WO2014124637A2

WO2014124637A2 - Angenähert isotherm arbeitendes druckgasspeicherkraftwerk mit möglichkeit zum teiladiabatischen betrieb bei hohem leistungsbedarf

Info

Publication number: WO2014124637A2
Application number: PCT/DE2014/100058
Authority: WO
Inventors: Stefan Brosig; Holger Wahrmund
Original assignee: Ed. Züblin Ag
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2014-08-21
Also published as: WO2014124637A3; DE102013112196A1

Abstract

Es wird ein Druckgasspeicherkraftwerk, speziell Druckluftspeicherkraftwerk, in Form eines Druckgasflüssigkeitskraftwerkes beschrieben, das angenähert isotherm und daher mit hohem Wirkungsgrad arbeitet. Das Grundprinzip der Erfindung sieht folgende Merkmale vor: a.) Ein Druckgas wird als als mechanischer Energiespeicher ähnlich einer mechanischen Feder eingesetzt. b.) Zur Energiegewinnung aus dem Druckgas wird eine in einem druckstabilen Expansionsraum (E) mit starren Wänden befindliche Flüssigkeit (1) durch in diesem Expansionsraum befindliches und dort expandierendes Druckgas (2) in Bewegung versetzt und aus diesem verdrängt. c.) Die Expansion des Druckgases (2) im Expansionsraum (E) wird so gesteuert, daß sie in dem Maße quasiisotherm verläuft, daß bei einer Druckhalbierung nur eine Temperaturänderung des Gases auftritt, die weniger als die Hälfte, vorzugsweise weniger als ein Fünftel dessen beträgt, wie sie bei einer volladiabatischen Expansion aufträte. d.) Die Quasiisothermie wird dadurch erreicht, daß im Inneren (!) des Expansionsraumes (E) ein Teil der reinen Flüssigkeit (1) oder ein Teil der Flüssigkeit (1), in der noch mindestens ein anderer Stoff gelöst ist, auch zum Temperieren des Druckgases (2) während (!) der Expansion verwendet wird oder zum Wiederaufwärmen eines im Expansionsraum (E) befindlichen Feststoffes (3) dient, der zur Temperierung des im Expansionsraum expandierenden Druckgases (2) verwendet wird und hierzu die Eigenschaft eines temporären Kurzzeitwärmespeichers und Wärmetauschers aufweist. e.) Die Verdrängung der Flüssigkeit (1) durch das expandierende Gas (2) aus dem Expansionsraum (E) heraus erfolgt über eine Öffnung im Mantel des Expansionsraumes hindurch über eine Zuleitung (8) in mindestens eine außerhalb des Expansionsraumes (E) befindliche Arbeitsmaschine (A) für Flüssigkeiten (z.B. Wasserturbine) hinein. Die durch die Arbeitsmaschine (A) strömende Flüssigkeit (1) erzeugt dort mechanische Arbeit. Die mechanische Arbeit der Arbeitsmaschine (A) wird dabei vorzugsweise mittels eines Generators weiter in elektrische Energie umgewandelt, sie kann aber auch direkt verwendet werden. f.) Es tritt also kein Gas (2) als Gasphase in die Arbeitsmaschine (A) ein! Lediglich durch in die Flüssigkeit (1) gelöstes Gas (2) oder durch Verwirbelung von Gasblasen treten eventuell geringfügige Gasmengen in die Arbeitsmaschine (A) ein.

Description

TITEL: Angenähert isotherm arbeitendes Druckgasspeicherkraftwerk mit Möglichkeit zum teiladi- abatischen Betrieb bei hohem Leistungsbedarf

BESCHREIBUNG

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein angenähert isotherm arbeitendes Druckgasspeicherkraftwerk, speziell ein Druckluftspeicherkraftwerk. Das Kraftwerk soll auch die Möglichkeit bieten, bei kurzfristiger hoher Leistungsanforderung aus dem Stromnetz störungsfrei teiladiabatisch oder nahezu völlig adiabatisch betrieben zu werden.

Stand der Technik

Bei Druckluftspeicherkraftwerken tritt das Problem auf, daß Gas während der Entspannung beim Durchlaufen der Gasturbine durch die Arbeitsverrichtung abkühlt und Feuchtigkeit auskondensiert und dann die Turbine schädigt. Das expandierende Gas darf also nicht zu stark abkühlen!

Zudem geht ein erheblicher Anteil der Energie verloren, die bei der Herstellung der Druckluft aufgebracht werden mußte, denn dabei entsteht Wärme, und bei der Expansion holt sich das Gas die Energie zur Arbeitsverrichtung aus seiner inneren Energie, und dies ist vor allem seine Molekülgeschwindigkeit bzw. Wärme. Von daher wird versucht, die bei der Herstellung der Druckluft ent- standene Wärme dem Gas vor dessen Expansion wieder zuzuführen.

Solche bisherigen Druckluftspeicherkraftwerke mit Wärmerückgewinnung weisen zwischen Druckluftspeicher (häufig eine Salzkaverne) und Arbeitsmaschine (häufig eine Gasturbine) einen Wärmespeicher auf, nach dessen Durchlaufen die Luft näherungsweise adiabatisch expandiert. Man spricht daher von adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerken.

Um einen hohen Wirkungsgrad bei der Umwandlung thermischer in mechanische und letztlich elektrische Energie zu erzielen, wurde dabei bislang fälschlicherweise eine möglichst hohe Temperatur des Wärmespeichers angestrebt, denn der Wirkungsgrad η der Umwandlung von reiner Wärme in mechanische (und letztlich elektrische Energie) ist maximal so groß wie der Wirkungsgrad einer sogenannten Carnot-Maschine. Dieser beträgt:

η = (T_hoc_h - T_tief) / T_hoch

wobei T_hoch die Temperatur ist, mit der das in der Maschine arbeitsverrichtende Medium in die Carnot-Maschine eintritt und T_tief die Temperatur, mit der es nach Verrichtung mechanischer Arbeit aus der Maschine austritt.

Keine zyklisch arbeitende (reine) Wärmekraftmaschine kann einen höheren Wirkungsgrad als die Carnot-Maschine besitzen! (Ansonsten wäre die Konstruktion eines Perpetuum Mobile zweiter Art möglich!) Da die tiefe Temperatur T_tief meistens in der Größenordnung der Umgebungstemperatur liegt, folgt aus der Gleichung die Notwendigkeit einer hohen Temperatur T_hoch , um einen hohen Wirkungsgrad η erzielen zu können.

Ein Druckluftspeicherkraftwerk ist nun aber gar keine Wärmekraftmaschine für die das Carnot- Gesetz streng gelten würde! Es ist vielmehr eine„Rückumwandlungsmaschine für gespeicherte potentielle Energie" die einen möglichst großen Anteil der bei der Druckluftherstellung freigesetzten Wärmeenergie zurückgewinnen soll. Der oben angegebene Carnot-Wirkungsgrad sitzt aber so fest in den Köpfen der Ingenieure, daß dies wohl mit dazu beigetragen hat, sich auf adiabatisch arbeitende Kraftmaschinen zu konzentrieren, zumal die meisten uns jetzt oder früher umgebenden mechanischen Kraftmaschinen (Explosionsmotoren, Gasturbinen, Stirlingmotoren, Dampfmaschi- nen) Wärmekraftmaschinen sind/waren, die dem Carnot-Wirkungsgrad unterworfen sind.

Als ein hohe Temperaturen aushaltendes Material für ein adiabatisch arbeitendes Druckluftspeicherkraftwerk, ist z.B. Keramik bekannt. Ein solcher Speicher zum Zwecke der Erwärmung von Druckluft, welche in einem unterirdischen Druckluftspeicher gespeichert wurde, ist z.B. in der EP 1857614 Bl beschrieben.

Durch solche und andere Wärmespeicher läuft die Druckluft bei der Beladung des Druckluftspeichers vom Kompressor zum Druckluftspeicher hindurch und gibt dabei ihre durch die Kompression erzeugte Wärme in ihn ab.

Der Entladevorgang des Druckluftspeichers erfolgt vom Druckluftspeicher durch den Wärmespeicher hindurch in eine Arbeitsmaschine, eine angenähert adiabatisch arbeitende Gasexpansionstur- bine, in der dann die Druckluft ihre um die Wärmeenergie des Wärmespeichers angereicherte

Energie teilweise in mechanische Arbeit umwandelt. Teilweise wird, zur weiteren Erhöhung der Temperatur der Druckluft und damit von deren Energiegehalt, auch noch ein brennbares Gas (z.B. Erdgas) in der Druckluft verbrannt.

Die beschriebenen Druckluftkraftwerke arbeiten bei Drucken der Druckluft am Eintritt in die Ar- beitsmaschine von etwa 50 bis 60 bar und am Austritt von ungefähr Normaldruck (1 bar).

Es werden auch angenähert adiabatisch arbeitende Druckluftkraftwerke beschrieben, in denen der Expansionsprozeß mehrstufig über mehrere Arbeitsmaschinen verläuft.

Bei den beschriebenen Druckluftkraftwerken wird der Druckluftspeicher nie voll entleert (z.B. nur von 60 auf 50 bar). Es wird stets nur ein Teil der in ihm enthaltenen Energie ausgenützt, der Rest bleibt immer im Speicher enthalten. Dies wiederum bedeutet, daß die effektive Speicherdichte an Energie für einen solchen Speicher deutlich kleiner ist als für einen, bei dem der Druck im Speicher bis auf einen geringeren Druck reduziert werden kann. Dies ist aber aufgrund des druckabhängigen Wirkungsgrades der angehängten Elektrizität erzeugenden Gasturbinen nicht möglich. Aufgrund des großen Druckgefälles zwischen dem Eintritt in die Arbeitsmaschine und dem Aus- tritt aus dieser benötigt der Wärmespeicher eine sehr hohe Temperatur, damit bei der Expansion und Arbeitsverrichtung des Gases in den Gasturbinen, die zu einer Abkühlung des Gases führt, keine Kondensationsvorgänge auftreten, die die Turbinenschaufeln schädigen würden. Der adiabatische Wärmespeicher nach Stand der Technik muß also, um die bei der Kompression der Luft beim Beladen des Druckluftspeichers entstehende Wärme aufnehmen und unter Erzielung eines hohen Wirkungsgrades wieder abgeben zu können, für hohe Temperaturen größer als 400°C, bevorzugt größer als 500°C oder sogar größer als 600°C ausgelegt sein. Diese notwendige Tempe- raturtoleranz ist eine Folge der bei der (quasi)adiabatischen Kompression der Luft entstehenden Wärme, die vom Enddruck abhängig ist, auf den die Luft komprimiert werden soll. Auch die Arbeitsmaschine/Turbine muß für diese Temperaturen ausgelegt sein.

Diese hohen Temperaturen in Kombination mit hohen Drücken, sowohl im Wärmespeicher, als auch in der Arbeitsmaschine, erfordern teure Materialien, die dazu noch gegenüber Niedertempera- turmaterialien Nachteile aufweisen.

Durch eine mehrstufige Führung des Expansionsprozesses in mehreren aufeinanderfolgenden Arbeitsmaschinen mit Wiederaufwärmung der teilexpandierten Luft zwischen den einzelnen Arbeitsmaschinen in einem Wärmespeicher läßt sich dieses Problem verringern, aber nicht ganz beheben.

Um die beschriebenen Probleme zu umgehen werden daher im Stand der Technik isotherme bzw. quasiisotherme Druckluftspeicherkraftwerke beschrieben.

In der DE 10 2011 106 040 AI wird ein Pumpspeicherkraftwerk beschrieben, bei dem der aus der Lageenergie des höhergelegenen Wasserspeichers stammende hydrostatische Wasserdruck an der Turbine durch einen auf die Wasseroberfläche wirkenden Luftdruck ersetzt wird. Die bei der Expansion zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Gases notwendige Wärme wird aus der Flüssigkeit an das Gas übertragen. Dies gschieht z.B. über dessen große Flüssigkeitsoberfläche beim Versprühen. Das im System enthaltene Gas bleibt in diesem erhalten und wird zyklisch verdichtet und entspannt, während es die Flüssigkeit wie einen Kolben bewegt und dabei mittels eines Gene- rators elektrische Energie erzeugt. Der gesamte Druckluftspeicher stellt also hier einen Teil der Arbeitsmaschine, eines Gasexpansionsmotores, dar, seine Außenwandung ist sozusagen die„Zylinderwandung" dieses„Einzylindermotors".

Ein ähnliches System wird auch schon früher von der Firma ΓνΈ GmbH, Cochem, beschrieben, z.B. in der WO 2004/020793 AI . Druckluft aus einem Druckluftspeicher preßt hierbei Wasser aus einem Druckbehälter in einen höhergelegenen Wasserbehälter. Die Druckluft nimmt hierbei Wärme aus dem Wasser und der Umgebung auf. Der Druckbehälter, aus dem das Wasser durch die Druckluft hinausgedrückt wird, ist dabei größer als der Druckluftspeicher und der Druckluftspeicher wird dabei in einem Arbeitszyklus praktisch entleert. Das Gas bleibt ebenfalls im System erhalten und wird später wieder aus dem Druckbehälter durch das Wasser im höhergelegenen Was- serbehälter verdrängt. Diese Druckluftwasserkraftwerke nach Stand der Technik benötigen große Volumina für Druckluft und arbeitsverrichtendes Wasser. Das liegt daran, daß die Druckluft beim Expandieren an Volumen zunimmt, bei einem isothermen Expandieren von 60 auf z.B. 2 bar um den Faktor 30! Der wasserenthaltende Raum muß somit noch größer sein als das Speichervolumen der Druckluft. Dies führt nicht nur zu höheren Herstellungskosten dieses Hohlraumes aufgrund der Größe, sondern auch zu Stabilitätsproblemen, da der Hohlraum mindestens anfangs unter dem gleichen hohen Druck wie das Arbeitsgas steht und die Wandung zudem abwechselnd der Wirkung des Wassers und der Luft ausgesetzt ist. Die Regelung solcher Druckluftkraftwerke ist zudem steuerungstechnisch aufwendig, da der Druck des Gases mit der Zeit abnimmt und die Turbine sich an den abnehmenden Druck anpassen muß, um ihren Wirkungsgrad hinreichend hoch zu halten, gleichzeitig aber die Durchströmungsmenge ebenfalls geändert werden muß, um die im Elektrizitätsnetz geforderten schwankenden Leistungsanforderungen bedienen zu können.

In der JP 2007231760 A wird ein Perpetuum mobile mit einem geschlossenen Wasserkreislauf beschrieben, bei dem mit elektrischer Energie eine Luftpumpe betrieben wird. Die Luft dieser Luftpumpe betreibt eine Mammutpumpe, die Wasser auf eine höhere Lage in ein Becken befördert. Am Austritt aus der Mammutpumpe wird eine Impulsturbine angetrieben, die wieder elektrische Energie erzeugt. Das Wasser im höher gelegenen Becken strömt zudem durch ein Fallrohr in ein unteres Becken und treibt dabei ebenfalls eine Turbine an, die elektrische Energie erzeugt.

In der WO 2012/017243 AI wird eine Mammutpumpe mit einer Vielzahl von Steigrohren, in die elektrisch betriebene Kompressoren Luft einbringen, und einem Fallrohr, in dem eine Turbine zur Gewinnung von elektrischer Energie angeordnet ist, beschrieben. Die beschriebenen Mammutpumpen sind für die Verwendung von unter hohem Druck stehender Druckluft wegen eines nur geringen Wirkungsgrades wenig geeignet, denn an der Eintrittsöffhung der Druckluft ins Wasser dehnt sich die Druckluft erst einmal schlagartig nicht isotherm auf ein Volumen aus, daß dem Druck beim entsprechenden hydrostatischen Druck entspricht, und beginnt erst dann aufzusteigen und sich weiter langsam auszudehnen. Diese Ausdehnung ist dann bei nicht zu großen Luftblasen angenähert isotherm, doch ist der Wirkungsgrad dadurch verringert, daß während des Aufsteigens der Luftblasen auch Wasser an den Luftblasen von oben nach unten fließt, dessen Energie später nicht mehr zur Energiegewinnung zur Verfügung steht!

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Druckgasspeicherkraftwerk, speziell Druckluftspeicherkraftwerk, anzugeben, das im Regelbetrieb quasiisotherm arbeitet. Das Druckgasspeicherkraftwerk soll aber auch unempfindlich darauf reagieren, ob es quasiisotherm (Regelbetrieb) oder zeitweise (hohe Leistungsanforderung) mit hohem adiabatischem Anteil betrieben wird. Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Das Druckgasspeicherkraftwerk wird dadurch zu einem Druckgasflüssigkeitskraftwerk.

Die Erfindung geht hierbei von einem isothermen bzw. angenähert isothermen Verfahren der Expansion von Druckluft aus, denn die Theorie besagt, daß es vorteilhaft wäre, ein Druckluftspeicherkraftwerk, oder allgemeiner Druckgasspeicherkraftwerk, annähernd isotherm zu betreiben. Im folgenden wird mit isotherm immer angenähert isotherm bzw. quasiiotherm gemeint, da ein ideal isothermes Verhalten nur theoretisch existiert und in der Praxis wegen der Endlichkeit der Zeit nicht realisiert werden kann.

Man kann diese Zeiten etwas abkürzen, indem man es zu keinem vollständigen Temperaturausgleich kommen läßt, sondern einen deutlichen Resttemperaturgradienten aufrechterhält, wodurch natürlich der Wirkungsgrad schlechter wird. Dennoch bleibt die hinreichend schnelle Übertragung von Wärme aus dem Arbeitsgas in das Speichermaterial (z.B. Wasser, aber auch ein Feststoff oder ein anderer Stoff) des Wärmetauschers hinein und vor allem zur Arbeitsverrichtung aus dem Speicher heraus ein Problem! Denn während man sich zum Beladen des Wärmespeichers meistens länger Zeit lassen kann, muß beim Entladen des Speichers bedarfsweise sehr schnell Wärme übertragen werden, um Energieanforderungen des Stromnetzes kurzfristig bedienen zu können!

Im folgenden wird der Einfachheit halber zur Abschätzung der Effekte stets vom Verhalten eines idealen Gases ausgegangen, da die Berechnungen realer Gase extrem kompliziert sind. Die dadurch entstehenden Abweichungen sind aber bei Gasen wie Luft noch nicht allzu groß. (Anders sieht das z.B. bei Kohlendioxid oder Erdgas aus.)

Am Prinzip der Erfindung ändert aber auch die Verwendung solcher realer Gase nichts (selbst wenn kondensierte Phasen auftreten) auch wenn die Berechnung komplizierter wird!

Weiterhin wird im folgenden oft allgemein von Gas oder Flüssigkeit gesprochen. Erfindungsgemäß ist aber die Verwendung von Luft und Wasser oder wässrigen Lösungen (z.B. Salzwasser) bevorzugt. Die maximale Volumenarbeit, die ein (ideales) Gas bei isothermer Expansion von einem Volumen Vi auf ein Volumen V₂ verrichtet, beträgt:

W = -nRT · lniWVi)

wobei n die Anzahl der Mole an Gas bedeutet, R die allgemeine Gaskonstante (8,314 J/(Mol K) ) ist und T die absolute Temperatur in Kelvin (K).

Außerdem gilt für ein ideales Gas:

pV = nRT pV beträgt für 1 Kubikmeter eines idealen Gases, das unter 100 bar Druck (ungefähr 10⁷ N/m² ) steht, 10⁷ Nm, also 10⁷ Joule oder 10 MJ. Die Arbeit, die ein solcher Kubikmeter Gas bei isothermer Expansion ausgehend von einem Druck von 100 bar (10 MPascal) auf Umgebungsdruck von 1 bar lieferte (Expansion von 1 Kubikmeter auf 100 Kubikmeter), betrüge also

10⁷ · In 100 Joule = 10⁷ · 4,605 Joule, also etwa 46 MJ.

Die gleiche Energie wäre in 1 Kubikmeter Wasser enthalten, der in etwa 4600 Meter Höhe lagerte und von dort herabfiele, wodurch er unten eine Geschwindigkeit von ungefähr 303 Meter pro Sekunde erreicht hätte. Oder sie wäre in 920 Kubikmetern Wasser enthalten, die sich mit 10 Metern pro Sekunde bewegten, wozu sie z.B. 1 Sekunde im Erdschwerefeld frei fallen müßten, was 5 Me- tern Höhe entspräche.

Die Erfindung erreicht die energieeffiziente Energiespeicherung in einem Druckgas durch quasiisotherme Expansion des Gases. Bevorzugt wird das Gas zur Beladung des Speichers auch quasiisotherm komprimiert. Die quasiisotherme Expansion des Gases ist der Kompromiß zwischen dem theoretisch Möglichen und dem praktisch sinnvoll Machbaren.

Als besonders günstig hat sich erfindungsgemäß erwiesen, wenn Gas, dessen Druck sich durch Expansion auf die Hälfte verringert, seine Temperatur nur um weniger als die Hälfte, vorzugsweise weniger als ein Fünftel des Betrages, noch bevorzugter um weniger als ein Zehntel des Betrages verändert, um den sich diese Temperatur bei einer adiabatischen Expansion vermindert hätte! (Man könnte näherungsweise sagen, der isotherme Anteil an der Expansion soll größer als 50%, vorzugsweise größer als 80%, noch bevorzugter größer als 90%, sein.)

Für ein ideales Gas gilt gemäß Poisson für die Temperatur nach einer adiabatischen Expansion (oder Kompression) und speziell für Luft mit κ = 1,4:

Erfindungsgemäß soll daher als Definition der Quasiisothermie allgemein, bzw. speziell für den Fall Luft, gelten:

ΔΤ < 0,5 . Τί . (l -flj ^K )= 0,5 .7, . (l -flj ) = 0,5 .7, . 0, 180 vorzugsweise:

ΔΤ < 0,2 .7_? . (l -jJ-J ^K )= 0,2 . T_f . (l -[ | ^' ) = 0,2 . T_f . 0, 180 noch bevorzugter:

ΔΤ < 0, 1 . Τί . (l -flj ^K )= 0, 1 . Tj . (l -flj ^1,4 ) = 0, 1 . Tj . 0, 180 Für eine Temperatur T₁ von 20 °C (293 K) soll also für den (bevorzugten) Spezialfall der Luft die Temperaturänderung bei einer Halbierung des Druckes erfindungsgemäß so gesteuert werden, daß sie kleiner ist als 26,3 °C, vorzugsweise kleiner als 10,5 °C, noch bevorzugter kleiner als 5,3 °C (anstatt wie bei einer rein adiabatischen Expansion 52,7 °C). Auf diese Weise gelingt es, einen für wirtschaftliche Zwecke hinreichend hohen Wirkungsgrad bei der Gasexpansion zu erzielen.

Auch wenn es natürlich theoretisch gesehen günstig ist, die Isothermie so perfekt wie möglich anzustreben, so ist es erfindungsgemäß doch noch ausreichend, sich im oben erwähnten Bereich der Temperaturänderung des Gases bei einer Halbierung des Gasdruckes zu bewegen! Dies macht die Steuerung des Betriebes des Kraftwerkes einfach!

In ganz besonders bevorzugter Ausführung soll auch am Ende des ganzen Expansionsprozesses keine Temperaturänderung im expandierenden Druckgas stattgefunden haben, die größer ist als 20°C.

Die hier definierte Quasiisothermie umfaßt sowohl eine geringfügige Hypothermie (Gas ist nach der Expansion etwas kälter), als auch eine Hyperthermie (Gas ist nach der Expansion noch etwas wärmer), denn sie ist durch die Veränderung um den Betrag der Temperaturdifferenz definiert und nicht durch die Verminderung der Temperatur!

Als geringfügige Hypothermie wird hier der häufigste Anwendungsfall der Erfindung bezeichnet, wenn nämlich das Gas unter Kontakt mit einer Flüssigkeit expandiert, die anfangs gleiche oder etwas geringere Temperatur aufweist als das Gas, so daß das Gas nachher etwas abgekühlt ist. Als geringfügige Hyperthermie wird hier der Fall bezeichnet, wenn das Gas unter Kontakt mit einer Flüssigkeit expandiert, die anfangs eine höhere Temperatur als das Gas aufweist. Dies kann z.B. auftreten, wenn die temperierende Flüssigkeit z.B. durch Abwärme (z.B. aus den Kompressionsmaschinen oder/und anderen Abwärmequellen) über ihre Ursprungstemperatur und über die anfängliche Druckgastemperatur aufgewärmt wurde, oder die temperierende Flüssigkeit sogar elektrisch mittels im Überschuß produzierter elektrischer Energie (z.B. aus regenerativen Energiequellen) auf diese erhöhte Temperatur aufgeheizt wurde. Die Flüssigkeit, die eigentlich dem Temperieren des Gases während der Expansion dient, stellt dann gleichzeitig einen sehr großen Energiespeicher für Überschußenergie in Überschußproduktionszeiten dar!

Aber selbst, wenn die zum Temperieren des expandierenden Gases eingesetzte Flüssigkeit zu Be- ginn der Expansion eine etwas höhere Temperatur aufweist, als das Gas, kann der Prozeß natürlich auch so geführt werden, daß die Temperatur des Gesamtsystems Gas/Flüssigkeit nach der Expansion etwas unter der Anfangstemperatur des Gases liegt. Der Prozeß verläuft in so einem Falle dann zuerst hypertherm, dann hypotherm.

Sowohl bei hyperthermischer Prozeßführung als auch bei hypothermischer Prozeßführung enthält der Gesamtprozeß eine kleine adiabatische Komponente, die aber erfindungsgemäß weniger als 50%, vorzugsweise weniger als 20%, noch bevorzugter weniger als 10% zur Energieerzeugung beitragen soll! Das Grundprinzip der Erfindung sieht folgende Merkmale vor:

a.) Ein Druckgas wird als als mechanischer Energiespeicher ähnlich einer mechanischen Feder eingesetzt.

b.) Zur Energiegewinnung aus dem Druckgas wird eine in einem druckstabilen Expansionsraum mit starren Wänden befindliche Flüssigkeit durch in diesem Expansionsraum befindliches und dort expandierendes Druckgas in Bewegung versetzt und aus diesem verdrängt.

c. ) Die Expansion des Druckgases im Expansionsraum wird so gesteuert, daß sie in dem Maße quasiisotherm verläuft, daß bei einer Druckhalbierung nur eine Temperaturänderung des Gases auftritt, die weniger als die Hälfte, vorzugsweise weniger als ein Fünftel, noch bevorzugter weniger als ein Zehntel derer beträgt, die bei einer volladiabatischen Expansion aufträte.

d. ) Die Quasiisothermie wird dadurch erreicht, daß im Inneren (!) des Expansionsraumes mindestens ein Teil der reinen Flüssigkeit oder ein Teil der Flüssigkeit, in der noch mindestens ein anderer Stoff gelöst ist, auch zum Temperieren des Druckgases während (!) der Expansion verwendet wird oder zum Wiederaufwärmen eines im Expansionsraum befindlichen Feststoffes dient, der zur Temperierung des im Expansionsraum expandierenden Druckgases während (!) dessen Expansion verwendet wird und hierzu die Eigenschaft eines temporären Kurzzeitwärmespeichers und Wärmetauschers aufweist.

e. ) Die Verdrängung der Flüssigkeit durch das expandierende Gas aus dem Expansionsraum heraus erfolgt über eine Öffnung im Mantel des Expansionsraumes hindurch über eine Zuleitung in mindestens eine außerhalb des Expansionsraumes befindliche Arbeitsmaschine für Flüssigkeiten (z.B. Wasserturbine) hinein. Die durch die Arbeitsmaschine strömende Flüssigkeit erzeugt dort mechanische Arbeit. Die mechanische Arbeit der Arbeitsmaschine wird dabei vorzugsweise mittels eines Generators weiter in elektrische Energie umgewandelt, sie kann aber auch direkt verwendet wer- den.

f. ) Es tritt also kein Gas als Gasphase in die Arbeitsmaschine ein! Lediglich durch in der Flüssigkeit gelöstes Gas oder durch Verwirbelung von Gasblasen treten eventuell geringfügige Gasmengen in die Arbeitsmaschine ein. Die Erfindung ist gemäß mehrerer Varianten ausführbar:

Variante A:

Das Druckgas tritt über eine Zuleitung chargenweise aus einem externen Druckgasspeicher in einen als Expansionsraum dienenden Druckbehälter ein, der wenigstens zum größten Teil mit Flüssigkeit gefüllt ist.

