WO2021139846A1 - Verfahren zur co2-verflüssigung und -speicherung in einem co2-kraftwerk - Google Patents

Verfahren zur co2-verflüssigung und -speicherung in einem co2-kraftwerk Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method for liquefying and storing carbon dioxide as an energy carrier and as a working medium for converting natural thermal energy into work by heat engines in a CO 2 power plant. This requires a large amount of carbon dioxide at high pressure and at the right temperature. After its relaxation, however, a large amount of cold is also required to liquefy it.
  • the various expansion colds from the pressure energies can be used in an integrated manner for reliquefaction of the carbon dioxide fluid that has been expanded in the turbines;
  • EP 2 703 610 A1 an underground reservoir is used as an intermediate storage space for the CO 2 liquid from the various CCS systems. Then, depending on the electrical power requirement, the CO 2 liquid stored in the reservoir is briefly exported and evaporated by the natural heat, waste heat or other low-temperature heat in order to generate the electricity via a turbine with a generator. This can cover short-term electrical power requirements. That about the Turbine relaxed CO 2 fluid is cooled by the evaporation cold of the CO 2 liquid and compressed to the liquid, which is then returned to the reservoir and further cooled.
  • the storage tanks built for CO 2 or water storage are in comparison many times larger and of two types.
  • the first type is called S-storage, which is used to store hot water, water ice and CO 2 liquid in different seasons.
  • the second type is called C storage and is used, for example, to store CO 2 gas. It can possibly have a very large volume and under certain circumstances can also be used to store hot water, water ice or other storage media.
  • S-storage which is used to store hot water, water ice and CO 2 liquid in different seasons.
  • C storage is used, for example, to store CO 2 gas. It can possibly have a very large volume and under certain circumstances can also be used to store hot water, water ice or other storage media.
  • Step 1 for heat storage in warm periods such as summer Heat, such as solar heat with a temperature, for example, over 90 ° C but below 100 ° C, is used with a liquid storage medium such as water in room 1 and 2 of the S-storage and possibly also stored in C memories. See later the explanation for FIG. 1 for S memory and C memory.
  • Step 2 for CO 2 heating in cold periods The hot water stored in step 1 in room 1 is completely diverted from room 1 for CO 2 heating during cold periods such as winter.
  • the water heat in room 2 and possibly in C storage tanks can also be used for CO 2 heating.
  • the other types of heat mentioned above can also be used to raise the CO 2 temperature to around 90 ° C. Whether CO 2 has to be heated further above 90 ° C or below depends on the respective circumstances, e.g. depending on the use of a solar thermal system or depending on the use of a boiler to burn the CO 2 -neutral fuels.
  • Step 3 for CO 2 relaxation The heated CO 2 fresh fluids, for example in step 2, will relax in the heat engines of the CO 2 power plant and thereby transfer work to a shaft in order to generate electricity.
  • Step 4 for CO 2 gas condensation or storage The CO 2 fluids released in step 3 have a pressure between 1 and 60 bar. They can be fed into a C storage tank for storage or they can be fed into a condenser in order to liquefy them there by means of various types of cold, such as water and especially water ice cold, air cold, CO 2 expansion cold from heat engines or CO 2 evaporation cold .
  • the CO 2 gas stored in C storage tanks can be liquefied again in cold periods and in winter with the cold air in winter.
  • Step 5 for CO 2 liquid storage in cold periods The liquefied CO 2 fluids can be stored in room 1 of the S storage tank during cold periods such as winter, which was previously in step 2 with the outflow of hot water for CO 2 heating has become empty. Or, as in step 2, they can also be used for CO 2 heating.
  • Step 6 for water ice storage in cold times The water in room 2 that has become cold in step 2 can gradually solidify with winter cold and an additional amount of water may be let in. This means that it is completely filled with water ice, which surrounds the CO 2 liquid stored in room 1 through step 5, which can then be stored at a low pressure of around 15 bar until the coming summer because it is in the room through the thermal insulation layer 3 the S-store is thermally insulated from the outside (see Figure 1).
  • water ice can possibly also be stored in C storage tanks, because the water there, if it exists, has also become cold through step 2 and can be further solidified by winter cold, whereby an additional amount of water may have to be let in.
  • Step 7 for CO 2 heating in warm periods In warm periods such as summer, the CO 2 liquid stored by step 5 is discharged from room 1 and heated by the various types of heat mentioned above and transferred to the heat engines of the CO 2 - Power plant. Finally, room 1 has become empty.
  • Step 8 for water ice use in warm periods The water ice stored in step 6 is completely used via heat exchangers to condense the CO 2 gases from the heat engines, for example in warm periods such as summer. This means that the melted water in room 2 and possibly in C storage tanks is ready again to absorb heat, for example up to over 90 ° C, and room 2 and the C storage tanks can be filled again with fresh hot water. Room 1 emptied in step 7 can, for example, be used again for heat storage in summer. Step 1 can thus begin again.
  • an S storage tank can function both as a heat store with water as the working medium from summer to winter times and as a cold store with CO 2 liquid and water as working media from winter to summer times. Its design principles are described below.
  • S storage tanks can have different shapes, one of which is the circular cylinder, which is assumed here for the explanation of the construction principles for all other shapes.
  • the three circular cylinders each have a ceiling and a floor or a common ceiling and / or a common floor. In the following, only the case for the respective ceilings and floors is described, for the other cases they are to be described analogously.
  • the innermost circular cylinder space is used to store the CO 2 liquid or hot water in different periods of time, for example in winter to store CO 2 liquid up to summer times or in summer times to store hot water up to winter times.
  • the innermost circular cylinder is referred to as cylinder 1 and the space within cylinder 1 as space 1, in which heat exchangers could possibly be installed.
  • the cylinder 1 can consist of reinforced concrete with or without a stainless steel lining.
  • the next largest cylinder is called cylinder 2.
  • the space between cylinders 1 and 2 can be used to store hot water or water ice at different times, for example in summer times for storing hot water up to winter times or in winter times for storing water ice up to summer times.
  • This room is called room 2 where heat exchangers can be installed.
  • the space between cylinder 2 and the next larger circular cylinder, referred to as cylinder 3, is used for thermal insulation from the outside and is called space 3. It may be filled with thermal insulation material. Its distance to the outside and the possible thermal insulation materials in it must be determined in such a way that the requirement for the desired thermal resistance ([12] and [13]) is met. You can orientate yourself on the construction data of the seasonal heat storage.
  • the three rooms 1, 2 and 3 each have at least one inlet and outlet connection to the outside of the S-store, which are not shown in the figure for the sake of clarity.
  • the supports between the cylinders and other components in the three rooms, such as heat exchangers, are also not shown in the figure.
  • Process 1 Rooms 1 and 2 are filled with hot water at around 95 ° C and then closed and insulated against the cold.
  • Process 2 In the cold period such as winter, the stored hot water from room 1 is allowed to flow out completely for CO 2 heating. The heat from the hot water in room 2 can also be used for CO 2 heating via heat exchangers in room 2.
  • Process 3 In the cold period such as winter, CO 2 fluid from the heat engines or from the C storage tanks (see the explanation for C storage tanks later) is liquefied with winter cold.
  • the liquefied carbon dioxide is fed into room 1, which has become empty through process 2, and bottled.
  • liquid cold water must be fed into room 2, which may have become empty as a result of process 2, and can be gradually frozen there, or any water that may be there must gradually solidify via the heat exchangers installed there due to the winter air cold, or it can also be filled directly with water ice .
  • the room 2 is completely filled with water ice.
  • Process 4 After filling room 1 or 2 with CO 2 liquid or water ice, the S storage tank is closed. Then the CO 2 liquid and the water ice are thermally insulated from the outside due to the thermal insulation layer in room 3 and they now have a temperature of below / equal to minus 30 ° C.
  • Process 5 In the warm period such as summer, the CO 2 liquid in room 1 is allowed to flow out completely for heating purposes, and the water ice in room 2 is used to condense the CO 2 gases emanating from heat engines. As a result, room 1 becomes empty again and returns to the initial state. The room 2 is possibly has become empty due to the outflow of the molten water or the molten water remaining there has become capable of absorbing heat again via the heat exchanger installed there. This starts process 1 again.
  • the C-store is a variant of an S-store, namely if the diameter of the cylinder 1 of the S-store is set to zero and possibly only the cylinder 2 and the room 2 with the ceiling and the floor exist.
  • the carbon storage tank is used to store CO 2 gas or water and can, under certain circumstances, be thermally insulated from the outside. At the construction site, such as a desert area, it should not have any thermal insulation. However, if it is thermally insulated from the outside, it can be used to store hot water, water ice or CO 2 liquid. Its work processes are as follows: First, without loss of generality, the C memory is empty at the beginning of summer.
  • Process 1 In the warm period such as summer, the C storage tank is filled with CO 2 fluid from the heat engines with a certain gas pressure, for example 6 bar, and closed. As the air temperature drops over time from summer to winter, it should be refilled automatically if the pressure in it drops.
  • a certain gas pressure for example 6 bar
  • Process 2 In cold periods like winter, CO 2 fluid is diverted from the carbon storage tank for liquefaction, for example by setting the expansion pressure of some heat engines at a pressure of over 16 bar and the corresponding CO 2 fluid flows from them flow through a venturi nozzle, where the CO 2 pressure drops and the CO 2 fluid from the C storage tank is possibly sucked into the nozzle via a pipe in which a fan can be installed to accelerate the CO 2 gas Send C storage to the nozzle or to a CO 2 condenser.
  • Process 3 If the C-storage tank has a thermal insulation layer, it can be used to store water ice in winter times.
  • Process 4 The possibly stored water ice in process 3 is used in summer to liquefy CO 2. The water that is melted in this way can be let flow out of the C storage tank, so that it is ready again to store CO 2 gas.
  • a C storage tank has a thermal insulation layer, it can also be used to store hot water in summer, see the processes described above in room 2 of the S storage tank. If it is suitably thermally insulated from the outside for storing the C0 2 liquids, it can also be used to store the CO 2 - Use liquids in cold times such as winter, see the processes described above in room 1 of the S storage tank.
  • All of the above-mentioned C or S storage tanks can be set up in a standing and / or lying manner and equipped with suitable measuring devices and safety valves.
  • the measurement data are transmitted to the central control system of the CO 2 power plant.
  • the appropriate valves are installed at the appropriate points in the various pipelines between different components of the CO 2 power plant, such as safety valves, check valves, shut-off valves, reducing valves, two-way and two-pressure valves and other types of valves ([8]).
  • safety valves check valves
  • shut-off valves reducing valves
  • two-way and two-pressure valves two-way and two-pressure valves and other types of valves ([8]).
  • At least one group could be formed for all S and C storage units.
  • Each group of these can have one or two collecting lines through which the carbon dioxide or water is introduced or discharged to or from the respective target object or source object.
  • a target object or source object can be, for example, an operating tank, a heat engine, a storage tank, a heat exchanger or any component in the CO 2 power plant. All heat exchangers possibly installed in tanks or storage tanks are available accordingly and provided with specific heat transfer capacities. For the sake of clarity, they are also not shown.
  • the natural warmth and cold of minus 30 ° C to plus 30 ° C must be used extensively in CO 2 power plants for energy conversion.
  • the natural heat is used, for example, to heat CO 2 from minus 30 ° C to plus 30 ° C and the natural cold from 20 ° C to minus 30 ° C can be used to liquefy CO 2.
