslösungen - alternativ auch durch ein magnetisches und/oder durch ein elektrisches Feld erfolgen.
Die Energiegewinnung kann in einer Anzahl parallel geschalteter Membranelemente erfolgen.
Der in den flüssigen Lösungen gelöste Stoff ist zumeist Salz. Dabei kann es sich bei den flüssigen Lösungen um Elektrolytlösungen, beispielsweise um Ammoniumsalzlösungen, handeln. Alternativ kann es sich bei den flüssigen Lösungen um organische Lösungen oder um Polymerlösungen handeln. Weiterhin kann es sich bei den flüssigen Lösungen um solche auf der Basis von Nanopartikeln, zum Beispiel um Magnetoferritin-Lösungen, handeln.
Die vorgeschlagene Anlage zum Bereitstellen von Energie mit erstem Zulauf für eine erste flüssige Lösung, mit zweitem Zulauf für eine zweite flüssige Lösung, mit mindestens einem Membranelement, in das die beiden Zuläufe eingeleitet werden, wobei das Membranelement zur Durchführung eines osmotischen Vorgangs oder eines elektrodialytischen Vorgangs zur Energiegewinnung unter Bildung einer Mischung aus erster und zweiter flüssiger Lösung ausgebildet und geeignet ist, und mit einem Ablauf für die Mischung aus erster und zweiter flüssiger Lösung ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch einen Speicherbehälter, der mit dem Ablauf fluidisch verbindbar ist, und eine Trenneinrichtung, die mit dem Speicherbehälter fluidisch verbindbar ist, wobei die Trenneinrichtung zur Trennung der Mischung aus dem Speicherbehälter in zwei flüssige Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen des gelösten Stoffes geeignet und ausgebildet ist. Ferner kann mindestens ein weiterer Speicherbehälter vorhanden sein, der mit der
Trenneinrichtung sowie dem ersten bzw. dem zweiten Zulauf fluidisch verbindbar ist.
Der mindestens eine weitere Speicherbehälter dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dient als Speicher für die höher konzentrierte der beiden Lösungen.
Somit dient der weitere Speicherbehälter als Energiespeicher, und die höher konzentrierte Lösung kann dann dem Membranelement zugefügt werden, um zusammen mit einer niedriger konzentrierten Lösung wieder Energie frei zu geben.
Vorzugsweise ist sowohl für die höher konzentrierte als auch für die niedriger konzentrierte Lösung mindestens ein weiterer Speicherbehälter vorgesehen.
Der erste Zulauf kann auch mit einem geothermischen Kraftwerk fluidisch verbindbar sein, wobei das geothermische Kraftwerk eine Entnahmebohrung für eine flüssige Lösung aus einer hydrothermalen Tiefenwasserschicht aufweist. In diesem Fall kann der Ablauf des höher konzentrierten, in der Trenneinrichtung aufgetrennten Teils der Lösung über eine weitere Bohrung wieder in die Tiefenwasserschicht abgelassen werden, um den Flüssigkeits- und Solutegehalt in der Tiefenwasserschicht nicht nachhaltig zu verändern. Gleichzeitig kann, sofern als niedrig konzentrierte Lösung Flusswasser verwendet wurde, der entsprechend niedrig konzentrierte Teil des aufgetrennten Gemisches dem Fluss, aus dem das Wasser zuvor entnommen wurde, wieder zugeführt werden. In diesem Fall dienen dann der Fluss und die Tiefenwasserschicht als Ersatz für weitere Speicherbehälter für die aufgetrennten Lösungsteile.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. Ia schematisch den Vorgang der Osmose,
Fig. Ib schematisch den Status des osmotischen Gleichgewichts,
Fig. Ic schematisch den Vorgang der Umkehrosmose,
Fig. Id schematisch den Vorgang der druckverzögerten Osmose (Pressure Retarded Osmosis - PRO),
Fig. 2 ein Osmose-Kraftwerk gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 3 ein Osmose-Speicherkraftwerk als Beispiel für eine erfindungsgemäße
Anlage zum Bereitstellen von Energie, Fig. 4 ein Geothermie-Kraftwerk gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 5 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Osmose-Speicherkraftwerks in Verbindung mit einem Geothermie-Kraftwerk und
Fig. 6 den der Anlage nach Fig. 5 nachgeschalteten Anlagenbereich mit Trennung der aus dem Osmose-Speicherkraftwerk stammenden Mischung der Lösungen.
Bei dem nachfolgend beschriebenen Konzept handelt es sich um ein Osmose- Speicherkraftwerk. Dieses Konzept basiert grundsätzlich auf dem an sich bekannten Prinzip eines Osmose- Kraftwerks, wozu bezüglich der zugrunde liegenden physikalischen bzw. chemischen Prozesse auf die obigen Erläuterungen verwiesen wird. Während vorbekannte Osmose-Kraftwerke für den kontinuierlichen Kraftwerksbetrieb in der Grundlast ausgelegt sind, stellt das vorgeschlagene Konzept eines Osmose-Speicherkraftwerks eine Möglichkeit zur Energiespeicherung dar. Osmose-Speicherkraftwerke eignen sich zudem für einen Einsatz in der Regelenergiebereitstellung bzw. im Spitzenlastbereich.
