NO20130413A1 - Termisk energiveksler omfattende ett eller flere medier som sirkulerer i en lukket sløyfe hvor nivåforskjellen mellom topp og bunn av sløyfen er på minimum 400 meter, samt anvendelse derav i et energisystem for kraftproduksjon eller energilagring - Google Patents

Abstract

Foreliggende oppfinnelse vedrører en termisk energiveksler som består av en lukket sløyfe med en nivåforskjell mellom topp og bunn på mer enn 400 meter og der innholdet i sløyfen sirkulerer ved hjelp av tilført energi. Ved sirkulasjon vil gass som sendes nedover i sløyfen bli komprimert som følge av et økende trykk i sløyfen med økende dybde. Siden gass har liten egenvekt kan den største delen av trykkøkningen være fra stempelanordninger som seksjonerer innholdet i sløyfen og som med sin egenvekt og tilhørende masse bidrar til en trykkøkning i underliggende gasseksjoner. Kompresjon av gasser vil føre til varmeutvikling og en temperaturutvikling i gasseksjonene. Fora begrense temperaturutviklingen vil væskepartikler være en del av gasseksjonen for å ta opp varme. Mengden væskepartikler vil ha innvirkning på temperaturutviklingen og ved å regulere hvor mye væskepartikler som i spray eller dråpeform tar opp varme, kan temperaturutviklingen reguleres til ønsket nivå. Stempelanordningene som fungerer som plugger som sirkulerer i sløyfen kan samle oppvarmet væske og overføre varme til sløyfens rørvegger når det er ønskelig med varmeveksling fra den termiske energiveksleren til det tilhørende energisystemet. På samme måte vil gass som forflytter seg oppover i sløyfen ekspandere og utvikle kulde som følge av redusert trykk. Væskepartikler vil da bli tilført for å ta opp kulde og redusere den negative temperaturutviklingen for deretter bli overført til rørveggene ved termisk energiveksling til eksternt medium utenfor sløyfen. Foreliggende oppfinnelse vedrører også et system bestående av en termisk energiveksler og en energisløyfe som direkte eller indirekte mottar termisk energi og konverterer denne til kraftproduksjon og som i tillegg har en nivåforskjell mellom topp og bunn i sløyfen på minst 800 meter. En varmesløyfe kan oppta varme fra den termiske energiveksleren, eller fra et system som er tilknyttet denne, og overføre den til nedre del av energisløyfen. I tillegg kan en kuldesløyfe ta opp kulde og veksle termisk energi i energisløyfens øvre del. Termisk energi som tilføres et medium i energisløyfen kan endre tettheten til mediet slik at mediet har lav tetthet ved forflytning oppover og høyere tetthet ved forflytning nedover i energisløyfen. Forskjellen i tetthet vil dermed gi en trykkforskjell i energisløyfen som kan utnyttes til kraftproduksjon, l tillegg vil en marin konstruksjon bestående av en væskefylt varmesløyfe i nedre del og en termisk energiveksler i øvre del kunne gi en stabil konstruksjon med oppdrift øverst og ballast nederst.

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en termisk energiveksler til bruk ved kraftproduksjon eller til å gi en energiøkning i et energisystem og som omfatter en lukket sløyfe med en eller flere medier som sirkulerer, slik det er angitt i innledning til krav 1.

I tillegg vedrører oppfinnelsen også en konstruksjon av et energisystem med en energisløyfe for kraftproduksjon eller energilagring og som omfatter en termisk energiveksler, slik det er angitt i innledningen i det etterfølgende krav 10.

Foreliggende oppfinnelser gir en termisk energiveksler som kan benyttes i et energisystem for fornybar kraftproduksjon med muligheter for energilagring samt at det også kan benyttes til andre formål der det er behov for termisk energi.

Det særegne med den termiske energiveksleren er at den består av en lukket sløyfe med stor høydeforskjell mellom topp og bunn av sløyfen samt at den kan regulere varmeutviklingen ved gasskompresjon med tilførsel av væske i spray eller dråpeform og dermed oppnå en kompresjon som er nær opptil en isotermisk kompresjon samt en dekompresjon som er nær opptil en isotermisk dekompresjon.