  • the heat and cold stores with water as the working medium play an important role in the transfer of heat and cold between the different seasons.
  • the heating and cooling processes of the carbon dioxide can, due to the storage capacity of the CO 2 power plant, take place in stages and staggered in time up to the desired operating temperatures in the operating containers or CO 2 stores.
  • Process 1 CO 2 liquid is discharged from room 1 of an S-storage tank, and possibly flows to an evaporation container with an evaporation temperature of minus 4 ° C as an example.
  • the cold generated by evaporation can be used for CO 2 gas condensation in a condensation tank, which is connected directly to the evaporation tank through a heat exchanger.
  • the evaporation vessel and the condensation vessel can also be one and the same device. As a rule, however, the evaporation cooling can only compensate for part of the heat of CO 2 gas condensation.
  • the combination of the evaporation container with the condensation container shown here in FIG. 2 is only one example; there can be several such combinations in a CO 2 power plant.
  • Process 2 The CO 2 evaporation fluid is diverted from the evaporation container and led to an operating container of the container group summarized in FIG. 2.
  • Process 3 Another part of the CO 2 liquid can also be discharged from an S-storage tank and introduced into an operating container of the group, which may be the operating container mentioned in process 2.
  • an operating container of the group which may be the operating container mentioned in process 2.
  • the operating pressure and temperature of each corresponding CO 2 density is observed.
  • the carbon dioxide that had just been liquefied from the condensation tank was also introduced into the operating tank.
  • the corresponding CO 2 density has been reached in the operating tank, it is closed and any expansion cold that may have arisen is dissipated for further use.
  • the CO 2 heating is thus continued until the desired operating state variables of the CO 2 fluid are reached.
  • the heated CO 2 fluid flow will then continue to flow to an input heat engine of the heat engine group and relax there.
  • the C0 2 liquid from S storage tanks or the carbon dioxide that has just been liquefied from the condensation tank does not have to be passed through the evaporation tank, but also came directly to an operating tank for CO 2 heating.
  • Process 4 There were several input heat engines in the heat engine group, which are arranged in parallel in the heat engine group so that the CO 2 throughput through the group could be increased.
  • an input heat engine came to be a piston engine ([9]), which has the following advantages: cold generation, use of the high CO 2 operating pressure and flexible density ratios between the operating and expansion densities of the CO 2 fluid flows.
  • another heat engine can be connected in series and a heat exchanger or a boiler can be installed between the series-connected heat engines in order to re-heat the CO 2 fluid flow behind the front heat engine.
  • the serial connection allows the enthalpy difference of the heat engine group to be increased through the intermediate heating.
  • the parallel and serial connection methods of heat engines within the heat engine group enable flexible scaling of the power plant's output as well as dynamic power control.
  • the expanded CO 2 fluids become C storage media for their storage or a condensation container for their liquefaction or via a Venturi nozzle ([4]) passed through a condenser.
  • a Venturi nozzle [4]
  • FIG. 2 only a combination of a Venturi nozzle with a connected condenser is shown.
  • there can be several such combinations or condensers which receive the relaxed CO 2 fluids from the heat engines directly without interposed Venturi nozzles and which are not shown in FIG. 2 for the sake of clarity.
  • Operation 5 In the cold period such as winter can the C-storage panel kept CO 2 - gas via a pipeline in the Figure 2 illustrated Venturi nozzle 4 suck, through which part of the effluent from the heat engines CO 2 - Fluid flows through. If necessary, a fan is installed in the pipeline to accelerate the CO 2 gas to the Venturi nozzle and then to the CO 2 condenser or directly to a condenser. Then it can be liquefied together with the CO 2 fluid flowing out of the heat engines in the condenser below minus 30 ° C with a corresponding pressure level, for example 16 bar.
  • the CO 2 fluids flowing out of the heat engines can also flow into a condensation container and be cooled by the evaporation cold via the heat exchanger.
  • the condensation tank can also be installed with further heat exchangers, which are connected to the other cold sources.
  • the cold source can be, for example, cold water, the cold generated in piston engines or the water ice stored in room 2 of the S storage and possibly in C storage.
  • the condensation temperature can be designed for example at 4 ° C and the heat of CO 2 gas condensation can be partially compensated for by the melting enthalpy of the water ice.
  • the cold sources can be cold water or cold air. For other seasons, autumn and spring, you can proceed in a similar way.
  • Process 7 In the cold period such as winter, the heat from the hot water in the S storage tanks and possibly also in the C storage tanks can be used to heat the CO 2 fluids before they enter the heat engines. As a result, room 1 of the S-storage tank has become empty due to the outflow of hot water.
  • Process 8 The carbon dioxide liquefied in winter can be returned to room 1 of the S storage tank and stored there.
  • the heat-insulated C storage tanks and room 2 of the S storage tanks can be refilled with water ice in winter using different methods, for example the solidification of water in them or the transport of ice there. This then results in the initial state of the S and C memories and process 1 begins again.
  • the working procedure is described above, now a CO 2 power plant is shown with specific process data. Since the DSK process takes place in the low temperature range, all standard techniques can normally be used if required.
  • the low temperature range is meant here with the range from minus 60 ° C to plus 150 ° C.
  • the natural warmth and cold in this temperature range can be economically exploited via the DSK properties, namely storage capacity and discretion for energy conversion.
  • the upper temperature limit of 150 ° C can certainly also be increased if, for example, a material with a higher strength and at the same time the economic efficiency of its use is present.
  • the large turbines commonly used can withstand a temperature of around 500 ° C with around 400 bar. It follows that the corresponding measuring and control devices are also available for CO 2 power plants.
  • the CO 2 temperature of 150 ° C can easily be reached with the inexpensive solar thermal systems or with the use of CO 2 -neutral fuels. Which temperature level is set as the operating temperature depends both on the profitability of the use of solar heat or on the combustion heat of the CO 2 -neutral fuels and on the profitability of the use of known substances to manufacture the new machines and devices.
  • the CO 2 power plant has a heat engine group consisting of two heat engines, the first is a piston engine as an input heat engine, the second is a turbine that is connected in series with the piston engine.
  • the operating temperature or pressure is 90 ° C or 1000 bar for the piston engine, its expansion temperature or pressure is minus 4 ° C or 31.303 bar. It follows that the relaxed CO 2 fluid has a specific density of 268.324 kilograms per cubic meter and the enthalpy difference has a value of 109.435 kj / kg.
  • a heat exchanger is connected directly to the piston engine in order to heat the relaxed CO 2 fluid from it up to 90 ° C again. From the above density and the temperature 90 ° C it follows that the CO 2 fluid has a pressure of 118.126 bar. Then it is directed to the turbine, where it relaxes. Let the expansion temperature or pressure be 4 ° C or 38.688 bar. The enthalpy difference to this is then 42.863 kj / kg. Since the reciprocating engine and the turbine are connected in the series manner, the total enthalpy difference is 152.298 kj / kg for the heat engine group.
  • the location of the CO 2 factory is the city of Harbin in China. There the air temperature can reach minus 30 ° C or plus 30 ° C in winter or summer time and in addition there are around half of them in a year in which the lowest air temperature of each day is below / equal to 0 ° C.
  • the other source of cold is, for example, the relaxed CO 2 gas flow of minus 4 ° C from the piston engine, or the CO 2 evaporation cold generated in the evaporation tank, but these two types of cold are not yet taken into account when calculating the storage volume for water ice. You therefore need around 15,287 cubic meters of water ice with a temperature of minus 30 ° C in the S and / or C storage tanks.
  • C0 2 -neutral fuels In winter, a lot of natural cold is available, but little natural heat. Therefore, the heat of combustion of the CO 2 -neutral fuels such as planting straw, logging and energy crops can be the heat source for CO 2 heating. By separating C0 2 from their combustion flue gas and using the carbon dioxide separated therefrom in CO 2 power plants, the CO 2 content of the atmosphere can be reduced quickly. For example, one hectare of winter wheat cultivation can produce approx. 10 tons of straw, which when burned produces about 25 tons of CO 2 after its separation, the use of which in CO 2 power plants equates to its extraction from the atmosphere.
  • the connections of heat engines such as piston engines and turbines with CO 2 as the working medium can be carried out in a serial and / or parallel manner Intermediate heating take place.
  • the serial connections can increase the CO 2 enthalpy difference of the heat engine group, while the parallel connections may increase their CO 2 throughput.
  • the CO 2 flows in between can be controlled with valves and switches in order to increase their adaptability to specific and changing conditions of the seasons such as changes in air temperature or to changing electrical consumption requirements. This then requires a corresponding central control system for CO 2 power plants.
  • the existing nuclear or coal-fired power plants can be converted to CO 2 power plants because almost all of the components can be reused. In particular, in their vicinity there can be a large number of fallow lands that can be used to build CO 2 stores; Water sources are almost always available there; the civil engineering rights have been approved there. Incidentally, the waste incineration plants can be used to separate CO 2 from their flue gas and use it in CO 2 power plants, thus further improving environmental protection for the surrounding areas.
  • the CO 2 - evaporation cooling can be used for CO 2 condensation, but this may only condense a portion of the expanded CO 2 gas from the heat engines, because the CO 2 evaporation is in direct conflict with that from the operating pressure and -temperature-derived operating density of the CO 2 fluid.

Abstract

CO2-Kraftwerk im Niedertemperaturbereich benötigt viel CO2-Fluid mit passender Temperatur und Druck für seine Entspannung in den Wärmekraftmaschinen zur Umwandlung der Naturwärme in Arbeit. Zur CO2-Gasverflüssigung wird aber auch viel Kälte gebracht. Dazu liefert neben den im Patent DE102017003 238 erklärten Überbrückungen die Speicherung von Wasser bzw. Kohlendioxid in unterschiedlichen Jahreszeiten viel Wärmeenergie bzw. flüssiger Kohlendioxide, welche sich unter niedrigem Druck stabil speichern lassen und Kälte bei ihrer Verdampfung erzeugen. Außerdem werden vorgeschlagen, Kolbenkraftmaschinen im CO2-Kraftwerk einzusetzen, die Kältemaschinen bei Bedarf zu verwenden und die winterliche Kälte zur Stromerzeugung und damit zur Wasserstofferzeugung auszunutzen. Dabei kann die Verbrenmmgswärme der CO2-neutralen Brennstoffe zum CO2-Heizen verwendet und zugleich der CO2-Gehalt der Atmosphäre durch Einsatz des aus dem Verbrennungsrauchgas getrennten Kohlendioxids im CO2-Kraftwerk reduziert werden. Somit bilden die Erfindung und das obengenannte Patent ein wirtschaftliches Lösungspaket für die Probleme Klimawandel und Energiemangel.

Description

Verfahren zur CO2- Verflüssigung und -Speicherung in einem CO2-Kraftwerk
[1] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verflüssigung und Speicherung von Kohlendioxid als Energieträger und als Arbeitsmedium für die Umwandlung von Naturwärmeenergie in Arbeit durch Wärmekraftmaschinen in einem CO2 -Kraftwerk. Dabei wird eine große Menge Kohlendioxid mit hohem Druck und passender Temperatur benötigt. Nach seiner Entspannung wird aber auch eine große Menge Kälte zu seiner Verflüssigung gebraucht.