Der Expansionsraum ist der Arbeitsraum, in dem die im Druckgas gespeicherte mechanische Energie quasiisotherm freigesetzt wird. Als Expansionsraum wird der Raum zwischen Einfüllöffnung(en) und Flüssigkeitsaustrittsöffnung verstanden, der mit Fluid füllbar ist und in dem das Gas expandiert. Der Expansionsraum kann also auch ein Hohlraum sein, in dem sich noch zusätzlich Körper mit geschlossener fester Oberfläche befinden (z.B. Gesteinschüttung, unten offene Rohre oder flüssigkeitsgefüllte Gefäße).

Jede Druckgascharge wird für sich expandiert. Die Expansion des Druckgases im Druckgasspeicher erfolgt also in aufeinanderfolgenden Zyklen im Expansionsraum, so daß also eine neue Druckgascharge erst wieder dem Expansionsraum zugeführt wird, wenn der vorhergehende Expansionszyklus/Arbeitszyklus des Gases vollendet ist.

Der mit Flüssigkeit immer wieder befüllte Expansionsraum arbeitet also wie der Zylinder eines Motors, kann aber anders als dieser wesentlich beliebiger geformt sein, da der sich in der Höhe über der Austrittsöffnung ändernde Flüssigkeitsspiegel einem sich selbst (!) gegen die Wandung abdichtenden Kolben entspricht!

Variante B:

Das gesamte Druckgas befindet sich während eines Expansionszyklus und Kompressionszyklus schon innerhalb des Expansionsraumes. Der Expansionsraum ist also gleich dem Druckgasspeicher.

Die folgenden Untervarianten a.) und b.) sind möglich:

a. ) Das Druckgas ist durch eine stabile, gut wärmeleitende, aber verformbare Schicht von der das expandierende Gas temperierenden Flüssigkeit getrennt. Das Gas befindet sich somit in vielen kleineren Behältern mit verformbarer Wandung ähnlich Ballons, die von Flüssigkeit umgeben sind. Auf diese Weise weist das Druckgas eine große relative Oberfläche zur Flüssigkeit auf. Außer dem Gas können die kleinen geschlossenen Gasbehälter auch noch andere Stoffe enthalten, z.B. Flüs- sigkeiten oder Feststoffe.

b.) Das Druckgas befindet sich in langgestreckten, senkrechten oder geneigten, unten offenen Behältern, die auch eine starre Wand aufweisen können. Das Druckgas füllt dabei nur einen Bruchteil des Volumens im obersten Bereich dieser Behälter aus und zwar nur so wenig davon, daß es nach vollständiger Expansion noch nicht unten aus dem Behälter austritt, sondern dort nur Flüssigkeit hinausdrängt, die zuvor darin war.

Die kleinen Gasbehälter gemäß Untervarianten a.) oder b.), die im folgenden als Kleingasbehälter bezeichnet werden, befinden sich in einem als Expansionsraum dienenden Druckbehälter, dessen Restvolumen wenigstens großteils, bevorzugt vollständig, mit Flüssigkeit gefüllt ist.

Der Expansionsraum ist der Arbeitsraum, in dem die im Druckgas gespeicherte Energie quasiisotherm freigesetzt wird. Die Kleingasbehälter sind vorzugsweise relativ zum Druckbehälter fixiert, jeder Kleingasbehälter bleibt also während einer Gasexpansion an seinem Platz. Kleingasbehälter der Untervariante a.) können aber auch frei im Expansionsraum schwimmen.

Der Expansionsraum weist mindestens eine Öffnung auf, durch die die Flüssigkeit bei Expansion des Gases in den Kleingasbehältern aus dem Expansionsraum entweichen und in eine Arbeitsmaschine für Flüssigkeiten (z.B. eine Wasserturbine) eintreten kann. Die trennende Schicht zwischen Druckgas und Flüssigkeit ist vorzugsweise dünn.

In einer einfachen Ausführung ist das Druckgas z.B. in dehnbaren Elastomerballons gespeichert. Eine andere Ausführung sieht vor, nichtdehnbare Ballons zu verwenden, die bei hohem Innendruck im Expansionsraum Falten aufweisen oder schlaff sind, und bei Gasexpansion praller werden (ähnlich wie sogenannte Stratosphärenballons, in denen sich mit zunehmender Höhe über dem Erdboden und dabei fallendem Luftdruck das Trägergas immer mehr ausdehnen kann). Als Ballonhülle eignen sich dünne, dehnungsfeste Folien, vor allem bidirektional gestreckte Folien, wie beispielsweise Mylar.

Aufgrund des Dichteunterschiedes zwischen Flüssigkeit und Gas sammelt sich das Gas stets im oberen Teil des Kleingasbehälters, bis dieser Bereich völlig gefüllt ist. Erst dann füllt sich der Kleingasbehälter weiter nach unten hin mit dem expandierenden Gas.

Da das Gas in den Kleingasbehältern bleibt, muß das gesamte Druckgas außen von einem Druckbehälter als Expansionsraum umgeben sein. Damit dieser Druckbehälter nicht zu groß wird, kön- nen mehrere oder viele solcher Druckbehälter als expansionsräume vorgesehen werden, von denen jeder einen Teil des gesamten Druckgases in Kleingasbehältern enthält, in denen das Gas sein Volumen mit dem Druck ändern kann. Jeder der Expansionsräume weist eine Verbindungsleitung zu einer Arbeitsmaschine auf, durch die als Folge der Gasexpansion in den Kleingasbehältern die Flüssigkeit aus den Expansionsräumen austritt. Jeder der Expansionsräume kann eine eigene Ar- beitsmaschine aufweisen, oder eine Arbeitsmaschine kann mehreren Expansionsräumen zugeordnet sein und sukzessiv oder gleichzeitig von diesen mit Flüssigkeit durchströmt werden. Dabei muß darauf geachtet werden, daß nur solche Expansionsräume gleichzeitig mit der Arbeitsmaschine in Verbindung stehen, wenn der Druck in den Expansionsräumen gleich ist, denn sonst kann Flüssigkeit vom einen Expansionsraum zurück in einen anderen fließen, und selbst wenn man dies durch Ventile verhindert, sinkt der Wirkungsgrad der Umwandlung von Druckgasenergie in mechanische Arbeit.

Jeder Expansionsraum kann auch Verbindung zu mehreren Arbeitsmaschinen haben, die für bestimmte Druckbereiche optimale Wirkungsgrade für die Umwandlung von Flüssigkeitsdruck in mechanische Energie aufweisen. Diese Arbeitsmaschinen werden dann mit fallendem Druck im Expansionsraum nacheinander entsprechend ihrem optimalen Arbeitsbereich von der Flüssigkeit aus dem Expansionsraum durchströmt. Die Varianten A und B können auch gleichzeitig in einem Expansionsraum vorkommen.

Sowohl Variante A als auch Variante B zeichnen sich dadurch aus, daß die Flüssigkeit, die durch das expandierende Gas durch die Arbeitsmaschine getrieben wird, eine fast konstante Temperatur aufweist, die weit genug vom Gefrierpunkt entfernt ist, so daß keine Gefahr der Vereisung der Arbeitsmaschine besteht. Dies gilt auch im Falle eines aus der Regel fallenden Betriebes im nicht quasiisothermen Bereich, während dessen die Temperatur des Gases unter die Gefriertemperatur der Flüssigkeit absinken kann. Diejenigen Teile der Flüssigkeit, die mit dem erkalteten Gas in Kontakt kommen, haben aber keinen unmittelbaren Zugang zur Arbeitsmaschine ohne vorher durch andere Flüssigkeitsanteile erwärmt worden zu sein!

Das erfindungsgemäße Kraftwerk ist, anders als bekannte Kraftwerke, in seinem Betrieb extrem redundant, kann also unter sehr variablen Bedingungen völlig störungsfrei betrieben werden! Es ist sehr tolerant gegenüber plötzlichen Änderungen der Betriebsbedingungen! Im Regelbetrieb läuft das Kraftwerk aber wie definiert quasiisotherm!

Sowohl bei Variante A als auch bei Variante B sollen hierfür die relativen Oberflächen von Flüssigkeit und Gas, ohne oder mit Trennschicht dazwischen, groß sein um eine schnelle Wärmeübertragung zwischen Flüssigkeit und Gas zu ermöglichen!

Bei Variante A haben das expandierende Druckgas und die temperierende Flüssigkeit bzw. der temperierende Festkörper (Kurzzeitwärme Speicher) bei direktem Kontakt eine hinreichend große relative Oberfläche gemein. Bei Variante B befindet sich mindestens teilweise eine wärmeleitende Trennschicht dazwischen.

Mit hinreichend großer relativer Oberfläche ist gemeint, daß die Kontaktfläche zwischen temperierender Flüssigkeit und expandierendem Gas so groß ist, daß der Vorgang im vorgegebenen Zeit- fenster quasiisotherm gemäß der zuvor gegebenen Definition abläuft, eine geringfügige Hypothermie oder Hyperthermie ist also möglich.

Weiterhin wird vorzugsweise darauf eingewirkt, daß wärmeisolierende ruhende Gasschichten zwischen expandierendem Druckgas und temperierender Flüssigkeit zerstört werden. Dies geschieht durch ausreichende relative Bewegung von Gas und Flüssigkeit zueinander.

Es gibt für Variante A mehrere Möglichkeiten, die Oberfläche hinreichend groß zu halten:

1.) Die das expandierende Druckgas temperierende Flüssigkeit (vorzugweise die gleiche, wie die, die auch als aus dem Expansionsraum verdrängte Arbeitsflüssigkeit in der Arbeitsmaschine, z.B. Turbine, dient; es kann aber auch eine andere sein, z.B. eine Salzlösung statt normalem Wasser, wenn normales Wasser als Arbeitsflüssigkeit verwendet wird, oder Süßwasser, wenn Meerwasser als Arbeitsflüssigkeit dient) wird in Tropfen- oder Tröpfchenform in das expandierende Druckgas eingebracht, z.B. eingesprüht. Eine ausreichende relative Bewegung von Gas und temperierender Flüssigkeit bzw. temperierendem Flüssigkeitsanteil zueinander ist hierbei meistens gewährleistet. Die temperierende Flüssigkeit, die in Tropfen-/Tröpfchenform eingebracht wird, kann

a. ) von gleicher Temperatur sein wie die schon im Expansionsraum befindliche Flüssigkeit, die als Arbeitsflüssigkeit dient

b. ) eine andere Temperatur aufweisen als die im Expansionsraum befindliche Flüssigkeit; insbesondere kann sie eine höhere Temperatur aufweisen, die z.B. von Abwärmeaufnahme oder Überschußenergieeintrag aus regenerativen Energiequellen herrührt. 2.) Das expandierende Druckgas wird im unteren Bereich des Expansionsraumes als Gasblasen in die temperierende und als Arbeitsflüssigkeit in der Arbeitsmaschine dienende Flüssigkeit eingebracht, z.B. eingedüst. Es steigen dann Gasblasen in der Flüssigkeit auf. Je kleiner die Gasblasen sind, umso langsamer steigen sie auf. Beim Aufsteigen findet auch schon der Expansionsprozeß statt, wodurch die Gasblasen größer werden und etwas schneller aufsteigen. Dies alles geschieht außerhalb der Arbeitsmaschine im Expansionsraum. In der Arbeitsmaschine selbst findet praktisch keine Gasexpansion mehr statt, da lediglich in der Flüssigkeit gelöstes Gas in die Arbeitsmaschine eintritt und dort in geringem Umfang durch Druckabfall in der Flüssigkeit austreten kann.

3.) Die Flüssigkeit wird im Expansionsraum während der Gasexpansion stark bewegt, so daß z.B. Wellen entstehen, wodurch auch das Gas (vor allem direkt darüber) bewegt wird und wärmeisolierende ruhende Gasschichten oder Flüssigkeitsschichten zerstört werden.

4.) Das Druckgas wird aus dem Druckgasspeicher chargenweise in hinreichend kleine Behälter innerhalb des Expansionsraumes eingefüllt und expandiert dann darin. Das expandierte Gas wird nach seiner Arbeitsverrichtung in die„Umgebung" entlassen. Diese Kleingasbehälter können elastisch ausdehnbar sein. Einfacher ist aber eine unten offene Behälterart, z.B. langgestreckte oben geschlossene Rohre: Das Druckgas befindet sich aufgrund seiner geringeren Dichte im Oberteil dieser Rohre und drückt die darunter befindliche Flüssigkeit während der Expansion hinaus. Die Rohrwandung wird dabei durch die das Rohr umgebende Flüssigkeit temperiert und temperiert dann das darin expandierende Gas. Da die Rohre sich vorzugsweise im druckstabilen Expansionsraum befinden, können sie selbst eine dünne Wandung aufweisen, da zwischen Außenseite und Innenseite praktisch kein Druckunterschied besteht. (Befinden sich die Rohre nicht in einem druckstabilen Expansionsraum, so müssen sie selbst druckstabil sein. Die Rohre stellen dann selbst kleine druckstabile Expansionsräume mit Zuleitung zu einer Arbeitsmaschine dar. Dafür braucht dann ein umgebender temperierender Flüssigkeitstank nicht druckstabil zu sein!) Für Variante B sind die gasenthaltenden Kleingasbehälter hinreichend klein oder weisen eine große Oberfläche auf (z.B. dünn und langgestreckt), so daß die Temperierung des expandierenden Gases durch die die Behälter umgebende Flüssigkeit im Druckbehälter gemäß Definition quasiisotherm ist. Behälter dieser Art werden im folgenden als Kleingasbehälter bezeichnet. Diese Klein- gasbehälter dürfen außer Gas auch noch andere Stoffe enthalten, z.B. temperierende Flüssigkeit oder Ballaststoffe.

Das gewählte Verfahren ist davon abhängig, wie viel Zeit für die Temperierung des Gases zur Verfügung steht! Große Expansionsräume bzw. Druckbehälter mit sehr vielen Kleingasbehältern darin erlauben z.B. bei geringerer Expansionsleistung pro Volumen größere Tropfen bzw. Gasblasen oder Kleingasbehälter.

Die notwendige Größe der Tropfen bzw. Gasblasen oder Kleingasbehälter läßt sich mit den bekannten Gleichungen zur Wärmeübertragung abschätzen, wenn auch nicht genau ausrechnen. Genauere Anpassungen erfolgen durch einige wenige zusätzliche Versuche.

Die Erfindung gemäß Varianten A und B kann

a. ) mit einem begrenzten Flüssigkeitsvolumen durchgeführt werden, das mindestens so groß ist wie das Volumen des Expansionsraumes und von dem für jeden neuen Arbeitszyklus wenigstens ein Teil erneut in den Expansionsraum eingebracht wird, eventuell nach einer vorherigen Erwärmung, z.B. mittels Verlustwärme aus Betriebsprozessen oder auch durch Überschußenergie aus regenerativen Energien. Die Flüssigkeit wird dann in einem geschlossenen Kreislauf geführt.

b. ) mit einem„unbegrenzten" Flüssigkeitsvolumen durchgeführt werden. Es tritt dann also bei jedem Zyklus neue Flüssigkeit in den Expansionsraum ein. Dies ist dann möglich, wenn die Flüssigkeit Wasser ist, z.B. aus einem Fluß, See oder Meer. Es kann natürlich auch neues Wasser mit schon verwendetem Wasser gemischt im Expansionsraum zur Gastemperierung eingesetzt werden.

Ein Expansionsraum gemäß Variante A weist folgende Merkmale auf:

1.) Der Expansionsraum weist mindestens eine Verbindung zum Druckgasspeicher (oder auch, falls vorhanden, mehreren Druckgasspeichern) auf, die mit einem Ventil geöffnet und verschlos- sen werden kann.

(Als Ventile werden in der gesamten Anmeldung allgemeine Bauteile bezeichnet, die eine Regelung des Durchflusses von Fluiden gestatten, und zwar kontinuierlich oder diskontinuierlich (z.B. offen/geschlossen). Der Begriff Ventil umfaßt also in dieser Anmeldung z.B. auch Bauteile wie Absperrklappen oder Absperrschieber).)

2.) Er weist auch (mindestens) eine Öffnung mit Ventil auf, durch die expandiertes bzw. teilexpandiertes Gas den Arbeitsraum ins Freie oder ein druckniedriges Großreservoir („die Umgebung") verläßt. 3.) Er weist mindestens eine Austrittsöffnung auf, durch die die Flüssigkeit aus dem Expansionsraum in die Arbeitsmaschine eintritt. Zwischen Austrittsöffhung und Arbeitsmaschine befindet sich ebenfalls ein Ventil, das geöffnet und geschlossen werden kann, bevorzugt graduell, zur Leistungssteuerung der Arbeitsmaschine.

Bevorzugt ist die Arbeitsmaschine oberhalb des Niveaus des Bodens des Expansionsraumes angeordnet und ist mit diesem über ein Steigrohr mit großem Innendurchmesser (daraus folgt eine geringe Strömungsgeschwindigkeit darin) verbunden, das verhindert, daß Gesteinsstücke oder schwerer Grobschmutz in die Arbeitsmaschine geraten. Oder es befindet sich zwischen Expansionsraum und Arbeitsmaschine eine Zuleitung, die mindestens ein solches Steigrohr enthält. Hinter dem Steigrohr darf es dann auch wieder abwärts gehen.

Das Arbeitsverfahren des erfindungsgemäßen Kraftwerkes gemäß Variante A stellt sich folgendermaßen dar:

Das erfindungsgemäße Druckgasflüssigkeitskraftwerk arbeitet wie ein quasiisothermer Druckluft- motor mit selbstabdichtendem Kolben:

Der Expansionsraum ist zu Beginn eines Arbeitstaktes großteils (a.)) oder ganz (b.)) mit Flüssigkeit gefüllt.

a. ) In den verbliebenen Gasraum wird nun Druckgas mit dem im Druckgasspeicher herrschenden Druck eingeleitet. Das Ventil hinter der Austrittsöffhung aus dem Expansionsraum ist dabei vor- zugsweise zur Arbeitsmaschine hin ganz oder teilweise geschlossen, so daß sich ein Druck oberhalb der Flüssigkeit aufbaut, der dem Druck im Druckgasspeicher entspricht.

b. ) Ist der Expansionsraum ganz mit Flüssigkeit gefüllt (die bevorzugte Ausführung), ist das Ventil hinter der Austrittsöffhung zur Arbeitsmaschine hin mindestens teilweise geöffnet und das Druckgas schiebt einen Teil der Flüssigkeit durch die Austrittsöffnung in die Arbeitsmaschine, wo die mechanische Energie der Flüssigkeit in eine andere mechanische Bewegung umgewandelt wird.

Dies geschieht praktisch isotherm, da der Druckabfall des Druckgases beim Einleiten nur minimal ist, weil der Druckgasspeicher deutlich größer ist als das nun abgezweigte Teilvolumen für den Arbeitszyklus. Anschließend wird das Ventil in der Verbindung zum Druckgasspeicher geschlossen. Man achtet darauf, daß das vom Druckgas im Expansionsraum eingenommene Volumen nur so groß ist, daß nach der arbeitsverrichtenden Expansion des Gases die Flüssigkeit gerade aus dem Expansionsraum verdrängt ist, oder, bevorzugt, noch etwas Flüssigkeit darin zurückbleibt. Dann besteht nämlich keine Gefahr, daß Gas in die Arbeitsmaschine gerät, bei der es sich um eine mit hohem Wir- kungsgrad arbeitende hydrodynamische Maschine handelt und keinen Gasmotor/Gasexpansionsturbine . Flüssigkeit, auf deren Oberfläche ein Gasdruck von z.B. 60 bar einwirkt, ist äquivalent dem Wasser eines Speichersees, der ungefähr 600 Meter oberhalb einer Wasserturbine angeordnet ist! Um 60 Kubikmeter (ideales) Gas von Umgebungsdruck (ungefähr 1 bar) isotherm auf 60 bar zu verdichten (es nimmt dann nur noch 1 Kubikmeter Volumen ein), benötigt man ungefähr 24000 kJ an Energie (entspricht ungefähr 6000 kcal). Diese Energie wird bei einer isothermen Expansion auch wieder vom Gas abgegeben, ähnlich, wie bei einer elastischen Feder.

Ein Druckgasspeicher mit 100.000 Kubikmetern (idealem) Gas von 60 bar weist also (bei isothermer Expansion bis auf 1 bar) einen Energiegehalt von ungefähr 2,4 Mrd. Kilojoule, also 2,4 Billionen Joule auf. Eine Leistung von 100 MW könnte von diesem Druckgasspeicher 24.000 Sekun- den (fast 7 Stunden) lang geliefert werden. Dies gilt aber nur bei einer Umwandlung mit 100% Wirkungsgrad. Dies ist natürlich in der Praxis unmöglich.

An einen solchen Druckgasspeicher angeschlossen ist z.B. ein Expansionsraum von 10.000 Kubikmetern. Dieser Expansionsraum ist anfangs mit 10.000 Kubikmetern Flüssigkeit gefüllt, von der anfangs bis zur Schließung des Ventils zwischen Druckgasspeicher und Expansionsraum 150 Ku- bikmeter durch Druckgas verdrängt werden, wobei diese 150 Kubikmeter Flüssigkeit in der Arbeitsmaschine (z.B. Francis-Turbine) bei einem praktisch konstanten Druck von ungefähr 60 bar eine Energie erzeugen, die 150 Kubikmeter Wasser abgeben würden, die aus 600 Metern Höhe in eine Turbine fielen. Das sind 900.000.000 Joule (900 MJ). Läßt man das Druckgas 9 Sekunden lang aus dem Druckgasspeicher die Flüssigkeit mit gleichmäßiger Geschwindigkeit durch die Ar- beitsmaschine schieben, erzeugt man dadurch gerade 100 MW Leistung.

Anschließend expandieren diese 150 Kubikmeter Gas quasiisotherm von 60 bar auf 1 bar und dabei auf 9000 Kubikmeter, wobei 8850 Kubikmeter Flüssigkeit verdrängt werden, wobei aber der Druck der Flüssigkeit von 60 bar bis auf 1 bar abnimmt und dabei (gemäß der zuvor angegebenen Gleichung W = -nRT · ln(V₂/Vi) für isotherme Gasexpansion) ungefähr 3,6 Mrd. Joule (3600 MJ) an Energie erzeugt werden. Benötigt der Gesamtvorgang 36 Sekunden, so hat man wieder eine Leistung von 100 MW erzeugt.

Anschließend öffnet man das Entgasungsventil am Expansionsraum, das ins Freie oder in einen Niederdruckgasbehälter („die Umgebung") führt, schließt das Ventil zur Arbeitsmaschine und flutet den Expansionsraum erneut mit Flüssigkeit. Ganz besonders bevorzugt ist die Verwendung von Luft als Gas, weil nur diese einfach und dennoch wirklich unbedenklich ins Freie entlassen werden kann.

Dann schließt man das Entgasungsventil, öffnet erneut das Ventil zum Druckgasspeicher und das zur Arbeitsmaschine und ein neuer Arbeitszyklus beginnt. Dieser startet aber diesmal nicht mehr bei 60 bar, sondern etwas darunter (bei 59,91 bar), da von den 100.000 Kubikmetern ja 150 bereits entnommen wurden. Durch sich wiederholende Arbeitszyklen wird der Druckgasspeicher mit der Zeit bis auf ein bestimmtes Maß entleert, das z.B. auch davon abhängig ist, welcher Stützdruck an Gas aus Stabilitätsgründen darin verbleiben muß. Wird ein (vorzugsweise unterirdischer) Druckgasspeicher z.B. mit sehr grobem Schüttgut gefüllt, so stützt dieses die Wand! Auch wenn dann später Wandteile (z.B. Fels) abbrechen, macht das nichts, denn das Abbrechen hat spätestens dann ein Ende, wenn der Druckgasspeicher überall mit Wandkontakt mit Schüttgut, eben auch Wandabbruchmaterial, gefüllt ist. Da das Schüttgut aber Volumen einnimmt, das nicht von energieenthaltendem Druckgas gefüllt ist, muß der Druckgas- speicherraum deutlich größer gewählt werden. Es läßt sich im Druckgasspeicher durch grobes

Schüttgut ein zur Energiespeicherung verwendbares Leervolumen von etwa 20 bis 30% erzielen. Das Schüttgut muß deswegen grob sein, damit die Strömung der Luft nicht behindert wird. Die untereinander verbundenen Leerräume sollten einen mittleren Durchmesser von mehr als 5 Zentimetern haben, bevorzugt mehr als 10 Zentimetern.

Ein schüttgutbefüllter Druckgasspeicher hat zwar weniger Füllvolumen als ein leerer Raum, aber er hat den Vorteil, daß er einfacher quasiisotherm mit Druckgas gefüllt werden kann, da das Schüttgut als wärmeaufnehmender Wärmespeicher mit großer Oberfläche dient.

Vorzugsweise arbeitet das Gesamtkraftwerk mit mehr als nur einem Expansionsraum, wobei jeder Expansionsraum gerade in einer unterschiedlichen Phase des Arbeitszyklus ist. Das hilft, die Leistungsabgabe des Gesamtkraftwerks zu vergleichmäßigen.

Da der Expansionsraum während eines Arbeitszyklus nicht ständig unter dem Maximaldruck steht, weil ja keine ständig offene Verbindung zum Druckgasspeicher besteht, ist es möglich, den Expan- sionsraum, in dem der Arbeitszyklus abläuft, in mehrere Teilexpansionsräume aufzuteilen, in denen Teile des Arbeitszyklus bei unterschiedlichen Drücken ablaufen!

Dies hat den Vorteil, das man nicht den ganzen Expansionsraum stabil gegen den Maximaldruck ausgestalten muß, was wegen des großen Volumens des Gesamtexpansionsraumes teuer wird, falls der Expansionsraum oberirdisch aufgestellt und nicht in einer unterirdischen Kaverne eingerichtet werden sollte.

Man könnte im Falle einer Aufteilung in mehrere Teilexpansionsräume dann z.B. einen ersten Teilexpansionsraum erstellen, der das Druckgas von z.B. 60 bar auf 15 bar entspannte, also eine vierfache Volumenvergrößerung ermöglichte. Dieser erste Teilexpansionsraum wäre, weil noch relativ klein, relativ einfach zu stabilisieren (Näherung:„Kesselformel") und man könnte ihn auch aus kostengünstigen Materialien, z.B. vorgespanntem Beton (eventuell mit gasdichtem„Inliner"), herstellen. In einem zweiten Teilexpansionsraum würde dann das vorentspannte Gas weiter entspannt, z.B. von 15 bar auf einen Enddruck von ungefähr 1 bis 2 bar oder auch nur auf ungefähr 5 bar. An den zweiten Teilexpansionsraum schlösse sich dann ein dritter, letzter Teilexpansionsraum an.

Es versteht sich, daß während des Ablaufs der Teilzyklen die Verbindung zwischen dem/den Teil- expansionsräumen, in denen der Teilzyklus gerade abläuft und dem/den dahinterliegenden Teilexpansionsraum/Teilexpansionsräumen geschlossen ist und die Flüssigkeit über einen separaten Weg in die oder eine Arbeitsmaschine eintritt, und daß erst nach Beendigung des jeweiligen Teilzyklus eine Verbindung zwischen dem vorangehenden Teilexpansionsraum und dem darauffolgenden geöffnet wird, damit das teilexpandierte Druckgas auch in diesem weiterexpandieren und seinen Teilzyklus durch Verdrängung der dort befindlichen Flüssigkeit verrichten kann.