Bei der Mischung von Lösungen unterschiedlicher Konzentrationen wird - wie oben ausgeführt wurde - Energie freigesetzt. Die Salinitäts-Energie kann in Osmose- Kraftwerken genutzt werden, indem man die beiden Lösungen über eine semipermeable Membran miteinander in Kontakt bringt. Die semipermeable Membran ist dabei im Idealfall nur durchlässig für das Lösungsmittel und nicht für die gelösten Stoffe. Da die Lösungen bestrebt sind, den Konzentrationsunterschied auszugleichen, strömt Lösungsmittel von der niedriger konzentrierten Lösung in die höher konzentrierte Lösung (Prinzip der Osmose). Der technische Prozess der Energieumwandlung auf Basis der Osmose wird als "Pressure-retarded-osmosis" (kurz: PRO) bezeichnet. Triebkraft für die Umwandlung von Salinitäts-Energie in Druckenergie auf Basis des PRO-Prozesses ist der osmotische Druck zwischen den Lösungen.
Aufgrund eines stetig steigenden Anteils von regenerativen und damit fluktuierenden Energien an der Stromversorgung in Deutschland wird davon ausgegangen, dass der Bedarf an Speicher- und Regelenergie in der Zukunft deutlich ansteigen wird. Eine Möglichkeit der Energiespeicherung stellen Osmose-Speicherkraftwerke gemäß der Erfindung dar. In Osmose-Speicherkraftwerken kann gespeicherte Salinitäts-Energie bei Bedarf in elektrische Energie umgewandelt werden. Die Funktion eines Osmose-Speicherkraftwerks ist dabei analog zu einem klassischen Wasser-Pumpspeicherkraftwerk. Bei Osmose-Speicherkraftwerken wird zwischen den Betriebsarten "Kraftwerksbetrieb" und "Speicher- bzw. Regenerationsbetrieb" unterschieden. Der Kraftwerksbetrieb ist dabei, analog zum Turbinenbetrieb eines Pumpspeicherkraftwerks, diejenige Betriebsart, bei der elektrische Energie an das Stromnetz abgegeben wird. Osmose-Speicherkraftwerke könnten somit in der Spitzenstromerzeugung und in der Regelenergiebereitstellung eingesetzt werden.
In Fig. 3 ist der Aufbau eines Osmose-Speicherkraftwerks gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt.
Mit ausgezogenen Linien zwischen den dargestellten Komponenten ist dabei der Kraftwerksbetrieb angedeutet, mit gestrichelten Linien der Speicher- oder Regenerationsbetrieb.
Grundsätzlich gilt, dass die Kraftwerksanlage einen ersten Zulauf 24 für eine erste flüssige Lösung 1 mit einer ersten Konzentration eines gelösten Stoffes und einen zweiten Zulauf 25 für eine zweite flüssige Lösung 2 mit einer zweiten Konzentration eines gelösten Stoffes aufweist. Die zweite Konzentration ist dabei von der ersten Konzentration unterschiedlich. Weiterhin ist wesentliches Merkmal ein Membranelement 4, in das die beiden Zuläufe 24 und 25 eingeleitet werden, wobei das Membranelement 4 zur Durchführung vorzugsweise eines osmotischen Vorgangs ausgebildet ist, d. h. es kommt zu einer Energiegewinnung unter Bildung einer Mischung aus erster und zweiter flüssiger Lösung 1, 2. Weiterhin ist ein Ablauf 26 für die Mischung aus erster und zweiter flüssiger Lösung 1, 2 vorhanden.
Kern der Erfindung ist, dass die von dem Ablauf 26 ablaufende Mischung in einem Speicherbehälter 14 aufgenommen wird. Dabei wird in einem dem ersten Zeitbereich nachgelagerten zweiten Zeitbereich die Mischung aus dem Speicherbehälter 14 in eine Trenneinrichtung 17 geleitet und dort die Mischung unter Energieaufwendung in zwei flüssige Lösungen 1, 2 mit unterschiedlichen Konzentrationen des gelösten Stoffes aufgetrennt.
Ein Osmose-Speicherkraftwerk gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht aus einem Osmose-Kraftwerk 13, drei Speicherbehältem 14, 15 und 16 für die Betriebslösungen und einem Bauteil zur Regeneration der beim Kraftwerksbetrieb entstehenden Mischung, nämlich der Trenneinrichtung 17. Im Unterschied zum kontinuierlichen Kraftwerksbetrieb befinden sich die Betriebslösungen (höher und niedriger konzentrierte Lösung 1, 2) in Speicherbehältern 15 und 16 einer vorgegebenen Größe. Diese Speicher sind vergleichbar mit dem Speicherbecken bei Pumpspeicherkraftwerken. Der eigentliche Osmose- Kraftwerksprozess kann komplett analog zum Prozess eines kontinuierlich betriebenen Osmose-Kraftwerks aufgebaut werden (s. Fig. 2).