[2] Dazu werden die zeitlichen bzw. örtlichen Überbrückungen mittels CO2Speicherung bzw. CO2-Transportsystem beitragen, siehe hierfür die Beschreibung des Patents ( [4] ) DE 102017 003 238 A1. Dort ist ein neues Kreislaufmodell aufgestellt, welches den Clausius-Rankine- Kreislauf erweitert und sich diskreter und speicherbarer Kreislauf mit der Abkürzung DSK nennt. DSK ist deswegen diskret bzw. speicherbar, weil er batchweise und parallel mit mehreren CO2-Strömen arbeitet bzw. weil seine CO2-Behälter Kohlendioxid beliebig lange speichern können. Im o.g. Patent sind die relevanten Patente mit Kurzbeschreibungen genannt, um den Stand der Technik darzustellen. Zusätzlich werden hier zwei Patente für die Nutzung der Kohlendioxide als Arbeitsmedium und als Energieträger kurz zusammengefasst: In dem Patent ([1]) DE 102006035 273 A1 wird die überschüssige Elektrizität ausgenutzt, um den Hochdruck von Kohlendioxid, Erdgas und Druckluft zu erzeugen. Somit wird die elektrische Energie in die Druckenergie umgewandelt, die sich in jeweiligen Speichern aufbewahren und weiter zweckmäßig verwenden lässt. Insbesondere wird dabei betont, dass die gespeicherten Kohlendioxide als Arbeitsmedium flexibel zur Erzeugung der Elektrizität unter der Nutzung von Niedertemperaturwärme aus den Kraftwerken und Ihren Umgebungen verwendet werden können, um z.B. den Gesamtwirkungsgrad von den Kraftwerken zu erhöhen und den Spitzenbedarf an elektrischem Strom zu decken. Dabei lassen sich zur Wiederverflüssigung von dem in den Turbinen entspannten Kohlendioxid-Fluid die verschiedenen Entspannungskälten aus den Druckenergien integriert benutzen; Im zweiten Patent ( [2] ) EP 2 703 610 A1 verwendet man ein unterirdisches Reservoir als Zwischenspeicherungsraum für die CO2-Flüssigkeit aus den verschiedenen CCS-Systemen. Dann je nach dem elektrischen Strombedarf wird kurzfristig die im Reservoir gespeicherte CO2-Flüssigkeit ausgeführt und durch die Naturwärme, Abwärme oder andere Niedertemperaturwärmen verdampft, um die Elektrizität über eine Turbine mit Generator zu erzeugen. Damit kann kurzfristiger elektrischer Strombedarf gedeckt werden. Das über die Turbine entspannte CO2-Fluid wird über die Verdampfungskälte der CO2-Flüssigkeit abgekühlt und zur Flüssigkeit verdichtet, welche anschließend zum Reservoir zurückgeführt und weiter abgekühlt wird. Dabei wird demonstriert, dass Kohlendioxide als Arbeitsmedium zur Umwandlung der Wärmeenergie im Niedertemperaturbereich in die mechanische Energie unter bestimmten Voraussetzungen wirtschaftlich effizient ausgenutzt werden können. Darüber hinaus wird hier ausdrücklich auf die saisonalen Wärmespeicher ([10]) und http://www.saisonalspeicher.de verwiesen. Dort kann beispielsweise Solarwärme während Sommerzeiten gespeichert und dann in Winterzeiten genutzt werden. Es wird auch betont, dass ihre Wirtschaftlichkeit durch ihre Volumengröße als einen der wichtigsten Faktoren mitbestimmt wird. Zum Beispiel ist dort ein saisonaler Wärmespeicher mit einer Größe ab 1000 Kubikmeter gefordert, um die Wärmeverluste durch die Oberfläche des Wärmespeichers im Vergleich zur im Volumen gespeicherten Energiemenge zu minimieren.
[3] Die für CO2- bzw. Wasser-Speicherung gebauten Speicher sind im Vergleich dazu vielfach größer und besitzen zwei Typen. Der erste Typ wird als S-Speicher bezeichnet, der zur Speicherung von Warmwasser, Wassereis und CO2-Flüssigkeit in unterschiedlichen Jahreszeiten dient. Der zweite Typ wird C-Speicher genannt und dient z.B. der Speicherung von CO2-Gas. Er kann eventuell sehr große Volumen besitzen und sich unter Umständen auch zur Speicherung von Warmwasser, Wassereis oder anderen Speichermedien verwenden lassen. Später werden die S- bzw. C-Speicher mithilfe von Figur 1 noch detaillierter erläutert.
[4] Im CO2-Krafitwerk lassen sich neben der o.g. gespeicherten Wärme und Kälte auch andere Arten der Wärme oder Kälte verwenden, wie z.B. die Luftwärme, Abwärme, Erdwärme, Wärme aus Verbrennung der CO2-neutralen Brennstoffe wie Pflanzstroh und Abholzen, oder CO2- Verdampfungskälte, CO2-Expansionskälte in Wärmekraftmaschinen, die Kälte von Kaltwasser, winterlicher Luft oder anderen Kältemitteln.
[5] Zur Beschreibung der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden angenommen, dass die Lufttemperatur minus 30 °C in Winterzeiten und plus 30 °C in Sommerzeiten erreichen kann. Dann sieht das Verfahren der vorliegenden Erfindung wie folgt aus:
[6] Schritt 1 für die Wärmespeicherung in Warmzeiten wie Sommer: Wärme, wie etwa Solarwärme mit einer Temperatur z.B. über 90 °C jedoch unter 100 °C, wird mit einem flüssigen Speichermedium wie zum Beispiel Wasser in Raum 1 und 2 der S-Speicher und eventuell auch in C-Speichem aufbewahrt. Siehe später die Erklärung zur Figur 1 für S- Speicher und C-Speicher.
[7] Schritt 2 für CO2-Heizen in Kaltzeiten: Das durch Schritt 1 gespeicherte Warmwasser im Raum 1 wird zum CO2-Heizen in der Kaltzeit wie Winter aus dem Raum 1 ganz ausgeleitet. Die Wasserwärme im Raum 2 und eventuell in C-Speichem kann ebenfalls zum CO2-Heizen benutzt werden. Ebenso benutzt werden können die o.g. anderen Arten der Wärme, um die CO2-Temperatur auf etwa 90 °C zu erhöhen. Ob CO2 noch weiter über 90 °C oder darunter zu heizen ist, hängt von den jeweiligen Umständen ab, z.B. abhängig vom Einsatz einer Solartherme- Anlage oder abhängig vom Einsatz eines Heizkessels zur Verbrennung der CO2- neutralen Brennstoffe.
[8] Schritt 3 für CO2-Entspannung: Die geheizten CO2-Frischfluide z.B. in Schritt 2 werden sich in den Wärmekraftmaschinen des CO2-Kraftwerks entspannen und dabei Arbeit an eine Welle übertragen, um Elektrizität zu erzeugen.
[9] Schritt 4 für CO2-Gaskondensation oder -Speicherung: Die in Schritt 3 entspannten CO2- Fluide haben einen Druck zwischen 1 bis 60 bar. Sie können in einen C-Speicher zur Speicherung geleitet werden oder man führt sie in einen Kondensator ein, um sie dort mittels verschiedener Kälte zu verflüssigen, wie z.B. Wasser- und insbesondere Wassereiskälte, Luftkälte, CO2-Expansionskälte aus Wärmekraftmaschinen oder CO2-Verdampftmgskälte. Das in C-Speichem aufbewahrte CO2-Gas kann in der Kaltzeit wie Winter mit winterlicher Luftkälte wieder verflüssigt werden.
[10] Schritt 5 für CO2-Flüssigkeitspeicherung in Kaltzeiten: Die verflüssigten CO2-Fluide können in der Kaltzeit wie Winter in Raum 1 der S-Speicher gespeichert werden, welcher zuvor in Schritt 2 mit dem Ausfluss von Warmwasser zum CO2-Heizen leer geworden ist. Oder sie können auch wie in Schritt 2 zum CO2-Heizen geführt werden.
[11] Schritt 6 für Wassereis-Speicherung in Kaltzeiten: Das durch Schritt 2 kalt gewordene Wasser im Raum 2 lässt sich mit winterlicher Kälte sukzessiv erstarren und dabei wird eventuell eine zusätzliche Wassermenge eingelassen. Somit ist er mit Wassereis vollgefüllt, durch welches die durch Schritt 5 im Raum 1 gespeicherte CO2-Flüssigkeit umgeben wird, die sich dann mit einem niedrigen Druck von etwa 15 bar bis zur kommenden Sommerzeit speichern lässt, denn sie ist durch die Wärmeisolierschicht im Raum 3 der S-Speicher gegen die Außenseiten wärmeisoliert (Siehe Figur 1). Zudem lässt sich Wassereis eventuell auch in C-Speichem aufbewahren, denn das Wasser dort, falls existiert, ist durch Schritt 2 ebenfalls kalt geworden und kann weiter durch winterliche Kälte erstarrt werden, wobei eventuell eine zusätzliche Wassermenge einzulassen ist.
[12] Schritt 7 für CO2-Heizen in Warmzeiten: In der Warmzeit wie Sommer wird die durch Schritt 5 gespeicherte CO2-Flüssigkeit aus dem Raum 1 ausgeleitet und durch die o.g. verschiedenen Arten der Wärme geheizt und zu den Wärmkraftmaschinen des CO2- Kraftwerks geführt. Schließlich ist der Raum 1 leer geworden. [13] Schritt 8 für die Wassereis- Verwendung in Warmzeiten: Das in Schritt 6 gespeicherte Wassereis wird über Wärmetauscher zur Kondensation der CO2-Gase aus den Wärmekraftmaschinen beispielsweise in der Warmzeit wie Sommer komplett verwendet. Dadurch ist das geschmolzene Wasser im Raum 2 und eventuell in C-Speichem zur Wärmeaufnahme z.B. bis über 90 °C wieder bereit, eventuell können der Raum 2 und die C- Speicher mit frischem Warmwasser wieder voll befüllt werden. Der in Schritt 7 entleerte Raum 1 kann z.B. in Sommerzeiten erneut zur Wärmespeicherung benutzt werden. Somit kann der Schritt 1 erneut beginnen.
[14] Hierbei sieht man, dass ein S-Speicher sowohl als Wärmespeicher mit Wasser als Arbeitsmedium von Sommerzeiten bis zu Winterzeiten wie auch als Kältespeicher mit CO2- Flüssigkeit und Wasser als Arbeitsmedien von Winterzeiten bis zu Sommerzeiten fungieren kann. Im Folgenden werden seine Konstruktionsprinzipien beschrieben.
[15] Erklärung zur Figur 1 für S-Speicher
S-Speicher können verschiedene Gestalten besitzen, eine davon ist die der Kreiszylinder, welcher hier zur Erläuterung der Konstruktionsprinzipien für alle anderen Gestalten angenommen wird. Es gibt hier drei Kreiszylinder unterschiedlicher Größen, die ineinander in bestimmten Abständen gebaut werden. Die drei Kreiszylinder haben jeweils eine Decke und einen Boden oder eine gemeinsame Decke und/oder einen gemeinsamen Boden. Im Folgenden beschreibt man nur den Fall für die jeweiligen Decken und Böden, für die anderen Fälle sind sie analog zu beschreiben.