Die Teilexpansionsräume können einfach unabhängig voneinander und räumlich getrennt mit Verbindungen zwischen ihnen angeordnet sein. Z.B. kann auch ein Teil der Expansionsräume (z.B. die Hochdruckteilräume, oberirdisch angeordnet sein und die mit niederem Druck, die größere Volumina erfordern, unterirdisch.)

In einer anderen Ausführung befinden sich hingegen die jeweils folgenden Teilexpansionsräume zwiebelschalenartig um den ersten Hochdruckteilexpansionsraum herum angeordnet, was Stabilitätsvorteile bringt. Es ergeben sich insbesondere dann Stabilitätsvorteile, wenn das Druckgasflüssigkeitskraftwerk„mehrzylindrig" ausgeführt wird (also mit mehreren Expansionsräumen A, B, .... ausgestattet ist, in denen phasenverschoben Arbeitszyklen Za, Zb, ... ablaufen) und in dem den ersten Teilexpansionsraum umgebenden Teilexpansionsraum für Arbeitszyklus Za bereits ein Teilarbeitszyklus eines phasenverschobenen Arbeitszyklus Zb eines anderen„Zylinders" (Expansionsraumes B) ausgeführt wird, denn dann stützt der geringere Druck dieses Arbeitszyklus Zb in diesem umgebenden Teilexpansionsraum die Wand des ersten Teilexpansionsraumes. Es wechseln also in diesem Falle die Teilexpansionsräume der unterschiedlichen Arbeitszyklen Za, Zb, ... . der Expansionsräume A, B, ... . zeitlich ihren räumlichen Ort, um die Wände, vor allem der unter Hochdruck stehenden Teilexpansionsräume, optimal zu stützen.

Ein Expansionsraum kann sich auch ganz oder teilweise im Boden befinden.

In einer Ausführungsvariante ist der Expansionsraum im wesentlichen kegelförmig oder kegel- stumpfförmig geformt. Die Kegelwandung muß aber (im Längsschnitt durch den Kegel betrachtet) nicht gerade sein, sondern kann auch geschwungen sein. Auch der Boden und die Spitze des Kegelstumpfes müssen nicht eben sein. Vorzugsweise sind sie sogar gewölbt, um den Innendruck im Expansionsraum besser aufnehmen zu können.

Der obere Teil eines solchen (wie zuvor definierten)„Kegels", in dem das Druckgas sich mit dem höchsten Druck befindet, kann sich auch aufgrund des geringen Radius (hohe Stabilität!) oberhalb des Bodens befinden. Der untere Teil des Kegels ist vorzugsweise im Boden und der Bodendruck stabilisiert die Wände, wodurch sie weniger stabil ausgeführt werden müssen als wenn diese Bereiche oberhalb der Erdoberfläche lägen.

Je tiefer sich der„Kegel" im Boden befindet, umso schwächer können die Wände dieses Expansionsraumes sein.

Eine weitere Möglichkeit, kostengünstig einen Expansionsraum in den Boden zu legen, besteht darin, ihn ins Grundwasser zu betten und dieses nachher um den Expansionsraum herum zu vereisen (z.B. mit Gefrierlanzen). Dabei dehnt sich der Boden aus, und die Wände werden unter eine nach innen gerichtete Vorspannung gesetzt, die dem Innendruck im Expansionsraum entgegenwirkt.

Falls der Expansionsraum, bei etwas verringertem Wirkungsgrad, mit einer im Kreislauf geführten Flüssigkeit (z.B. einer wässrigen Salzlösung oder Gefrierschutzmischung) betrieben wird, deren Temperatur mindestens 10 °C unter der Gefriertemperatur von Wasser liegt, so hat die Wand des Expansionsraumes eine Temperatur unter 0 °C und der Expansionsraum umgibt sich mit einer stabilen Schicht aus vereistem Boden, so daß die Wände des Expansionsraumes entsprechend schwach sein dürfen.

Es ist auch möglich, den gesamten Expansionsraum in einen großen oberirdischen Behälter mit wasserdurchtränktem Boden zu geben, der dann durchgefroren wird. Dann hat man eine Expansionsraumwand, deren Festigkeit zu einem großen Teil von gefrorenem Boden stammt! Werden in den Boden auch noch Fasern eingebracht, so kann dieser„Eisbeton" auch einen erheblichen Teil Zugkräfte aufnehmen! Und eventuell mit der Zeit entstandene Risse darin ließen sich sehr gut durch Aufschmelzen und Wiedereinfrieren reparieren! Bei sehr hohem Faseranteil könnte auch Eis ohne Bodenanteil als„Eisbetonwand" eingesetzt werden! Ein besonders billig herstellbarer„Eisbeton" mit Faseranteil ist Pykrete, der aus 14% Sägespänen und 86% Wasser besteht. Als Zugfestigkeit von Pykrete wird in Wikipedia ungefähr 4,8 MPa angegeben (im Vergleich zu Beton mit 1,7 MPa und Eis mit 1, 1 MPa). Als Druckfestigkeit besitzt Pykrete 7,6 MPa (verglichen mit Beton mit 17,2 MPa und Eis mit 3,4 MPa). Die Dichte von Pykrete beträgt 980 Kilogramm pro Kubikmeter (Beton 2500, Eis 910).

Durch Verwendung anderer Fasern als Holzspänen läßt sich vor allem die Zugfestigkeit noch deutlich steigern!

Um den Wirkungsgrad des Kraftwerkes zu verbessern, ist es möglich, nicht nur eine Art Arbeitsmaschine einzusetzen, sondern zwei oder auch mehr unterschiedliche, von denen jede für einen bestimmten Flüssigkeitsdruckbereich optimiert ist.

Für die hohen Flüssigkeitsdrücke (von 70 bis ungefähr 2 bar) wird z.B. eine Francis-Turbine (oder eine verwandte Konstruktion) eingesetzt (Wirkungsgrad ungefähr 90% für Wasser) und für den mittleren oder niedrigen Flüssigkeitsdruckbereich (4 bis 2 bar) eine Kaplan-Turbine (oder eine verwandte Konstruktion) (Wirkungsgrad 80-95% für Wasser). Für Flüssigkeitsdrücke oberhalb 70 bar verwendet man vorzugsweise eine peltonartige Turbine (Wirkungsgrad 90-95% für Wasser).

Eine Francis-Turbine ist hierbei über den weitesten Druckbereich verwendbar. Peltonartige Turbinen sind dafür aber am besten bei wechselndem Durchsatz steuerbar.

Bei Verwendung mehrerer Expansionsräume Ei, E₂, muß nicht jeder Expansionsraum eine oder mehrere Arbeitsmaschinen besitzen, sondern es können die Arbeitsmaschinen je nach Zykluszeitpunkt, in dem sich der Expansionsraum gerade befindet, von unterschiedlichen Expansionsräumen wechselweise angeströmt werden.

Wie bereits erwähnt, sind in einem Kubikmeter komprimierten Druckgases von 60 bar ungefähr 24.000 kJ„isotherme Energie" enthalten. (Mit„"isothermer Energie" wird die Energie bezeichnet, die durch isotherme Expansion auf 1 bar als mechanische Arbeit gewinnbar ist. Anders als bei einer adiabatischen Expansion ist dabei die„isotherme Energie" (eines idealen Gases) unabhängig vom molekularen Aufbau des Gases ! )

Wird dieser Kubikmeter Druckgas von 60 bar isotherm auf 2 Kubikmeter mit 30 bar expandiert, so enthalten diese 2 Kubikmeter noch ungefähr 20.000 kJ an„isothermer Energie" ( 10.000 kJ pro Kubikmeter). Das bedeutet, die isotherme Expansion auf das doppelte Volumen setzt pro Kubikmeter Druckgas von 60 bar etwa 4000 kJ frei.

Werden die 2 Kubikmeter Druckgas danach von 30 bar auf 6 Kubikmeter von 10 bar isotherm expandiert, so enthalten diese 6 Kubikmeter dann noch ungefähr 14.000 kJ (2300 kJ pro Kubikmeter). Bei der Expansion von 2 Kubikmetern von 30 bar auf 6 Kubikmeter von 10 bar werden also ungefähr 6000 kJ frei.

Werden diese 6 Kubikmeter von 10 bar auf 12 Kubikmeter von 5 bar isotherm expandiert, so ent- halten diese 12 Kubikmeter noch ungefähr 9.500 kJ (800 kJ pro Kubikmeter). Bei der Expansion von 6 Kubikmetern Druckgas von 10 bar auf 5 bar werden somit ungefähr 4.500 kJ frei.

Werden diese 12 Kubikmeter Druckgas von 5 bar auf 30 Kubikmeter von 2 bar expandiert, so enthalten diese 30 Kubikmeter noch ungefähr 3800 kJ (ungefähr 130 kJ pro Kubikmeter). Bei der Expansion von 12 Kubikmetern Druckgas von 5 bar auf 30 Kubikmeter Druckgas von 2 bar werden somit ungefähr 5.700 kJ frei.

Der Restenergiegehalt von 3800 kJ stellt nur noch ungefähr 15 % der Anfangsenergie dar. Ungefähr 85% der Anfangsenergie wurden dem Druckgas entnommen.

Das Druckgas von 2 bar kann nun über das Entgasventil entlassen werden und seine Energie wäre dann verloren. Es könnte aber während des Entlassens noch über eine Niederdruckgasturbine lau- fen und dabei einen Teil seiner restlichen Energie abgeben, wodurch der Gesamtwirkungsgrad erhöht würde. Dies ist vor allem möglich, wenn das Druckgas Luft ist, oder das Druckgas in einen „drucklosen" Behälter (z.B. expandierbarer Folienbehälter) entlassen würde. Vorzugsweise würde dabei das Niederdruckgas vorher noch etwas in seiner Temperatur angehoben, um Kondensationserscheinungen in der Turbine zu verhindern. Dies kann z.B. im einfachsten Falle von Luft durch Verbrennen von etwas Erdgas in dieser Niederdruckluft erfolgen.

Alternativ könnten, wenn man eine geeignete Niederdruckflüssigkeitsarbeitsmaschine hierfür zur Verfügung hat, die 30 Kubikmeter von 2 bar auch noch weiter isotherm expandiert werden, z.B. auf 40 Kubikmeter von 1,5 bar. In diesen 40 Kubikmeter wären dann noch 2.400 kJ an Energie enthalten (60 kJ pro Kubikmeter). Beim Expandieren würden also nochmals 1400 kJ frei.

Damit würde das isotherm expandierte Gas von 1,5 bar nur noch ungefähr 10% der Anfangsenergie enthalten, 90% wären bereits in mechanische Arbeit umgesetzt.

Von den verbliebenen 10 % ließe sich ein beträchtlicher Teil mittels einer Gasturbine wiedergewinnen, weil bei der adiabatischen Expansion von 1,5 auf 1 bar keine starke Temperaturänderung mehr einsetzte. Auch hier ist aber eine vorherige Anhebung der Niederdruckgastemperatur noch sinnvoll.

Ansonsten könnte man im Falle von Luft diese auch durch das Entlüftungsventil ohne Arbeitsver- richtung einfach entweichen lassen, was den apparativen Aufwand reduzierte.

Eine andere Methode, eine Restdruckgasenergie sinnvoll auszunützen besteht darin, mit dieser Energie die zuvor durch das expandierte Gas aus den Expansionsräumen verdrängte Flüssigkeit für den nächsten Arbeitszyklus wieder in einen anderen Expansionsraum hineinzubefördern. Dies ist dadurch erleichtert, daß die Expansionsräume während der Befüllung mit Flüssigkeit eine Verbin- dung zur Außenluft bzw. zu einem drucklosen Gasbehälter haben und daher drucklos befüllt werden können. Es muß für eine solche Befüllung eine Verbindung des Gasraumes des Expansionsraumes Ei , in dem gerade ein Arbeitszyklus beendet ist, mit dem Flüssigkeitsreservoir R vorhanden sein. Dann wird Flüssigkeit aus dem Reservoir R über eine weitere Leitung in einen leeren drucklosen Expansionsraum E₂ gedrückt, dessen Entgasungsventil gerade geöffnet ist.

Für eine gute Regelbarkeit der Stromerzeugung ist es sinnvoll, den Expansionsraum möglichst groß zu wählen, weil dann die Änderungen des Drucks darin langsamer vor sich gehen und damit besser steuerbar sind. Wie groß man ihn letztendlich wählt, hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab (Standfestigkeit des Gebirges, schon vorhandene Hohlräume, u.a.).

Kleinere Expansionsräume oder Teilexpansionsräume lassen sich auch oberirdisch oder in Nähe der Erdoberfläche künstlich anlegen, z.B. auch mit einem Beton- oder Stahlmantel. Eine geringere Größe der Expansionsräume läßt sich durch eine Vielzahl derselben ausgleichen. Die Größe der Expansionsräume ist in einem weiten Bereich von etwa 1 bis 100.000 Kubikmetern sinnvoll machbar.

Die Quasiisothermie im Expansionsraum wird durch den Wärmeaustausch mit dort befindlicher Flüssigkeit erreicht. Sinnvoll ist hierbei, die Flüssigkeit in diesem Raum zu versprühen oder von oben herabregnen zu lassen. Hierbei am sinnvollsten sind Methoden ähnlich Rasensprinklern, da hierbei die Flüssigkeit länger Gaskontakt hat, als wenn sie nur von oben herabrieselte. Durch eine schräge Einsprühung von Flüssigkeit läßt sich auch eine Zirkulationswalze des Gases im Expansionsraum erzeugen, wodurch sich der Wärmeaustausch verbessert.

Andererseits existiert aber die Möglichkeit, eine passive sehr wartungsarme Berieselung des Gasraumes oberhalb des Flüssigkeitspiegels durchzuführen: Hierzu befinden sich an oder etwas unterhalb der Decke des Expansionsraumes wannenartige Strukturen mit Siebboden oder Behälter mit Siebboden und Entgasungsventilen an der Oberseite. Nach der Füllung des Expansionsraumes mit Flüssigkeit sind diese Wannen bzw. Behälter ebenfalls überflutet/gefüllt. Wenn das Gas expan- diert, sinkt der Flüssigkeitsspiegel im Expansionsraum unter den Wannenboden/Siebboden und die in den Wannen befindliche Flüssigkeit rieselt durch die Sieböffnungen (wie aus einem Duschkopf) nach unten und erwärmt/temperiert dabei das sich beim Expandieren abkühlende Gas.

Die Wannen müssen also mindestens diejenige Flüssigkeitsmenge enthalten, die benötigt wird, um eine ausreichende Quasiisothermie sicherzustellen und die Öffnungen müssen so klein und gleich- zeitig auch so groß sein, daß die Flüssigkeit aus den Wannen ungefähr bis zum Ende des Expansionszyklus des Gases im Expansionsraum ausgeflossen ist. Die notwendige Größe und Anzahl der Öffnungen kann näherungsweise mittels Hagen-Poiseuille-Gesetz abgeschätzt und dann im Versuch optimiert werden. Eine Regelung der Ausflußgeschwindigkeit über die Anzahl der Öffnungen ist einfacher als über den Durchmesser der Öffnungen, da sich der Ausfluß zur Anzahl der Öff- nungen linear verhält, wohingegen Größe der Öffnungen und Durchfluß durch dieselben in stark nichtlinearem Zusammenhang stehen.

Vorzugsweise ist der Ausfluß aus den Wannen regelbar, z.B. durch die Öffnungen zeitweise abdeckende Schieber.

Für kleine Expansionsräume von ungefähr einem Kubikmeter und darüber eignet sich auch ein Zerstäubungsverfahren für Flüssigkeit, daß auf Explosionen beruht und dabei zusammenhängende Wassermengen fein zerstäubt.

Diese Explosionen können chemisch erfolgen, z.B. mit Hilfe von geringen Mengen eines Erdgas/Luft oder Erdgas/Sauerstoffgemisches. Es kann sich aber auch um explosive Gasausdehnungen handeln, z.B. wenn Gas von wesentlich höherem Druck als im Expansionsraum plötzlich von der Seite oder von oben in den Expansionsraum eindringt und dabei gleichzeitig Flüssigkeit mitnimmt oder wenn dieses Hochdruckgas unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche im Expansionsraum schlagartig eingeleitet wird und dabei Flüssigkeit feinstverteilt nach oben reißt.

Sinnvoll sind mehrere Explosionen während eines Expansionstaktes im Expansionsraum, da die feinstverteilten Flüssigkeitströpfchen mindestens bei größeren Expansionsräumen und längeren Expansionszeiten die Tendenz haben, vor der vollständigen Expansion des Gases im Expansionsraum abzusinken. Mindestens in der Mitte oder am Ende eines Expansionszyklus des Gases ist der Druck im Druckgasspeicher groß genug, um als Druckgasquelle für solche Gasexplosionen zu dienen. Da nicht der absolute Druck, sondern der Druckunterschied zwischen Expansionsinnenraum und externem Druckgas für die Explosivität des Eintretens des Gases entscheidend ist, dürfte ein Druckunter- schied von mehr als 5 bar, vorzugsweise 10 bar oder mehr ausreichen.

Bei einem Druckunterschied von 10 bar fände ohne Einbringen von Flüssigkeit physikalisch betrachtet zwar eine adiabatische Expansion mit Abkühlung statt, diese betrüge aber z.B. im Falle von Luft nur etwa 20 Grad Celsius (wäre also thermisch gesehen noch quasiisotherm), wenn die Luft von 60 bar auf 50 bar expandieren würde. Anschließend würde dann das Einbringen der Flüs- sigkeit die, physikalisch gesehen, adiabatische Expansion beenden und eine quasiisotherme Expansion anschließen. Der Wirkungsgradverlust ist nur sehr gering. Man bräuchte dann kein Druckgas mit höherem Druck als dem im Druckgasspeicher.

Die explosive Zuführung der Flüssigkeit in den Expansionsraum kann z.B. über einfache, in den Expansionsraum gerichtete Rohre erfolgen, die mit Flüssigkeit gefüllt werden und in die das Druckgas stoßweise eingeleitet wird, wodurch die Flüssigkeit geysirartig aus dem Rohr heraus in den Expansionsraum geschossen wird. Ein Zerteiler vor dem Ausgang des Rohres kann die Verne- belung der Flüssigkeit noch verbessern.

Das explosive Einbringen von Flüssigkeit in den Expansionsraum kann auch durch gegenüber dem Druck im Expansionsraum bis auf Überdruck überhitzte Flüssigkeit erfolgen, die sich dann schlag - artig im Expansionsraum ausdehnt. Wasser von 280 °C stünde z.B. unter einem Druck von etwa 64 bar, solches von 300 °C unter einem Druck von etwa 86 bar.

Über die Menge der Flüssigkeit und deren Temperatur läßt sich ein zu starkes Absinken der Gemischtemperatur Gas/Flüssigkeit im Expansionsraum verhindern. Vor allem Wasser oder wässrige Lösungen erweisen sich hier als sehr günstig! Wasser besitzt gewichtsbezogen ungefähr eine vier mal größere Wärmekapazität als z.B. Luft (ungefähr 4,2 kJ/(kg-K) gegenüber ungefähr 1 kJ/(kg-K) ). Es kann somit relativ wenig Wasser bereits ein starkes Absinken der Temperatur während der Gasexpansion verhindern.

Beispielrechnung mit Wasser und Luft: Wenn 1 Kilogramm Druckluft (vereinfacht und idealisiert gerechnet) von 293 K (20°C) und 60 bar (das sind dann ungefähr 12,9 Liter Druckluft) adiabatisch auf 1 e, so würde ihr Volumen dabei gemäß der Gleichung

um das 18,6-fache zunehmen.

Für die Temperatur nach einer adiabatischen Expansion gilt die Gleichung Somit = 90,9 K

Die expandierte Luft hätte somit ungefähr 202 Grad Temperatur verloren. Zur Erwärmung dieses einen Kilos kalter Luft auf etwa 283 K (10°C) benötigte man dann etwa 200 Kilojoule. Diese Wärmemenge könnte von ungefähr 5 Kilo Wasser abgegeben werden, die dabei von 20°C auf 10°C oder von 30°C auf 20°C abgekühlt würden, oder von 10 Kilo Wasser, die von 20°C auf 15°C oder von 25°C auf 20°C abgekühlt würden, oder von 1 Kilo Wasser, das von 70°C auf 20°C abgekühlt würde.

Würde die adiabatisch expandierte Luft durch Mischen mit Wasser wieder auf ungefähr 10°C erwärmt, so würde (bei konstant gehaltenem Volumen) ihr Druck ansteigen, und zwar näherungsweise gemäß der allgemeinen Gasgleichung. Da der Druck bei konstantem Volumen der absoluten Temperatur proportional ist, stünde die Luft dann unter einem Druck von 283/90,9 · 1 bar = 3, 11 bar.

Sie könnte dann wieder adiabatisch auf 1 bar expandiert werden, wobei sie sich wieder etwas (aber deutlich weniger als zuvor) abkühlte, dann wieder mittels Wasser erwärmt werden usf., bis man am Ende Luft mit 1 bar bei einer Temperatur von 10°C hätte.

Diese vielen hintereinandergeschalteten Prozesse lassen sich zu einem einzigen zusammenführen, in dem bereits während der Expansion der Luft (spätestens aber vor Ende der Expansion) das Was- ser zugeführt wird.

Je größer der Temperaturunterschied zwischen der Druckluft und dem Wasser ist, umso schneller läuft der Wärmeübergang vom Wasser an die Luft ab. Man verliert auch an Wirkungsgrad, weil das Wasser zuvor auf die erhöhte Temperatur gebracht werden müßte, wohingegen Wasser von Umgebungstemperatur (jahreszeitlich abhängig schwankend) immer quasi ohne Energieverbrauch zur Verfügung stünde.

Wie bereits erwähnt könnte aber das temperierende Wasser auch durch Abwärme oder Überschußenergie aus Zeiten von Überproduktion aufgeheizt worden sein, so daß sogar eine höhere Energie aus der gespeicherten Druckluftenergie gewonnen werden könnte, weil ein Teil der thermischen Überschußenergie ebenfalls in mechanische Energie umgewandelt würde! Es ist dies der zuvor als Hyperthermie definierte Fall der Quasiisothermie.

Eine andere Möglichkeit, eine annähernde Isothermie des expandierenden Gases zu erreichen, ist, den Expansionsraum mit einem wärmespeichernden Feststoff so zu füllen, daß die Flüssigkeit oh- ne große Reibung durch Hohlräume in ihm hindurchfließen kann, während das Druckgas expandiert und dabei die Flüssigkeit aus dem Expansionsraum verdrängt! Der Feststoff hat hier zwei Funktionen: er temperiert das expandierende Druckgas, und er ist an seiner Oberfläche Träger von Flüssigkeit, die ebenfalls das expandierende Druckgas temperiert. Die Flüssigkeit trieft dabei vom Feststoff herab und berieselt so das expandierende Druckgas. Am Gas abgekühlt, tropft es wieder auf den Feststoff und erwärmt sich als dünner Flüssigkeitfilm dort sehr schnell und kann dann erneut expandierendes Druckgas temperieren.

Eigentlich ist sogar die meiste Zeit des Expansionsvorganges ein dünner Flüssigkeitsfilm Überträger von Wärme zwischen Feststoff und Gas.

Bei dem Feststoff kann es sich z.B. einfach um eine grobe Felsschüttung handeln, die auch die Wand des Expansionsraumes zu stabilisieren hilft, falls dieser unterirdisch sein sollte. Um den Hohlraumanteil zu erhöhen (dann kann der Druckbehälter nämlich kleiner sein und ist dann einfacher stabil zu bauen), können auch künstlich geschaffene Gebilde, z.B. Betonrohrteile, als Schüttung verwendet werden. Es können aber auch z.B. wabenförmige Konstruktionen oder speziell ge- schichtete künstliche Körper errichtet werden. Rasengittersteine, gestapelt, ergeben ebenfalls größere Hohlraumanteile, und noch größere, wenn sie geschüttet werden.

Der Wärmegehalt des Feststoffs liefert die Wärme, die zur Aufrechterhaltung der Quasiisothermie nötig ist, dabei kühlt sich der Feststoff bei der Duckgasexpansion etwas ab. Er wird jedesmal wieder erwärmt, wenn der Expansionsraum erneut mit Flüssigkeit (die eine höhere Temperatur als der Feststoff hat) gefüllt wird.

Da in einem solchen Expansionsraum die Gaszirkulation stark vermindert ist, ist es von Vorteil, wenn der Feststoff im oberen Bereich des Expansionsraumes eine größere relative Oberfläche aufweist als im unteren. Denn dann wird auch der obere Gasanteil, der bei der Expansion nur mit wenig neuem Feststoff in Kontakt kommt, noch gut temperiert.

Im Falle einer Gesteinsschüttung bedeutet dies z.B. eine geringere Korngröße. Damit aber die feineren Körner nicht in die darunterliegenden größeren absacken und deren Hohlraumanteil verringern, sind vorzugsweise gut flüssigkeitsdurchlassende Trennschichten notwendig, z.B. Netze oder Maschendraht mit einer Maschenweite, die geringer ist als die Korngröße. Die Gesteinskörnungen können nacheinander schichtweise in den Expansionsraum mit Trennschichten der geeigneten Ma- schenweite eingebracht werden, oder es werden ganze Säcke des Gesteins in den Expansionsraum eingebracht, wobei das Sackmaterial ein Netz ist. Das Netz kann aus Kunststoff sein, es kann aber auch aus Metall sein und z.B. auch eine Gabione sein. Gabionen lassen sich auch unter Erzeugung noch größerer Hohlraumanteile stapeln. Wird das Druckgas in unterirdischen Speichern (z.B. Salzkavernen) gespeichert, so hat es eine Temperatur, die mindestens die Temperatur des umgebenden Bodens in dieser Tiefe hat (plus Restwärme, weil die Kompression doch nicht völlig isotherm verläuft, oder falls man sie absicht- lieh gar nicht isotherm durchführt). Die Wärme der Druckluft im unterirdischen Speicher ist abhängig von der sogenannten geothermischen Tiefenstufe. Durchschnittlich nimmt die Temperatur mit der Tiefe um etwa 3 Grad Celsius pro 100 Meter zu, in manchen Gegenden mehr, in anderen weniger. In 600 Metern Tiefe ist also durchschnittlich mit Temperaturen von etwa 30 Grad Celsius zu rechnen.

Beispielrechnung einer Temperierung von expandierender Luft durch Wasser:

Wenn 13 Liter Druckluft (60 bar) von 20°C (das sind ungefähr 1000 Gramm oder 34,5 Mol Luft) während der Expansion mit 8 Litern (ungefähr 8000 Gramm) feinverteiltem Wasser von 20°C vermischt würden, so entstünde also aus einer Mischung, in der Luft und Wasser anfangs volumenmäßig im Verhältnis 13:8 (ungefähr 1,5: 1) gemischt wären, nach der fast isothermen Entspannung auf 1 bar eine Mischung von z.B. ungefähr 10°C, in der der Anteil von Luft zu Wasser volumenmäßig etwa 780:8 = 97: 1 betrüge. (Dies allerdings nur, wenn man annimmt, daß dabei kein Wasser vom flüssigen Zustand in die Gasphase übergeht, was strenggenommen nicht der Fall ist, denn es verdunstet j a etwas Wasser bis 100% relative Luftfeuchtigkeit erreicht ist! )

Sinnvollerweise wird das Wasser aber nicht auf ein Mal zu Beginn des Expansionsvorganges zugesetzt, sondern kontinuierlich oder in kleinen Intervallen während des gesamten Expansionsvorganges. An der Energieerhaltung und Endtemperatur von Wasser und Luft ändert das aber nichts. Um beim früheren Beispiel eines Expansionsraumes von 10.000 Kubikmetern zu bleiben, in den anfangs 150 Kubikmeter Druckluft von 60 bar eingeleitet werden:

Um diese 150 Kubikmeter Druckluft, die etwa 11500 Kilogramm wiegen, um nicht mehr als 10 Grad abkühlen zu lassen, sind ungefähr 92000 Kilogramm Wasser (ungefähr 92 Kubikmeter) der gleichen Temperatur zum Temperieren nötig.