Im Kraftwerksbetrieb werden die Lösungen 1, 2 aus den Speichern 15, 16 zum Betrieb des Osmose-Kraftwerks 13 verwendet. Die maximale Dauer des Kraftwerksbetriebs richtet sich dabei nach der Größe der Speicher 15, 16. Die Leistung des Kraftwerks wird durch den osmotischen Druck der Lösungen 1, 2 und durch die Fläche der Membran 3 des Membranelements 4 beeinflusst. Die beim Kraftwerksprozess entstehende Mischung wird in einen Speicher 14 eingeleitet. Die Größe des Speichers 14 für die Mischung muss dabei so groß sein wie die Summe der Volumina der beiden einzelnen Speicher 15, 16 für die Betriebslösungen 1, 2. Dieser Speicher 14 ist vergleichbar mit dem Unterbecken eines Pumpspeicherkraftwerks. Die gezielte Steuerung der Volumina der zum Einsatz kommenden Flüssigkeiten wird durch Ventile 18 bewerkstelligt.
Der Speicher- bzw. Regenerationsbetrieb eines Osmose-Speicherkraftwerks entspricht dem Pumpbetrieb eines Pumpspeicherkraftwerks. Der Unterschied zwischen beiden Konzepten besteht in einer unterschiedlichen Form der Energiespeicherung. Bei Pumpspeicher-Kraftwerken wird Energie in Form von potentieller Lageenergie des Wassers gespeichert, indem Wasser aus dem Unterbecken in das höher gelegene Oberbecken gepumpt wird. Für die Überwindung der Höhendifferenz ist elektrische Energie in Form von Pumpenleistung erforderlich.
Bei Osmose-Speicherkraftwerken wird Energie in Form von Salinitätsenergie gespeichert. Im Speicherbetrieb werden dabei aus der beim Kraftwerksbetrieb entstandenen Mischung zwei Lösungen 1, 2 unterschiedlicher Konzentrationen hergestellt. Diese Lösungen werden dann als Betriebslösungen für einen späteren Kraftwerksbetrieb in den entsprechenden Speichern 15, 16 eingebracht. Im Idealfall besteht dabei die niedriger konzentrierte Lösung aus reinem Lösungsmittel.
Der Speicher- bzw. Regenerationsbetrieb beruht somit auf einer Stofftrennung in Lösungsmittel und Solute. Für diesen Prozess ist Energie erforderlich. Für die Stofftrennung kommen verschiedene Verfahren in Frage (siehe unten). Vom Prinzip her ist ein Osmose-Speicherkraftwerk ein geschlossenes System.
Kraftwerks- und Speicherbetrieb sind zeitlich voneinander entkoppelt, so dass eine
Zwischenspeicherung der Betriebslösungen in geeigneten Speichern 15, 16 erforderlich ist. Nachdem das System einmal mit den benötigten Stoffen
(Lösungsmittel und Solute) ausgestattet wurde, ist keine kontinuierliche
Lösungszufuhr mehr erforderlich. Im Gegensatz zu kontinuierlich arbeitenden
Flusswasser-Meerwasser Osmose-Kraftwerken, wo das Kraftwerk möglichst in der
Nähe einer Flussmündung in das Meer gebaut werden sollte, ist ein Osmose- Speicherkraftwerk nicht standortgebunden.
Im Vergleich zu Pumpspeicher- und Druckluftspeicherkraftwerken ist ein Osmose- Speicherkraftwerk topographisch wesentlich unabhängiger. Für Druckluftspeicherkraftwerke sind für die Aufnahme der Druckluft natürliche Speicherformationen wie z. B. Salzstöcke erforderlich. Für Pumpspeicherkraftwerke sind Standorte erforderlich, bei denen sich eine Höhendifferenz zwischen Speicherund Unterbecken realisieren lässt. Oftmals sind große Eingriffe in die Natur für den Bau eines solchen Kraftwerks erforderlich (Bau des Oberbeckens, Aufstauung eines Vorfluters zum Unterbecken etc.). Hier sind Auflagen des Natur- und Landschaftsschutzes zu berücksichtigen. Für den Bau von neuen Pumpspeicherkraftwerken sind in Europa nur sehr begrenzt potentielle Standorte verfügbar. In Deutschland kann ein Neubau eines Pumpspeicherkraftwerks praktisch ausgeschlossen werden.
Osmose-Speicherkraftwerke stellen keine besonderen Anforderungen an den Kraftwerks-Standort und es ist keine Höhendifferenz zwischen den Speicherbecken und dem Kraftwerksstandort erforderlich. Prinzipiell könnte ein solches Kraftwerk auch komplett unter der Erde installiert werden. Mit Osmose-Speicherkraftwerken ist sowohl eine langfristige (saisonale) Energiespeicherung möglich, als auch eine kurzzeitige Energiespeicherung, verbunden mit dem Kraftwerkseinsatz in der Spitzenlast.