[16] Der innerste Kreiszylinderraum dient zur Speicherung der CO2-Flüssigkeit bzw. des Warmwassers in unterschiedlichen Zeiträumen, so z.B. in Winterzeiten zur Speicherung von CO2-Flüssigkeit bis zu Sommerzeiten bzw. in Sommerzeiten zur Speicherung von Warmwasser bis zu Winterzeiten. Der innerste Kreiszylinder wird als Zylinder 1 und der Raum innerhalb des Zylinders 1 als Raum 1 bezeichnet, in welchem Wärmetauscher unter Umständen installiert werden könnten. Der Zylinder 1 kann aus Stahlbeton mit oder ohne Edelstahlauskleidung bestehen.
[17] Der nächstgrößere Zylinder wird Zylinder 2 genannt. Der zwischen den Zylindern 1 und 2 liegende Raum lässt sich zur Speicherung von Warmwasser bzw. Wassereis in unterschiedlichen Zeiten verwenden, so z.B. in Sommerzeiten für die Speicherung von Warmwasser bis zu Winterzeiten bzw. in Winterzeiten für die Speicherung von Wassereis bis zu Sommerzeiten. Dieser Raum wird Raum 2 genannt, in dem Wärmetauscher installiert werden können. [18] Der zwischen Zylinder 2 und dem nächstgrößeren und als Zylinder 3 bezeichneten Kreiszylinder liegende Raum dient zur Wärmeisolierung gegen die Außenseiten und wird Raum 3 genannt. Er wird möglicherweise mit Wärmedämmstoffen gefüllt. Dessen Abstand nach Außen und die möglichen Wärmedämmstoffe darin sind so zu bestimmen, dass die Anforderung an den gewünschten Wärmeleitwiderstand ( [12] und [13]) erfüllt wird. Dabei kann man sich an den Konstruktionsdaten der saisonalen Wärmespeicher orientieren. Außerdem besitzen die drei Räume 1, 2 und 3 jeweils mindestens eine Ein- und Ausfuhrverbindungen zum Außen des S-Speichers, die übersichtshalber nicht in der Figur gezeichnet sind. Ebenso nicht in der Figur gezeichnet sind die Stützen zwischen den Zylindern und andere Bestandskomponenten in den drei Räumen wie z.B. Wärmetauscher.
[19] Die Arbeitsvorgänge eines S-Speichers sehen wie folgt aus: Zuerst ohne Einschränkung der Allgemeinheit sei der S-Speicher leer und der Betriebsbeginn sei am Anfang eines Sommers.
[20] Vorgang 1 : Mit Warmwasser von etwa 95 °C werden die Räume 1 und 2 vollgefüllt und dann zugemacht und gegen Kälte isoliert.
[21] Vorgang 2: In der Kaltzeit wie Winter lässt man das gespeicherte Warmwasser aus dem Raum 1 zum CO2-Heizen ganz ausfließen. Die Wärme vom Warmwasser im Raum 2 kann zum CO2-Heizen außerdem über Wärmetauscher im Raum 2 genutzt werden.
[22] Vorgang 3: In der Kaltzeit wie Winter wird CO2-Fluid aus den Wärmekraftmaschinen oder aus den C-Speichem (Siehe später die Erklärung für C-Speicher) mit winterlicher Kälte verflüssigt. Das verflüssigte Kohlendioxid wird in den durch Vorgang 2 leer gewordenen Raum 1 geleitet und abgefüllt. Außerdem ist flüssiges Kaltwasser in den durch Vorgang 2 möglicherweise leer gewordenen Raum 2 zu leiten und lässt sich dort sukzessiv frieren, oder dort eventuell befindliches Wasser ist über die dort installierten Wärmetauscher durch winterliche Luftkälte allmählich zu erstarren, oder er kann auch direkt mit Wassereis befüllt werden. Somit ist der Raum 2 mit Wassereis vollgefüllt.
[23] Vorgang 4: Nach der Füllung des Raums 1 bzw. 2 mit CO2-Flüssigkeit bzw. Wassereis wird der S-Speicher zugemacht. Dann sind die CO2-Flüssigkeit und das Wassereis aufgrund der Wärmeisolierschicht im Raum 3 gegen die Außenseiten wärmeisoliert und sie haben jetzt eine Temperatur von unter/gleich minus 30 °C.
[24] Vorgang 5: In der Warmzeit wie Sommer lässt man die CO2-Flüssigkeit im Raum 1 zu ihrem Heizen ganz ausfließen, und das im Raum 2 befindliche Wassereis wird zur Kondensation der aus Wärmekraftmaschinen ausströmenden CO2-Gase verwendet. Dadurch wird der Raum 1 wieder leer und kehrt zum Initialzustand zurück. Der Raum 2 ist eventuell durch Ausfließen des geschmolzenen Wassers leer geworden oder das dort verbliebene geschmolzene Wasser ist über den dort installierten Wärmetauscher wieder wärmeaufnahmefahig geworden. Damit beginnt erneut Vorgang 1.
[25] Erklärung für C-Speicher
Der C-Speicher ist eine Variante eines S-Speichers, nämlich wenn der Durchmesser des Zylinders 1 des S-Speichers gleich null angesetzt wird und eventuell nur der Zylinder 2 und der Raum 2 mit der Decke und dem Boden bestehen.
[26] Der C-Speicher dient der Speicherung von CO2-Gas oder Wasser und kann unter Umständen wärmeisoliert gegen die Außenseiten sein. An dem Baustandort wie z.B. einem Wüstengebiet sollte er keine Wärmeisolierung aufweisen. Falls er aber wärmeisoliert gegen die Außenseiten ist, kann er zum Speichern von Warmwasser, Wassereis oder CO2- Flüssigkeit benutzt werden. Seine Arbeitsvorgänge sehen wie folgt aus: Zuerst ohne Einschränkung der Allgemeinheit sei der C-Speicher zu einem Sommerbeginn leer.
[27] Vorgang 1 : In der Warmzeit wie Sommer wird der C-Speicher mit CO2-Fluid aus den Wärmekraftmaschinen mit einem bestimmten Gasdruck z.B. 6 bar vollgefüllt und zugemacht. Mit dem Sinken der Lufttemperatur im Zeitablauf von Sommerzeiten nach Winterzeiten sollte er aber automatisch nachgefüllt werden, falls der Druck darin sinkt.
[28] Vorgang 2: In der Kaltzeit wie Winter wird CO2-Fluid aus dem C-Speicher zur Verflüssigung ausgeleitet, indem z.B. der Entspannungsdruck mancher Wärmekraftmaschinen auf einer Druckhöhe von über 16 bar angesetzt wird und die entsprechenden CO2-Fluidströme aus ihnen durch eine Venturi-Düse durchfließen, wo der CO2-Druck sinkt und das CO2-Fluid aus dem C-Speicher möglicherweise in die Düse über eine Rohrleitung angesaugt wird, in welcher ein Ventilator installiert werden kann, um CO2-Gas beschleunigt aus dem C-Speicher zur Düse oder zu einem CO2-Kondensator auszuschicken.
[29] Vorgang 3: Falls der C-Speicher eine Wärmeisolierungsschicht hat, kann er zum Speichern von Wassereis in Winterzeiten benutzt werden.
[30] Vorgang 4: Das eventuell gespeicherte Wassereis im Vorgang 3 wird in Sommerzeiten zur CO2-Verflüssigung verwendet. Das dadurch geschmolzene Wasser kann man aus dem C- Speicher ausfließen lassen, damit wird er wieder bereit zum Speichern von CO2-Gas.
Falls ein C-Speicher eine Wärmeisolierungsschicht hat, kann er auch zum Speichern von Warmwasser in Sommerzeiten benutzt werden, hierzu siehe die oben beschriebenen Vorgänge in Raum 2 der S-Speicher. Falls er geeignet wärmeisoliert gegen die Außenseiten für die Speicherung der C02-Flüssigkeiten ist, so lässt er sich auch zur Speicherung der CO2- Flüssigkeiten in Kaltzeiten wie Winter verwenden, hierzu siehe die oben beschriebenen Vorgänge in Raum 1 der S-Speicher.
[31] Alle oben genannten C- oder S-Speicher können in einer stehenden und/oder liegenden Weise aufgebaut und mit geeigneten Messgeräten und Sicherheitsventilen ausgestattet werden. Die Messdaten werden an das Zentralsteuerungssystem des CO2-Kraftwerks übertragen. An den geeigneten Stellen der verschiedenen Rohrleitungen zwischen unterschiedlichen Bauteilen des CO2-Kraftwerks werden die passenden Ventile installiert, so z.B. die Sicherheitsventile, Rückschlagventile, Absperrventile, Reduzierventile, Wechsel- und Zweidruckventile und andere Arten der Ventile ( [8]). Übersichtshalber sind sie aber in allen Figuren der vorliegenden Beschreibung nicht gezeichnet. Für alle S- bzw. C-Speicher könnte jeweils mindestens eine Gruppe gebildet werden. Jede Gruppe davon kann ein oder zwei Sammelleitungen haben, durch welche das Kohlendioxid oder Wasser zum bzw. vom jeweiligen Zielobjekt bzw. Quellobjekt ein- bzw. ausgefuhrt wird. Dabei kann ein Zielobjekt bzw. Quellobjekt z.B. ein Betriebsbehälter, eine Wärmekraftmaschine, ein Speicher, ein Wärmetauscher oder irgendein Bauteil im CO2-Kraftwerk sein. Alle in Behältern oder Speichern möglicherweise installierten Wärmetauscher sind sinngemäß vorhanden und mit bestimmten Wärmeübertragungsleistungen vorgesehen. Sie sind übersichtshalber ebenfalls nicht gezeichnet.
[32] Erklärung zur Figur 2 für CO2-Kraftwerk
Die Naturwärme und -kälte von minus 30 °C bis plus 30 °C ist in CO2-Kraftwerken zur Energieumwandlung ausgiebig auszunutzen. Die Naturwärme dient beispielsweise zum CO2- Heizen von minus 30 °C bis plus 30 °C und die Naturkälte von 20 °C bis minus 30 °C lässt sich zur CO2- Verflüssigung verwenden. Dabei spielen die Wärme- und Kältespeicher mit Wasser als Arbeitsmedium eine wichtige Rolle für den Transfer von Wärme und Kälte zwischen den unterschiedlichen Jahreszeiten. Die Heiz- und Kühlvorgänge des Kohlendioxids können aufgrund der Speicherungsfahigkeit des CO2-Kraftwerks stufenweise und zeitlich versetzt bis zu den gewünschten Betriebstemperaturen in den Betriebsbehältem oder CO2- Speichem stattfinden.
[33] Zur Erklärung der Figur 2 möge der Betrieb eines CO2-Kraftwerks in einem Sommerbeginn starten, alle S-Speicher seien durch CO2-Flüssigkeit bzw. Wassereis mit der Temperatur von minus 30 °C vollgefüllt, alle C-Speicher seien durch Wassereis voll befüllt oder leer. Für die einzelnen Wärmekraftmaschinen in der Wärmekraftmaschinengruppe seien die geeigneten Betriebstemperaturen und -drücke ausgelegt. Das Arbeitsverfahren dazu sieht dann folgendermaßen aus:
[34] Vorgang 1: CO2-Flüssigkeit wird aus Raum 1 eines S-Speichers ausgeleitet, und fließt eventuell zu einem Verdampfungsbehälter mit einer Verdampfungstemperatur von minus 4 °C als Beispiel. Die durch Verdampfung erzeugte Kälte kann zur CO2-Gaskondensation in einem Kondensationsbehälter ausgenutzt werden, welcher direkt mit dem Verdampfungsbehälter durch einen Wärmetauscher verbunden ist. Der Verdampfungsbehälter und der Kondensationsbehälter können auch eine und dieselbe Einrichtung sein. Die Verdampfungskälte kann jedoch in der Regel nur einen Teil der CO2- Gaskondensationswärme kompensieren. Die hier in der Figur 2 dargestellte Kombination des Verdampfungsbehälters mit dem Kondensationsbehälter ist nur ein Exemplar, es kann mehrere solcher Kombinationen in einem CO2-Kraftwerk geben.