Würden diese 92 Kubikmeter Wasser z.B. mit einem Überdruck von 3 bar, wie er in Wasserlei- tungsnetzen üblich ist, im Expansionsraum mittels Sprinklern versprüht (also dem unter Druck stehenden Bodenwasser im Expansionsraum entnommen und mit einem 3 bar höheren Druck oben wieder eingesprüht), so verbrauchte das eine Energie von W = p · V von 27,6 MJ, was deutlich weniger als 1% der in den 150 Kubikmetern Druckluft gespeicherten„isothermen Energie" entspräche.

Vorzugsweise finden Druckgasflüssigkeitskraftwerke ihre Anwendung direkt neben bereits bestehenden Wasserkraftwerken oder Pumpspeicherkraftwerken, bzw. sie sind dann Bestandteil derselben.

Ein erfindungsgemäßes Druckgasflüssigkeitskraftwerk wird dann dazu benutzt, Wasser, welches im konventionellen Pumpspeicherkraftwerk herabgestürzt ist und Energie erzeugt hat, wieder nach oben in den Speichersee zu befördern (direkt mittels mechanischer Pumpen oder über den Zwi- schenschritt der elektrischen Energie und Antrieb elektrischer Pumpen). Dies hat den Vorteil, daß das erfindungsgemäße Druckgasflüssigkeitskraftwerk nicht genau in seiner Leistung geregelt sein muß. Es muß nur über einen langen Zeitraum hinweg betrachtet den Speichersee immer hinreichend voll halten. Die ausgereiften, in ihrer Abgabeleistung regelbaren Generatoren des Pump- speicherkraftwerks bzw. Wasserkraftwerkes sind es dann, die elektrische Energie genau geregelt ins elektrische Netz einspeisen. Der relativ konstante Wasserspiegel des Sees ermöglicht diese genaue Regelung!

Dadurch verbilligen sich die erfindungsgemäßen Druckgasflüssigkeitskraftwerke, weil sie keine teure exakte Leistungssteuerung benötigen! Diese ist ja bereits am Speicherseekraftwerk vorhan- den!

Besonders bevorzugt für solch einen Fall ist natürlich die Verwendung von Wasser als Flüssigkeit und Luft als Gas. Der Speichersee kann dann zusätzlich zur Lageenergiespeicherung auch als ein sehr großes thermisches Reservoir an Flüssigkeit für ein solches Druckluftwasserkraftwerk verwendet werden.

Da solche Druckgasflüssigkeitskraftwerke mit angehängtem Speichersee nur eine begrenzte Wassermenge benötigen, die durch Druckgasenergie im Kreisprozeß geführt wird, ermöglichen es Druckgasflüssigkeitskraftwerke dieser Art, die Wasserturbinen des Speichersees so lange laufen zulassen, bis die Druckgasenergie aufgebraucht ist. Hierzu sind prinzipiell nur relativ kleine Wasserspeicher nötig, die nicht einmal als oberirdische Seen ausgeführt sein müssen, sondern auch, umweltunschädlich und unsichtbar, hochgelegene unterirdische Kavernen sein können.

Erfindungsgemäß können neben bestehenden Wasserkraftwerken und Pumpspeicherkraftwerken druckluftdichte unterirdische Kavernen hergestellt werden, die bevorzugt mit Hilfe überschüssiger regenerativer Energie mit Druckluft gefüllt werden. (Oberirdische Druckgasspeicher sind natürlich auch möglich, aber meist teurer.) Bei Energiebedarf im Stromnetz fangen nun die Wasserkraftwer- ke an, elektrische Energie zu erzeugen, wobei gleichzeitig oder auch erst etwas später das Druckgasflüssigkeitskraftwerk die hochgelegenen Wasserspeicher immer wieder mit Wasser auffüllt, so daß diese so lange Wasser enthalten, wie hinreichend Druckgasenergie verfügbar ist, diese aufzufüllen.

Um nicht nur über längere Zeit hinweg aus den Pumpspeicherkraftwerken elektrische Energie ab- zapfen zu können, sondern auch bei Bedarf eine höhere Leistung, ist es sinnvoll, die Pumpspeicherkraftwerke leistungsmäßig auszubauen, z.B. mehr Fallrohre und Turbinen anzulegen. Dies ist möglich, weil das Wasser des Speichersees ständig durch Druckgasenergie nachgefüllt wird. Es ist also auch zur Leistungssteigerung nicht nötig, mehr umweltbeeinträchtigende Pumpspeicherseen anzulegen!

Für den Fall, daß ein erfindungsgemäßes Druckgasflüssigkeitskraftwerk ohne daneben vorhandenem Pumpspeicherkraftwerk eingesetzt werden soll, wird die Leistungsabgabe durch Steuerung der Durchflußgeschwindigkeit durch die Arbeitsmaschine, meistens eine Turbine, geregelt, wodurch automatisch auch die Expansionsgeschwindigkeit des Druckgases im Expansionsraum geregelt wird. Bei Druckgasflüssigkeitskraftwerken mit mehr als einem Expansionsraum vergleichmäßigt sich die Leistungsabgabe, indem sich Ungleichmäßigkeiten bei der Ausdehnung in den unterschiedlichen Expansionsräumen teilweise ausmitte In, ähnlich, wie es ja auch bei Mehrzylindermotoren der Fall ist.

Es ist aber auch möglich, die Regelung dadurch zu vereinfachen, daß man das Kraftwerk mit einem oder mehreren Energiespeichern (in diesem Falle keine Pumpspeicher) koppelt, die zeitweise Überschüsse aufnehmen und diese bei einem Leistungsdefizit der Arbeitsmaschine wieder abgeben. Diese Energiespeicher zum Leistungsausgleich müssen nicht groß sein, so daß sie nicht teuer sind. Es kann sich bei ihnen z.B. um einen Schwungradspeicher handeln oder auch um einen Hubspeicher oder Federspeicher. Auch ist es möglich, kurzzeitige Energieübeschüsse wieder zum Komprimieren von Druckgas und Einspeisen desselben in den Druckgasspeicher zu verwenden. Oder die Energiespitzen werden zum Aufheizen der temperierenden Flüssigkeit verwendet. Prinzipiell sind auch Batteriespeicher möglich, so wie auch andere nicht zu teure Speicherarten mit der Möglichkeit der schnellen Ein- und Auskopplung von Energie.

Ein erfindungsgemäßes Druckgasflüssigkeitskraftwerk weist vorzugsweise im Gasraum des Expansionsraumes mindestens einen Temperaturmeßfühler auf. Der Temperaturmeßfühler kann dabei aber auch ein Infrarotmeßgerät sein oder auch ein Laser ähnlich LID AR, der Temperaturen und auch Strömungen auch an Stellen entfernt von der Vorrichtung zu messen gestattet. Der Temperaturmeßfühler befindet sich vorzugsweise in dem Volumen des Expansionsraumes, der zu Beginn eines Expansionszyklus mit noch nicht expandiertem Druckgas befüllt ist, denn in diesem Gasvolumen findet im Falle einer Abwesenheit von Konvektion auch die größte Temperaturänderung statt.

Der oder die Temperaturfühler sollten vorzugsweise nicht ständig mit temperierender Flüssigkeit in Kontakt kommen, sondern im Falle einer temperierende Flüssigkeit einsprühenden Sprühvorrichtung mit einer gegen die Richtung der Sprühvorrichtung angebrachten Abdeckung versehen sein, damit die temperierende Flüssigkeit nicht dauernd den Temperaturmeßfühler erwärmt. Im Falle von temperierenden Berieselungswannen wäre der Temperaturfühler nach oben z.B. mit einer Art„Lampenschirm" von der temperierenden Flüssigkeit geschützt.

Vorzugsweise enthält der Expansionsraum auch noch einen Druckfühler. Dieser kann sich im Gasraum oder im Flüssigkeitsraum befinden, vorzugsweise aber an einem Ort mit geringer Strömungsgeschwindigkeit, da diese die Druckmessung beeinflußt (Bernoulli).

Weiterhin weist das erfindungsgemäße Druckgasflüssigkeitskraftwerk eine automatische Regelvorrichtung auf, die aus den Meßwerten des mindestens einen Temperaturmeßfühlers und eventuell auch eines Druckfühlers die Leistungsabgabe des Druckgasflüssigkeitskraftwerks zu regeln gestat- tet. Die Leistungsabgabe wird über die Durchflußmenge durch die Arbeitsmaschine in Abhängigkeit vom gerade im Expansionsraum vorherrschenden Druck geregelt. Die Regelvorrichtung vermindert automatisch den Durchfluß durch die Arbeitsmaschine, wenn Meßwerte des mindestens einen Temperaturmeßfühlers anzeigen, daß der eingespeicherte Definitionswert der Quasiisother- mie überschritten würde und der Wirkungsgrad daher zu stark abnähme.

Vorzugsweise ist in der Regelvorrichtung aber nicht nur ein einziger Definitionswert der Quasiiso- thermie eingespeichert, der mit einem bestimmten minimalen akzeptablen Wirkungsgrad verbunden ist, sondern es sind mindestens zwei Definitionswerte abgespeichert! Dies erlaubt es der Regelvorrichtung bei ausnahmsweise kurzzeitiger hoher Leistungsanforderung des Stromnetzes, auch diese durch das Druckgasflüssigkeitskraftwerk zu bedienen. Die Regelvorrichtung akzeptiert dann kurzfristig auch eine geringere Qualitätsanforderung an die Quasiisothermie und ermöglicht einen deutlich vermehrten Durchfluß von Flüssigkeit durch die Arbeitsmaschine, allerdings bei verringertem Wirkungsgrad! Die Gastemperatur im Expansionsraum darf in diesen Ausnahmefällen dann niedriger sein, als im Regelfall.

Eine weitere Option der Regelvorrichtung ist es, die eingesprühte Menge an Temperierflüssigkeit zu erhöhen oder die Temperierflüssigkeit, die die kleinen Gasbehälter von Variante B umgibt, in verstärkte Konvektion zu versetzen, so daß sich die Wärmeübertragung zwischen Gas und Flüssigkeit erhöht und die Quasiisothermie wieder besser erfüllt wird.

In einer Variante der Erfindung erlaubt die Regelvorrichtung zusätzlich auch einen Notbetrieb im fast volladiabatischen Bereich. Technisch ist das erfindungsgemäße Druckgasflüssigkeitskraftwerk nämlich (anders als Druckluftkraftwerke mit Gasturbine) in der Lage, dies schadlos zu überstehen, denn alle Abkühlungen im Expansionsraum wirken sich (abgesehen vom erniedrigten Wirkungsgrad!) nicht schädigend auf die Arbeitsmaschine aus, da das Gas gar nicht in die Arbeitsmaschine eindringt. Nach der erneuten Befüllung des Expansionsraumes mit Flüssigkeit sind auch die zuvor durch das kalte Gas abgekühlten Bereiche sehr schnell wieder auf Flüssigkeitstemperatur hochtemperiert!

Zum Speicherbetrieb des Druckgasflüssigkeitskraftwerks:

Wie schon bei der Expansion, so ist auch für die Kompression des Gases eine isotherme Kompres- sion thermodynamisch am günstigsten! Das erfindungsgemäße Druckgasflüssigkeitskraftwerk kann aber sowohl mit isotherm bzw. quasiisotherm komprimiertem Druckgas als auch anderweitig, z.B. mehrstufig adiabatisch, komprimiertem Druckgas betrieben werden.

Die Abgabe der bei der angenähert isothermen Kompression des Gases (vorzugsweise Luft) entstehenden Wärme an die Flüssigkeit (vorzugsweise Wasser) erfolgt entweder indirekt über übliche im Stand der Technik beschriebene Gaswärmeaustauscher, einfachstenfalls Rohre, die durch die Flüssigkeit geführt werden. Oder die Wärmeabgabe erfolgt durch direkten Kontakt zwischen erwärmtem Gas und Flüssigkeit. Hierzu wird das unter Druck stehende Gas direkt in die in einem Druckbehälter befindliche Flüssigkeit eingeblasen, an der es dann entlangströmt. Geeignet hierfür sind vor allem turmartige Gebilde ähnlich den als Stand der Technik beschriebenen Gaswäschern, in denen das Gas unten ein- tritt, entgegen der Schwerkraft aufsteigt und die Flüssigkeit hierdurch auch noch gut durchmischt, und dann oben austritt. Die Flüssigkeit in diesen Direktwärmetauschern steht unter dem Druck des komprimierten Gases. Bei mehrstufiger Kompression des Gases steht z.B. hinter jeder Kompressionsstufe ein solcher Direktwärmetauscher und der hinterste in der Reihe steht in Verbindung mit und unter dem Druck des Druckgasspeichers.

Hinter der Kompressionsmaschine und vor dem Direktwärmetauscher befindet sich vorzugsweise mindestens ein Rückschlagventil, das ein Zurückströmen von Flüssigkeit in die Kompressionsmaschine verhindert. Vorteilhaft ist zur weiteren Sicherheit auch ein Rückschlaggefäß zwischen Kompressionsmaschine und Direktwärmetauscher, in dem eventuell zurückströmendes Wasser aufgefangen wird, bevor es die Kompressionsmaschine erreichen kann.

Der unter hohem Druck stehende Direktwärmetauscher befindet sich vorzugsweise unterirdisch. Eine Trocknung von durch Wasser befeuchteter Luft durch übliche Gastrocknungsmethoden vor Eintritt in einen Druckluftspeicher ist nicht unbedingt nötig, vor allem, wenn die Wandungen des Druckluftspeichers wasserunempfindlich sind (z.B. Fels) oder hinreichend dick sind (z.B. Salzkaverne). In langen Zeitabständen könnte dann Wasser oder Sole, die sich am Boden angesammelt hat, abgepumpt werden.

Ein angenähert isotherm geführtes Druckgasflüssigkeitskraftwerk (z.B. Druckluftwasserkraftwerk) kann auch mit Druckgas (z.B. Druckluft) von wesentlich höherem Druck betrieben werden, als die bislang angedachten ein- oder mehrstufigen adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerke ! Der Grund hierfür liegt darin, daß sämtliche Kompressionswärme einfach bei niedriger Temperatur relativ zeitnah während des Komprimierens abgeführt wird und das Druckgas nie hohe, die Behältnisse/Leitungen oder Arbeitsmaschinen belastende Temperaturen aufweist! Denn es ist die Kombination aus hoher Temperatur und gleichzeitig hohem Druck, die die Beherrschbarkeit materialtechnisch so schwierig macht!

So kann Gas (z.B. Luft) auch angenähert isotherm ein- oder mehrstufig auf z.B. ungefähr 300 bar komprimiert werden.

Für die isotherme Volumenarbeit eines idealen Gases gilt:

W = n-R-T-ln(p_h0Ch/p_dedrig) =

(W Arbeit, n Molzahl, R allgemeine Gaskonstante, T absolute Temperatur, In natürlicher Logarithmus aus hohem Druck durch niedrigen Druck bzw. Volumen nach der Entspannung durch Vo- lumen vor der Entspannung; n-R beträgt für einen Kubikmeter Luft bei 1 bar und 300 Kelvin ungefähr 100 kJ)

Beispielrechnung für Luft: Demnach enthalten z.B. 300 Kubikmeter Luft von 1 bar, die isotherm auf 1 Kubikmeter mit 300 bar komprimiert wurden, bezogen auf eine spätere isotherme Expansion auf wieder 1 bar eine Energie von ungefähr 30.000 kJ · ln300 = 170.000 kJ. Die Energiedichte der Druckluft von 300 bar beträgt also für eine isotherme Expansion 170.000 kJ pro Kubikmeter. 300 Kubikmeter Luft, die isotherm von 1 bar auf 60 bar komprimiert wurden und danach 5 Kubikmeter einnehmen, enthalten bezogen auf eine spätere isotherme Expansion auf wieder 1 bar eine Energie von ungefähr 30.000 kJ · ln60 = 123.000 kJ. Diese nehmen aber das 5-fache Volumen ein, so daß die Energiedichte der Druckluft von 60 bar nur ungefähr 25.000 kJ pro Kubikmeter beträgt. Das bedeutet, daß die Energiedichte bei 300 bar immerhin fast 7-mal so hoch ist wie bei 60 bar! Ein Druckluftspeicher von 100.000 Kubikmetern Inhalt beherbergt daher bei 300 bar eine über einen isothermen Prozeß als mechanische Arbeit wiedergewinnbare Energie von ungefähr 17 Milliarden Kilojoule (17 Billionen Joule) gegenüber nur ungefähr 2,5 Milliarden Kilojoule (2,5 Billionen Joule) bei 60 bar.

17 Billionen Joule entsprechen der Lageenergie von 1,7 Billionen Kilogramm (1,7 Milliarden Tonnen) in 1 Meter Höhe oder von 17 Millionen Kubikmeter Wasser in einem 100 Meter hoch gelegenen Speichersee! Dies ist immerhin ein Speichersee von 1 Quadratkilometer Fläche und 17 Metern Durchschnittstiefe !

Man sieht, daß durch relativ kleine unterirdische Druckluftspeicher hohen Druckes relativ große, landschaftsverbrauchende oberirdische Speicherbecken ersetzt werden können!

Man sieht auch, daß annähernd isotherm arbeitende Druckluftspeicherkraftwerke geringere Speicherkosten aufweisen können als adiabatisch arbeitende, weil sie mit höheren Drücken arbeiten können.

Ausgebeutete Erdgaslagerstätten können z.B. bis zu Drücken von 300 bar gefüllt werden!

Nicht alle Arten von Kavernen sind aber unter hohen Drücken dicht. Besonders dicht sind zwar auch Salzkavernen, doch kann man diese nur bis etwa 80 bar belasten.

Nimmt man (analog wie beim Projekt ADELE eines adiabatischen Druckluftspeicherkraftwerkes) einen Druckluftspeicher in einer Salzkaverne von 500.000 Kubikmetern an, der ungefähr unter 60 bar steht und aus dem 10% entladen werden (Arbeitsbereich ungefähr 57 bis 63 bar), so werden gemäß der Erfindung einigermaßen isotherm ungefähr 50.000 Kubikmeter Druckluft mit einem durchschnittlichen Druck von etwa 60 bar entnommen und später wieder eingespeist.

Diese 50.000 Kubikmeter von etwa 60 bar entsprechen etwa 3.000.000 Kubikmetern von 1 bar. Diese 3.000.000 Kubikmeter Luft wiegen ungefähr 3.900.000 Kilogramm. Eine isotherme Kompression (die, was den thermodynamischen Wirkungsgrad angeht, günstigste Art der Kompression) dieser Gasmenge benötigt ebenso viel Energie, wie sie später bei isothermer Expansion wieder abgeben kann. Gemäß den zuvor angegebenen Zahlenwerten beträgt diese Energie für die 3.000.000 Kubikmeter bei isothermer Kompression bei 300 Kelvin auf einen Druck von 60 bar

W = 3.000.000 . lOOkJ . In60 = 1,23 Mrd. kJ

Diese Energie wird bei isothermer Kompression vollständig von der Umgebung aufgenommen, denn die innere Energie des (idealen) Gases bleibt bei isothermer Kompression gleich und die zugeführte Energie fließt als Wärme in die Umgebung.

Will man diese Energie in einem endlichen Volumen Umgebung speichern, bleibt dieses aber nicht isotherm, sondern erwärmt sich. Speichert man die Energie in Wasser, so kann ein Kilo Wasser pro Grad Celsius Temperaturerhöhung ungefähr 4,2 kJ Energie aufnehmen. 293.000.000 Kilogramm Wasser, entsprechend 293.000 Kubikmetern, könnten bei einer Temperaturerhöhung von 1 Grad diese Energiemenge aufnehmen. Läßt man eine immer noch quasiisotherme Temperaturerhö- hung um 10 Grad Celsius zu, so wären nur noch 29.300 Kubikmeter Wasser vonnöten. Bei einer immer noch quasiisothermen Erhöhung um 20 Grad Celsius wären es noch 14.650 Kubikmeter Wasser. (Da nicht völlig isotherm komprimiert wird, liegt der Wert etwas, aber nicht viel, darüber.) Das entspräche ungefähr 7 olympischen Schwimmbecken oder einem kleinen Teich von 50 auf 50 Metern bei 5,86 Metern Tiefe (z.B. auch einfach mit Teichfolie, Lehmboden oder ähnli- chem ausgeführt) oder einem Würfel mit 24,5 Metern Seitenlänge. Ließe man eine höhere Temperaturerhöhung des Wassers zu, erniedrigte sich das benötigte Wasservolumen natürlich dementsprechend weiter.

Dieses Wasser würde dann wieder (chargenweise, da die Druckluft auch nur chargenweise abgezapft wird) zur Kompensation der Abkühlung bei der Gasexpansion verwendet. Der Expansions- räum des Druckluftwasserkraftwerks wäre in den meisten Ausführungsvarianten kleiner als der

Wasserwärmespeicher. Dies ist aber natürlich abhängig davon, wie warm man das Wasser werden lassen möchte und wie groß man den Expansionsraum des Druckluftkraftwerks bauen möchte. (Bei einem "offenen System" (z.B. Meer) benötigte man gar keine Vorratshaltung des Wassers.) Die 50.000 Kubikmeter Druckluft von durchschnittlich 60 bar, die aus dem Druckluftspeicher ge- maß obigem Beispiel entnommen werden könnten, enthielten eine„isotherme Energie" von 1.230.000.000 kJ oder 1,23 Billionen Joule.

1,23 Billionen Joule entsprechen der Lageenergie von 123 Milliarden Kilogramm (123 Millionen Tonnen) in 1 Meter Höhe oder von 1,23 Millionen Kubikmeter Wasser in einem 100 Meter hoch gelegenen Speichersee! Dies ist immerhin ein Speichersee von 1 Quadratkilometer Fläche und 1,23 Metern Durchschnittstiefe, bzw. eines kreisflächenförmigen Sees von 600 Metern Durchmesser und einer Durchschnittstiefe von 4,5 Metern. (Zum Vergleich: Das Speicherbecken des Pumpspeicherwerks Goldisthai hat ein etwa 10-faches Volumen.) Ein neben einem Pumpspeicherkraft- werk angeordnetes Druckluftwasserkraftwerk könnte somit diesen großen Wasservorrat sinnvoll zur Zwischenspeicherung der bei der isothermen Kompression abzuführenden Wärmeenergie nutzen. Die Temperaturänderungen des Wassers im Speichersee wären minimal! Die Figuren zeigen schematisch einige mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung.

Fig. la zeigt das Grundschema eines einfachen Kraftwerks gemäß Variante A mit einem Expansionsraum E und einer Arbeitsmaschine A.

Fig. lb zeigt das gleiche Kraftwerk, aber mit zwei Expansionsräumen El und E2 und einer Arbeitsmaschine A.

Fig. 2a zeigt das Grundschema eines einfachen Kraftwerks gemäß Variante B mit einem Expansionsraum E und einer Arbeitsmaschine A, die auch als Pumpe P arbeiten kann.

Fig. 2b zeigt das gleiche Grundschema, aber mit separater Pumpe P.

Fig. 2c zeigt ein Kraftwerk gemäß Variante B mit mehreren Expansionsräumen El bis En, und einer Arbeitsmaschine A die auch als Pumpe arbeiten kann.

Fig. 2d zeigt ein Kraftwerk gemäß Variante B mit mehreren Expansionsräumen El bis En, einer Arbeitsmaschine A und einer separaten Pumpe P.

Fig. 3a zeigt das Grundschema eines Kraftwerkes gemäß Variante A oder B mit mehreren, im dargestellten Fall drei, Expansionsräumen unterschiedlicher Größe für unterschiedliche Druckbereiche und mit pro Expansionsraum jeweils einer angeschlossenen Arbeitsmaschine für den jeweili- gen Druckbereich im vorgeschalteten Expansionsraum.

Fig. 3b zeigt das Grundschema eines Kraftwerkes wie in Fig. 3a, bei dem die Expansionsräume ineinandergeschachtelt sind.

Fig. 4a zeigt das Grundschema eines Kraftwerkes gemäß Variante A oder B, bei dem ein Expansionsraum mit zwei Arbeitsmaschinen für unterschiedliche Druckbereiche verbunden ist.

Fig. 4b zeigt eine Ausführung für Variante A, die ähnlich einem Zweizylindermotor funktioniert. Die Fig. 5a bis Fig. 5d stellen das Grundschema eines Kraftwerkes gemäß Variante A mit drei Expansionsräumen und drei Arbeitsmaschinen dar, die sich in unterschiedlichen Phasen des Arbeitszyklus oder der Befüllung befinden. Jeder Expansionsraum verfügt über seine eigene, nur ihm zugeordnete Arbeitsmaschine.

Die Fig. 6 und die Fig. 7a bis Fig. 7d stellen das Grundschema eines Kraftwerkes gemäß Variante A mit mehreren Expansionsräumen und mehreren Arbeitsmaschinen dar, die sich in unterschiedlichen Phasen des Arbeitszyklus oder der Befüllung befinden. Jede Arbeitsmaschine ist mit jedem der Expansionsräume verbunden. Fig. 6 stellt dabei ein Schema mit drei Arbeitsmaschinen an drei Expansionsräumen dar, die Fig. 7a bis Fig. 7d stellen ein Schema dar mit weniger Arbeitsmaschi- nen als Expansionsräumen, nämlich zwei Arbeitsmaschinen an drei Expansionsräumen.

Die Figuren 8 zeigen eine Auswahl unterschiedlicher Formen von Expansionsräumen. Prinzipiell handelt es sich bei Expansionsräumen aber um Druckbehälter, und andere Formen von Druckbe- hältern, wie sie im Stand der Technik für die geforderten Drücke beschrieben sind, sind auch möglich. Zuleitungen und Ableitungen in die Expansionsräume sind in den Figuren 8 (und auch in den Figuren 11, 13 und 14) nicht dargestellt. Druckgaszuleitungen und -ableitungen befinden sich aber im Regelfall an der Oberseite oder zumindest im oberen Bereich des Expansionsraumes, Flüssig- keitszuleitungen und -ableitungen befinden sich im Regelfall an der Unterseite oder zumindest im unteren Bereich des Expansionsraumes.

Die Fig. 9 zeigt einen Expansionsraum mit Steigrohr.

Die Fig. 10 zeigen einige Beispiele von Expansionräumen mit darin enthaltenen Kleingasbehältern für die Variante B der Erfindung.

Die Fig. 11 zeigen Expansionsräume die durch Vereisungsmäntel VM gestützt werden.

Fig. 12 zeigt das Schema eines Pumpspeicherkraftwerks, daß durch die Energie eines Druckgaskraftwerkes wieder aufgefüllt werden kann.

Die Fig. 13 zeigen einige Möglichkeiten der Gastemperierung.

Die Fig. 14 zeigen ein besonders einfache Ausführungsmöglichkeit für ein Verfahren gemäß Vari- ante B.

Fig. 15 zeigt eine Ausführung für ein Verfahren gemäß Variante A mit Expansionsräumen innerhalb des Druckgasspeichers D.

Die Fig. 16 zeigen schematische Druck/Volumenverläufe bei unterschiedlicher Prozeßführung. In den Figuren sind Leitungen 8 und 9, die andere kreuzen und nicht mit diesen verbunden sind, gestrichelt dargestellt.

In Fig. la ist das Grundschema einer sehr einfachen Ausführung eines Kraftwerkes nach Variante A dargestellt. Ein Druckgasspeicher D stellt das Druckgasreservoir dar, aus dem Teilmengen an Gas 2 chargenweise über ein bevorzugt kontinuierlich oder in mehreren Stufen regelbares Ventil V_DE in einen Expansionsraum E eingebracht werden. Das Ventil V_DE kann aber auch nichtregelbar sein und nur die möglichen Zustände offen und geschlossen aufweisen.