Et annet særegent trekk er at den kan kombineres med andre fornybare energikilder og inngå i et system som kan levere mye energi på et lite areal. Ved å utnytte eksempelvis termisk energi fra kaldt vann på store dybder med varmere overflatevann, kan den termiske energimengden i systemet økes for å gi bedre effekt. I tillegg kan annen fornybar energi lagres som termisk energi og benyttes som en stabil og regulerbar kraft inn på kraftnettet.

Kjent teknikk

Skal fornybar energi kunne erstatte konvensjonell energi må den kunne leveres i store mengder og være kostnadseffektiv. Med økt fokus på klima og miljø er det nå en økende interesse for fornybar energi, spesielt innen havenergi der det etter hvert er mange selskaper som har utviklet og patentert egne løsninger. Foreløpig er det få anlegg som er i drift.

Eksisterende løsninger innen havenergi er hovedsakelig basert på offshore vind-møller og bølgekraftverk. Offshore vindmøller er kommet lengst i utviklingen og har flest planlagte utbygginger. Innen bølgekraftverk er det mange løsninger, men ikke så mange som er utbygd. En annen energi er tidevannstrømmer og havstrømmer. Dette er foreløpig en lite benyttet energikilde, men det eksisterer noen anlegg som er i drift.

OTEC (Ocean Thermal Energy Converter) er en teknologi som er kjent, men som har få eller ingen anlegg i drift. Metoden er basert på termisk energi og utnytter temperaturforskjellen mellom varmere overflatevann og kaldere vann på dypere nivåer og er egnet på steder der temperaturforskjellen jevnt over utgjør så mye som 20 grader Celsius.

OTEC fungerer ved å overføre varme fra overflatevannet via en varmeveksler til et medium som med tilført varme endrer tilstand fra væske til gass. Den ekspanderende gassen benyttes til å drive en gassturbin før den ledes igjennom en kondensator for å endre tilstand tilbake til væske. Dette skjer med tilførsel av kulde via en kuldeveksler tilknyttet det kalde vannet. En pumpe sørger for å sirkulere mediet gjennom varme og kuldevekslerne. I tillegg vil det være pumper som sørger for tilførsel og sirkulasjon av det kalde og det varme vannet. Det kalde vannet hentes opp fra dybder på 500 meter eller mer. Utfordringen for et OTEC anlegg er knyttet til kostnader til varme og kuldevekslerne. For å begrense omfanget av vekslerne blir kun ca 20 % av den termiske energien til det kalde og det varme vannet utnyttet. For dagens OTEC anlegg vil en varmeveksler til et 1 MW system kunne være på størrelse med en 20 fots konteiner. For et anlegg på 200 MW vil vekslerne utgjøre både et stort volum og en stor kostnad.

Et OTEC anlegg har potensial til å levere effekt i størrelsesorden gigawatt og har også den fordelen at de kan levere kontinuerlig energi. I tillegg til elektrisk kraftproduksjon kan et OTEC anlegg også kombineres med andre teknologier der en kan benyttes seg av det kalde og næringsrike vannet som hentes opp til overflaten.

Et OTEC anlegg er i dag ikke konkurransedyktig i forhold til andre fornybare energikilder på grunn av for høye kostnader. En termisk energiveksler kombinert med eksempelvis en OTEC løsning kan være en løsning som er konkurransedyktig på pris og som i tillegg gir et anlegg som kan gi tilnærmet kontinuerlig energiproduksjon. Med økt energimengde og høyere temperaturforskjeller kan varme og kulde- vekslingen bli mer effektiv. I tillegg kan et system som er basert på en termisk energiveksler med stor høydeforskjell mellom topp og bunn, kunne utnytte fallkraften i stedet for ekspansjonskraften til energiproduksjon. Et anlegg med stor fallhøyde vil gi bedre effekt sammenlignet med et OTEC anlegg basert på ekspansjonskraften. En annen forbedring er at systemet kan benytte rør i rør varmeveksling ved sirkulasjon av mediene.