Wird Spitzenstrom oder Regelenergie benötigt, kann mit den gespeicherten Lösungen im Osmose-Kraftwerksbetrieb Strom erzeugt werden (diskontinuierlicher Betrieb). Zu Schwachlastzeiten wird Strom und/oder thermische Energie für den Regenerationsbetrieb verwendet. Bei einer Regeneration auf der Basis einer thermischen Stofftrennung mit Prozessdampf wird, z. B. zu Schwachlastzeiten, Prozessdampf aus der Turbine eines konventionellen Kraftwerks ausgekoppelt. Dadurch sinkt die elektrische Leistung des Kraftwerks. Nach Ende des Regenerationsbetriebs wird kein Prozessdampf mehr benötigt und das konventionelle Kraftwerk kann wieder mit voller Leistung arbeiten.
Die Leistung eines Osmose-Speicherkraftwerks ist im Prinzip unmittelbar nach Anforderung des Systems verfügbar. Nach Öffnung der Absperrventile zwischen den Speicherbecken für die Lösungen und dem Membranmodul beginnt der Osmose- Kraftwerksbetrieb (siehe Fig. 3). Der exakte Zeitraum vom Öffnen der Ventile bis zur Stromproduktion ist dabei in erster Linie von der Permeationsgeschwindigkeit durch die Membran 3 abhängig.
Die Leistung des Kraftwerks kann durch die Anzahl der sich in Betrieb befindlichen Membranmodule geregelt werden. Hier ist es zum Beispiel denkbar, dass sich bei einem Osmose-Speicherkraftwerk die Gesamtleistung des Kraftwerks auf mehrere unabhängig voneinander betreibbare Membranmodulblöcke 4 aufteilt (in Fig. 3 ist nur eines dieser Membranelemente 4 dargestellt).
Bei einer Gesamtleistung von z, B. 1.000 MWeι könnte das Kraftwerk dann so konstruiert werden, dass auf jeden Membranblock eine Leistung von z. B. 100 MWeι entfällt. Die Gesamtleistung des Kraftwerks muss sich dabei nicht gleichmäßig auf die Membranblöcke verteilen, sondern kann beliebig gewählt werden. Zu jedem Membranblock würde dann eine entsprechend dimensionierte Turbine gehören.
Pumpspeicherkraftwerke besitzen eine ähnliche Leistungsaufteilung. Beim Pumpspeicherkraftwerk Vianden ist z. B. die Gesamtleistung auf 10 unabhängig voneinander betreibbare Maschinensätze aufgeteilt.
Bei dem Betrieb von Osmose-Speicherkraftwerken ist man nicht an natürlich vorkommende Lösungen gebunden. Da sich die Lösungen in einem geschlossenen System befinden, können die Lösungen entsprechend den Anforderungen seitens des Prozesses hergestellt werden. Auf eine Vorreinigung der Lösungen, wie sie bei der Verwendung natürlicher Lösungen (z. B. Fluss- und Meerwasser) erforderlich ist, kann verzichtet werden. Die Lösungen sind bei spezieller Herstellung hochrein und bestehen lediglich aus dem Lösungsmittel und den gewünschten Soluten.
Für Osmose-Speicherkraftwerke ist für die Betriebslösung als Verfahrensschritt eine Stofftrennung in Lösungsmittel und Solute erforderlich (Regeneration des Lösungsmittels). Die Stofftrennung sollte dabei einen möglichst geringen Energiebedarf haben, um eine hohe Effizienz (Gesamtwirkungsgrad) des Gesamtverfahrens zu erreichen.
Die Lösungen bzw. die Solute sollten allgemein die folgenden Eigenschaften aufweisen: Zum einen sollte eine hohe Löslichkeit der Solute in einem Lösungsmittel gegeben sein, wodurch hohe osmotische Drücke erreichbar sind; zum anderen sollte eine leichte und kostengünstige Abtrennbarkeit der Solute aus der Lösung möglich sein, d. h. eine leichte Regenerierbarkeit.
Prinzipiell ist eine Vielzahl von Lösungen denkbar, die entsprechende Eigenschaften aufweisen. Besonders interessant ist die Gruppe der Elektrolytlösungen (z. B. Ammoniumsalzlösungen), der Polymer- bzw. organischen Lösungen und Lösungen auf der Basis von Nanopartikeln wie Magnetoferritin-Lösungen.
Aus Sicht der für den Kraftwerksbetrieb benötigten Membranen ist die Verwendung von höher konzentrierten Lösungen sehr interessant, da aufgrund der deutlich größeren Potentialdifferenz (höhere osmotische Drücke) wesentlich höhere Membranleistungen auch mit den derzeit verfügbaren Membranen erzielt werden können.
Die niedrigen Membranleistungen von Osmose-Kraftwerken im Flusswasser/Meerwasser-Betrieb sind momentan die Haupthindernisse bei der Umsetzung des Konzeptes. Bei der Verwendung von höher konzentrierten Lösungen in Osmose-Speicherkraftwerken tritt dieses Problem nicht auf. Durch eine höhere Membranleistung könnte die benötigte Membranfläche zudem deutlich reduziert werden. Dies würde sich positiv auf die Ökonomie von Osmose-Speicherkraftwerken auswirken.
Bei der Art der Stofftrennung kann unterschieden werden zwischen Konzepten, die auf der Verdampfung des Lösungsmittels basieren, und Konzepten, bei denen die Solute aus der Lösung abgetrennt wird.