Beim Einleiten der Teilmenge des Druckgases 2 in den Expansionsraum E wird bereits Flüssigkeit 1 aus dem Expansionsraum E durch das bevorzugt regelbare Ventil V_EA hindurch in die Arbeitsmaschine A verdrängt. (Dieser Prozeß läuft bei fast konstantem Druck, also isobar bzw. quasiiso- bar, ab!) Danach findet im Expansionsraum E oberhalb der Flüssigkeit 1 unter Druckabnahme eine Expansion der eingelassenen Teilmenge des Gases 2 statt, die die Flüssigkeit 1 durch das bevorzugt regelbare Ventil V_EA in eine Arbeitsmaschine A verdrängt. Die Temperierung des Gases 2 im Expansionsraum E während der Expansion ist in diesem einfachen Schema nicht dargestellt, findet aber wie zuvor schon und auch später noch beschrieben statt.

Der Druck der Flüssigkeit 1, der am Eingang zur Arbeitsmaschine A aufgrund der relativen In- kompressibilität der Flüssigkeit 1 praktisch dem aktuellen Gasdruck im Expansionsraum E entspricht (abzüglich Reibungsverlusten), wird in der Arbeitsmaschine A vermittels Bewegung der Flüssigkeit 1 in mechanische Arbeit umgewandelt. Dabei fällt der Druck der Flüssigkeit 1 vom Zugang der Arbeitsmaschine A (die auch aus mehreren Unteraggregaten bestehen kann) bis zu deren Ende stark ab.

Aus der Arbeitsmaschine A fließt die Flüssigkeit 1 mit einem nur noch geringen Überdruck in ein Flüssigkeitsreservoir R weiter. Vorzugsweise befindet sich zwischen Arbeitsmaschine A und Reservoir R ein bevorzugt regelbares Ventil V_AR .

Mitttels der Ventile V_EA und V_AR läßt sich der Durchfluß durch die Arbeitsmaschine A regeln. Eine weitere Regelung erfolgt durch nicht abgebildete, aus dem Stand der Technik bekannte, übliche innere Stellglieder in der Arbeitsmaschine A. Handelt es sich bei der Arbeitsmaschine z.B. um eine Wasserturbine, so können hier auch noch die Stellwinkel der Schaufeln und Leitflächen die Durchflußmenge der Flüssigkeit 1 verändern. Die erzeugte mechanische Arbeit ergibt sich aus W = p * V oder genauer differentiell aus dW = dp * dV . Abgezogen werden müssen wieder Reibungsverluste und„DurchschlupfVerluste" durch die Arbeitsmaschine/Turbine.

Der Expansionsraum E wird bis zum gewünschten Enddruck des Gases 2 von Flüssigkeit 1 geleert. Es verbleibt aber vorzugsweise ein Teil Flüssigkeit 1 darin, der den Gaszutritt zur Arbeitsmaschine A verhindert.

Das in Fig. la dargestellte Kraftwerk kann nur so lange Arbeit verrichten, wie Flüssigkeit 1 durch die Arbeitsmaschine A fließt. Danach muß erst wieder der Expansionsraum E mit Flüssigkeit 1 aufgefüllt werden, bevor eine neue eingeleitete Teilmenge Druckgas 2 aus dem Druckgasspeicher D einen neuen Arbeitszyklus starten kann.

Eine Füllung des Expansionsraumes E geschieht mit Flüssigkeit 1 aus dem Reservoir R. Das Reservoir R ist in diesem Ausführungsbeispiel als umwandeter Behälter mit einem Entgasungsventil V_RL dargestellt. Das Reservoir R könnte aber auch oben offen sein. Ein geschlossener Behälter mit Ventil erlaubt aber besser, die Temperatur der Flüssigkeit zu halten, vor allem, wenn der Behälter noch mit wärmeisolierenden Wänden umgeben ist. Dann kann die Flüssigkeit 1 darin auch sehr langfristig auf Temperaturen gehalten werden, die höher sind, als die Umgebungstemperatur. In Fig. la ist das Reservoir R mit einem größeren Volumen als das des Expansionsraumes E dargestellt. Prinzipiell muß es aber nur das Volumen der aus dem Expansionsraum E verdrängten Flüssigkeit 1 enthalten. Ein größeres Flüssigkeitsvolumen ermöglicht es, die Temperatur der Flüssig- keit 1 konstanter zu halten, wenn dies aus Betriebsgründen gewünscht ist. Ein größeres Volumen ermöglicht aber auch eine erhöhte Speicherung von Wärmeenergie, z.B. von Abwärme oder von Heizenergie aus Überschußwindkraft oder Überschußsolarenergie, die beim Entladen des Druckgasspeichers D das expandierende Gas 2 dann zusätzliche mechanische Arbeit verrichten läßt. Zum Füllen des Expansionsraumes E nach Beendigung eines Expansionszyklus fließt Flüssigkeit 1 aus dem Reservoir R durch das Ventil V_RE in den Expansionsraum E zurück. Hierzu wird das Ventil V_EL an der Oberseite des Expansionsraumes E geöffnet, damit das darin enthaltene entspannte Gas 2 entweichen kann. Liegt der Flüssigkeitspegel 10 im Reservoir oberhalb der Oberkante des Expansionsraumes E, so wird das Gas 1 passiv vollständig verdrängt („kommunizierende Röhren"). Liegt der Flüssigkeitspegel 10 unterhalb der Oberkante des Expansionsraumes E, so wird aktiv Flüssigkeit 1 aus dem Reservoir R in den Expansionsraum E gepumpt, bis dieser gefüllt ist. Optional kann das Gas 2, das durch das Ventil V_EL abgeleitet wird, noch durch eine Gasturbine geleitet werden, wo es ebenfalls noch einen Rest mechanische Energie erzeugt, die in elektrische Energie umgewandelt werden kann.

In Fig. lb ist eine Ausführung des einfachen Kraftwerkes aufgeführt, die kontinuierlich arbeiten kann, bis der Druckgasspeicher D auf seinen aus Stabilitätsgründen mindestens erforderlichen Mindestinnendruck geleert ist. Hierzu weist dieses Kraftwerk einen zweiten Expansionsraum E2 auf. (Prinzipiell können es auch mehr als zwei Expansionsräume sein.) Dann können die beiden Expansionsräume El und E2 wechselweise arbeiten und neu mit Flüssigkeit 1 und dann einer Druckgascharge 2 befüllt werden, während zur gleichen Zeit im jeweils anderen Expansionsraum der Expansionszyklus abläuft.

Während also im zweiten Expansionsraum E2 die Wiederbefüllung mit Flüssigkeit 1 aus dem Reservoir R über das Ventil V_RE2 stattfindet, bei der gleichzeitig das entspannte Gas 2 über das Ventil V_E2L (bevorzugt über eine energieerzeugende Gasturbine) entweicht, läuft im Expansionsraum El ein Expansionszyklus ab, bei dem Flüssigkeit 1 durch die Arbeitsmaschine A gedrückt wird. Die Wiederbefüllung geschieht in einer kürzeren Zeit, als der, die ein Expansionszyklus benötigt. Dadurch ist der wiederbefüllte Expansionsraum El bzw. E2 stets rechtzeitig startklar für einen neuen Expansionszyklus, bevor der Expansionszyklus im anderen Expansionsraum beendet ist. Zur Beendigung des Expansionszyklus im Expansionsraum El wird das Ventil V_Ei_A zwischen Expansionsraum El und Arbeitsmaschine A geschlossen und gleichzeitig oder kurz zuvor das Ventil V_E2A zwischen Expansionsraum E2 und Arbeitsmaschine A geöffnet, so daß dann durch die in den Expansionsraum E2 eingebrachte Druckgascharge 2 Flüssigkeit 1 in die Arbeitsmaschine A gedrückt wird und dann das Reservoir R erreicht. Gleichzeitig mit dem Ventil V_E2A oder auch etwas zuvor wird auch das Ventil V_DE2 zwischen Druckgasspeicher D und Expansionsraum E2 geöffnet. Das Ventil V_DE2 wird dann aber wieder geschlossen, sobald die erforderliche Menge Druckgas 2 in den Expansionsraum E2 eingetreten ist. Danach findet die Expansion dieser Druckgascharge 2 statt, während in der Zwischenzeit der Expansionsraum El mit Flüssigkeit 1 wiederbefüllt wird. In Fig. lb wird nur eine Arbeitsmaschine A von zwei Expansionsräumen El und E2 bedient. Vorteilhafter, aber etwas aufwendiger, ist es, jeden Expansionsraum mit einer eigenen Arbeitsmaschine auszustatten.

Die Wiederbefüllung der Expansionsräume mit Flüssigkeit 1 geschieht abhängig von deren relati- ver Höhenlage passiv durch Schwerkraft oder durch Pumpen, die nicht dargestellt sind. In Fig. 2a ist das Grundschema einer sehr einfachen Ausführung der Erfindung gemäß Variante B dargestellt. Es existiert nur ein Expansionsraum E, der auch gleichzeitig der Druckgasspeicher D ist, in dem alles energiespeichernde Druckgas enthalten ist. Es ist ein geschlossenes Reservoir R dargestellt, aber natürlich ist auch ein völlig offenes möglich, das dann aber vorzugsweise mit Wasser oder einer Salzlösung gefüllt ist.

Zur Erzeugung von Energie wird die im kleingasbehälterenthaltenden Expansionsraum E enthaltene Flüssigkeit aufgrund der Gasexpansion in den nicht dargestellten Kleingasbehältern durch die Arbeitsmaschine A gedrückt, wodurch mechanische Arbeit erzeugt wird, die mittels eines elektrischen Generators elektrische Energie erzeugen kann. Der Durchfluß durch die Arbeitsmaschine A wird vorzugsweise durch ein Ventil V_EA zwischen Expansionsraum und Arbeitsmaschine A und ein Ventil V_AR zwischen Arbeitsmaschine A und Flüssigkeitsreservoir R geregelt. Weiterhin kann eine Regelung über Stellglieder in der Arbeitsmaschine erfolgen. Bei einer Wasserturbine wären dies z.B. die Anstellwinkel der Turbinenschaufeln und Leitvorrichtungen.

Das Gas in den Kleingasbehältern kann vollständig bis zum betriebsbedingt möglichen Enddruck expandiert werden, oder es kann auch schon vorher die Expansion gestoppt werden.

Zur Beladung des Speichers D mit Druckgasenergie wird Flüssigkeit aus dem Reservoir R mit der als Pumpe P betriebenen Arbeitsmaschine A zurück in den Expansionsraum E gepumpt, wobei das expandierte Gas in den Kleingasbehältern komprimiert wird und die dabei erzeugte Wärme in die umgebende Flüssigkeit überträgt. Die Kompression geschieht so langsam, daß der Kompressions- Vorgang quasiisotherm abläuft, da dies für einen guten Wirkungsgrad günstig ist. Die Kompression kann dabei kontinuierlich oder intervallmäßig erfolgen.

Der gleichzeitig als Druckgasspeicher D dienende Expansionsraum E kann so groß sein, wie es statisch möglich ist. Befindet sich der Expansionsraum E unter der Erde oder unter einer großen Wasserschicht, so kann er auch bei hohen Speicherdrücken von 60 bar oder mehr sehr große Vo- lumina besitzen, z.B. zwischen 100.000 und 1.000.000 Kubikmeter. Befindet sich der Expansionsraum E oberirdisch oder oberflächennah, so liegen die sinnvollen Größen unter 100.000 Kubikmetern, vorzugsweise unter 10.000 Kubikmetern, noch bevorzugter unter 1000 Kubikmetern.

In der Figur ist am Expansionsraum E ein Entgasungsventil V_EL dargestellt. Dieses ist nicht unbedingt nötig. Es ermöglicht aber, eventuell in den Expansionsraum E aus den Kleingasbehälter ein- getretenes Gas über dieses Ventil abzulassen, um eine vollständige Flüssigkeitsfüllung des Expansionsraumes E außerhalb der Kleingasbehälter erreichen zu können.

In Fig. 2b ist das gleiche Kraftwerk, aber mit einer von der Arbeitsmaschine A separaten Pumpe P dargestellt. Eine separate Pumpe P bedeutet zwar höhere Kosten, aber dafür hat man den Vorteil, daß eventuell notwendige Wartungsarbeiten an der Pumpe P durchgeführt werden können, wenn gerade die Arbeitsmaschine A zur Energieerzeugung in Betrieb ist, und an der Arbeitsmaschine, wenn gerade die Pumpe zur Energieeinspeicherung läuft. In Fig. 2c ist ein ähnliches Kraftwerk wie in Fig. 2a gemäß Variante B der Erfindung dargestellt. Das gesamte Druckgas ist allerdings in mehrere (Anzahl n) Anteile aufgespalten, die sich innerhalb von nicht dargestellten Kleingasbehältern in unterschiedlichen Expansionsräumen El bis En befinden, die entsprechend gleichzeitig Druckgasspeicher D 1 bis Dn sind.

Die Expansionsräume müssen nicht gleich groß sein, sondern sie können auch sehr unterschiedliche Volumen aufweisen.

Es gibt eine Arbeitsmaschine A, die von allen Expansionsräumen El bis En mit Flüssigkeit bedient wird. Dieselbe Arbeitsmaschine A, die im Entlademodus des Druckgasspeicherkraftwerks mechanische Arbeit erzeugt, wird im Belademodus des Kraftwerks als Pumpe eingesetzt, die Flüssigkeit aus dem Reservoir R zurück in die Expansionsräume El bis En pumpt. Die Expansionsräume können dabei alle gleichzeitig neu befüllt werden, oder es kann erst nur einer befüllt werden und dann erst der nächste. Eine gleichzeitige Befüllung führt zu einer besseren Quasiisothermie, weil der Druckanstieg in den einzelnen Expansionsräumen langsamer erfolgt und damit auch die Aufheizung des Gases, das dann mehr Zeit hat, die Wärme auf die Flüssigkeit zu übertragen.

Gleiches wie für die Befüllung gilt für die Entleerung der Flüssigkeit aus den Expansionsräumen während der Gasexpansion: Wenn alle Expansionräume gleichzeitig Flüssigkeit in die Arbeitsmaschine A drücken, erfolgt die Änderung des Druckes (und damit die Änderung der Temperatur des Gases in den gasvolumenveränderlichen Kleingasbehältern) in jedem einzelnen Expansionsraum langsamer, als wenn nur ein Expansionsraum die gleiche Flüssigkeitsmenge durch die Arbeitsma- schine A drücken würde. Entsprechend ist die Quasiisothermie besser gewährleistet, wenn alle Expansionsräume die Arbeitsmaschine A gleichzeitig bedienen.

Ein Wiederbefüllen der Expansionsräume mit Flüssigkeit nacheinander hat wiederum den Vorteil, daß man stets einen Expansionsraum unter Volldruck halten kann.

In Fig. 2d ist eine ähnliche Ausführung wie in Fig. 2c dargestellt, bei der aber eine separate Pumpe die Wiederbefüllung der Expansionsräume El bis En mit Flüssigkeit über separate Ventile V_REI bis V_REH besorgt. Es kann aber natürlich bei anderer Führung der Zuleitungen auch eine Wiederbefüllung mit Flüssigkeit aus dem Reservoir R über die Ventile V_mA bis V_EnA erfolgen.

In Fig. 3a ist eine Ausführung eines Kraftwerks mit drei Expansionsräumen dargestellt, aus denen die Flüssigkeit sukzessive durch das expandierende Gas verdrängt wird. Es kann sich dabei sowohl um ein Kraftwerk gemäß Variante A, als auch ein Kraftwerk gemäß Variante B handeln. Im Falle eine Kraftwerks gemäß Variante A weist der Expansionsraum El ein Ventil V_DEi zum Druckgasspeicher auf. Daher ist dieses Ventil und die Zuleitung 9 in der Figur gestrichelt dargestellt. Je nachdem, welche Variante dargestellt ist, handelt es sich bei den Verbindungsleitungen der Expan- sionsräume untereinander nur um Flüssigkeitsleitungen 8 (Variante B) oder Leitungen, 8und 9, durch die, je nach Zeitpunkt im Expansionszyklus, entweder Flüssigkeit 1 oder Gas 2 strömt (Variante A). Das Ventil V_mL , durch das bei einer Ausführung gemäß Variante A das expandierte Gas aus den Expansionsräumen während der Wiederbefüllung mit Flüssigkeit abgeleitet wird, macht aber auch bei einer Ausführung gemäß Variante B Sinn, weil durch ein solches Ventil eventuell mit der Zeit (aufgrund von etwaigen Undichtigkeiten der Kleingasbehälter) angesammeltes Gas leichtentfernt werden kann.

Die Expansionsräume E2 und E3 können ebenfalls noch Entgasungsventile aufweisen (nicht dargestellt), die eine Wiederbefüllung mit Flüssigkeit erleichtern.

Bei einer Ausführung eines Kraftwerkes wie der in Fig. 3a findet die Gasexpansion in unterschiedlichen Expansionsräumen statt, die für unterschiedliche Drücke ausgelegt sind. Im ersten Expansi- onsraum El herrscht der höchste Druck. Daher ist dieser Expansionsraum am stabilsten ausgeführt. Indem man diesen Expansionsraum El kleiner baut als die darauf folgenden, kann man dennoch die Wandstärken dieses Expansionsraumes relativ gering und dadurch kostengünstig halten (z.B. gemäß„Kesselformel"-Näherung, DIN 2413). Während der Expansion des Gases in diesem Expansionsraum E l ist das Ventil V_mE2 zum nächsten Expansionsraum E2 geschlossen. Die durch die Gasexpansion verdrängte Flüssigkeit wird durch das geöffnete Ventil V_Ei_Ai in die Arbeitsmaschine AI gedrückt, wo sie mechanische Energie erzeugt, mit der elektrische Energie erzeugt werden kann. Die Flüssigkeit verläßt die Arbeitsmaschine AI in ein Reservoir R, vorzugsweise über ein Ventil V_AIR .

Die Gasexpansion im Expansionsraum El wird nur bis zu einem bestimmten, immer noch relativ hohen Druck durchgeführt. Bei einem Anfangsdruck von 60 bar kann der Enddruck in dieser Stufe z.B. bei ungefähr 20 bar liegen. Nachdem dieser Druck erreicht wurde, wird das Ventil V_Ei_Ai geschlossen und das Ventil V_mE2 zwischen Expansionsraum E l und E2 geöffnet. Nun steht auch die Flüssigkeit im Expansionsraum E2 unter dem Druck, der zuvor noch im Expansionsraum El herrschte. (Im Falle einer Ausführung gemäß Variante B wird darauf geachtet, daß der Inhalt des Expansionsraumes E2 schon zuvor unter dem Enddruck des Expansionsraumes El stand, denn sonst würde das Gas in den Kleingasbehältern von Expansionsraum E2 eine plötzliche Volumenänderung erfahren!) Außerdem wird das Ventil V_E2A2 zwischen Expansionsraum E2 und Arbeitsmaschine A2 geöffnet. Das Ventil V_E2E3 zum Expansionsraum E3 ist hingegen geschlossen. Es wird dann durch die Expansion des Gases im Expansionsraum El und E2 (es tritt dabei in Variante A Gas durch das Ventil V_EiE2 aus dem Expansionsraum El in den Expansionsraum E2 ein) die Flüssigkeit des Expansionsraumes E2 durch die Arbeitsmaschine A2 gedrückt und verläßt diese dann in das Flüssigkeitsreservoir R, vorzugsweise über ein Ventil V_A2R .

Auch diese Gasexpansion findet nur bis zu einem bestimmten Druck statt, der noch nicht der Enddruck des Gesamtverfahrens ist. Betrug der Anfangsdruck bei dieser Expansionsstufe z.B. 20 bar, so kann der Enddruck in dieser Stufe z.B. bei 6 bar liegen. Ist dieser Enddruck dieser Stufe erreicht, so wird das Ventil V_E2A2 zur Arbeitsmaschine A2 geschlossen und das Ventil V_E2E3 zum Expansionsraum E3 geöffnet. Außerdem wird das Ventil V_E3A3 zwischen Expansionsraum E3 und der Arbeitsmaschine A3 geöffnet.

Nun expandiert das Gas in den Expansionsräumen El , E2 und E3 und verdrängt dabei die Flüssigkeit aus dem Expansionsraum E3. Bei Variante A strömt dabei Gas aus dem Expansionsraum E2 in den Expansionsraum E3. Die verdrängte Flüssigkeit erzeugt in der Arbeitsmaschine A3 mechanische Arbeit, die zur Erzeugung elektrischer Energie verwendet werden kann. Die Flüssigkeit fließt hinter der Arbeitsmaschine in das Reservoir R. Stand die Flüssigkeit (und das Gas) zu Anfang dieser Expansionsstufe noch unter einem Druck von z.B. 6 bar, so verläßt sie die Arbeitsmaschine z.B. nur noch mit einem Druck von 1,5 bar oder 2 bar.

Nachdem der größte Teil der Flüssigkeit aus dem Expansionsraum E3 verdrängt und der Sollenddruck des Gesamtverfahrens erreicht ist, kann der Wiederbefüllungsprozeß der Expansionsräume El, E2 und E3 erfolgen:

Liegt der Flüssigkeitsspiegel im Reservoir R höher als in den Expansionsräumen (ansonsten verwendet man hierzu eine Pumpe), so kann durch einfaches Öffnen des Ventils V_RE3 zwischen Re- servoir R und Expansionsraum E3 und des Entgasungsventils V_Ei_L am Expansionsraum El die

Flüssigkeit aus dem Reservoir R in die Expansionsräume zurückfließen. Dies erfolgt in umgekehrter Reihenfolge wie bei der Gasexpansion, also von E3 nach E2 nach El . Sind die Expansionsräume vollständig flüssigkeitsgefüllt, so werden die Ventile V_Ei_L und V_RE3 wieder geschlossen.

Es ist auch möglich, die Expansionsräume gleichzeitig mit Flüssigkeit zu befüllen. Hierzu sollten aber alle Expansionsräume über Entgasungsventile verfügen und jeder Expansionsraum benötigt eine Verbindung zum Reservoir R. Prinzipiell kann die Wiederbefüllung auch über einen Bypass an der jeweiligen Arbeitsmaschine vorbei erfolgen. Man spart dann Rohrleitungen 8 ein.

In der Fig. 3a ist jeder Expansionsraum mit einer eigenen Arbeitsmaschine versehen, die für den Druckbereich, der in dem jeweiligen Expansionsraum durchlaufen wird, optimiert ist. Es ist aber auch möglich, alle Expansionsräume mit derselben Arbeitsmaschine über zusammengeführte Leitungen 8 und Ventile in Verbindung zu bringen, oder auch zwei Expansionsräume mit einer Arbeitsmaschine zu verbinden und den dritten mit einer zweiten. Man verliert dabei zwar etwas an Wirkungsgrad, aber das Gesamtverfahren vereinfacht sich.

Fig. 3b zeigt eine Ausführung wie in Fig. 3a, aber die Expansionsräume sind ineinander geschach- telt angeordnet. Wenn der jeweils äußere Expansionsraum unter Druck steht, wenn der innere auch unter Druck steht, so stabilisiert der Druck im äußeren umgebenden Expansionsraum die Wand des inneren Expansionsraumes und die Wände können dünner und damit kostengünstiger hergestellt werden!

Auch hier kann natürlich die Energieerzeugung mit nur einer einzigen oder zwei Arbeitsmaschinen erfolgen.

Das Reservoir in den Figuren 3 kann natürlich auch offen sein, im Falle von Wasser auch ein offenes Gewässer. Die Ventile V_Ei_E2f und V_E2E3f zwischen den Expansionsräumen El und E2 bzw. E2 und E3 stellen Ventile dar, durch die während des Füllprozesses der Expansionsräume mit Flüssigkeit das in den Expansionsräumen El und E2 enthaltene Gas in den jeweils umgebenden Expansionsraum E2 bzw E3 entweichen kann, so daß schließlich alles Gas aus allen Expansionsräumen durch das Ventil V_E3L in die Umgebung abgelassen werden kann.

In Fig. 4a ist eine Ausführung dargestellt, die sowohl für Variante A und auch Variante B möglich ist. Für Variante B besteht keine Verbindung zum Druckgasspeicher D, sondern der Expansionsraum E ist selbst der Druckgasspeicher, in dem das Druckgas in Kleingasbehältern gespeichert ist. Das Kraftwerk gemäß Fig. 4 verfügt über zwei Arbeitsmaschinen (mehr sind natürlich auch möglich), um den Wirkungsgrad der Umwandlung der Energie aus dem Druckgas zu verbessern, denn Arbeitsmaschinen haben üblicherweise bestimmte Bereiche, in denen sie den höchsten Wirkungsgrad aufweisen, und mit mehreren Arbeitsmaschinen mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen lassen sich die beim Betrieb auftretenden Bedingungen besser abdecken.

Das expandierende und dabei Arbeit verrichtende Gas drückt also zuerst die Flüssigkeit über das Ventil V_EAi durch die für diesen Druckbereich optimierte Arbeitsmaschine AI und weiter über das optionale Ventil V_Am in das Reservoir R. Dabei sind die Ventile V_EA2 , das ebenfalls optionale Ventil V_A2_R und das Ventil V_RB zwischen Expansionsraum und Reservoir geschlossen.

Vorzugsweise wird bereits kurz vor dem Erreichen des Enddruckes, ab dem die Arbeitsmaschine A2 den höheren Wirkungsgrad aufweist, das Ventil V_EA2 langsam geöffnet, so daß ein kontinuierliches Anfahren der Arbeitsmaschine A2 gewährleistet ist. Auch das Ventil V_EAi wird vorzugsweise nicht abrupt geschlossen, sondern kontinuierlich betätigt.

Wenn das Gas im Expansionsraum E seinen Enddruck des Gesamtverfahrens erreicht hat, kann der Expansionsraum E erneut aus dem Reservoir R mit Flüssigkeit befüllt werden. Dies kann durch Bypässe um die Arbeitsmaschinen herum erfolgen oder wie in der Figur dargestellt durch eine separate Leitung vom Reservoir R zum Expansionsraum E. Hierzu wird dann das Ventil V_RB geöffnet. Wenn die Flüssigkeit im Reservoir R höher steht, als im Expansionsraum E, so füllt sich der Expansionsraum E im Falle der Variante A auch ohne aktives Pumpen auf, weil das expandierte Gas (im Verfahren gemäß Variante A) über das Ventil V_EL entweicht. Im Falle der Variante B dient das Ventil V_EL nur als Notentgasungsventil für aus den Kleingasbehältern ungewünscht entwichenes Gas und ist im Regelfall geschlossen. Im Falle von Variante B muß daher die Flüssigkeit mittels Pumpen gegen den ansteigenden Druck des Gases in den Kleingasbehältern eingefüllt werden.

Fig. 4a stellt auch den Fall dar, bei dem zwei (oder natürlich auch mehr) Arbeitsmaschinen glei- eher Bauart mit einem Expansionsraum verbunden sind und auch gleichzeitig durchströmt werden. Da die mechanische Leistung (die von einem Generator in elektrische Leistung umgewandelt werden kann) vom Druck und der durchströmenden Volumenmenge abhängt (es gilt ja dW = d (p*V) , also die Änderung der Arbeit ist gleich der Änderung des Produktes aus Druck und Volumen), und der Druck anfangs sehr hoch und am Ende sehr niedrig ist, muß zwangsläufig auch die durch die Arbeitsmaschine strömende Flüssigkeitsmenge anfangs klein und am Ende dafür groß sein, wenn die Leistung konstant gehalten werden soll. Dies kann bei hierfür geeigneten Arbeitsmaschinen in einer einzigen Arbeitsmaschine durch Regelung des Durchflusses erzielt werden. Einfachere Arbeitsmaschinen ermöglichen aber nur eine Änderung des Durchflusses innerhalb eines engeren Bereiches, als erforderlich wäre. Für diesen Fall sieht die Erfindung vor, wie in der Fig. 4a abgebildet, zwei (oder auch mehr) Arbeitsmaschinen an den Expansionsraum E anzuschließen. Zuerst wird nur eine Arbeitsmaschine durchströmt und mit zunehmendem Volumenstrom werden weitere Arbeitsmaschinen hinzugeschaltet. Da diese weiteren, später hinzugeschalteten Arbeitsmaschinen nicht den hohen Anfangsdruck aushalten müssen, dürfen sie auch weniger stabil ausgeführt sein, sie können dafür aber z.B. für größere Volumenströme geeignet sein.