Den termiske energiveksleren har mange bruksmuligheter og kan også kombineres med andre fornybare energikilder for effektiv konvertering av termisk energi til elektrisk energi. I tillegg kan den termiske energiveksleren også benyttes til andre formål enn kun energiproduksjon. En mulighet er å kunne gi en bedre tilpasning mellom forbruk og energiproduksjon over eksempelvis et døgn ved å lagre energi som termisk energi og tilbakeføre den termiske energien til energisystemet når det er behov for kraftproduksjon.

Fra eksisterende patenter som omhandler kraftproduksjon med termisk energi er det funnet flere innen OTEC- ref. WO2013/013231A2, WO2013/025797A2, WO2013/025807A2, WO2013/031903A1. Det er ikke funnet eksisterende patenter som omhandler en termisk energiveksler for kraftproduksjon.

Formål ved oppfinnelsen

Med foreliggende oppfinnelse tar en sikte på å frembringe en ny type termisk energiveksler som kan inngå i et energisystem med det formål at det skal kunne gi en jevn og stabil kraftforsyning med fornybar og miljøvennlig energi. Energisystemet skal også ha høy effekt per areal og kunne levere effekt av betydning samt kunne bygges ut uten å skjemme eller skade miljøet rundt.

Kort beskrivelse av oppfinnelsen

Den termiske energiveksleren i henhold til den foreliggende oppfinnelsen er derved kjennetegnet ved at_nivåforskjellen mellom topp og bunn av sløyfen er på minimum 400 meter, og at når innholdet i sløyfen sirkulerer genereres varme når innholdet forflyttes nedover samt kulde når innholdet forflyttes oppover, hvor nevnte varme og kulde overføres til ett eller flere adskilte medier hvor den adskilte termiske energi mengden indirekte eller direkte benyttes til kraftproduksjon eller til en energiøkning i et energisystem.

Ifølge en foretrukket utførelse er trykkforskjellen mellom topp og bunn i sløyfen på minimum 10 bar samt at innholdet i sløyfen blir seksjonert i mindre volumer av stempelanordninger som fungerer som plugger der egenvekt og tilhørende masse bidrar til å gi et økt trykk på underliggende seksjoner.

Ifølge enda en foretrukket utførelse vil væskepartikler i spray eller dråpeform begrense temperaturutviklingen ved kompresjon og dekompresjon av seksjonene når innholdet i sløyfen sirkulerer.

Ifølge enda en foretrukket utførelse er sløyfen tilpasset for å kunne skifte ut plugger ved behov samt at termisk energi fra andre energikilder kan tilføres for å øke den totale energimengden i den termiske energiveksleren.

Videre gjelder oppfinnelsen en konstruksjon av et energisystem med en termisk energiveksler som leverer termisk energi enten direkte eller indirekte til en energi-sløyfe som har en nivåforskjell mellom topp og bunn på over 800 meter og som er tilknyttet en kraftkonverter for kraftproduksjon.

Ifølge en foretrukket utførelse omfatter energisystemet en varmesløyfe som over-fører varme fra den termiske energiveksleren til energisløyfen og der varmesløyfens nedre del stikker minimum 400 meter ned under den termiske energivekslerens lukkede sløyfe.

Ifølge enda en foretrukket utførelse er konstruksjonen slik at varmesløyfens nedre del gir konstruksjonen en negativ oppdrift ved plassering i et marint miljø og vil sammen med den termiske energivekslerens positive oppdrift i øvre del gi

konstruksjonen en fordelaktig stabilitet med lavt tyngdepunkt og høyt oppdriftspunkt

Ifølge enda en foretrukket utførelse kan konstruksjonen også inneholde et tårn som forlenger nivåforskjellen mellom topp og bunn i energisløyfen og der en kuldesløyfe overfører kulde fra den termiske energiveksleren til energisløyfen.