[35] Vorgang 2: Das CO2- Verdampfungsfluid wird aus dem Verdampfungsbehälter ausgeleitet und zu einem Betriebsbehälter der in der Figur 2 summarisch dargestellten Behältergruppe geführt.
[36] Vorgang 3: Ein weiterer Teil von CO2-Flüssigkeit kann ebenfalls aus einem S-Speicher ausgeleitet und in einen Betriebsbehälter der Gruppe eingeleitet werden, welcher eventuell der im Vorgang 2 genannte Betriebsbehälter ist. Beim eventuellen Mischen des im Vorgang 2 genannten CO2- Verdampfungsfluids mit der eingeleiteten CO2-Flüssigkeit im Betriebsbehälter ist dort die dem jeweiligen Betriebsdruck und -temperatur entsprechende CO2-Dichte zu beachten. Dabei kam auch das gerade aus dem Kondensationsbehälter verflüssigte Kohlendioxid in den Betriebsbehälter eingeleitet werden. Nachdem die entsprechende CO2-Dichte in dem Betriebsbehälter erreicht wurde, wird er zugemacht und die dabei eventuell entstandene Expansionskälte wird zur weiteren Nutzung abgefuhrt. Somit wird das CO2-Heizen fortgesetzt, bis die gewünschten Betriebszustandsgrößen des CO2- Fluids erreicht werden. Der geheizte CO2-Fluidstrom wird anschließend zu einer Eingangs- Wärmekraftmaschine der Wärmekraftmaschinengruppe weiterfließen und dort entspannen.
Die C02-Flüssigkeit aus S-Speichem oder das gerade aus dem Kondensationsbehälter verflüssigte Kohlendioxid muss nicht über den Verdampfungsbehälter, sondern kam auch direkt zu einem Betriebsbehälter zum CO2-Heizen geleitet werden.
[37] Vorgang 4: Es kam mehrere Eingangs- Wärmekraftmaschinen in der Wärmekraftmaschinengruppe geben, die parallel in der Wärmekraftmaschinengruppe angeordnet sind, damit der CO2-Durchsatz durch die Gruppe vergrößert werden kam. Insbesondere kam eine Eingangs-Wärmekraftmaschine eine Kolbenkraftmaschine ([9]) sein, welche die folgenden Vorteile aufweist: Kälteerzeugung, Nutzung der hohen CO2- Betriebsdruck und flexible Dichteverhältnisse zwischen den Betriebs- und Entspannungsdichten der CO2-Fluidströme. Nach einer Eingangs- Wärmekraftmaschine kann eine weitere Wärmekraftmaschine in serieller Weise angeschlossen werden und zwischen den seriell angeschlossenen Wärmekraftmaschinen kann ein Wärmetauscher oder ein Heizkessel installiert werden, um den CO2-Fluidstrom hinter der vorderen Wärmekraftmaschine erneut zu heizen. Durch den seriellen Anschluss lässt sich die Enthalpie-Differenz der Wärmekraftmaschinengruppe durch die Zwischenerwärmung vergrößern. Man sieht hierbei, dass durch die parallelen und seriellen Anschlussweisen von Wärmekraftmaschinen innerhalb der Wärmekraftmaschinengruppe eine flexible Skalierung der Leistungen des Kraftwerks sowie eine dynamische Leistungsteuerung ermöglicht werden können. Nach der CO2- Entspannung in den Wärmekraftmaschinen der in der Figur 2 summarisch dargestellten Wärmekraftmaschinengruppe werden die entspannten CO2-Fluide zu C-Speichem für ihre Speicherung oder zu einem Kondensationsbehälter für ihre Verflüssigung oder über eine Venturi-Düse ([4]) zu einem Kondensator geleitet. In der Figur 2 ist nur eine Kombination einer Venturi-Düse mit einem angeschlossenen Kondensator gezeichnet. Es kann aber mehrere solcher Kombinationen oder Kondensatoren geben, welche die entspannten CO2- Fluide aus den Wärmekraftmaschinen ohne zwischengeschaltete Venturi-Düsen direkt empfangen und welche in der Figur 2 übersichtshalber nicht gezeichnet sind.
[38] Vorgang 5: In der Kaltzeit wie Winter lässt sich das in C-Speichem aufbewahrte CO2- Gas über eine Rohrleitung zur in der Figur 2 dargestellten Venturi-Düse 4 ansaugen, durch welche zum Teil das aus den Wärmekraftmaschinen ausströmenden CO2-Fluid durchfließt. Ggfs, wird in der Rohrleitung ein Ventilator installiert, um das CO2-Gas beschleunigt zur Venturi-Düse und dann zum CO2-Kondensator oder direkt zu einem Kondensator zu leiten. Dann kann es mit dem aus Wärmekraftmaschinen ausfließenden CO2-Fluid zusammen im Kondensator unter minus 30°C mit entsprechender Druckhöhe beispielsweise 16 bar verflüssigt werden.
[39] Vorgang 6: Die aus den Wärmekraftmaschinen ausströmenden CO2-Fluide können auch in einen Kondensationsbehälter fließen und durch die Verdampfungskälte über den Wärmetauscher abgekühlt werden. Der Kondensationsbehälter kann auch mit weiteren Wärmeaustauschern installiert werden, welche mit den weiteren Kältequellen verbunden sind. In Sommerzeiten kann die Kältequelle z.B. Kaltwasser, die in Kolbenkraftmaschinen erzeugte Kälte oder das in Raum 2 der S-Speicher und eventuell in C-Speichem aufbewahrte Wassereis sein. Dabei kann die Kondensationstemperatur beispielsweise auf 4 °C ausgelegt werden und die CO2-Gaskondensationswärme lässt sich zum Teil durch die Schmelzenthalpie vom Wassereis kompensieren. In Winterzeiten können die Kältequellen Kaltwasser oder Kaltluft sein. Für andere Jahreszeiten Herbst und Frühling kann man unter Umständen ähnlich verfahren.
[40] Vorgang 7: In der Kaltzeit wie Winter kann die Wärme vom Warmwasser in den S- Speichem und eventuell auch in C-Speichem zum Heizen der CO2-Fluide vor ihrem Eintritt in die Wärmekraftmaschinen verwendet werden. Dadurch ist der Raum 1 der S-Speicher durch Ausfließen von Warmwasser leer geworden.
[41] Vorgang 8: Die in Winterzeiten verflüssigten Kohlendioxide können wieder in Raum 1 der S-Speicher geleitet und dort aufbewahrt werden. Die wärmeisolierten C-Speicher und der Raum 2 der S-Speicher lassen sich erneut mit Wassereis in Winterzeiten durch unterschiedliche Methoden füllen, zum Beispiel Erstarrung von Wasser darin, oder Transport von Eis dorthin. Damit kommt es dann zum Initialzustand der S- und C-Speicher und der Vorgang 1 beginnt erneut.
[42] Implementierungsbeispiel für CO2-Kraftwerk
Oben ist das Arbeitsverfahren beschrieben, jetzt wird ein CO2-Kraftwerk mit konkreten Prozessdaten dargestellt. Da der DSK-Prozess im Niedertemperatur-Bereich stattfindet, sind alle Standardtechniken normalerweise bei Bedarf einsetzbar. Der Niedertemperaturbereich ist hier mit dem Bereich von minus 60 °C bis plus 150 °C gemeint. Die natürliche Wärme und Kälte in diesem Temperaturbereich lässt sich über die DSK-Eigenschaften nämlich Speicherungsfahigkeit und Diskretheit zur Energieumwandlung wirtschaftlich ausnutzen. Die obere Temperaturgrenze von 150 °C kann durchaus auch erhöht werden, wenn z.B. ein Stoff mit einer höheren Festigkeit und zugleich die Wirtschaftlichkeit seines Einsatzes vorliegt. Derzeit können die gängigen großen Turbinen eine Temperatur gegen 500 °C mit circa 400 bar aushalten. Daraus folgt, dass die entsprechenden Mess- und Steuerungsgeräte auch für CO2-Kraftwerke verfügbar sind. Mit den günstigen Solarthermenanlagen oder mit Einsatz von CO2-neutralen Brennstoffen lässt sich die CO2-Temperatur von 150 °C leicht erreichen. Welche Temperaturhöhe als Betriebstemperatur angesetzt wird, hängt sowohl von der Wirtschaftlichkeit des Einsatzes von Solarwärme oder von der Verbrennungs wärme der CO2- neutralen Brennstoffe als auch von der Rentabilität der Anwendung von bekannten Stoffen zur Herstellung der neuen Maschinen und Geräte ab.
[43] Im vorliegenden Implementierungsbeispiel für ein CO2-Kraftwerk sei ohne Einschränkung der Allgemeinheit seine Elektrizitätsleistung für 350 kW angenommen und a. Das CO2-Kraftwerk hat eine Wärmekraftmaschinengruppe, die aus zwei Wärmekraftmaschinen besteht, die erste ist eine Kolbenkraftmaschine als Eingangs- Wärmekraftmaschine, die zweite ist eine Turbine, die seriell mit der Kolbenkraftmaschine verbunden ist. b. Die Betriebstemperatur bzw. -druck sei 90 °C bzw. 1000 bar fiir die Kolbenkraftmaschine, ihre Entspannungstemperatur bzw. -druck ist minus 4 °C bzw. 31,303 bar. Daraus folgt, dass das entspannte CO2-Fluid eine spezifische Dichte von 268,324 Kilogramm pro Kubikmeter hat und die Enthalpie-Differenz einen Wert von 109,435 kj/kg aufweist. An der Kolbenkraftmaschine wird direkt ein Wärmetauscher angeschlossen, um das entspannte CO2- Fluid daraus wieder bis zu 90 °C zu heizen. Aus der o.g. Dichte und der Temperatur 90 °C folgt, dass das CO2-Fluid eine Druckhöhe von 118,126 bar hat. Dann wird es zur Turbine geleitet, in der es sich entspannt. Dabei sei die Entspannungstemperatur bzw. -druck 4 °C bzw. 38,688 bar. Die Enthalpie-Differenz dazu beträgt dann 42,863 kj/kg. Da die Kolbenkraftmaschine und die Turbine in der seriellen Weise verbunden sind, beträgt die gesamte Enthalpie-Differenz 152,298 kj/kg für die Wärmekraftmaschinengruppe. Mit der angesetzten elektrischen Leistungshöhe von 350 kW und einem angesetzten durchschnittlichen 70%-Wirkungsgrad der beiden Kraftmaschinen wird für den CO2- Fluidstrom ein Durchsatz von 3,283 Kilogramm pro Sekunde abgeleitet. c. Der Betriebsstart sei in einem Sommerbeginn. d. Alle S-Speicher seien mit CO2-Flüssigkeit bzw. mit Wassereis im Raum 1 bzw. 2 gefüllt, und sie haben eine Temperaturhöhe von unter minus 30 °C. e. Alle C-Speicher seien mit Wassereis der Temperatur von minus 30 °C gefüllt, falls sie wärmeisoliert sind. Ansonsten seien sie leer. f. Wasser sei vor Ort verfügbar. g. Die ausreichenden Wärmeübertragungsleistungen seien in jeweiligen Behältern bzw. Speichern installiert, z.B. in den Betriebsbehältem bzw. in S-Speichem. h. Der Standort des CO2-Krafitwerks sei die Stadt Harbin in China. Dort kann die Lufttemperatur in Winter- bzw. Sommerzeit minus 30 °C bzw. plus 30 °C erreichen und außerdem gibt es in einem Jahr circa die Hälfte davon, in welcher die niedrigste Lufttemperatur eines jeden Tages unter/gleich 0 °C liegt.