Auch bei den Ausführungen von Fig. 4a kann das Reservoir R offen sein und im Falle von Wasser auch ein offenes Gewässer darstellen.

Fig. 4b stellt eine Ausführung der Erfindung für Variante A dar, bei der zwei Expansionsräume Ei und E₂ wechselweise Arbeitszyklen mittels des darin expandierenden Gases 2 verrichten und wobei der jeweils andere Expansionsraum dann als Flüssigkeitsreservoir R₂ bzw. Ri des anderen dient.

Im dargestellten Zustand expandiert gerade Gas 2 im Expansionsraum E₂ und drückt dabei Flüs- sigkeit 1 durch die Arbeitsmaschine A₂ in den Expansionsraum Ei hinein, der zu diesem Zeitpunkt als Flüssigkeitsreservoir R₂ dient. Hierzu ist das Entgasungsventil V_mL geöffnet und das Ventil V_DEi zum Druckgasspeicher D geschlossen. Nachdem dann das Gas 2 im Expansionsraum E₂ auf Sollenddruck expandiert ist (der Expansionsraum Ei ist dann mit Flüssigkeit gefüllt), wird das Ventil V_E2A2 zur Arbeitsmaschine A₂ geschlossen. Außerdem wird das Ventil V_E2L vom Expansi- onsraum E₂ zur Umgebung geöffnet. Weiterhin wird das Ventil V_Ei_Ai vom Expansionsraum Ej zur Arbeitsmaschine Ai und das Ventil V_Dm zwischen Druckgasspeicher D und Expansionsraum Ei geöffnet und eine Druckgascharge in den Expansionsraum Ei eingebracht, die anschließend nach Schließen des Ventils V_Dm expandiert und dabei die Flüssigkeit 1 durch die Arbeitsmaschine Ai hindurch wieder zurück in den Expansionsraum E₂ drückt, der zu dieser Zeit als Flüssigkeitsreser- voir Ri des Expansionsraumes Ei dient.

Das Gesamtsystem arbeitet dann wie ein Zweizylindermotor mit dem Druckgas 2 als„Explosivstoff und Flüssigkeit 1 als„Zylindern".

Man kann auch mehr als zwei Arbeitsmaschinen zwischen den Expansionsräumen anordnen, die die auftretenden Druckbereiche und Volumenströme mit höherem Wirkungsgrad ausnützen. Selbstverständlich ist es auch möglich, mit mehr als zwei Expansionsräumen zu arbeiten, die sich in ihrer Funktion als Expansionsräume E und Reservoirs R zeitlich ablösen. Wenn man eine bidirektionale Arbeitsmaschine zur Verfügung hat, so kann man auch zwei Arbeitsmaschinen zwischen zwei Expansionsräumen durch eine solche bidirektionale ersetzen.

In Fig. 5a ist schematisch eine Ausführung gemäß Verfahrensvariante A dargestellt, bei der sich drei Expansionsräume El bis E3 zum gleichen Zeitpunkt betrachtet in verschiedenen Arbeitszyklen befinden. Jeder Expansionsraum hat eine eigene ihm zugeordnete Arbeitsmaschine. Prinzipiell läßt sich dieser Aufbau (ohne Verbindungsleitung zu einem externen Druckgasspeicher) aber auch für die Variante B einsetzen, doch ist der Aufbau für die Variante A geeigneter.

Durch eine solche Anordnung wird die Leistungsabgabe des Kraftwerkes vergleichmäßigt, da zu einem bestimmten Zeitpunkt nicht nur das expandierende Gas in einem einzigen Expansionsraum Arbeit an Flüssigkeit verrichtet. Vergleichbar ist eine solche Anordnung mit einem Mehrzylindermotor.

Im dargestellten Fall handelt es sich sozusagen um einen Dreizylindermotor, bei dem zu jedem Zeitpunkt drei Zylinder Arbeit verrichten oder zwei Zylinder Arbeit verrichten und einer der Zy- linder gerade wieder aus dem Reservoir R (das in dieser Figur als offen dargestellt ist, aber auch geschlossen und mit Entgasungsventil versehen sein kann) mit Flüssigkeit befüllt wird, wenn er gerade keine Arbeit verrichtet.

In Fig. 5a expandiert gerade Gas 2 in den Expansionsräumen E2 und E3, wobei das Gas 2 im Expansionsraum E2 noch in einer früheren Phase der Expansion ist und daher einen höheren Druck aufweist als das im Expansionsraum E3. Die Flüssigkeitsspiegel 10 in diesen Expansionsräumen bewegen sich abwärts (Pfeile) und Flüssigkeit 1 aus diesen Expansionsräumen wird in die Arbeitsmaschinen A2 bzw. A3 gedrückt. Während der Arbeitsphasen der Expansionsräume E2 und E3 wird der Expansionsraum El bei geöffnetem Ventil V_mL gerade wieder mit Flüssigkeit 1 befüllt. Dies kann passiv durch einfaches Volllaufen erfolgen, wenn der Flüssigkeitsspiegel 10 im Reservoir R höher liegt als die Oberkante des Expansionsraumes El, oder es kann durch aktives Pumpen gegen den nur geringen Gasinnendruck oder/und hydrostatischen Druck im Expansionsraum El erfolgen. In der Figur ist der Expansionsraum El gerade wieder fast vollständig mit Flüssigkeit 1 gefüllt, aber der Flüssigkeitsspiegel 10 bewegt sich noch aufwärts (Pfeil).

Fig. 5b zeigt das gleiche Kraftwerk einige Zeit später: Nun hat auch im Expansionsraum El ein Arbeitszyklus begonnen, nachdem aus dem Druckgasspeicher D über das Ventil V_DEi Druckgas 2 in den Expansionsraum El eingebracht wurde. Flüssigkeit 1 aus dem Expansionsraum El wird durch die Arbeitsmaschine AI gedrückt. Die Expansionsräume E2 und E3 befinden sich auch noch in einem Arbeitszyklus, daher bewegt sich nun in allen Expansionsräumen der Flüssigkeitsspiegel 10 nach unten.

Fig. 5c zeigt einen gegenüber Fig. 5b späteren Zeitpunkt, zu dem der Expansionsraum E3 gerade wieder aus dem Reservoir R befüllt wird. Der Expansionsraum E2 befindet sich in der Endphase seines Arbeitszyklus. Der Expansionsraum El befindet sich mitten im Arbeitszyklus. Fig. 5d zeigt einen gegenüber Fig. 5c späteren Zeitpunkt, zu dem der Expansionsraum E3 schon wieder mit Flüssigkeit 1 befüllt und dann mit einer Charge Druckgas 2 beschickt worden war und sich erneut in einem Arbeitszyklus befindet. Auch der Expansionsraum E2 befindet sich kurz nach seiner Befüllung wieder in einem beginnenden Arbeitszyklus mit hohem Innendruck des Gases 2. Der Expansionsraum El befindet sich hingegen vor dem Ende der Arbeitsverrichtung an der Flüssigkeit 1.

Einige Zeit später liegt wieder der Zustand der Fig. 5a vor. Je nach Leistungsanforderung kann man aber auch die Arbeitszyklen in den einzelnen Expansionsräumen gegeneinander verschieben, so daß der Zustand der Fig. 5a nicht erreicht wird, sondern nur ein ähnlicher.

Durch Wiederholen der Vorgänge gemäß Fig 5a bis Fig. 5d kann der Druckgasspeicher D sukzessive bis zu seinem möglichen Mindestenddruck entladen werden. Er kann aber auch schon vorher wieder neu beladen werden, wenn keine Leistungsabgabe des Druckgasflüssigkeitskraftwerks mehr angefordert wird und gerade ein Überschuß an Energie aus Wind- oder Sonnenkraft (oder natürlich auch einer anderen Energiequelle) zur Verfügung steht.

In der Fig.6 und den Fig. 7a bis 7d wird ein Kraftwerk ähnlich wie in den Fig. 5 dargestellt, doch ist hier jeder Expansionsraum El bis E3 mit mehreren Arbeitsmaschinen AI bis A3 verbunden, die für unterschiedliche Druckbereiche optimiert sind. In Fig. 6 ist ein Schema mit drei Arbeitsmaschinen AI bis A3 dargestellt, in den Fig. 7a bis 7d mit zwei Arbeitsmaschinen AI und A2.

Jeder Expansionsraum drückt dann Flüssigkeit 1 zeitlich nacheinander durch diese Arbeitsmaschinen AI bis A3 hindurch. Die jeweils durchströmte Arbeitsmaschine ist abhängig vom gerade im Expansionsraum herrschenden Druck und dem optimalen Arbeitsbereich der entsprechenden Arbeitsmaschine ausgewählt. In den Figuren ist ein offenes Reservoir R dargestellt, doch es kann sich natürlich auch um ein geschlossenes mit Entgasungsventil handeln.

In Fig. 6 wird gerade der Expansionsraum E3 wieder aus dem Reservoir R neu befüllt, daher bewegt sich der Flüssigkeitsspiegel 10 dort nach oben (Pfeil). Die Ventile V_E3Ai _, V_E3A2 und V_E3A3 zu den Arbeitsmaschinen AI, A2 und A3 sind zu diesem Zeitpunkt geschlossen, das Ventil V_RB3 , durch das die Flüssigkeit 1 aus dem Reservoir R einströmt und das Ventil V_E3L , durch das das im vorausgehenden Arbeitszyklus expandierte Gas 2 aus dem Expansionsraum E3 entweicht, sind hingegen geöffnet.

Je nach Lage des Flüssigkeitsspiegels 10 im Reservoir R und der Oberkante des Expansionsraumes E3 füllt sich der Expansionsraum E3 passiv, oder/und es wird aktiv mit einer Pumpe nachgeholfen. Der Expansionsraum E2 befindet sich am Anfang eines Arbeitszyklus und der Flüssigkeitsspiegel 10 senkt sich durch das drückende Gas 2, das die Flüssigkeit 1 durch die Arbeitsmaschine AI drückt, die für hohe Drücke (z.B. 60 bis 20 bar) optimiert ist. Die Ventile V_E2A2 und V_E2A3 ZU den Arbeitsmaschinen A2 und A3 sind zu diesem Zeitpunkt geschlossen, ebenfalls, nach Beendigung der Einbringung der vollständigen Druckgascharge 2, das Ventil V_DE2 zum Druckgasspeicher D. Der Expansionsraum El befindet sich gerade ungefähr im Mitteldruckbereich des Arbeitszyklus. Daher strömt die Flüssigkeit 1, die aus ihm verdrängt wird, durch die Arbeitsmaschine A2, die für mittlere Drücke (z.B. 20 bis 5 bar) optimiert ist. Die Ventile V_Ei_Ai und V_mA3 zu den Arbeitsmaschinen AI und A3 (optimiert für Drücke von z.B. 5 bis 1,5 bar) sind zu diesem Zeitpunkt ge- schlössen.

In Fig. 7a ist ein gegenüber Fig. 6 späterer Zeitpunkt dargestellt, zu dem gerade die Füllung des Expansionsraumes E3 vollendet ist. Außerdem weist dieses Kraftwerk keine Arbeitsmaschine A3 auf, sondern nur zwei Arbeitsmaschinen AI und A2 mit einem anderen optimalen Arbeitsdruckbe- reich (z.B. Arbeitsmaschine AI für einen oberen Druckbereich von 60 bis 10 bar und Arbeitsmaschine 2 für einen unteren Druckbereich von 10 bis 1,5 bar). Weniger Arbeitsmaschinen bedeuten auch geringere Kosten und geringeren Steuerungsaufwand.

Das Ventil V_RB3 und das Ventil V_E3L werden geschlossen und als nächstes wird das Ventil V_DE3 zum Druckgasspeicher und das Ventil V_E3Ai zur Arbeitsmaschine AI für den oberen Druckbereich geöffnet.

Der Expansionsraum E2 befindet sich am Anfang des unteren Druckbereichs des Arbeitszyklus (der Druck des Gases 2 nimmt anfangs bei zunehmendem Volumen sehr schnell ab, später langsamer) und der Flüssigkeitsspiegel senkt sich (Pfeil) weiter durch das drückende Gas, das die Flüssigkeit nun durch die Arbeitsmaschine A2 drückt, die für niedrigere Drücke optimiert ist. Das Ven- til V_E2A2 ist daher geöffnet, das Ventil V_E2AI zur Arbeitsmaschine AI ist hingegen zu diesem Zeitpunkt geschlossen.

Der Expansionsraum El hat seinen Arbeitszyklus beendet und wird gerade wieder neu mit Flüssigkeit 1 aus dem Reservoir R befüllt (Flüssigkeitsspiegel steigt: Pfeil). Die Ventile V_mAi und V_EiA2 zu den Arbeitsmaschinen AI und A2 sind zu diesem Zeitpunkt geschlossen, wohingegen natürlich das Ventil V_RBI zum Reservoir R geöffnet ist. Auch das Entgasungsventil V_Ei_L ist geöffnet, damit das im vorangegangenen Arbeitszyklus expandierte Gas 2 entweichen kann.

In Fig. 7b ist ein gegenüber Fig. 7a späterer Zeitpunkt dargestellt, zu dem sich gerade der Expansionsraum E3 am Anfang eines Arbeitszyklus unter noch relativ hohem Druck befindet. Das Ventil V_E3A2 zur Arbeitsmaschine A2 für den unteren Druckbereich ist daher geschlossen. Das Ventil V_E3Ai zur Arbeitsmaschine AI für den hohen Druckbereich ist hingegen geöffnet.

Der Expansionsraum E2 befindet sich noch im Niederdruckbereich des Arbeitszyklus und der Flüssigkeitsspiegel 10 senkt sich weiter (Pfeil) durch das drückende Gas 2, das die Flüssigkeit 1 durch die Arbeitsmaschine A2 drückt, die für niedrige Drücke optimiert ist. Das Ventil V_E2A2 ist daher weiterhin geöffnet, das Ventil V_E2AI zur Arbeitsmaschine AI ist hingegen zu diesem Zeit- punkt weiterhin geschlossen.

Der Expansionsraum El befindet sich noch in der Wiederbefüllungsphase aus dem Reservoir R. In Fig. 7c ist ein gegenüber Fig. 7b späterer Zeitpunkt dargestellt, zu dem sich gerade der Expansionsraum E3 im unteren Druckbereich eines Arbeitszyklus befindet. Das Ventil V_E3Ai zur Arbeitsmaschine AI für den hohen Druckbereich ist daher geschlossen. V_E3A2 zur Arbeitsmaschine A2 für den niedrigeren Druckbereich ist hingegen geöffnet.

Der Expansionsraum E2 hat gerade seinen Arbeitszyklus beendet und steht vor der Wiederbefüllung mit Flüssigkeit aus dem Reservoir R. Die Ventile zu den Arbeitsmaschinen sind daher geschlossen und das Ventil V_RB2 wird geöffnet. Auch das Entgasungsventil V_E2L am Expansionsraum E2 wird geöffnet.

Der Expansionsraum El befindet sich gerade zu Beginn eines Arbeitszyklus, für den das Ventil V_DEi zwischen Druckgasspeicher D und Expansionsraum El so lange geöffnet wird, bis die vorgesehene Menge an Druckgas in den Expansionsraum El eingeströmt ist. Das Ventil zur Arbeitsmaschine A2 für den unteren Druckbereich ist geschlossen, wohingegen das Ventil zur Arbeitsmaschine AI für den hohen Druckbereich geöffnet ist, so daß Flüssigkeit durch den Druck im Expansionsraum El (der bei geöffnetem Ventil V_Dm ungefähr dem im Druckgasspeicher entspricht, also relativ konstant ist) durch die Arbeitsmaschine AI gedrückt wird. Dies geschieht zu Beginn dieses Arbeitszyklus, solange das Ventil V_DEi noch geöffnet ist, wie schon erläutert, bei relativ konstantem Druck, so daß auch kaum eine Temperaturänderung des Gases erfolgt. In dieser Phase ist es also nicht unbedingt nötig, das Gas mit Flüssigkeit über eine gemeinsame große Oberfläche in Kontakt zu bringen.

In Fig. 7d ist ein gegenüber Fig. 7c späterer Zeitpunkt dargestellt, zu dem der Expansionsraum E3 seinen Arbeitszyklus beendet hat. Die Ventile zu den Arbeitsmaschinen sind daher geschlossen. Das Ventil V_RB3 zum Reservoir R und das Ventil V_E3L in die Umgebung wird geöffnet.

Der Expansionsraum E2 befindet sich gerade im Zustand der Wiederbefüllung mit Flüssigkeit aus dem Reservoir R. Die Ventile zu den Arbeitsmaschinen sind daher geschlossen und das Ventil V_RB2 ist geöffnet. Auch das Entgasungsventil V_E2L am Expansionsraum E2 ist geöffnet.

Der Expansionsraum El befindet sich gerade im unteren Druckbereich eines Arbeitszyklus. Das Ventil zur Arbeitsmaschine AI für den hohen Druckbereich ist daher geschlossen, wohingegen das Ventil zur Arbeitsmaschine A2 für den unteren Druckbereich geöffnet ist, so daß Flüssigkeit durch den Gasdruck im Expansionsraum E l durch die Arbeitsmaschine A2 gedrückt wird.

In Fig. 8a ist ein Längsschnitt durch einen zylindrischen Expansionsraum E mit Kugelkappen dargestellt, der für Kraftwerke nach Variante A oder B verwendbar ist. Zu- und Ableitungen sind nicht dargestellt, ebenso wenig die Wandstärke. Diese ergibt sich gemäß üblichen bautechnischen Berechnungen aus dem verwendeten Material, der Baugröße und dem maximalen Betriebsdruck. Anstatt einem zylindrischen Expansionsraum ist auch ein polygonaler Querschnitt möglich, vor allem bei nicht gar zu hohen Drücken. Je höher der Druck, um so mehr Ecken muß das Polygon aufweisen. Der Expansionsraum kann auch, ähnlich wie ein Faß, aus Teilsegmenten ("Dauben") zusammengesetzt sein, die durch Spannmittel umfaßt und zusammengehalten werden.

In Fig. 8b ist ein kugelförmiger Expansionsraum E dargestellt, der sowohl für Variante A als auch Variante B verwendbar ist. Ein kugelförmiger Expansionsraum weist die größte Stabilität bei ge- ringstem Materialverbrauch auf.

Fig. 8c stellt eine ungefähr„birnenförmige" Ausführung eines Expansionsraumes E dar, die für Variante A und B verwendbar ist. Vorzugsweise befindet sich ein solcher Expansionsraum wenigstens mit seinem unteren breiten Bereich im Boden. Auf diese Weise kann der untere Bereich nämlich mit geringerer Wandstärke ausgeführt werden, als wenn er sich oberirdisch befände.

Die Wandstärke eines solchen Expansionsraumes kann im oberen Bereich deutlich dünner ausgeführt sein als im unteren Bereich (Näherung:„Kesselformel" bzw. Variante für Wandstärken, die mehr als 20% des Radius ausmachen)!

Fig. 8d stellt eine Variante eines Expansionsraumes dar, der einen druckaufnehmenden Boden ähnlich wie eine Sektflasche aufweist. Auch ein solcher Expansionsraum E befindet sich vorzugsweise mit seinem unteren Bereich im Boden.

Fig. 8e stellt als Beispiel einen„birnenförmigen" Expansionsraum E dar, der drei horizontale Trennschichten T₁ ,T₂ ,T₃ aufweist, die eine gute Durchlässigkeit für Flüssigkeiten aufweisen. Die Trennschichten ermöglichen es, die durch die Trennschichten begrenzten Räume mit Feststoffen zu füllen, die sich nicht miteinander über die Trennschichten hinweg vermischen, falls die Trenn- schicht immer nur Öffnungen aufweist, die kleiner sind als die Teilchengröße des durch die Trennschicht abgegrenzten Feststoffes. Mindestens die Trennschicht unter einem Feststoff muß eine Größe der Öffnungen haben, die kleiner ist als die des Feststoffes darüber. Im einfachsten Falle handelt es sich bei den Trennschichten um eingelegte Siebe oder Netze mit entsprechend kleiner Maschenweite.

Fig. 8f zeigt einen Expansionsraum E wie in Fig. 8a, der mit einfachem unregelmäßig geformtem Schüttgut (Gestein) 3 gefüllt ist, das als Zwischenwärmespeicher und Temperiermedium für das expandierende Gas dient.

Fig. 8g zeigt einen Expansionsraum wie in Fig. 8e, der zwischen seinen Trennschichten Ti ,T₂ ,T₃ mit einfachem Schüttgut 3 unterschiedlicher Korngröße gefüllt ist.

Fig. 9 zeigt am Beispiel eines Expansionsraumes E der Form wie in Fig. 8a die Möglichkeit, den Austritt der verdrängten Flüssigkeit nicht durch eine Öffnung im unteren Bereich des Expansionsraumes E zu ermöglichen, sondern die verdrängte Flüssigkeit über ein Steigrohr 4 an der Oberseite des Expansionsraumes E in eine Arbeitsmaschine A und dann weiter in ein offenes oder geschlos- senes Reservoir R abzuleiten. Auch die Wiederbefüllung des Expansionsraumes E mit Flüssigkeit nach jedem Arbeitszyklus erfolgt dann vorzugsweise aus dem Reservoir R über dieses Steigrohr 4. Eine solche Ausführung ist insbesondere auch für Expansionsräume geeignet, bei denen schon vorhandene oder nachträglich hergestellte unterirdische Kavernen mit schlecht definierter Innenwandfläche als Expansionsräume eingesetzt werden.

Der Vorteil einer solchen Ausführung ist der, daß alle Zu- und Ableitungen 8, 9 in den Expansi- onsraum E eng beieinander liegen, so daß sie auch in ein gemeinsames Bauteil (z.B. aus Metall) eingesetzt sein können, welches dann in eine einzige etwas größere Öffnung des Expansionsraumes E gasdicht, aber möglichst leicht auswechselbar, eingebaut wird.

Bei einer Ausführung mit Steigrohr 4 ist darauf zu achten, daß dieses nicht zu hoch wird, weil die Höhe der Flüssigkeit im Steigrohr 4 das Gas im Expansionsraum E zusammendrückt und daher der Druck im Expansionsraum E nicht unter den hydrostatischen Druck der Flüssigkeitssäule im Steigrohr fallen kann.

Wenn die Arbeitsmaschine A unterhalb des oberen Endes des Steigrohres 4 liegt, so ist der Höhenunterschied zwischen Arbeitsmaschine A und Flüssigkeitsspiegel im Expansionsraum E für den Druck entscheidend, auf den das Gas im Expansionsraum E expandiert werden kann. Liegt die Ar- beitsmaschine A unterhalb des niedrigsten Flüssigkeitsspiegels, der im Expansionsraum E am Ende eines Arbeitszyklus erreicht wird, so„saugt" dieses Gefälle aber sogar Flüssigkeit aus dem Expansionsraum E heraus und ermöglicht es, besonders tiefe Gasdrucke am Ende der Expansion zu erreichen.

Es ist aber auch vorteilhafterweise darauf zu achten, daß die Flüssigkeitssäule über der Arbeitsma- schine A nicht die Höhe erreicht, ab der die Flüssigkeitssäule unter Bildung eines Leerraumes abreißen kann. Diese Höhe beträgt im Falle von Wasser z.B. ungefähr 10 Meter. Der Leerraum ist zwar nicht wirklich leer, sondern mit Flüssigkeitsdampf gefüllt, aber Leerräume könnten beim Einschalten des Durchflusses in die Arbeitsmaschine A in diese hineingeraten und dort Kavitationsschäden erzeugen.

Fig. 10a zeigt (im leeren Zustand) einen Expansionsraum E, in diesem Beispiel in Form eines Ro- tationsellipsoides, mit darin angeordneten unten offenen und oben geschlossenen senkrechten Rohren als Kleingasbehälter K₀ für eine Ausführung gemäß Variante B der Erfindung.

Die Kleingasbehälter K₀ sind unten offen, weil die Flüssigkeit schwerer ist als das Gas und daher das Gas nicht unten aus den Rohren austritt. Damit dies aber bei der Expansion des Gases nicht geschieht, darf natürlich jedes Rohr nur so viel Gas enthalten, daß die Unterkante des Rohres am Ende des Arbeitszyklus, wenn der Druck am niedrigsten ist, vom im Rohr expandierten Gas noch nicht erreicht wird.

Wenn doch einmal etwas Gas austritt, so kann dieses bei Bedarf über das Ventil V_EL abgelassen werden.

Die Befestigungen der Rohre K₀ an der Wand des Expansionsraumes E und untereinander sind der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Die Kleingasbehälter K₀ enthalten gegenüber der umgebenden Flüssigkeit kein Gas mit hohem Überdruck und müssen daher nicht starkwandig ausgeführt sein. Sie sollen sogar idealerweise so dünnwandig wie möglich sein, um einen guten Wärmeaustausch zwischen dem Gas im Kleingasbehälter K₀ und der umgebenden Flüssigkeit zu ermöglichen. Das Material der Wand muß aber die Lastwechsel zwischen hohem Druck und niedrigem Druck aushalten können, was für die meisten Materialien, die kein oder wenig Gase enthalten, bei den verwendeten Druckbereichen der Fall ist. Gas, das sich unter Druck im Laufe vieler Arbeitszyklen mit der Zeit in der Flüssigkeit löst, wird hin und wieder ersetzt und erneut den Kleingasbehälter K₀ zugeführt. Dies kann z.B. durch nicht dargestellte dünne Gasleitungen erfolgen, die von unten ein kleines Stück in das Rohr K₀ hineinra- gen.

Fig. 10b stellt denselben Expansionsraum E wie in Fig. 10 a dar, aber diesmal sind Gas 2 und Flüssigkeit 1 im Innenraum eingezeichnet. Das Gas 2 ist hier schwarz dargestellt, die Flüssigkeit 1 weiß. Der Expansionsraum E befindet sich gerade in einem Stadium des Arbeitszyklus, in dem das in den Rohren K₀ enthaltene Gas 2 ungefähr das halbe Rohrvolumen einnimmt. Das Ventil V_EA zur Arbeitsmaschine A ist geöffnet bzw. teilweise geöffnet, und das Ventil V_RE zum Reservoir R ist geschlossen.

Der dargestellte Zustand kann aber auch eine Befüllung zu einem Zeitpunkt darstellen, zu dem das Gas 2 in den Kleingasbehältern K₀ gerade einmal wieder auf das halbe Volumen komprimiert ist. In diesem Falle ist das Ventil V_EA zur Arbeitsmaschine A geschlossen und das Ventil V_RE geöffnet, so daß eine Pumpe Flüssigkeit aus dem Reservoir R gegen das in den Rohren komprimiert werdende Gas 2 in den Expansionsraum E drücken kann.

Fig. 10c stellt einen Expansionsraum E wie in Fig. 10a dar, aber diesmal enthält dieser völlig geschlossene, weiche Kleingasbehälter K_g , z.B. langgestreckte Mylarfblienbeutel. Die Befestigung derselben an der Wandung oder/und untereinander ist nicht dargestellt.