Ifølge enda en foretrukket utførelse produserer den termiske energiveksleren termisk energi ved sirkulasjon av innholdet samt at også termisk energi kan tilføres fra andre energikilder og bidra til å øke den totale energimengden i energisystemet.

Ifølge enda en foretrukket utførelse vil væskepartikler i spray eller dråpeform bidra til å redusere temperaturutviklingen ved trykkvariasjoner internt i den termiske energiveksleren.

Oppfinnelsene skal forklares mer detaljert under henvisning til de etterfølgende figurer, hvor;

Figur 1 viser en termisk energiveksler med plugger

Figur 2 viser temp. reduksjon og trykkøkning av CO2i superkritisk fase

Figur 3 viser trykkreduksjon og temp. økning av CO2i superkritisk fase

Figur 4 viser et energisystem som kombinerer en OTEC-løsning med en indirekte termisk energiveksler Figur 5 viser et energisystem som kombinerer en direkte termisk energiveksler med andre energikilder

Figur 6 viser et energisystem som inkluderer varme og kuldesløyfer

Figur 7 viser en flytende konstruksjon med termisk energiveksler samt varme og kuldesløyfer Figur 8 viser en bunnfast konstruksjon med termiske energivekslere samt varme og kuldesløyfer

Detaljert beskrivelse

Den termiske energiveksleren består av en lukket sløyfe med stor høydeforskjell mellom topp og bunn og som produserer termisk energi når innholdet i sløyfen sirkulerer ved hjelp av tilført energi. Den termiske energien blir generert av kompresjon og dekompresjon av en eller flere gasser, eventuelt et fluid i en gasslignende form (superkritisk fase e.lign.). Når innholdet i sløyfen sirkulerer vil gassen bli komprimert når den forflyttes nedover som en følge av at trykket i sløyfen øker med økende dybde. For å oppnå en komprimering som er nær opptil en isotermisk kompresjon vil væskepartikler i spray eller dråpeform ta opp termisk energi og bidra til å holde temperaturen nede. Ved å regulere mengden av væskepartikler vil også temperaturen kunne tilpasses til ønsket nivå. Varme- mengden som utvikles som en følge av komprimeringen vil kunne overføres til et medium utenfor sløyfen - eksempelvis med rør i rør varmeveksling. På samme måte vil den termiske energiveksleren generere kulde når gassen forflyttes oppover og trykket reduseres med stigende høyde. Væskepartiklene vil da ta opp kulde, redusere den negative temperaturutviklingen i gassen slik at dekompresjonen blir nær opptil en isotermisk dekompresjon, samt hjelpe til med å overføre den termiske energien til et eksternt medium utenfor sløyfen.

Trykkoppbygningen i hver seksjon i sløyfen vil bli generert av egenvekten i sløyfens innhold. Siden egenvekten til gasser er svært lav vil trykkoppbygningen hovedsakelig skje via egenvekten til stempelanordningene som seksjonerer innholdet i sløyfen samt fra væsker og annen masse som er tilknyttet stempelanordningene. Stempelanordningene med tilhørende masse vil fungere som plugger som sirkulerer i sløyfen og der trykket i hver seksjon vil være en funksjon av antall plugger som utøver et trykk på underliggende seksjoner. Trykket vil dermed være lavest øverst i sløyfen og øke etter hvert som seksjonen forflyttes nedover til bunn av sløyfen der trykket er høyest. Når gasseksjonen har passert bunnen og beveger seg oppover i sløyfen vil trykket avta etter hvert som antall overliggende plugger minker.