Da die Verdampfung des Lösungsmittels einen relativ großen Energiebedarf aufweist, ist eine Abtrennung der Solute in den meisten Fällen vorzuziehen. Die Solute sind dabei so zu wählen, dass eine Abtrennung aus der Osmose-Betriebslösung bei einem möglichst geringen Energiebedarf zu realisieren ist. Bei der Abtrennung von Soluten kann weiterhin unterschieden werden zwischen der Verwendung von zwei teilweise mischbaren Flüssigkeiten oder einer Flüssigkeit und eines Gases, deren Mischbarkeit eine Funktion der Temperatur ist sowie der Verwendung einer Flüssigkeit und eines Feststoffes, wobei die Feststofflöslichkeit eine Funktion der Temperatur ist.
Aus der Verfahrenstechnik sind die klassischen Trennverfahren wie Destillation/Rektifikation, Extraktion, Fällung, Umkehrosmose, Filtration etc. bekannt, die grundsätzlich alle eingesetzt werden können.
Bei der Verwendung von hochkonzentrierten Lösungen haben Umkehrosmoseanlagen aufgrund der hohen erforderlichen Betriebsdrücke für die Stofftrennung einen sehr großen Energiebedarf. Für die Stofftrennung kommen demnach in erster Linie thermische Trennverfahren in Frage.
Eine weitere Möglichkeit der sehr energieeffizienten Stofftrennung bieten Verfahren auf der Basis von magnetischen und/oder elektrischen Feldern. Diese Trenntechniken beeinflussen lediglich die Solute und haben keinen Einfluss auf das Lösungsmittel. Ein Beispiel für eine geeignete wasserlösliche Solute, welche durch magnetische und/oder elektrische Felder leicht abtrennbar wäre, ist das Nano-Material Magnetoferritin.
Die Stofftrennung ist das zentrale Element eines Osmose-Speicherkraftwerks und bestimmt wesentlich den Gesamtwirkungsgrad einer derartigen Anlage. Betrachtet man den reinen mechanischen Wirkungsgrad (Gesamtsystem; thermischer Energiebedarf für die Regeneration wird nicht berücksichtigt) eines Osmose- Speicherkraftwerks, so liegt dieser im Bereich zwischen 70 und 80 %.
Die Gesamtwirkungsgrade von Pumpspeicherkraftwerken liegen typischerweise in einem Bereich zwischen 70 und 85 %. Druckluftspeicherkraftwerke erreichen einen Wirkungsgrad von 50 bis 70 %.
Zu beachten ist bei dem Vergleich der Kraftwerkswirkungsgrade, dass bei Pumpspeicher- und Druckluftspeicherkraftwerken Strom für den Speicherbetrieb (Pumpen- bzw. Kompressionsleistung) erforderlich ist. Für ein osmotisches Speicherkraftwerk kann für den Speicher- bzw. Regenerationsbetrieb thermische Energie verwendet werden. In Abhängigkeit von der Wahl der Betriebslösungen kann ein sehr niedriges Temperaturniveau von z. B. 40 bis 60 °C (Vakuumdestillation einer Ammoniumsalzlösung) für die Stofftrennung ausreichend sein. Für den Regenerationsbzw. Speicherbetrieb kann somit Niedertemperatur(ab)wärme (z. B. Wärme aus Kraftwerksprozessen, Solarwärme, BHKW-Abwärme, geothermische Energie und Abwärme von Industrieprozessen etc.) eingesetzt werden. Das Konzept ist daher besonders dann interessant, wenn für die Abnahme von lokal anfallender Niedertemperatur(ab)wärme kein anderer Wärmeabnehmer vorhanden ist.
Bei der Verwendung von Solarwärme ist auch ein saisonaler Energiespeicherbetrieb denkbar. In den Sommermonaten mit einem hohen solaren Strahlungsangebot wird die anfallende Solarwärme für den Regenerationsbetrieb genutzt. Im Winter kann dann mit der gespeicherten Salinitäts-Energie der Kraftwerksbetrieb realisiert werden. Dieses Konzept ist vergleichbar mit einem reinen Wasser-Speicherkraftwerk (ohne Pumpbetrieb), bei dem sich das Wasserbecken aufgrund natürlicher Zuflüsse in den Frühlings- und Sommermonaten (Schneeschmelze) füllt.
Eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Kopplung des Osmose-Kraftwerks mit einem Geothermie-Kraftwerk, was in den Figuren 5 und 6 illustriert ist, wobei Fig. 4 ein Geothermie-Kraftwerk gemäß dem Stand der Technik darstellt.
Unter einem Hydrothermalen-Osmose-Speicherkraftwerk ist also die Kombination eines Geothermie-Kraftwerks 19 auf der Basis von hydrothermalem Tiefenwasser 23 mit einem Osmose-Speicherkraftwerk 13 zu verstehen.