[44] Aus den o.g. Annahmen folgen dann die Größen für S- und C-Speicher des CO2- Kraftwerks, wobei die Ausnutzung der im CO2-Kraftwerk erzeugten Kälte zur CO2- Verflüssigung noch nicht berücksichtigt ist. 1) Aus dem bekannten CO2-Durchsatz 3,283 kg pro Sekunde und der Sommerzeit von Juni, Juli und August folgt eine gesamte durchgeflossene CO2-Masse 26.096.262 kg, davon sind 25.892.194 kg in Gas-Phase nach der Entspannung in der Turbine. Dann muss es ein Speichervolumen von 24.231 Kubikmeter geben, um diese Masse mit der Temperatur von minus 30 °C und der CO2-Dichte 1077 kg pro Kubikmeter in Raum 1 der S-Speicher aufzubewahren.
2) Zur Verflüssigung der CO2-Gasmasse 25.892.194 kg bei 0 °C braucht man in Sommerzeiten die Kondensationskälte von 5.515.963.102 Kilojoule. Dann beträgt die durchschnittliche Kälteleistung 712 kW in den o.g. drei Monaten. Die verfügbare Kälte liegt hier meist im gespeicherten Wassereis, welches eine Schmelzenthalpie 333,5 kj/kg gegenüber der CO2-Kondensationsenthalpie 218,3 kj/kg bei 0 °C hat. Die andere Kältequelle ist z.B. der entspannte CO2-Gasstrom von minus 4 °C aus der Kolbenkraftmaschine, oder die im Verdampfungsbehälter erzeugte CO2-Verdampfungskälte, diese beiden Type der Kälte sind hier aber zur Berechnung des Speichervolumens für Wassereis noch nicht berücksichtigt. Man benötigt daher circa ein Volumen von 15.287 Kubikmetern von Wassereis mit der Temperatur von minus 30 °C in den S- und/oder C-Speichem.
3) In Kaltzeiten von sechs Monaten in einem Jahr benötigt man zum CO2-Heizen vom Zustand 5 °C und 1077 Kilogramm pro Kubikmeter bis zum Zustand 90 °C und 1000 bar die Wärmeenergiemenge von 8.015.456.432 kj. Daher soll es circa das Volumen 22.723 Kubikmeter der S- und/oder C-Speicher zum Speichern vom Warmwasser mit 90 °C geben. Dabei noch nicht berücksichtigt sind alle Arten anderer Wärme wie z.B. Solarwärme oder Verbrennungswärme aus den CO2-neutralen Brennstoffen wie Pflanzstroh und Abholzen. Oben sind jeweils die Volumina der S- und C-Speicher zum Speichern von CO2 und Wassereis und Warmwasser angegeben, um den DSK des CO2-Kraftwerks ununterbrochen unter den angegebenen Voraussetzungen laufen zu lassen. Wenn die im CO2-Kraftwerk erzeugte Kälte zur CO2- Verflüssigung genutzt wird, kann noch ein guter Teil des Speichervolumens gespart werden.
[45] Jetzt soll die Wirtschaftlichkeit des DSK-Implementierungsbeispiels unter den o.g. Bedingungen betrachtet werden. Die dafür nötigen Investitionskosten liegen hauptsächlich im Bau von CO2- und Wasserspeichem mit den entsprechenden Equipments wie zum Beispiel Wärmetauschern. Anhand der Baukosten der saisonalen Wärmespeicher in Deutschland und der Preise für Stahlbeton und Edelstahlblech in China kann man die Baukosten für diese S- und C-Speichergrößen durchschnittlich mit 200 Yuan Renminbi pro Kubikmeter in China ansetzen. Somit betragen die Investitionskosten hier für circa 7,39 Mio. Yuan Renminbi. Aus der oben angesetzten elektrischen Leistung 350 kW werden 3.066.000 kWh Elektrizität pro Jahr produziert. Der Umweltschutz-Strompreis beträgt derzeit circa 0,65 Yuan Renminbi in China. Der Erlös davon beträgt dann 1,99 Mio. Yuan Renminbi. Der gegenwärtige CO2- Emissionspreis in EU an der Börse ist circa 25 Euro pro Tonne Kohlendioxid. In China ist ein ähnliches Handelssystem zur CO2-Emission im Aufbau. Der Preis dazu wird auf 150 Yuan Renminbi pro Tonne abgeschätzt. Mit Einsatz von 26.096.262 kg Kohlendioxid im CO2- Kraftwerk erhält man die Einnahme von 3,91 Mio. Yuan Renminbi. Daher erhält man im ersten Produktionsjahr des CO2-Kraftwerks den gesamten Erlös von 5,90 Mio. Yuan Renminbi. In den weiteren Produktionsjahren erhält man dann nur den Stromerlös von 1,99 Mio. Yuan Renminbi pro Jahr. Dies ist profitabel gegenüber der Investition von 7,39 Mio. Yuan Renminbi.
[46] Anmerkungen:
1) Die Wirtschaftlichkeit eines CO2-Kraftwerks hängt von einigen Faktoren ab, wie z.B. Bauort des CO2-Kraftwerks, lokale Wetterbedingungen, verfügbare Abwärme und Existenz von Wasser und Pflanzstroh. Daher ist vor dessen Bau eine gute Planung anhand der lokalen Bedingungen durchzuführen, um die maximale Profitabilität zu erzielen.
2) C02-neutale Brennstoffe: In Winterzeiten ist viel Naturkälte verfügbar, aber wenig Naturwärme. Daher kann die Verbrennungs wärme der CO2-neutralen Brennstoffe wie Pflanzstroh, Abholzen und Energiepflanzen die Wärmequelle zum CO2-Heizen sein. Durch C02-Separation von deren Verbrennungsrauchgas und den Einsatz der daraus separierten Kohlendioxide in CO2-Kraftwerken lässt sich der CO2-Gehalt der Atmosphäre schnell reduzieren. Zum Beispiel, ein Hektar vom Winterweizenanbau kann ca. 10 Tonnen Stroh hervorbringen, bei deren Verbrennung ungefähr 25 Tonnen von CO2 nach ihrer Separation entstehen, derer Einsatz in CO2-Kraftwerken deren Entnahme aus der Atmosphäre gleichsetzt.
3) Kälteerzeugung: In Sommerzeiten ist viel Naturwärme verfügbar, aber wenig Naturkälte. Die Kolbenkraftmaschinen mit CO2 als Arbeitsmedium können jedoch viel Kälte erzeugen, die zur CO2- Verflüssigung ausgenutzt werden kann. Sie können aber zugleich auch große Volumina entspannter CO2-Gase hervorbringen, die bis zur kommenden Winterzeit zu deren Verflüssigung aufbewahrt werden sollten, was großflächige Grundstücke zum Bau von C- Speichem mit sich bringen kann. Es wäre vorteilhaft, wenn ein Wüstengebiet oder ähnliches dazu vorliegen würde!
4) Die Verbindungen von Wärmekraftmaschinen wie etwa Kolbenkraftmaschinen und Turbinen mit CO2 als Arbeitsmedium können in serieller und/oder paralleler Weise mit Zwischenerhitzung erfolgen. Die seriellen Verbindungen können die CO2-Enthalpie-Differenz der Wärmekraftmaschinengruppe erhöhen, während die parallelen Verbindungen deren CO2- Durchsatz möglicherweise steigern. Darüber hinaus können die CO2-Ströme dazwischen mit Ventilen und Schaltern gesteuert werden, um deren Anpassungsfähigkeit an konkrete und sich ändernde Verhältnisse der Jahreszeiten wie z.B. Lufttemperaturänderungen oder an zeitlich ändernden elektrischen Verbrauchsbedarf zu steigern. Das erfordert dann ein dementsprechendes Zentralsteuerungssystem für CO2-Kraftwerk.
5) Mit der Speicherung der Kohlendioxide sowie der Naturwärme und -kälte in S- und C- Speichem lindert man das Problem des Bedarfs an Naturwärme und -kälte in unterschiedlichen Jahreszeiten für CO2-Kraftwerke. Wenn aber viel Wärme in Winterzeiten wirtschaftlich und umweltfreundlich genutzt werden kann, lässt sich damit viel Elektrizität in Winterzeiten mit Kohlendioxid als Arbeitsmedium erzeugen, die zur Produktion gewisser Energieträger wie etwa Wasserstoff ausgenutzt werden kann. Umgekehrt, wenn in Sommerzeiten viel Kälte zur CO2-Kondensation verfügbar ist. Darüber hinaus kann man viele Vorteile der Kolbenkraftmaschinen zur Geltung bringen: Beispielsweise können sie viel Kälte neben mechanischer Arbeit erzeugen und mit hohem CO2-Druck wie etwa über 1000 bar sowie mit großem CO2-Dichteverhältnis vor und nach der CO2-Entspannung wie etwa über 100 arbeiten.
6) Die vorhandenen Atom- oder Kohlekraftwerke können auf CO2-Kraftwerke umgebaut werden, weil sich fast alle Bauteile davon weiterverwenden lassen. Insbesondere in deren Umgebung kann eine große Menge von Brachländern bestehen, welche sich zum Bau von CO2-Speichem ausnutzen lassen; Wasserquellen sind dort fast immer vorhanden; die Hoch- bzw. -Tiefbaurechte sind dort genehmigt worden. Übrigens können die Müllverbrennungsanlagen dazu dienen, CO2 aus deren Rauchgas zu trennen und in CO2- Kraftwerke einzusetzen, somit wird der Umweltschutz für die umliegenden Gebiete noch mal verbessert.
7) Zu erwähnen sind dabei die möglichen Investitionskosten beispielsweise zum Bau einer Solartherme- Anlage, oder eines Heizkessels zur Verbrennung von CO2-neutralen Brennstoffen und notfalls auch von fossilen Brennstoffen. Nach einer Marktpreisermittlung in den jeweiligen Ländern kann man dann die Investitionskosten dafür gut abschätzen, so z.B. den Durchschnittspreis pro MW einer Wärmekraftmaschine von Siemens, oder den pro kW eines Wärmetauschers von Buderus, oder den Durchschnittspreis pro Kubikmeter von CO2- Speichem oder Betriebsbehältem in China. 8) Es lassen sich ggfs. Kältemaschinen einsetzen, die durch die sommerliche Hitze betrieben werden können, zum Beispiel Kältemaschinen mit Wasser- Ammoniak-Gemisch ([11]) als Arbeitsmedium. Der Einsatz solcher Maschinen hängt allein von der Wirtschaftlichkeit ihres Einsatzes ab, die wiederum von den lokalen Verhältnissen wie Wetterbedingungen abhängt.
9) Mit Anhebung der Betriebstemperatur von 90 °C auf 150 °C als Beispiel kann man eine höhere Flexibilität zur Skalierung des CO2-Kraftwerks und seiner dynamischen Leistungsteuerung erhalten.