Fig. lOd zeigt einen Expansionsraum E wie in Fig. 10c, bei dem diesmal Flüssigkeit 1 und Gas 2 dargestellt sind. Die Flüssigkeit 1 ist als weiße Fläche, das Gas 2 als schwarze Fläche dargestellt. Der dargestellt Zustand entspricht dem gleichen Zeitpunkt im Arbeitszyklus wie in Fig. 10b dargestellt. Da Gas 2 leichter als Flüssigkeit 1 ist, sammelt es sich im oberen Teil jedes Kleingasbehälters K_g und der untere Teil wird durch die Flüssigkeit 1 zusammengedrückt.

Wenn, anders als in Fig. lOd, jeder Kleingasbehälter K_g in seiner Länge in Unterbehälter unterteilt ist (wenn z.B. der langgestreckte Folienbeutel Schweißquernähte aufweist), dann kann das Gas 2 immer nur bis zur oberen begrenzenden Schweißquernaht nach oben wandern, und man erhält viele kleine, voneinander räumlich getrennte Gasportionen, die entlang der Länge eines Kleingasbehälters K_g verteilt sind. Das in jedem Unterbehälter enthaltene geringe Gasvolumen hat in der um- gebenden Flüssigkeit eine geringere Auftriebskraft als das größere Gasvolumen in einem nicht unterteilten Kleingasbehälter K_g . Dadurch ist auch die auf das Wandmaterial der Oberseite des Unterbehälters (z.B. eine Schweißquernaht) wirkende Kraft geringer als die Kraft, die an der Obersei- te eines nicht unterteilten Kleingasbehälters K_g auf das Wandmaterial desselben dort wirkt. Wenn ein Kleingasbehälter K_g in Unterbehälter unterteilt wird, so kann somit seine Wandung schwächer ausgeführt sein.

Fig. lOe stellt einen im wesentlichen zylindrischen Expansionsraum E mit völlig geschlossenen weichen Kleingasbehältern K_g dar, die bei Bedarf über Zuleitungen 9 an ihrem oberen Ende wieder mit Gas befüllt werden können, falls dieses mit der Zeit und nach vielen Arbeitszyklen durch die dünne Wandung (z.B. Folie) der Kleingasbehälter K_g durch Diffusion teilweise entwichen sein sollte. Die Zuleitungsrohre 9 in die Kleingasbehälter K_g sind hier als dicke schwarze Linien dargestellt. Die Nachfüllung erfolgt über ein Ventil V_CK mittels eines Kompressor C oder aus Druckgas- Haschen. Mit solchen läßt sich auch die Art des Gases in großer Auswahl auswählen, zumal dieses Gas auch kaum verbraucht wird, sondern der größte Teil sehr viele Arbeitszyklen durchläuft, bevor er aus den Kleingasbehältern K_g entwichen ist. Z.B. kann ein Gas oder Gasgemisch gewählt werden, welches eine nur geringe Änderung der Temperatur bei einer Kompression oder Expansion aufweist (also einen niedrigen Adiabatenexponenten aufweist). Dies sind vor allem höhermoleku- lare Gase mit unsymmetrischer Molekülstruktur und weichen, leicht zu Molekülschwingungen anregbaren chemischen Bindungen. Durch eine geeignete Zumischung von Gasen (z.B. Helium, Wasserstoff, dieser aber nicht gemischt mit Sauerstoff oder einem sauerstoffenthaltenden Gasgemisch), die beim Betriebsdruck unterhalb der Joule-Thompson-Inversionstemperatur liegen, kann ebenso die Temperaturveränderung bei Druckänderungen im Kleingasbegälter K_g möglichst klein gehalten werden, so daß die Volumenänderungen relativ schnell durchgeführt werden können, ohne die Quasiisothermie zu verlassen.

Fig. lOf stellt analog zu Fig. lOe einen im wesentlichen zylindrischen Expansionsraum E, diesmal aber mit unten offenen Kleingasbehältern K₀ dar (z.B. Rohren). Diese Ausführung kann entweder nach Verfahrensvariante B betrieben werden: Dann dient ein Ventil V_CK nur zur Nachfüllung von Gas, welches mit der Zeit aufgrund seiner Löslichkeit in der Flüssigkeit aus den Kleingasbehältern K₀ abhanden gekommen ist.

Die dargestellte Ausführung kann aber auch nach Verfahrensvariante A betrieben werden: Dann dient ein Ventil V_DK zur Befüllung der Kleingasbehälter K₀ mit Druckgas aus einem Druckgasspeicher D nach jedem Arbeitszyklus des Gases. Das expandierte Gas muß am Ende eines jeden Arbeitszyklus natürlich entlassen werden. Dies geschieht dann über eine zusätzliche Leitung 9 und ein zusätzliches Ventil V_KL (beide gestrichelt wiedergegeben), die z.B., wie dargestellt, außerhalb des Expansionsraumes E an der gleichen Leitung 9 angeschlossen sein können, durch die die Kleingasbehälter K₀ für jeden neuen Arbeitszyklus gefüllt werden.

Ein Expansionsraum E wie in Fig. lOf dargestellt kann auch am gleichen Kraftwerk sowohl im Betrieb nach Variante A, als auch im Betrieb nach Variante B eingesetzt werden. So kann z.B. während des Energieeinspeicherbetriebs des Kraftwerkes zuerst noch vorhandenes expandiertes Gas in den Kleingasbehältern K₀ im Expansionsraum E wieder verdichtet werden und erst im wei- teren Verlauf des Einspeichems von Energie wird dann der Druckgasspeicher D mit externem Gas beladen. Man hat dann einen bereits gefüllten, sofort zur Arbeitsverrichtung heranziehbaren Expansionsraum E zur Verfügung, also etwas schneller, als wenn erst Druckgas aus dem Druckgasspeicher D in die Kleingasbehälter K₀ eingefüllt werden müßte!

Fig. 1 la zeigt einen Expansionsraum E (in diesem Beispiel zylinderförmig mit Kugelkappen), der sich im Boden B befindet und von einem kostengünstigen Vereisungsmantel VM („Bodenvereisung") umgeben ist, der es gestattet, die aus Beton, Stahl oder einem anderen flüssigkeitsdichten und vorzugsweise auch gasdichten Material bestehende Wandung des Expansionsraumes wesent- lieh dünner zu halten, als ohne den Vereisungsmantel nötig wäre. Im Extremfall kann der Vereisungsmantel VM die gesamte Drucklast aufnehmen. Zu- und Ableitungen zum Expansionsraum E sind in den Figuren 11 nicht dargestellt.

Fig. 1 lb zeigt einen Expansionsraum E (wie in Fig. 1 la zylinderförmig mit Kugelkappen), der sich oberirdisch in einem Bauwerk mit thermischer Isolierung 6 befindet, das wenigstens teilweise mit dem Vereisungsmantel VM, der den Expansionsraum E umgibt, gefüllt ist. Der Vereisungsmantel kann vorzugsweise aus einem faserbewehrten Eismantel, z.B. aus Pykrete, bestehen.

Für so große Wandstärken des Vereisungsmantels ist die„Kesselformel"

p^■ r

σ = für die Tangentialspannung σ, die eine Wand der Dicke s eines Zylinders mit Radius r unter einem Innendruck p erfährt, nicht mehr anwendbar.

Es muß dann z.B. in besserer Näherung für die vom Radius r abhängige Tangentialspannung folende Formel angewendet werden:

bei der a der Innenradius und b der Außenradius des Zylinders sind. Man sieht, daß für große Wanddicken s = b-a die Tangentialspannung viel geringer ist als gemäß Kesselformel! Das bedeutet, daß im Verhältnis zum Radius dicke Wände sich auch durch ihre Dicke selbst stabilisieren helfen und wesentlich geringere Wandstärken nötig sind als wenn man gemäß Kesselformel rechnete! Fig. 1 lc zeigt einen Expansionsraum E wie in Fig. 1 lb, aber diesmal ist auch der Expansionsraum E selbst gegen den Vereisungsmantel VM thermisch isoliert. Die thermische Isolierschicht 6 muß druckstabil gegen Drücke sein, wie sie im Expansionsraum E auftreten. Eine solche Ausführung gestattet es, die Flüssigkeit und das expandierende Gas im Expansionsraum E auch bei Temperaturen über 0°C zu halten.

In diesem Fall wird der Vereisungsmantel VM durch externe Kühlung erzeugt. In der Figur geschieht dies durch geeignet angeordnete Gefrierlanzen. Die Gefrierlanzen befinden sich vorzugs- weise näher am Expansionsraum E als an der Bauwerkswand 11, um einen stets geschlossenen Vereisungsmantel VM um den Expansionsraum E herum zu gewährleisten.

Fig. 12 stellt das Schema eines mit einem Pumpspeicherkraftwerk gekoppelten Druckgasflüssig- keitskraftwerkes dar: Aus dem Pumpspeicher PS stürzt bei Energiebedarf Wasser 1 in die Pump- speicherkraftwerksanlage PSK und erzeugt dort, sehr genau regelbar, die benötigte elektrische Leistung im Stromnetz. Das herabgestürzte Wasser 1 mit niedriger potentieller Energie wird dann vorzugsweise in einem Zwischenreservoir ZR gesammelt und aus diesem wieder mit Druckgasenergie, die von der Arbeitsmaschine A aus dem Druckgas 2 erzeugt wird, nach oben in den Pumpspeicher PS befördert. Dieser Kreislauf kann so lange aufrechterhalten werden, wie Druckgasenergie verfügbar ist.

Idealerweise wird das Wasser 1 des Pumpspeichers PS auch zur Wiederbefüllung des Expansionsraumes E verwendet. Das Druckgasflüssigkeitskraftwerk kann aber auch mit einer anderen Flüssigkeit 1 und einem eigenen Reservoir R in einem getrennten Zyklus betrieben werden. Es kann sich bei dieser Flüssigkeit aber natürlich auch um Wasser handeln, z.B. besonders reines Wasser. Es ist sinnvoll, wenn das Druckgasflüssigkeitskraftwerk und das Pumpspeicherkraftwerk sich in räumlicher Nähe zueinander befinden. Wenn allerdings das Druckgasflüssigkeitskraftwerk zuerst elektrische Energie gewinnt, die dann wiederum Pumpen betreibt, die Wasser erneut in den Pumpspeicher PS befördern, so können die beiden kooperierenden Kraftwerke auch räumlich weit ge- trennt voneinander stehen! Die beim Betrieb des Druckgasflüssigkeitskraftwerkes erzeugte elektrische Energie wird dann über eine Stromleitung zum Pumpspeicherkraftwerk geleitet und dort zum Emporpumpen von Wasser verwendet. Vorzugsweise werden hierfür aber vom öffentlichen Stromnetz getrennte, unabhängige Stromleitungen verwendet.

Ein mit einem Pumpspeicherkraftwerk gekoppeltes Druckgasflüssigkeitskraftwerk läßt sich auch mit nur einem einzigen Expansionsraum E betreiben. Dies liegt daran, daß es nicht kontinuierlich arbeiten muß! Die angeforderte kontinuierliche Stromversorgung im Stromnetz wird ja durch das Pumpspeicherkraftwerk geliefert. Das Druckgasflüssigkeitskraftwerk darf also den Pumpspeicher PS auch diskontinuierlich wieder auffüllen! Fig. 13a stellt einen Expansionsraum E mit Kugelkappen dar, der mit Flüssigkeit 1 teilweise gefüllt ist und in dem gerade Gas 2 expandiert, das durch die Flüssigkeit 1 aus Wannen W passiv berieselt und dadurch temperiert wird. Zu- und Ableitungen in den Expansionsraum E sind in den Figuren 13 nicht dargestellt.

Fig. 13b stellt ebenfalls einen Expansionsraum E mit Kugelkappen dar, der mit Flüssigkeit 1 teil- weise gefüllt ist und in dem gerade Gas 2 expandiert, bei dem die Temperierung aber durch Flüssigkeit 1 erfolgt, die ausgehend von einem auf der Flüssigkeit schwimmenden Floß mit Sprinkler S nach oben gesprüht wird, ähnlich wie bei Rasensprinkleranlagen. Viele Varianten von üblichen Rasensprinkleranlagen sind im Falle von Wasser auch unverändert oder fast unverändert einsetzbar. Das Versprühen erfolgt vorzugsweise durch eine elektrische Pumpe, die ihre Energie vorzugsweise über ein Kabel bezieht. Wenn das Floß mit Sprühvorrichtungen S von einem senkrecht gespannten Seil oder einer senkrecht stehenden Stange geführt wird, kann dieses Seil bzw. diese Stange auch das elektrische Kabel beinhalten.

Fig. 13c stellt eine Ausführung dar, in der die Temperierung des expandierenden Gases 2 durch Versprühen der Flüssigkeit 1 ausgehend von einem mit Düsenöffnungen versehenen zentralen Sprührohr S erfolgt, in das eine Pumpe P Flüssigkeit 1 drückt. (Es sind natürlich auch mehrere Rohre möglich, die auch nicht unbedingt senkrecht verlaufen müssen.) Bei einem solchen Rohr sollten die unteren Düsen vorzugsweise einen kleineren Durchmesser haben als die oberen (oder es sollten im oberen Bereich mehr Düsen vorhanden sein), damit mehr Flüssigkeit 1 durch die oberen austritt. Unterhalb des Flüssigkeitsspiegels 10 ist der unnötige Austritt von Flüssigkeit 1 durch dort befindliche Düsen aufgrund der Dichte und Viskosität der umgebenden Flüssigkeit 1 gegenüber dem Austritt in das Gas 2 gehemmt.

Fig. 13d stellt eine Ausführung mit zentralem Rohr 8 dar, durch das eine Pumpe P Flüssigkeit 1 nach oben pumpt, wo sie aus einer Sprüheinrichtung/Beregnungseinrichtung S austritt. Die Sprüheinrichtung S besteht z.B. aus Rohren, die sich radial vom Zentralrohr 8 aus erstrecken und mit Sprühöffhungen versehen sind, durch die Flüssigkeit 1 nach oben, unten und zur Seite austritt. Fig. 13e zeigt eine Ausführung, bei der Flüssigkeit 1 extern aus einem Reservoir in den Expansi- onsraum E eingebracht wird. Dies kann z.B. durch eine elektrische Pumpe P erfolgen, oder aber auch durch Beaufschlagung des Reservoirs mit Druckgas 2 aus dem Druckgasspeicher D. Im dargestellten Falle handelt es sich um ein Warmreservoir WR, in dem sich Flüssigkeit 1 befindet, die durch Verlustwärme oder überschüssige regenerative Energie auf erhöhte Temperatur gebracht wurde, wodurch der„wirtschaftliche" Gesamtwirkungsgrad angehoben wird, weil die zum Erwär- men der Flüssigkeit 1 verwendete Energie sonst sowieso verloren gewesen wäre oder zu einem günstigeren Preis zur Verfügung stand als der, der nachher für die mittels des Druckgasflüssigkeitskraftwerkes erzeugte Energie verdient wird.

Das Warmreservoir WR hat im dargestellten Fall ein Ventil V_RL zur Umgebung. Wenn das Reservoir VR volumenveränderlich ist (z.B. flexible oder faltenbalgartige Wände), ist ein solches Ventil nicht unbedingt nötig. Die Flüssigkeit im Warmreservoir WR wird vorzugsweise aus dem Reservoir R entnommen (nicht dargestellt), das die Flüssigkeit aus dem Expansionsraum E aufnimmt.

Die Figuren 14 zeigen schematisch eine sehr einfache Variante eines Expansionsraumes mit darin befindlichen geschlossenen Kleingasbehältern K_g für Variante B der Erfindung. Zu- und Ableitun- gen zum Expansionsraum E sind nicht dargestellt.

Die Kleingasbehälter K_g schwimmen bei dieser Ausführung frei beweglich in der Flüssigkeit 1. Durch ihren Auftrieb versuchen sie, so weit wie möglich oben zu schwimmen und die meiste Flüs- sigkeit 1 sammelt sich unterhalb ihnen, aber die Raumbereiche zwischen den Kleingasbehältern sind ebenfalls mit Flüssigkeit 1 gefüllt.

Die Kleingasbehälter sind in diesem Falle kugelförmig und von derselben Größe. Im einfachsten Falle handelt es sich um gasenthaltende Ballons mit dehnbarer oder faltbarer Hülle. Es kann sich auch um dünnwandige Kunststofffußbälle handeln. Die Größe der Kleingasbehälter K_g ist abhängig von der Zeit, in der die Volumenänderungen stattfinden, sollte aber vorzugsweise nicht größer als 50 Zentimeter sein.

Fig. 14a zeigt einen Zeitpunkt, zu dem die Kleingasbehälter K_g voll expandiert sind, also am Ende eines Arbeitszyklus des in ihnen enthaltenen Gases.

Fig. 14b zeigt den Zustand der völligen Kompression der Kleingasbehälter K_g . Die schraffierte

Fläche stellt schematisch die im Volumen stark verkleinerten oder/und verformten Kleingasbehälter K_g dar, die sich an der Spitze des sich in diesem Beispiel nach oben hin verengenden Expansionsraumes ansammeln. Die Wandung des Expansionsraumes E ist, wie im Beispiel, bevorzugt geneigt, weil dann die während der Energieerzeugung im Volumen expandierenden Kleingasbehälter K_g nach unten ausweichen können ohne festzuklemmen. Je flacher die Wandneigung und je glatter die Wandinnenfläche des Expansionsraumes E, umso geringer ist die Gefahr eines Verklemmens, und auch der Verschleiß an den Kleingasbehältern K_g ist geringer.

Vorzugsweise besteht die Hülle der Kleingasbehälter K_g aus einem Material mit größerer spezifischer Dichte als die Flüssigkeit 1. Denn dann sinken defekte Kleingasbehälter K_g , die kein Gas 2 mehr enthalten, von selbst mit der Zeit nach unten und können z.B. oberhalb eines Siebes abgesammelt werden. Die Kleingasbehälter K_g können auch außer Gas noch einen schweren Zusatzstoff enthalten, der die Durchschnittsdichte von Hüllenmaterial plus Zusatzstoff über die Dichte der Flüssigkeit 1 erhöht. Fig. 15 zeigt schematisch ein Beispiel, bei dem sich der Expansionsraum innerhalb des Druckgasspeichers D befindet.

Im gezeigten, besonders bevorzugten Beispiel befinden sich sogar gleich zwei Expansionsräume Ei und E₂ innerhalb des Druckgasspeichers D, und die beiden Expansionsräume stellen wechselweise während des energieerzeugenden Betriebes auch Reservoire R2 und Rl für die Flüssigkeit 1 dar. Es wird gerade ein Zustand dargestellt, während dessen im Expansionsraum E₂ der Flüssigkeitsspiegel 10 durch das expandierende Gas 2 heruntergedrückt wird, wodurch Flüssigkeit 1 aus dem Expansionsraum E₂ durch die Arbeitsmaschine A in den Expansionsraum El gedrückt wird, der zu diesem Zeitpunkt das Reservoir R₂ für Flüssigkeit 1 darstellt und sich ungefähr unter Umgebungsluftdruck befindet, denn das Ventil V_mL ist zu diesem Zeitpunkt geöffnet, wohingegen das Ventil V_DEi geschlossen ist.

Ist alles Gas 2 aus dem Expansionsraum El durch die Leitung 9 in die„Umgebung" entwichen, wird das Ventil V_mL geschlossen, das Ventil V_E2L am anderen Expansionsraum E₂ geöffnet und das Ventil V_DEi des Expansionsraumes Ei zum Druckgasspeicher D zeitweise geöffnet, bis eine hinreichend große Druckgascharge 2 in den Expansionraum Ei eingedrungen ist, wobei sie bereits Flüssigkeit 1 aus dem Expansionsraum Ei verdrängt, die durch die vorzugsweise bidirektional arbeitsfähige Arbeitsmaschine A in den Expansionsraum E₂ zurückströmt.

Wenn die Arbeitsmaschine A nicht bidirektional arbeitsfähig ist, so ist eine zweite Arbeitsmaschine für diesen Rückstrom notwendig.

Anschließend wird das Ventil V_DEi geschlossen und das Gas 2 im Expansionsraum Ei expandiert weiter unter gleichzeitiger Temperierung durch eingesprühte Flüssigkeit 1, bis das gesamte expandierte Gas 2 aus dem Expansionsraum E₂ über das Ventil V_E2L und die Leitung 9 in die„Umge- bung" entwichen ist.

Anschließend läuft der Prozeß von E₂ nach Ei zurück. Dies kann so lange geschehen (Prinzip „Zweizylindermotor"), bis der erforderliche Minimaldruck im Druckgasspeicher D erreicht ist. Im speziellen Beispiel mit zwei Expansionsräumen befindet sich auch das Reservoir R für die Flüssigkeit 1 innerhalb des Druckgasspeichers D, doch kann es natürlich auch außerhalb liegen. Es ist jedoch auch für den Fall von nur einem Expansionsraum im Druckgasspeicher D darauf zu achten, daß Expansionsraum E und Reservoir R ungefähr auf gleicher Höhe liegen, denn sonst geht Energie für das Anheben von Flüssigkeit 1 gegen die Schwerkraft verloren! Das Reservoir R kann den Expansionsraum E z.B. auch ummanteln.

Ein Expansionsraum E, der sich in einem Druckgasspeicher D befindet, muß statisch nicht gegen einen hohen Innendruck stabil gemacht werden, weil er nie einen Druck enthält, der größer ist als der Außendruck im Druckgasspeicher! Ein nur gegen Außendruck stabiler Expansionsraum E ist daher sehr kostengünstig, z.B. auch aus druckstabilem Beton, zu bauen, denn er stabilisiert sich wie ein Gewölbe ! Fig. 16a zeigt ideale Verlaufskurven isothermer und adiabatischer Prozeßführung für den Fall, daß eine Volumeneinheit (z.B. ein Kubikmeter) Druckgas bei 61 bar eine Expansion beginnt, die einmal isotherm ist (obere Kurve) und einmal adiabatisch ist (gestrichelte untere Kurve). Die Adiabate gilt für Luft, deren Adiabatenexponent ungefähr 1,4 beträgt.

Die Werte am Koordinatensystem zeigen Überdrucke gegenüber dem Umgebungsluftdruck 1 bar an! Die verwendeten Gleichungen für die Isotherme bzw. die Adiabate sind proportional 60/V bzw. 60/V¹'⁴ und gelten gegenüber„Vakuum". Es kann aber maximal bis auf Umgebungsdruck entspannt werden, daher ist in der Praxis der Umgebungsdruck die Nulllinie. (Nicht der Absolutwert des Innendruckes, sondern nur die Differenz zwischen Innendruck und Umgebungsdruck kann Arbeit verrichten!) Eine Expansion, die im Diagramm bei einem Druck 1 bar endet, endet also in Wahrheit bei 1 bar Überdruck, also ungefähr 2 bar und nicht einem bar! Entsprechend beginnt die Gasexpansion nicht bei 60 bar, sondern bei 60 bar Überdruck, also ungefähr 61 bar! Eine Expansion bis zum Druck des Umgebungsdruckes macht technisch keinen Sinn, da die Druckdiffe- renzen am Ende infinitesimal klein werden und die Kräfte, die sich durch die Druckdiferenz ergeben ebenfalls infinitesimal klein werden. Sie können dann keine reibungsbehafteten Arbeitsmaschinen mehr antreiben.

Theoretisch interessant ist allerdings, daß eine isotherme Expansion bis zu infinitesimal kleinen Drücken in der Lage ist, Umgebungswärme mit hohem Wirkungsgrad in mechanische Arbeit umzusetzen, was man leicht daran erkennen kann, daß das Integral der Funktion 1 V bei abnehmendem Druck, bei dem das Volumen gegen unendlich geht, ebenfalls gegen unendlich geht, wenn auch logarithmisch!

Die Isotherme schneidet die 1-bar-Linie bei 60 Volumeneinheiten am Punkt Q3, also 60-facher Ausdehnung des ursprünglichen Gasvolumens bei 60 bar. Die Adiabate fällt steiler ab: Sie schneidet die 1-bar-Linie schon im Punkt Q2 bei ungefähr 18,6 Volumeneinheiten.

Für die Energie, die gemäß Diagramm durch isotherme Expansion einer Volumeneinheit von 60 bar auf 1 bar erzeugt wird, gilt:

Wi = nRT . lniWVi) = nRT . In60 = nRT . 4,094

(Dies ist die Fläche zwischen Isotherme und V-Achse vom Punkt Q l bis zum Punkt Q3.)

Für die Energie, die gemäß Diagramm durch adiabatische Expansion einer Volumeneinheit von 60 bar auf 1 bar erzeugt wird, gilt (nach Integration der Adiabatengleichung):

W_a = nRT . ( l/-0,4) . ((V₂)^"0'⁴ - (V ^"°'⁴) = nRT . (-2,5) . (18,6^"0'⁴ - l^"0'⁴)

= nRT . (-2,5) . (0,31 1 - 1) = nRT . 1,724

(Dies ist die Fläche zwischen Adiabate und V-Achse vom Punkt Q l bei 60 bar bis zum Punkt Q2 bei 18,6 bar.)

Die durch adiabatische Expansion gewonnene Energie beträgt also für dieses Beispiel nur 42% der Energie, die durch eine isotherme Expansion gewinnbar ist!

Die Temperatur der Luft nach der adiabatischen Expansion von 60 bar auf 1 bar beträgt

T₂ = Ti . (p₂/_Pl)°'^4/1'⁴ = Ti . (p₂/_Pl)⁰'²⁸⁶ = Ti . ( 1/60)⁰'²⁸⁶ = Ti . 0,31

Beträgt die Anfangstemperatur der Luft z.B. 293 Kelvin (20°C), dann kühlt sie sich durch die adiabatische Expansion auf ungefähr 91 Kelvin bzw. - 182 °C ab.

Das, was die isotherme Expansion an Mehr an Energie gegenüber der adiabatischen erzeugt, holt sie sich aus der Wärme der Umgebung!

Für isotherme wie auch adiabatische Expansion kommt im Falle eines Verfahrens gemäß Variante A der Erfindung zusätzlich zur Expansionsarbeit auch noch der Energieanteil hinzu, der beim Einbringen der Druckgasscharge in den Expansionsraum isobar (eigentlich quasiisobar) freigesetzt wird. Es handelt sich dabei um die Rechteckfläche zwischen dem Ursprung O des Koordinatensystems und dem Punkt Ql bei 60 bar. Verglichen mit den Expansionsenergien hat er die Größe nRT. Ein isothermer Arbeitszyklus gemäß Variante A erzeugt also eine mechanische Arbeit von 5,094♦ nRT, ein adiabatischer Arbeitszyklus eine solche von 2,724 . nRT. Damit verrichtet ein adiabatischer Arbeitszyklus im Falle einer Prozeßführung nach Variante A immerhin 53% der Arbeit eines isothermen Arbeitszyklus. Das bedeutet, daß ein Verfahren nach Variante A der Erfindung gegenüber einem solchen nach Variante B bei sonst gleicher Gastemperierung einen höheren Wirkungsgrad hat, da dem Verfahren nach Variante B die anfängliche isobare Arbeit fehlt!

Fig. 16b stellt zur besseren Veranschaulichung einen in die Höhe gestreckten Ausschnitt der Fig.16a dar.

Fig. 16c stellt einen idealisierten Fall des Betriebes dar, bei dem hypertherm gearbeitet wird. Im gezeigten Beispiel wird Druckgas im Expansionsraum mit Flüssigkeit erhöhter Temperatur temperiert, so daß es eine 20% höhere absolute Temperatur besitzt als das Gas im Druckgasspeicher. Wenn das Gas im Druckgasspeicher z.B. eine Temperatur von 293 Kelvin (ungefähr 20 °C) auf- weist und mit dieser Temperatur in den Expansionsraum eingebracht wird, so wird es also durch eine hinreichend große Menge temperierende Flüssigkeit auf eine Temperatur von ungefähr 352 Kelvin (ungefähr 79 °C) gebracht. Die temperierende Flüssigkeit muß hierzu eine Temperatur von mehr als 352 Kelvin aufweisen. Sie kann z.B. bei 362 Kelvin (89°C) liegen. Bei dieser Temperatur kocht Wasser z.B. noch nicht, auch nicht bei normalem Luftdruck. Die Hypertherme verläuft ober- halb der Isotherme und sie schneidet die 1-bar-Linie auch erst später als die Isotherme, nämlich bei 72 Volumeneinheiten.