Zahlreiche hydrothermale Wasserschichten weisen einen sehr hohen Salzgehalt auf. Der Salzgehalt ist in erster Linie abhängig von den örtlichen geologischen Bedingungen. In nachfolgender Tabelle sind die Salzgehalte von ausgewählten hydrothermalen Tiefenwässern, die im Zusammenhang mit Geothermieprojekten untersucht bzw. erschlossen wurden, dargestellt.
Salzgehalte von hydrothermalen Tiefenwässern
Erding 1
Riehen (Schweiz) 17
Bad U räch 90
Landau 100
Waren 158
Neustadt-Glewe 227
Groß Schönebeck 265
Vergleich: Meerwasser ca. 35 g/ι Die Zusammensetzung der Salze variiert ebenfalls in Abhängigkeit der geologischen Bedingungen. Zu den Hauptbestandteilen der Salze zählen (keine Rangfolge): Na, Ca, K, Mg, Sr, Zn, Fe (Kationen) sowie Cl, CO3, SiO3, BO3, HSO4 (Anionen).
Für die Nutzung in Osmose-Kraftwerken wären insbesondere hydrothermale
Tiefenwässer mit hohen Salzgehalten interessant. Bei hohen Salzkonzentrationen sind keine organischen Organismen in der Lösung mehr vorhanden. Das Problem Membranbiofouling tritt daher im Gegensatz zum Meerwasserbetrieb hier nicht auf. Als niedriger konzentrierte Lösung könnte für den Kraftwerksbetrieb je nach Standort Fluss-, See-, Grund- oder Meerwasser verwendet werden.
Bei dem Konzept eines Hydrothermalen-Osmose-Speicherkraftwerks ist zwischen den Betriebsarten Grundlast und Spitzenlast zu unterscheiden. Im Grundlastbereich arbeitet das Geothermie-Kraftwerk in der Stromerzeugung oder alternativ auch als reines Wärmekraftwerk (abhängig vom Temperaturniveau des Tiefengewässers). Das Osmose-Speicherkraftwerk wird nur in der Spitzenlast eingesetzt.
Im Grundlastbereich ist lediglich das Geothermie-Kraftwerk 19 in Betrieb. Das Thermalwasser wird nach der Nutzung im Kraftwerk (Wärmeabgabe an einen Sekundärkreislauf) direkt über die Injektionsbohrung 22 in die Tiefenwasserschicht 23 zurückgeführt. Dies ist der konventionelle Kraftwerksbetrieb eines Geothermie- Kraftwerks, wie er in Fig. 4 nach dem Stand der Technik dargestellt ist.
Wird Spitzenstrom in Spitzenlastzeiten benötigt, kann zusätzlich das Osmose- Kraftwerk 13 in Betrieb genommen werden, s. Fig. 5. Hierzu wird das Thermalwasser nach der Nutzung im Geothermie-Kraftwerk 19 nicht in die Tiefenwasserschicht 23 zurückgeführt, sondern zum Osmose-Kraftwerk 13 geleitet und als Betriebslösung verwendet. Als niedriger konzentrierte Betriebslösung wird z. B. Wasser aus einem Fluss 20 verwendet. Im Osmose-Kraftwerk 13 wird die Salinitätsenergie des Thermalwassers in elektrische Energie umgewandelt, die zur Deckung von Spitzenlast in das Stromnetz eingespeist werden kann. Die Strom- und oder Wärmeerzeugung im Geothermie-Kraftwerk 19 wird durch die zusätzliche Nutzung im Osmose-Kraftwerk 13 nicht beeinflusst. Die beim Osmose-Kraftwerksbetrieb entstehende Mischung wird in dem Speicherbehälter 14 zwischengespeichert (s. Fig. 5).
Im Regenerationsbetrieb - dargestellt in Fig. 6 - wird die im Speicherbehälter 14 enthaltene Mischungslösung der Trenneinrichtung 17, insbesondere der Einheit zur thermischen Stofftrennung, zugeführt (z.B. Vakuumdestillation). Die für die Rückführung erforderliche Stofftrennung der Mischung wird durch die Zwischenspeicherung vom Zeitpunkt der Entstehung der Mischung im Osmose- Kraftwerksbetrieb zeitlich entkoppelt.
Der Regenerationsbetrieb sollte idealerweise zu einem Zeitpunkt mit niedriger Netzlast stattfinden. Die für die Stofftrennung benötigte Wärme kann durch das Thermalwasser des Geothermie-Kraftwerks ganz oder teilweise bereitgestellt werden (abhängig vom Temperaturniveau). Im Stofftrenn betrieb wird das Thermalwasser dann direkt von der Entnahmebohrung 21 zur Einheit 17 für die Stofftrennung geleitet und die Wärme für die Stofftrennung genutzt. Eine Nutzung im Geothermie-Kraftwerk findet nicht statt. Wird zusätzliche Wärme für die Stofftrennung benötigt, ist eine weitere Kopplung mit Anlagen zur Solarwärmenutzung oder die Nutzung von Prozessdampf, z. B. aus Kraftwerksprozessen, denkbar.