10) Die CO2- Verdampfungskälte ist zur CO2-Kondensation verwendbar, aber dadurch ist eventuell nur ein Anteil des entspannten CO2-Gases aus den Wärmekraftmaschinen zu kondensieren, denn die CO2- Verdampfung steht direkt im Konflikt zu der aus dem Betriebsdruck und -temperatur abgeleiteten Betriebsdichte des CO2-Fluids. Je tiefer die Lufttemperatur zum Beispiel in Winter, desto höher der kondensierbare Anteil.
[47] Mit den S-Speichem wird der Speicherdruck der CO2-Flüssigkeiten erheblich gesenkt und stabil gehalten; Mit der kombinierten Wärme- und Kältespeicherung in S- oder C- Speichem per Wasser lässt sich eine große Menge von Wärme-oder Kälteenergie zwischen den unterschiedlichen Jahreszeiten transferieren; Mit dem Einsatz der Kolbenkraftmaschinen wird der hohe CO2-Druck für gute Zwecke ausgenutzt und viel Kälte neben Elektrizität miterzeugt sowie die Einschränkung der CO2-Dichteverhältnisse zwischen den Betriebs- und Entspannungsdichten des Kohlendioxids praktisch aufgelöst; Mit Nutzung der CO2- Verdampfungskälte und der Venturi-Düsen lässt sich der Energieverbrauch für die CO2- Gaskondensation weiter senken; Schließlich kann durch die Anwendung der Kältemaschinen in der Warmzeit wie Sommer die Einschränkung lokaler Wetterbedingungen gelockert werden, wie zum Beispiel, die Erreichung der bestimmten Lufttemperaturen in einem Jahr. Zusammen mit dem Patent ( [4] ) DE 102017003238 bildet die vorliegende Erfindung ein wirtschaftlich effizientes Lösungspaket für die Probleme Klimawandel und Energiemangel.
Bezugszeichenliste
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Druckschriften
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Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur CO2- Verflüssigung und -Speicherung in einem CO2-Krafitwerk, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren auf einem Anlagensystem ausgeführt wird, welches die folgenden drei Anlagen enthält:
1.1 S-Speicheranlage, die aus mehreren S-Speichem mit folgenden Merkmalen besteht:
1.1.1 Drei Behälter unterschiedlicher Größe, die ineinander mit bestimmten Abständen gebaut werden. Sie können verschiedene Gestalt haben, zur Formulierung wird hier die Zylindergestalt wie Figur 1 zeigt, angenommen, und
1.1.2 der innerste Zylinder wird Zylinder 1 genannt, der Raum innerhalb des Zylinders 1 wird als Raum 1 bezeichnet. Der nächstgrößere Zylinder wird Zylinder 2 genannt, der Raum zwischen Zylindern 1 und 2 wird als Raum 2 bezeichnet. Der nächstgrößere und äußerste Zylinder wird Zylinder 3 genannt, der Raum zwischen Zylindern 2 und 3 wird als Raum 3 bezeichnet, und
1.1.3 die drei Zylinderbehälter können jeweils eine eigene Decke und einen eigenen Boden aufweisen, oder eine gemeinsame Decke und/oder einen gemeinsamen Boden besitzen. Im Fall der Gemeinsamkeit ist die Decke oder der Boden wärmeisoliert gegen die Außenseiten, und
1.1.4 der Raum 1 dient beispielsweise zum Speichern der CO2-Flüssigkeit von der Kaltzeit wie Winter bis zur Warmzeit wie Sommer und zum Speichern von Warmwasser von der Warmzeit wie Sommer bis zur Kaltzeit wie Winter, und
1.1.5 der Raum 2 dient beispielsweise zum Speichern von Wassereis von der Kaltzeit wie Winter bis zur Warmzeit wie Sommer und zum Speichern von Warmwasser von der Warmzeit wie Sommer bis zur Kaltzeit wie Winter, und
1.1.6 der Raum 3 dient beispielsweise zur Wärmeisolierung gegen die Außenseiten, er kann mit Wärmedämmstoffen gefüllt werden, und
1.1.7 der Zylinder 1 bzw. 2 bzw. 3 kann aus Stahlbeton mit oder ohne Edelstahlauskleidung bestehen, und
1.1.8 der Raum 1 bzw. 2 bzw. 3 hat mindestens einen Eintritt von außen und einen Austritt nach Außen oder einen Kanal, der schaltbar in den beiden Richtungen mit dem Außen verbunden ist, und
1.1.9 im Raum 1 bzw. 2 können Wärmetauscher installiert werden, um mit dem Außen die Wärme- oder Kälteübertragung auszuführen, und in den drei Räumen 1, 2 und 3 bestehen jeweils die Mess- und
Sicherheitseinrichtungen wie z.B. Feuchtigkeitsmesser im Raum 3, Manometer, Thermometer und Sicherheitsventile in den Räumen 1 und 2; -Speicheranlage, die aus mehreren C-Speichem mit folgenden Merkmalen besteht: C-Speicher ist eine Variante eines S-Speichers, nämlich wenn der Durchmesser des Zylinders 1 des S-Speichers gleich null ist und eventuell nur der Zylinder 2 und der Raum 2 mit der Decke und dem Boden bestehen. Er dient z.B. zum Speichern von Wasser und CO2-Gas, und wenn ein C-Speicher keinen Raum 3 und keinen Zylinder 3 mit der zugehörigen Decke und dem zugehörigen Boden hat, so wird er beispielsweise zum Speichern vom CO2-Gas verwendet. Dies kann der Fall sein, wenn z.B. ein Wüstengebiet zum Bau der CO2-Speicher nämlich C- oder S-Speicher vorliegt; Eine CO2-Kraftwerkanlage wie Figur 2 zeigt, mit folgenden Merkmalen: Eine Gruppe der eventuell mit elektrischen Generatoren vorgesehenen Wärmekraftmaschinen, die z.B. Kolbenkraftmaschinen oder Turbinen sein können und z.B. miteinander in serieller oder paralleler Weise zu verbinden sind und zwischen denen sich die Zwischenerhitzungsgeräte wie z.B. Wärmetauscher oder Heizkessel zum CO2-Heizen einschließen lassen, und eine Gruppe von Behältern, die zum Heizen der CO2-Fluide für ihre Entspannung in den Wärmekraftmaschinen und/oder zum Mischen von verschiedenen CO2-Strömen und/oder zur CO2-Zwischenspeicherung dienen, in denen die Wärmetauscher installiert werden können, welche wiederum mit unterschiedlichen Wärmequellen schaltbar verbunden sind, und mindestens ein CO2- Verdampfer, in dem die CO2-Flüssigkeit beispielsweise von einem S-Speicher aufgenommen wird und sie verdampft, so dass diese Verdampfungskälte über Wärmetauscher zur CO2-Gaskondensation ausgenutzt werden kann, und/oder ein oder mehrere CO2-Kondensatoren, zu denen ein Teil der entspannten CO2-Fluide aus den Wärmekraftmaschinen geleitet werden kann, um es dort mit der Kälte aus dem gespeicherten Wassereis in der Warmzeit wie Sommer oder aus der Kaltluft in der Kaltzeit wie Winter zu kondensieren. Die so verflüssigten Kohlendioxide können zu einem Behälter der Behältergruppe oder zu Raum 1 der S-Speicher geleitet werden, und/oder 5 eine oder mehrere Venturi-Düsen 4, durch die ein Teil der entspannten CO2-Fluide aus den Wärmekraftmaschinen so durchfließt, dass das in einem C-Speicher aufbewahrte CO2-Gas über eine Rohrleitung in Winterzeiten angesaugt werden kann, wo es durch winterliche Kälte verflüssigt und dann eventuell in Raum 1 der S- Speicher aufbewahrt wird, und/oder 6 eine Gruppe von CO2-Kondensatoren und Behältern, die zur Verflüssigung der CO2- Gase dienen. Die dazu notwendigen Kältequellen in der Warmzeit wie Sommer sind neben der o.g. gespeicherten Wassereiskälte z.B. die CO2- Verdampfungskälte, die CO2-Entspannungskälte, die in den Kolbenkraftmaschinen oder Kältemaschinen erzeugte Kälte, die Flusswasserkälte oder andere Naturkälte, und 7 eine optionale Gruppe von Heizkesseln zur Verbrennung der CO2-neutralen Brennstoffe wie Pflanzstroh und Abholzen z.B. in Winterzeiten, um CO2-Fluide vor dem Eintritt in die Wärmekraftmaschinen durch ihre Verbrennungs wärme zu heizen, und 8 Rohrleitungen, welche die unterschiedlichen Bauteile des CO2-Kraftwerks wie z.B. Behälter, Speicher, Wärmetauscher und Wärmekraftmaschinen verbinden und mit geeigneten Ventilen und Messgeräten ausgestattet werden, z.B. Durchflussmesser, Manometer, Thermometer, Sperrventile, Rückschlagventile und Reduzierventile, und ein Zentralkontrollsystem, unter dessen Kontrolle z. B. die Ventile, Wärmetauscher, Mess- und Steuerungsgeräte und andere kontrollierbaren Einrichtungen stehen können, um flexible Anpassungen von beispielsweise CO2-Speicherung in S- oder C- Speichem, der Leistungshöhe der Wärmekraftmaschinengruppe und/oder anderen Eigenschaften der Bestandskomponenten des CO2-Kraftwerks an die änderbaren Bedingungen wie z.B. laufende Wetterbedingungen und elektrische Leistungsanspruchsänderungen zu ermöglichen;
Wobei gilt, dass zum CO2-Heizen neben der Abwärme und/oder Geotherme, Solarwärme oder anderer Naturwärme auch die in S-Speichem und eventuell in C-Speichem aufbewahrte Warmwasserwärme und eventuell die Wärme aus Verbrennung der CO2-neutralen Brennstoffe wie Pflanzstroh und Abholzen beispielsweise in der Kaltzeit wie Winter genutzt werden können, und dass zum CO2-Kühlen neben der Naturkälte aus Flusswasser, tiefer Erde, tiefem Seewasser oder anderen natürlichen Kühlmitteln auch die in S-Speichem und eventuell in C-Speichem gespeicherte Wassereiskälte z.B. in der Warmzeit wie Sommer genutzt wird. Dazu verwendet werden können ebenfalls die Verdampfungskälte von CO2- Flüssigkeiten, die Entspannungskälte der CO2-Fluide aus Turbinen oder die in Kolbenkraftmaschinen, Kältemaschinen oder anderen Maschinen erzeugte Kälte, und
1.6 dass zum CO2-Gasspeichem die C-Speicheranlage verwendet werden kann, die ein Teil der entspannten C02-Fluide aus den Wärmekraftmaschinen z.B. in der Warmzeit wie Sommer empfangt und dann so lange speichert, bis eine Kaltzeit wie Winter erreicht wird, wo es verflüssigt werden kann und dann eventuell in Raum 1 der S-Speicher aufzubewahren ist, und
1.7 dass zum CO2-Flüssigkeitspeichem die S-Speicheranlage verwendet werden kann, um die in der Kaltzeit wie Winter aus CO2-Gasen kondensierten CO2-Flüssigkeiten aufzunehmen, welche aufgrund der Wärmeisolierschichten von den S-Speichem gegen die Außenseiten wärmeisoliert sind und sich unter niedrigen Drücken eventuell bis zur Warmzeit wie Sommer stabil speichern lassen, und
1.8 dass zur Wärme- bzw. Kälteübertragung mit Warmwasser bzw. Wassereis als Arbeitsmedium die S-Speicheranlage und eventuell auch die C-Speicheranlage benutzt werden können, die eine Rolle für die Wärme- bzw. Kältespeicherung z.B. von Sommer- bis zu Winterzeiten bzw. von Winter- bis zu Sommerzeiten spielen, um Kohlendioxid in den Winterzeiten bzw. Sommerzeiten zu heizen bzw. zu kühlen.