Die höhere Temperatur führt auch zu einem proportionalen Druckanstieg im Gas. Vor allem für Variante A der Erfindung kann der Arbeitszyklus dann auf zwei unterschiedliche Weisen ablaufen:

1. ) Die Druckgascharge wird mit 293 Kelvin bei 60 bar in den Expansionsraum eingebracht (Punkt Ql im Diagramm). Anschließend wird Temperierflüssigkeit eingebracht/eingesprüht, wodurch die

Gastemperatur auf 352 Kelvin ansteigt. Dadurch steigt auch der Druck des Gases, nämlich auf 72 bar (Punkt Q4 im Diagramm). Anschließend wird das Gas hypertherm bei 352 Kelvin expandiert, bis es bei 1 bar ein Volumen von 72 Volumeneinheiten aufweist (von Punkt Q4 bis Punkt Q6). Vorteil dieser Vorgehensweise ist eine höhere Energieausbeute! Nachteil ist aber, daß der Expan- sionsraum auf den höheren Druck ausgelegt werden muß, also stabiler und damit teurer gebaut werden muß!

2. ) Die Druckgascharge wird mit 293 Kelvin bei 60 bar in den Expansionsraum eingebracht. Anschließend wird sie unter Einbringung von Temperierflüssigkeit isobar (bzw. quasiisobar) expandiert bis Punkt Q5. Ab dem Punkt Q5 findet anschließend eine normale hypertherme Expansion statt bis zum Punkt Q6 bei 72 Volumeneinheiten.

Vorteil dieser Vorgehensweise ist, daß der Expansionsraum keine höheren Druckbeanspruchungen erfährt!

Die hypertherm gewonnene Arbeit aus der Gasexpansion gemäß 1.) beträgt gegenüber der Isotherme bei um 20% erhöhter Temperatur:

W_hi = 1,2 . nRT . ln(V₂A^ = 1,2 . nRT . In72 = 1,2 . nRT . 4,277 = 5, 132 . nRT

Das sind sogar 25,4% mehr Energie als bei einer isothermen Prozeßführung. Die hypertherm gewonnene Arbeit aus der Gasexpansion gemäß 2.) beträgt gegenüber einer Isotherme bei um 20% erhöhter Temperatur:

Rechteckfläche unterhalb der Verbindungsstrecke Q 1 bis Q5 plus Fläche unterhalb der Hyper- therme von Q5 bis Q6

Da Q5 bei 1,2 Volumeneinheiten liegt und Q6 bei 72 Volumeneinheiten, bedeutet das:

WM = nRT . (1,2 - 1) + 1,2 . nRT . (In72-lnl,2) = nRT . 0,2 + 1,2 . nRT . 4,094

= 0,2 . nRT + 4,913 . nRT = 5,113 . nRT

Die durch Gasexpansion gewonnene Energie W_K ist also gegenüber W_hi (5, 132 . nRT) nur geringfügig (0,37%) geringer.

Der Wärmeanteil der Temperierflüssigkeit (die Wärmemenge, die von der versprühten Flüssigkeit an das Gas übertragen wird) wird vollständig in mechanische Arbeit umgewandelt! Da aber die Temperierflüssigkeit im hyperthermen Fall nicht auf Umgebungstemperatur abkühlt, ist der thermische Wirkungsgrad nicht 100% Denn zuerst wird ja Temperierflüssigkeit von Umgebungstemperatur durch Abwärme (vorzugsweise im Gegenstromverfahren) aufgeheizt, und von der dabei aufgenommenen Wärmemenge wird nachher nur ein Teil in mechanische Arbeit umgewandelt! Die Temperierflüssigkeit bleibt oberhalb der Umgebungstemperatur. Der thermische Wirkungsgrad der Wärmeumwandlung in mechanische Energie beträgt daher nur die Differenz aus der Einsprühtemperatur der Temperierflüssigkeit minus der Temperatur nach dem Temperiervorgang geteilt durch die Differenz aus der Einsprühtemperatur und der Umgebungstemperatur. Im dargestell- ten Beispiel beträgt der thermische Wirkungsgrad der Umwandlung der Abwärme daher (362 Kelvin -352 Kelvin)/(362 Kelvin - 293 Kelvin) = 0, 145 , also nur 14,5%.

Anders sieht dies im Falle des Wirkungsgrades aus, falls Überschußenergie aus regenerativer Energieerzeugung in Form von Wärme in der Temperierflüssigkeit gespeichert wird und die Temperierflüssigkeit im Kreislauf geführt, also nach Aufheizung immer wieder verwendet wird! Denn in diesem Falle wird zwar ebenso jedesmal nur ein Anteil der Wärme in mechanische Arbeit umgewandelt, der dem Temperaturunterschied der Temperierflüssigkeit zwischen der Einspritztemperatur und der Temperatur am Ende des Temperiervorganges entspricht. Aber nach einem ersten Beladen der Temperierflüssigkeit ausgehend von der Umgebungstemperatur muß in allen weiteren Zyklen der Temperierflüssigkeit diese nur noch von der Temperatur nach Beendigung eines Tem- periervorganges wieder auf die Temperatur vor dem Einsprühen gebracht werden! Dies ist bei elektrischer Aufheizung praktisch mit fast 100% Wirkungsgrad möglich. Und diese mit fast 100% Wirkungsgrad erzeugte Wärme wird dann auch wieder mit fast 100% Wirkungsgrad in mechanische Arbeit zurückverwandelt! Ein Flüssigkeitswärmespeicher stellt also eine sehr günstige Möglichkeit dar, ein isothermes bzw. hyperthermes Druckgasspeicherkraftwerk in seiner Energieabga- bemöglichkeit zu erhöhen!

(Abwärme läßt sich hingegen in einem hyperthermen Kraftwerk nicht zu 100% nutzen, weil das Fluid mit der enthaltenen Abwärme nach einem Wärmetauscher (vorzugsweise Gegenstromwärme- tauscher), in dem es Wärme an die Temperierflüssigkeit abgibt, immer noch die Temperatur aufweist, die der Temperatur der Flüssigkeit am Ende des Temperiervorganges entspricht und mit der diese in den Wärmetauscher einströmt. Eine fast 100%ige Umwandlung von Abwärme in mechanische Arbeit ist hingegen in einem isothermen, ungefähr bei Umgebungstemperatur arbeitenden Druckgasflüssigkeitskraftwerk möglich, da in einem solchen die Temperierflüssigkeit am Ende des Temperiervorganges ungefähr Umgebungstemperatur aufweist und mit Abwärme im Wärmetauscher mit fast 100% Wirkungsgrad wieder auf die spätere Einsprühtemperatur, die vorzugsweise der Temperatur des abwärmetragenden Fluides entspricht, erwärmt werden kann.)

Fig. 16d stellt im Vergleich zum isothermen und adiabatischen Fall einen hypothermen Betrieb des Druckgasflüssigkeitskraftwerkes dar. Dargestellt ist nur ein Ausschnitt aus dem pV-Diagramm, ähnlich wie in Fig. 16b. Die Hypotherme verläuft selbstverständlich unterhalb der Isotherme, aber oberhalb der Adiabate. Sie beginnt an einem Punkt Q7 bei 60 bar, der idealerweise gleich dem Punkt Q 1 ist. Im dargestellten Fall verläuft die Hypotherme ungleichmäßig, was auf ungenaue Steuerung der Temperatur des expandierenden Gases zurückzuführen ist. Eine exakte Steuerung ist aber auch nicht nötig! Auch hier ist die durch Expansion gewonnene Energie gleich der Fläche unter der Hypotherme, ausgehend von Q7 (idealerweise gleich Ql) bis Q8, wo die Hypotherme die 1-bar-Linie schneidet. Der Schnittpunkt liegt bei weniger als 60 Volumeneinheiten, aber bei mehr als 18,6 Volumeneinheiten. Dementsprechend liegt die erzeugte mechanische Arbeit zwischen der des isothermen Falles und der des adiabatischen Falles. Je weniger die Temperatur des expandie- renden Gases unter die Temperatur des Gases zu Beginn der Expansion fällt, umso näher an der

Isotherme liegt die Kurve und desto höher ist der Wirkungsgrad des Druckgasflüssigkeitskraftwerkes.

Die Fig. 17a zeigt wie Fig. 12 ein Pumpspeicherkraftwerk und einen Pumpspeicher, der durch Energie, die aus der Gasexpansion in einem Expansionsraum E stammt, immer wieder aufgefüllt wird. Bei dem Pumpspeicher handelt es sich aber nicht um einen hoch gelegenen See, sondern um einen ebenerdig oder unterirdisch gelegenen Druckbehälter DB, der mit Flüssigkeit in wechselnder Menge gefüllt ist und zu einem Druckgasspeicher D eine offene Verbindung 9 aufweist. (Es ist dennoch vorteilhaft, auch in dieser Verbindung ein Absperrventil V_DDB vorzusehen, z.B. für War- tungsarbeiten.) Solch ein erfindungsgemäßes Druckgasflüssigkeitspumpspeicherkraftwerk kann daher auch im Flachland errichtet und auch großteils unter die Erde gelegt werden.

Durch die Verbindung 9 mit dem Druckgasspeicher D steht der Druckbehälter DB und die darin enthaltene Flüssigkeit 1 ständig unter dem relativ konstanten Druck p_D des großen Druckgasspeichers D. Der auf der Flüssigkeit 1 im Druckbehälter DB lastende Gasdruck p_D simuliert eine Flüs- sigkeit, die sich auf großer Höhe befindet. 1 bar entspricht dabei ungefähr 10 Metern Höhenunterschied. Die Arbeitsmaschine A_DB, durch die Flüssigkeit aus dem Druckbehälter DB fließt und dort vermittels eines Generators elektrische Energie erzeugt, wird also gleich wie die Turbine eines Pumpspeicherkraftwerkes, immer von Flüssigkeit 1 von fast konstantem Druck durchströmt. Das macht alle Regelungen sehr einfach! Insbesondere können sowohl Turbinen als auch Regelvorrichtungen der bekannten und etablierten Pumpspeichertechnik verwendet werden!

Der Druckbehälter DB wiederum wird mittels einer Pumpe P mit Flüssigkeit 1 befüllt. Diese Be- füllung kann zeitlich völlig unregelmäßig erfolgen, wichtig ist nur, daß der Druckbehälter DB nicht leerläuft, bis neue Flüssigkeit 1 hineingepumpt wird.

Im Beispiel von Fig. 17a wird z.B. während der Expansion des Druckgases 2 im Expansionsraum E so viel Energie gewonnen, daß mit ihrer Hilfe direkt oder indirekt über elektrischen Strom eine Pumpe P Flüssigkeit 1 quasiisobar und quasiisotherm in den Druckbehälter DB preßt. Während der Expansionsraum E dann wieder mit Flüssigkeit 1 befüllt wird und in diesem Zeitraum keine Energie mehr liefert, leistet das Druckgasflüssigkeitspumpspeicherkraftwerk Arbeit und liefert gleichmäßig, oder nach der Netzanforderung geregelt, elektrische Energie ins Stromnetz. Das Druckgasflüssigkeitspumpspeicherkraftwerk dient wie ein hochgelegener See als Zwischenpuffer der Vergleichmäßigung der Energieerzeugung bei der Druckgasexpansion. Der Gesamtwirkungsgrad nimmt hierbei allerdings gegenüber einer Direktsteuerung der Expansionsräume E etwas ab. Dafür wird aber das Gesamtsystem sehr stabil und wenig störungsanfällig!

Die Größe des Druckbehälters DB darf nicht zu groß sein, weil sonst die Änderung des Flüssigkeitsvolumens darin auch den Druck p_D im Druckgasspeicher D/Druckbehälter DB zu stark beeinflussen würde. Vorzugsweise sollte er weniger als 1/10 des Volumens des Druckgasspeichers D aufweisen. Es können auch mehrere gekoppelte Druckbehälter DB Verwendung finden, was ihre hinreichend stabile Herstellung erleichtert.

In Fig. 17a stehen Expansionsraum E und Druckbehälter DB mit dem gleichen Reservoir R in Verbindung. Es können aber auch beide unterschiedliche Reservoirs besitzen, die völlig offen oder geschlossen mit Belüftungsventil sein können.

Fig.17b zeigt den allgemeinen Fall eines Druckgasflüssigkeitspumpspeicherkraftwerkes als Vergleichmäßigungsvorrichtung bei der Energieerzeugung einer beliebigen ungleichmäßig Energie erzeugenden Maschine X. Bei der Maschine X kann es sich außer um die erfindungsgemäßen quasiisothermen Expansionskraftwerke z.B. auch um ein adiabatisches Druckgasspeicherkraftwerk handeln. Es kann sich bei X aber auch um Windenergieanlagen, Windparks, Strömungskraftwerke oder Photovoltaikkraftwerke handeln. In diesem Falle besteht dann keine Gasverbindungsleitung 9 vom Druckgasspeicher D zur Maschine X.

Die Zeitdauer, über die hinweg das Pumpspeicherflüssigkeitskraftwerk vergleichmäßigend wirken kann, hängt von der Größe des Volumens im Druckbehälter DB (oder mehreren Druckbehältern DB) ab.

Prinzipiell ist es von Vorteil, nicht die gesamte in der Vorrichtung X erzeugte Energie in den

Druckbehälter einzubringen, sondern nur die statistische Schwankungsbreite um den statistischen Mittelwert herum. Dann muß ein Druckbehälter nicht so groß sein um vergleichmäßigend zu wir- ken. Die statistische Schwankungsbreite um den Mittelwert herum ist relativ gesehen um so kleiner, aus je mehr kleineren phasenverschoben arbeitenden Vorrichtungen sich die Gesamtvorrichtung X zusammensetzt! Fig. 18 stellt, ähnlich wie Fig. 13a, einen Expansionsraum E mit Kugelkappen dar, der mit Flüssigkeit 1 teilweise gefüllt ist und in dem gerade Gas 2 expandiert, das durch die Flüssigkeit 1 aus Wannen W passiv berieselt und dadurch temperiert wird. Zu- und Ableitungen in den Expansionsraum E sind in der Figur 18 nicht dargestellt. Die Zufuhr der Druckgascharge 2 erfolgt aber vorteilhafterweise am oberen linken Ende des Expansionsraumes und der Austritt der unter Druck stehenden Flüssigkeit zur Arbeitsmaschine erfolgt vorzugsweise am rechten unteren Ende.

Der Expansionsraum E steht hier nicht aufrecht, sondern er liegt. Dadurch kann er auch relativ kostengünstig in den Erdboden eingebracht werden, ohne zu tief graben zu müssen. Vorteilhafterweise liegt der Expansionsraum aber um einige Grade geneigt gegen die Horizontale. Dadurch existiert ein definierter tiefster Punkt, durch den die Flüssigkeit gesammelt abfließen kann.

Die Wannen W befinden sich hier in horizontaler Ausrichtung im Expansionsraum E. Vorzugsweise bilden sie Decken, die sich abwechselnd von links bzw. rechts in den Expansionsraum erstrecken und dadurch dem expandierenden Gas 2 und der verdrängten Flüssigkeit 1 eine mäanderför- mige Bewegung von oben nach unten aufzwingen.

Die Wannen W weisen wiederum Löcher/Düsen im Boden auf, durch die die in den Wannen W zurückgehaltene Flüssigkeit 1 nach unten rieselt und dabei das dort vorbeiströmende expandierende Gas 2 temperiert. Die Pfeile zeigen schematisch, wie die herabrieselnde Flüssigkeit 1 durch das expandierende und strömende Gas 2 etwas zur Seite mitgenommen wird.

Bezugszeichenliste

E, E_n Expansionsraum, Expansionsraum Nr. n

mit n=l, 2, 3, ... .

D, D_n Druckgasspeicher, Druckgasspeicher Nr. n

mit n=l, 2, 3, ... .

DB Quasiisobarer Druckbehälter

R, R_n Flüssigkeitsreservoir (offen oder geschlossen)

mit n=l, 2, 3, ... .

WR Warmreservoir für Flüssigkeit 1

A, A_n Arbeitsmaschine, Arbeitsmaschine Nr. n

mit n=l, 2, 3, ... .

P Pumpe

T T flüssigkeitsdurchlässige Trennschicht Nr. n

mit n=l, 2, 3, ... .

K Kleingasbehälter

B Boden,„Erd"reich

VM Vereisungsmantel

ZR Zwischenreservoir eines Pumpspeicherkraftwerks

W Berieselungswanne

S Sprühvorrichtung/Sprinkler, Beregnungsvorrichtung

K₀ Kleingasbehälter, unten offen

K_g Kleingasbehälter, geschlossen

PS Pumpspeicher, z.B. ein hochgelegener See

PSK Pumpspeicherkraftwerksanlage

V_EA Ventil zwischen Expansionsraum E und Arbeitsmaschine A

VAR Ventil zwischen Arbeitsmaschine A und Reservoir R

V_RE Ventil zwischen Reservoir R und Expansionsraum E

V_DE Ventil zwischen Druckgasspeicher D und Expansionsraum E

V_EL Ventil zwischen Expansionsraum und Umgebung („Luft"), Entgasungsventil

V_RL Ventil zwischen Reservoir R und Umgebung („Luft")

VEnAm Ventil zwischen Expansionsraum E Nr. n und Arbeitsmaschine A Nr. m mit n, m=l, 2, 3, ...

VAnR Ventil zwischen Arbeitsmaschine A Nr. n und Reservoir R

mit n=l, 2, 3, ...

VREn Ventil zwischen Reservoir R und Expansionsraum E Nr. n mit n=l, 2, 3, ... .

VüEn Ventil zwischen Druckgasspeicher D und Expansionsraum E Nr. n mit n=l, 2, 3, ... .

Ventil zwischen Expansionsraum Nr. n und Umgebung („Luft") mit n=l, 2, 3, ... .

V_RP Ventil zwischen Reservoir R und Pumpe P

EnEm Ventil zwischen Expansionsraum E Nr. n und Expansionsraum E Nr. m mit n, m=l, 2, 3, ...

V_CK Ventil zwischen Kompressor C und Kleingasbehältern K₀ oder K_g

V_DK Ventil zwischen Druckgasspeicher D und Kleingasbehältern K₀

VKL2 Ventil zwischen offenen Kleingasbehältern K₀ und Umgebung („Luft")

VElE2f Gas/Flüssigkeitsventil zwischen den Expansionsräumen El und E2

V_E2E3f Gas/Flüssigkeitsventil zwischen den Expansionsräumen E2 und E3

1 Flüssigkeit

2 Gas

-> Feststoff mit Leerräumen

4 Steigrohr

5 Erdoberfläche

6 Wärmeisolationsschicht

7 Gefrierlanze

8 Leitung Flüssigkeit

9 Leitung Gas

10 Flüssigkeitsspiegel

1 1 Bauwerkswand

Claims

ANSPRÜCHE 1. Verfahren zur Rückgewinnung von mechanischer Energie aus zuvor komprimiertem Gas, das in einem Druckgasspeicher (D) als Energiespeicher zwischengelagert ist,

dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Merkmale aufweist:

- zur Energiegewinnung aus dem Druckgas (2) wird eine in einem druckstabilen Expansionsraum (E) mit starren Wänden befindliche Flüssigkeit (1) durch das in diesem Expansionsraum (E) ex- pandierende Druckgas (2) in Bewegung versetzt und aus diesem verdrängt

- die Expansion des Druckgases (2) im Expansionsraum (E) wird so gesteuert, daß sie in dem Maße quasiisotherm verläuft, daß bei einer Druckhalbierung nur eine Temperaturänderung des Gases (2) auftritt, die weniger als die Hälfte dessen beträgt, wie sie bei einer volladiabatischen Expansion aufträte

- die Quasiisothermie wird dadurch erreicht, daß im Inneren des Expansionsraumes (E) ein Teil der reinen Flüssigkeit (1) oder ein Teil der Flüssigkeit (1), in der noch mindestens ein anderer Stoff gelöst ist, auch zum Temperieren des Druckgases (2) während der Expansion verwendet wird oder zum Wiederaufwärmen eines im Expansionsraum (E) befindlichen Feststoffes (3) dient, der zur Temperierung des im Expansionsraum (E) expandierenden Druckgases (2) verwendet wird und hierzu die Eigenschaft eines temporären Kurzzeitwärmespeichers und Wärmetauschers aufweist

- die Verdrängung der Flüssigkeit (1) durch das expandierende Gas (2) aus dem Expansionsraum (E) heraus erfolgt über eine Öffnung im Mantel des Expansionsraumes (E) hindurch über eine Zuleitung (8) in mindestens eine außerhalb des Expansionsraumes (E) befindliche Arbeitsmaschine (A) für Flüssigkeiten (1) (z.B. Wasserturbine) hinein. Die durch die Arbeitsmaschine (A) strömen- de Flüssigkeit (1) erzeugt dort mechanische Arbeit. Es tritt bei der Verdrängung der Flüssigkeit (1) aus dem Expansionsraum (E) kein Gas (2) als Gasphase in die Arbeitsmaschine (A) ein! Lediglich durch in der Flüssigkeit (1) gelöstes Gas (2) oder durch Verwirbelung von Gasblasen treten eventuell geringfügige Gasmengen (2) in die Arbeitsmaschine (A) ein.

2. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgas (2) aus einem außerhalb des Expansionsraumes (E) befindlichen Druckgasspeicher (D) chargenweise in den Expansionsraum (E) geleitet wird und daß erst nach Vollendung eines Expansionszyklus dieser Druckgascharge (2) im Expansionsraum (E) und Wiederbefüllung des Expansionsraumes (E) mit Flüssigkeit (1) eine neue Druckgascharge (2) für einen neuen Expansionszyklus in den Expansionsraum (E) eingebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsraum (E) gleichzeitig als Druckgasspeicher (D) ohne Verbindung zu einem externen Druckgasspeicher (D) dient und das Druckgas (2) in diesem auf eine Vielzahl kleiner Gasbehälter (K_g , K₀) aufgeteilt vorliegt

und das Gas (2) in diesen Kleingasbehältern(K_g , K₀), abgesehen von über die Zeit hinweg not- wendigen kleineren Nachfüllungen immer das gleiche bleibt

und für das Austragen von mechanischer Energie expandiert wird, wobei es Flüssigkeit (1), die das verbliebene Volumen im Expansionsraum (E) ausfüllt, aus diesem verdrängt und in eine Arbeitsmaschine (A) treibt

und daß das Gas (2) zur Speicherung von Energie komprimiert wird, indem Flüssigkeit (1) in den Expansionsraum (E) zurückgedrückt wird,

wobei sich die Wand der Kleingasbehälter (K_g , K₀) entweder flexibel verformt, nämlich bei Austrag von Energie sich ausdehnt oder bei Speicherung von Energie sich zusammenzieht oder sich zusammenlegt

oder Flüssigkeit (1) unten durch eine Öffnung aus den Kleingasbehältern K₀ bei Energieaustrag austritt oder bei Speicherung von Energie und Komprimieren des im Kleingasbehälter K₀ befindlichen Gases (2) dort eintritt.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierung des Gases (2) während der Expansion durch Flüs- sigkeitströpfchen (1) erfolgt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 und 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitströpfchen (1) mittels pumpenbetriebener Sprinkleranlagen (S) in das expandierende Gas (2) eingesprüht werden.

6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2, 4 und 5,

dadurch gekennzeichnet, daß das Einsprühen von unten nach oben und schräg erfolgt.

7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2, 4, 5 und 6,

dadurch gekennzeichnet, daß das Einsprühen von der Decke des Expansionsraumes (E) aus nach unten gerichtet erfolgt.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1, 2 und 4,

dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeitströpfchen (1) passiv aus im Expansionsraum (E) befindlichen Wannen oder Behältern (W) mit Löchern im Boden in das expandierende Gas (2) herabregnen.

9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierung des expandierenden Gases (2) an einem im Expansionsraum (E) befindlichen Feststoff (3) und der an dessen Oberfläche noch befindlichen Flüssigkeit (1) erfolgt, wobei der Feststoff (3) Leerräume aufweist, die zu Beginn eines Arbeitstaktes mit Flüssigkeit (1) gefüllt sind, die während des Arbeitstaktes durch das expandierende Gas (2) daraus verdrängt wird und daß der Feststoff (3) anschließend beim Wiederbefüllen des Expansionsraumes (E) mit Flüssigkeit (1) durch diese Flüssigkeit (1) wieder ungefähr auf Ursprungstemperatur vor dem Arbeitstakt temperiert wird.

10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 3,

dadurch gekennzeichnet, daß die Temperierung des bei Energieaustrag expandierenden und bei Energiespeicherung sich zusammenziehenden Gasvolumens (2) in den Kleingasbehältern (K_g , K₀) zum allergrößten Teil über die Wandung der Kleingasbehälter (K_g , K₀) und im Falle der unten offenen Kleingasbehälter K₀ zusätzlich zu einem kleineren Teil über die direkte Kontaktfläche Gas (2)/Flüssigkeit (1) erfolgt.

11. Druckgasflüssigkeitskraftwerk zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet, daß es aus mindestens folgenden Teilvorrichtungen und Betriebsmitteln besteht:

- einem druckstabilen Expansionsraum (E) in dem das Druckgas (2) von einem hohen Druck zu einem niedrigen Druck expandiert

- mindestens einem Druckgasspeicher (D) außerhalb des Expansionsraumes (E) oder innerhalb des Expansionsraumes (E)

- mindestens einer Arbeitsmaschine (A) für Flüssigkeiten (1)

- mindestens einer Zuleitung (8) aus dem unteren Bereich des Expansionsraumes (E) zur Arbeitsmaschine (A)

- Flüssigkeit (1) in Arbeitsmaschine (A), Zuleitung (8) zur Arbeitsmaschine (A) und veränderlichen Flüssigkeitsmengen (1) im Expansionsraum (E)

- Flüssigkeit (1) im Expansionsraum (E) zur Temperierung von Gas (2), das sich in seinem Volumen verändert - mindestens einem Temperaturfühler im Expansionsraum (E) in dem sich im Volumen verändernden Gas (2) zur Kontrolle der Quasiisothermie des sich im Volumen verändernden Gases (2)

- mindestens einer automatischen Regelvorrichtung, die den Zutritt der Flüssigkeit (1) in die Arbeitsmaschine (A) und/oder den Zutritt von Temperierflüssigkeit (1) in das oder zu dem sich im Volumen verändernden Gas (2) mit Hilfe der Meßwerte des mindestens einen Temperaturfühlers zu regeln gestattet, um die Veränderung im Volumen des Gases (2) im quasiisothermen Bereich zu halten.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß der Expansionsraum (E) einen Feststoff (3) mit Leerräumen enthält, die je nach Zeitpunkt des Arbeitstaktes Flüssigkeit (1) oder expandierendes Gas (2) enthalten.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Feststoff (3) um eine grobe Gesteinsschüttung oder gestapelte Formsteine handelt.

14. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 13,

dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Temperaturfühler im oberen Zehntel des im Expansionsraum (E) befindlichen Gasvolumens (2) angeordnet ist, nachdem dieses sein größtes Volumen erreicht hat.

15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14,

dadurch gekennzeichnet, daß die automatische Regelvorrichtung veränderliche Parameter von Quasiisothermie abgespeichert hat, damit im Falle einer unplanmäßig hohen Leistungsanforderung im Stromnetz das Druckgasflüssigkeitskraftwerk dennoch diese Leistung liefern kann, aber bei geringeren Anforderungen an die Quasiisothermie und damit geringerem Wirkungsgrad.