Alternativ ist auch eine ausschließliche Nutzung anderer Wärmequellen (z. B. Wärme aus Kraftwerksprozessen, Solarwärme, BHKW-Abwärme, Abwärme aus Industrieprozessen oder geothermische Energie aus einer separat zu erschließenden Quelle mit geeignetem Temperaturniveau etc.) für den Regenerationsprozess denkbar. Der Betrieb des Geothermie-Kraftwerks wird durch den Regenerationsprozess in diesem Fall nicht beeinflusst, d.h. das Kraftwerk kann weiterhin in der Grundlast betrieben werden.
Der Regenerationsbetrieb sollte idealerweise zu einem Zeitpunkt mit niedriger Netzlast stattfinden.
Nach der Stofftrennung werden die Stoffströme in die Entnahmegewässer zurückgeleitet (siehe Fig. 6), d. h. in den Fluss 20 bzw. über die Injektionsbohrung 22 in die hydrothermale Tiefenwasserschicht 23.
Bei der Stofftrennung sollten die Ausgangslösungen möglichst weitgehend in Bezug auf ihren Volumenstrom und ihre Konzentration wieder hergestellt werden, so dass eine Rückführung problemlos möglich ist.
Die Vorteile des Konzepts eines Hydrothermalen-Osmose-Speicherkraftwerks sind zum einen die hohen Membranleistungen, die bei der Verwendung von hochkonzentrierten Lösungen zu erwarten sind, und zum anderen der Wegfall der Speicherbehälter 15, 16 (s. Fig. 3) für die Ausgangslösungen im Vergleich zu einem reinen Osmose- Speicherkraftwerk. Bei Hydrothermalen-Osmose-Speicherkraftwerken ist lediglich ein Speicher 14 für die beim Osmose-Kraftwerksbetrieb entstehende Mischung erforderlich.
Zur energetischen Nutzung von Konzentrationsunterschieden zwischen Lösungen existieren unterschiedliche verfahrenstechnische Konzepte. Zu den vielversprechendsten Verfahren zählen der erwähnte Pressure-retarded-osmosis Prozess (druckverzögerte Osmose, kurz: PRO) und das Verfahren der Reverse Electrodialysis (umgekehrte Elektrodialyse, kurz: RED). Beide Prozesse (PRO und RED) beruhen auf der Verwendung von Membranen als zentrale Verfahrenselemente.
Der PRO-Prozess basiert auf dem Grundprinzip der Osmose. Verfahren auf Basis des PRO-Prozesses werden daher auch als Osmose- Kraftwerke bzw. Osmose- Speicherkraftwerke bezeichnet.
Grundsätzlich ist das beschriebene Konzept auch mit dem Verfahren der RED realisierbar.
Beide der genannten Prozesse können unter den Oberbegriff eines Salinitäts- Kraftwerks subsumiert werden.
Bezuqszeichenliste:
1 erste Lösung
2 zweite Lösung
3 semipermeable Membran
4 Membranelement / Membranmodul
5 Pumpe
6 Pumpe
7 Pumpe
8 Druckaustauscher
9 Turbine
10 Generator
11 Filter
12 Filter
13 Osmose-Kraftwerk
14 Speicherbehälter / Tank (Mischung)
15 Speicherbehälter / Tank (höhere Konzentration)
16 Speicherbehälter / Tank (niedrigere Konzentration)
17 Trenneinrichtung
18 Ventil
19 geothermisches Kraftwerk
20 Fluss
21 Entnahmebohrung
22 Injektionsbohrung
23 hydrothermale Tiefenwasserschicht
24 erster Zulauf
25 zweiter Zulauf
26 Ablauf
Pl,a Druck
P2,a Druck
Dp Druckdifferenz (pi,a - p2,a)
P osmotischer Druck

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Betrieb einer Anlage zum Bereitstellen von Energie, insbesondere einer Kraftwerksanlage, wobei die Anlage aufweist: einen ersten Zulauf (24) für eine erste flüssige Lösung (1) mit einer ersten Konzentration eines gelösten Stoffes, einen zweiten Zulauf (25) für eine zweite flüssige Lösung (2) mit einer zweiten Konzentration eines gelösten Stoffes, wobei die zweite Konzentration von der ersten Konzentration unterschiedlich ist, mindestens ein Membranelement (4), in das die beiden Zuläufe (24, 25) eingeleitet werden, wobei das Membranelement (4) zur Durchführung eines osmotischen Vorgangs oder eines elektrodialytischen Vorgangs zur Energiegewinnung unter Bildung einer Mischung aus erster und zweiter flüssiger Lösung (1, 2) in einem ersten Zeitbereich ausgebildet und geeignet ist, und - einen Ablauf (26) für die Mischung aus erster und zweiter flüssiger Lösung
(1, 2), dadurch gekennzeichnet, dass die von dem Ablauf (26) ablaufende Mischung in einem Speicherbehälter (14) aufgenommen wird, wobei in einem dem ersten Zeitbereich zumindest teilweise nachgelagerten zweiten Zeitbereich die Mischung aus dem Speicherbehälter (14) in eine Trenneinrichtung (17) geleitet und dort die Mischung unter Energieaufwendung in zwei flüssige Lösungen (1, 2) mit unterschiedlichen Konzentrationen des gelösten Stoffes aufgetrennt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Membranelement (4) durchgeführte osmotische Vorgang eine druckverzögerte Osmose (PRO) ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der im Membranelement (4) durchgeführte elektrodialytische Vorgang eine umgekehrte
Elektrodialyse (RED) ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgetrennten flüssigen Lösungen mit unterschiedlichen Konzentrationen in zwei Speicherbehälter (15, 16) geleitet werden, die mit dem ersten bzw. dem zweiten Zulauf (24, 25) fluidisch verbindbar sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentrationen des gelösten Stoffes in den aufgetrennten flüssigen Lösungen gleich sind mit der ersten und zweiten Konzentration des gelösten Stoffes in der ersten und zweiten flüssigen Lösung (1, 2).