2. Verfahren zur CO2- Verflüssigung und -Speicherung in einem CO2-Kraftwerk nach dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass CO2-Flüssigkeit so in der folgenden Reihenfolge von 2.1 bis 2.4 gespeichert oder genutzt werden kann:
2.1 Indem in der Kaltzeit wie Winter die CO2-Flüssigkeit in Raum 1 eines S-Speichers abgefüllt und der Raum 2 des S-Speichers mit Wassereis vollgefüllt und gespeichert wird sowie aufgrund der Wärmeisolierschicht im Raum 3 des S-Speichers das Wassereis gegen die Außenseiten wärmeisoliert wird und demzufolge die CO2- Flüssigkeit unter niedrigen Drücken eventuell bis zur Warmzeit wie Sommer stabil gespeichert werden kann, und
2.2 indem in der Warmzeit wie Sommer die durch Schritt 2.1 im Raum 1 gespeicherte CO2- Flüssigkeit zu ihrem Heizen aus dem Raum 1 ausgeleitet und dann in einen Behälter der Behältergruppe oder einen Verdampfer des C02-Kraftwerks eingeleitet wird, wo sie verdampft und die dabei entstandene Verdampfüngskälte zur Verflüssigung eines Teils vom entspannten CO2-Gas aus den Wärmekraftmaschinen ausgenutzt wird, sowie zugleich das Wassereis im Raum 2 zur C02-Gaskondensation mittels Wärmetauscher verwendet wird, und schließlich der Raum 1 entleert und das Wassereis im Raum 2 komplett geschmolzen wird, und
2.3 indem in der Warmzeit wie Sommer der durch Schritt 2.2 leer gewordene Raum 1 zum Speichern von Warmwasser mit z.B. 95 °C verwendet wird und das geschmolzene Wasser im Raum 2 über Wärmetauscher zu Warmwasser bis zu z.B. 95 °C erwärmt und gespeichert wird, und
2.4 indem in der Kaltzeit wie Winter zum CO2-Heizen die durch Schritt 2.3 im Raum 1 gespeicherte Wärme vom Warmwasser durch dessen Ausfuhr und dann mittels Wärmetauscher genutzt und die Wärme vom Warmwasser im Raum 2 über Wärmetauscher ebenfalls zum CO2-Heizen verwendet wird, schließlich der Raum 1 entleert und das Warmwasser kalt wird. Dann beginnt der Schritt 2.1 erneut, und
2.5 falls die Wärmeisolierschicht im Raum 3 eines S-Speichers mit einem hinreichend großen Wärmeleitwiderstand ausgelegt wird, kann das Volumen von dem Raum 2 und Zylinder 2 des S-Speichers gleich null angesetzt werden, so dass sich die o.g. Schritte von 2.1 bis 2.4 in Bezug auf die Speicherung und Nutzung von CO2-Flüssigkeit und Warmwasser im Raum 1 gleicherweise prozessieren lassen.
3. Verfahren zur CO2- Verflüssigung und -Speicherung in einem CCh-Kraftwerk nach dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Wassereis so in der folgenden Reihenfolge von 3.1 bis 3.4 gespeichert oder genutzt werden kann:
3.1 Indem in der Kaltzeit wie Winter das Wassereis in Raum 2 eines S-Speichers durch unterschiedliche Methoden abfullt wird, beispielsweise durch Eistransport und/oder durch die Erstarrung von dort schon vorhandener oder noch einzulassender Wasserflüssigkeit, und aufgrund der Wärmeisolierschicht im Raum 3 des S-Speichers gegen die Außenseiten wärmeisoliert und aufzubewahren ist sowie zugleich der o.g. Schritt 2.1 in Bezug auf die Speicherung von CO2-Flüssigkeit im Raum 1 des S- Speichers zu beachten ist, und
3.2 indem in der Warmzeit wie Sommer das durch Schritt 3.1 im Raum 2 aufbewahrte Wassereis zur Verflüssigung von einem Teil der entspannten CO2-Gase aus den Wärmekraftmaschinen durch Wärmetauscher und seine Schmelzenthalpie komplett ausgenutzt wird und zugleich der o.g. Schritt 2.2 in Bezug auf die Nutzung der CO2- Flüssigkeit im Raum 1 zu beachten ist, und
3.3 indem in der Warmzeit wie Sommer das durch Schritt 3.2 im Raum 2 geschmolzene Wasser mittels Wärmetauscher zu Warmwasser bis zu z.B. 95 °C erwärmt und gespeichert wird und eventuell eine gewisse Menge von Warmwasser mit z.B. 95 °C in den Raum 2 einzulassen ist sowie zugleich der o.g. Schritt 2.3 in Bezug auf Speicherung von Warm wasser im Raum 1 zu beachten ist, und
3.4 indem in der Kaltzeit wie Winter das durch Schritt 3.3 im Raum 2 gespeicherte Warmwasser zum Heizen der CO2-Fluide vor dem Eintritt in die Wärmekraftmaschinen mittels Wärmetauscher ganz ausgenutzt wird und zugleich der Schritt 2.4 in Bezug auf die Nutzung vom Warmwasser im Raum 1 zu beachten ist. Dann beginnt der Schritt 3.1 erneut, und
3.5 falls der Durchmesser vom Zylinder 1 eines S-Speichers gleich null angesetzt, nämlich der S-Speicher zu einem C-Speicher abgewandelt wird, dann lassen sich die o.g.
Schritte von 3.1 bis 3.4 in Bezug auf die Speicherung und Nutzung von Wassereis und Warmwasser im Raum 2 des S-Speichers gleicherweise prozessieren. Falls zusätzlich das Volumen von Raum 3 und Zylinder 3 des C-Speichers gleich null ausgelegt wird, kann z.B. CO2-Gas in der Warmzeit wie Sommer im C-Speicher gespeichert und in der Kaltzeit wie Winter mit winterlicher Kälte verflüssigt werden.
4. Verfahren zur CO2- Verflüssigung und -Speicherung in einem CO2-Kraftwerk nach dem Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die in Raum 1 der S-Speicher kühlgespeicherte CO2-Flüssigkeit zur Kälteproduktion durch ihre Verdampfung in einem Verdampfer verwendet werden kann, welcher mit einem CO2-Gaskondensator so verbunden ist, dass die Verdampfungskälte zur Verflüssigung eines Teils des entspannten C02-Gases aus den Wärmekraftmaschinen im Kondensator verwendet wird. Dabei können der Verdampfer und der Kondensator eine und dieselbe Wärmeübertragungseinrichtung sein.
5. Verfahren zur CO2- Verflüssigung und -Speicherung in einem CO2-Kraftwerk nach dem Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kälte, die durch die CO2- Druckminderung in den Kolbenkraftmaschinen des CO2-Kraftwerks erzeugt wird, zur Verflüssigung des CC>2-Gases aus einer der restlichen Wärmekraftmaschinen des CO2- Kraftwerks mittels Wärmetauscher ausnutzen lässt.
6. Verfahren zur CO2- Verflüssigung und -Speicherung in einem CO2-Kraftwerk nach dem Patentanspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die durch CO2-Entspannung in einer Teilgruppe der Wärmekraftmaschinen des CO2-Kraftwerks entstandene Kälte zur Verflüssigung des C02-Gases aus einer der restlichen Wärmekraftmaschinen des CO2- Kraftwerks mittels Wärmetauscher verwendet werden kann.
7. Verfahren zur CO2- Verflüssigung und -Speicherung in einem CO2-Kraftwerk nach dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich zur CO2- Verflüssigung die Kältemaschinen z.B. mit Wasser-Ammoniak-Gemisch als Arbeitsmedium in der Warmzeit wie Sommer einsetzen lassen, die z.B. durch Solarwärme betrieben werden können.
8. Verfahren zur CO2- Verflüssigung und -Speicherung in einem CO2-Kraftwerk nach dem Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Venturi-Düse 4, an derer engsten Stelle durch eine Rohrleitung mit einem C-Speicher verbunden ist und durch die ein Teil der entspannten CCh-Fluide aus den Wärmekraftmaschinen durchfließt, zum Ansaugen des CO2-Gases aus dem C-Speicher eingesetzt werden kann, um den Energieverbrauch zur Verflüssigung von angesaugtem CO2-Gas in einem CO2- Kondensator zu senken. Dabei kann in der Rohrleitung ein Ventilator installiert werden, welcher das CO2-Gas aus dem C-Speicher zur Düse oder zum Kondensator befördern kann.
9. Verfahren zur CO2- Verflüssigung und -Speicherung in einem CO2-Kraftwerk nach den Patentansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich Atomkraftwerke oder Kohlekraftwerke auf CO2-Kraftwerke umbauen lassen, wenn man zum Beispiel die folgenden Maßnahmen durchfuhrt,
9.1 dass dort die Heizkessel für die Verbrennung von CO2-neutralen Brennstoffen wie Pflanzstroh und Abholzen oder notfalls auch von Kohlen zum CO2-Heizen unter Umständen aufgebaut werden,
9.2 dass dort eine CO2-Trennungsanlage zur CO2-Separierung aus dem Rauchgas, das durch die im Punkt 9.1 genannte Verbrennung entsteht, aufgebaut werden kann, um das dadurch getrennte Kohlendioxid in die CO2-Kraftwerke einzusetzen,
9.3 dass die sie umgebenden Brachländer und ihre genehmigten Hoch- und Tiefbaurechte zum Bau der S- und C-Speicheranlagen sowie zum Bau der CO2-Behälter genutzt werden,
9.4 dass neue CO2-Kondensationseinrichtungen unter Umständen dort aufgestellt werden,
9.5 dass ihre genehmigten Wasserrechte genutzt werden, um Kohlendioxid durch Wärme- bzw. Kälteübertragung mit Wasser als Arbeitsmedium zu heizen bzw. zu kühlen,
9.6 dass ihre eventuell vorliegenden Kühltürme zum CO2-Kühlen ausgenutzt werden,
9.7 dass ihre Wärmekraftmaschinen mit Kohlendioxid anstatt Wasser als Arbeitsmedium unter geeigneten C02-Drücken und mit passenden CO2-Temperaturen zur Energieumwandlung weiter eingesetzt werden können, obwohl sie im Vergleich zu CO2-speziefischen Wärmekraftmaschinen unter den gleichen Bedingungen von ihrem CO2-Eingangsdruck und -temperatur sowie ihrem CO2-Ausgangsdruck und -temperatur einen niedrigeren Wirkungsgrad der Energieumwandlung aufweisen könnten,
9.8 dass ihre vorliegenden Elektroanlagen, Druckbehälter, Messgeräte, Kontroll- und Steuerungssysteme und ihre ähnlichen Bestandskomponenten umgerüstet und weiterverwendet werden.
10. Anlagensystem für CO2- Verflüssigung und -Speicherung zur Energieumwandlung mit Kohlendioxid als Arbeitsmedium und als Energieträger, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagensystem eingerichtet ist zur Energieerzeugung nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 - 9.
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