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in den ersten Zulauf (24) eingeleitete flüssige Lösung (1) aus einer hydrothermalen Tiefenwasserschicht (23) entnommen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Lösung vor der Einleitung in den ersten Zulauf (24) durch ein geothermisches Kraftwerk (19) geleitet wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die in den zweiten Zulauf (25) eingeleitete flüssige Lösung aus einem Fluss (20) entnommen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftrennung der Mischung in der Trenneinrichtung (17) durch Zufuhr von thermischer Energie erfolgt.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie von einem konventionellen Kraftwerk entnommen wird, insbesondere in
Form von Prozessdampf, der von dem konventionellen Kraftwerk zum Betrieb einer Dampfturbine zur Verfügung gestellt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie von einem Solarmodul zur Verfügung gestellt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Energie von einem Blockheizkraftwerk, als geothermische Energie und/oder als Abwärme aus Industrieprozessen zur Verfügung gestellt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die
Auftrennung der Mischung in der Trenneinrichtung (17) durch ein magnetisches und/oder durch ein elektrisches Feld erfolgt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiegewinnung in einer Anzahl parallel geschalteter Membranelemente (4) erfolgt.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der in den flüssigen Lösungen (1, 2) gelöste Stoff Salz ist.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den flüssigen Lösungen (1, 2) um Elektrolytlösungen, insbesondere um
Ammoniumsalzlösungen, handelt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den flüssigen Lösungen (1, 2) um organische Lösungen handelt.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den flüssigen Lösungen (1, 2) um Polymerlösungen handelt.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den flüssigen Lösungen (1, 2) um solche auf der Basis von
Nanopartikeln, insbesondere um Magnetoferritin-Lösungen, handelt.
20. Anlage zum Bereitstellen von Energie, insbesondere Kraftwerksanlage, die aufweist: - einen ersten Zulauf (24) für eine erste flüssige Lösung (1) mit einer ersten
Konzentration eines gelösten Stoffes, einen zweiten Zulauf (25) für eine zweite flüssige Lösung (2) mit einer zweiten Konzentration eines gelösten Stoffes, mindestens ein Membranelement (4), in das die beiden Zuläufe (24, 25) eingeleitet werden, wobei das Membranelement (4) zur Durchführung eines osmotischen Vorgangs oder eines elektrodialytischen Vorgangs zur Energiegewinnung unter Bildung einer Mischung aus erster und zweiter flüssiger Lösung (1, 2) ausgebildet und geeignet ist, und einen Ablauf (26) für die Mischung aus erster und zweiter flüssiger Lösung (1, 2), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 18, gekennzeichnet durch einen Speicherbehälter (14), der mit dem Ablauf (26) fluidisch verbindbar ist, und eine Trenneinrichtung (17), die mit dem Speicherbehälter (14) fluidisch verbindbar ist, wobei die Trenneinrichtung (17) zur Trennung der Mischung aus dem Speicherbehälter (14) in zwei flüssige Lösungen (1, 2) mit unterschiedlichen
Konzentrationen des gelösten Stoffes geeignet und ausgebildet ist.
21. Anlage nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch mindestens einen weiteren Speicherbehälter, vorzugsweise mindestens zwei weitere Speicherbehälter (15, 16), die mit der Trenneinrichtung (17) sowie dem ersten bzw. dem zweiten
Zulauf (24, 25) fluidisch verbindbar sind.
22. Anlage nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Zulauf (24) mit einem geothermischen Kraftwerk (19) fluidisch verbindbar ist, wobei das geothermische Kraftwerk (19) eine Entnahmebohrung (21) für eine flüssige Lösung aus einer hydrothermalen Tiefenwasserschicht (23) aufweist.
23. Anlage nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch eine der Trenneinrichtung nachgeordnete fluidische Verbindung zur Tiefenwasserschicht zum Abführen eines Teils, insbesondere des höher konzentrierten Teils, der aufgetrennten
Mischung.
24. Anlage nach Anspruch 22 oder 23, gekennzeichnet durch eine fluidische Verbindung des zweiten Zulaufs mit einem Fluss zur Entnahme von Flusswasser.
25. Anlage nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch eine der Trenneinrichtung nachgeordnete fluidische Verbindung zum Fluss zum Abführen eines Teils, insbesondere des niedriger konzentrierten Teils, der aufgetrennten Mischung.
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