Temperaturutviklingen i hver seksjon vil være en funksjon av gasskompresjon/ dekompresjon, termisk energiveksling med omgivelsene samt mengde væskepartikler som opptar termisk energi. Ved å regulere mengden væskepartikler i hver seksjon i henhold til termisk energiutvikling og til termisk energiveksling med omgivelsene, vil temperaturen i hver seksjon kunne styres. Reguleringen av mengde væskepartikler kan foregå ved at væskepartikler som har tatt opp termisk energi og overført denne til sløyfens rørvegger for termisk energiveksling, blir samlet opp i en beholder i tilknytning til pluggen. Væskepartiklene vil da være i væskeform og kan pumpes tilbake i gasseksjonen som væskepartikler for en ny syklus med termisk energihenting og termisk energiveksling. Ved å regulere hvor mye væske som i spray eller dråpeform tilføres gasseksjonen, kan også temperaturutviklingen i hver seksjon styres.

Temperaturvariasjonene i sløyfen vil påvirke volumet for hver seksjon etter hvert som seksjonen forflyttes rundt i sløyfen. Ved forflytning nedover vil temperaturen øke til et maksimumsnivå, men bli redusert tilbake til utgangstemperaturen etter termisk energiveksling i nedre del. Ved forflytning oppover vil temperaturen synke til et minimumsnivå, før den går tilbake til utgangstemperaturen etter termisk energi veksling i øvre del. Siden en gass utvider seg ved temperaturøkning vil en gasseksjon under nedstigning ha et større volum enn under oppstigningen der temperaturen er lavere. Denne volumforskjellen vil føre til at antall plugger kan være høyere på oppstigningssiden enn på nedstigningssiden og dermed gi et høyere trykk som må overvinnes for å få innholdet til å sirkulere. Ved tilnærmet isotermisk kompresjon og dekompresjon vil temperaturutviklingen være begrenset og dermed også gi en begrenset trykkforskjell mellom nedstignings siden og oppstignings siden.

Den termiske energiveksleren vil være tilknyttet en pumpeanordning eller en akseleratoranordning som kan drive sirkulasjonen av innholdet i sløyfen. I tillegg til å overvinne trykkforskjeller som følge av temperaturvariasjoner må også pumpe/ akselerator- anordningen overvinne friksjon i systemet både fra pluggene og fra gasseksjonene. Med kompresjon og dekompresjon av gasseksjonene vil farten til pluggene variere i løpet av en syklus i sløyfen. I nedre del vil farten være lav siden gasseksjonene er komprimerte. Under oppstigningen vil gasseksjonene ekspandere og farten til pluggene vil øke og nå en maksfart i toppen av sløyfen. Forholdet mellom farten i bunn og farten i toppen vil være en funksjon av komprimeringsgraden i systemet.

Den termiske energivekslingen til et eksternt medium vil være tilpasset det energisystemet som den termiske energiveksleren er en del av. I noen anlegg vil det kunne være en fordel med en energiveksling som er konsentrert rundt topp og bunn av sløyfen. I andre anlegg vil en termisk energiveksling være å foretrekke på kortere eller lengre deler av opp og ned - stigningen. Den termiske energiveksleren vil kunne tilpasse overføringen av termisk energi til det eksterne mediet ved å ta opp termisk energi i pluggen og regulere når den termiske energien skal overføres til rørveggene. Hvert anlegg vil ha rørvegger med varmeledningsevne som er tilpasset til energisystemet som anlegget er designet for. Det vil derfor være områder der rørveggene vil være utstyrt med termisk isolasjon for å unngå tap av termisk energi samt områder med termisk energiveksling der rørveggene har god varmeledningsevne til det eksterne mediet. For å unngå termisk energitap til omgivelsene vil hele den termiske energiveksleren være varmeisolert for å redusere effekttapet i systemet.

Figur 1 viser en termisk energiveksler bestående av en lukket sløyfe med plugger som sirkulerer. Egenvekten til hver plugg gir økt trykk i underliggende gasseksjoner og avstander mellom hver plugg vil derfor minske med økende dybde. En pumpe i tilknytning til hver plugg fordeler væske i partikkelform ut til tilhørende gasseksjon mens en væskebeholder samler opp væske med økt termisk energi. I topp og bunn av figuren er det vist termisk energiveksling til eksternt medium der varme avgis på nedre nivå og kulde avgis på øvre nivå ved å tilføre væske med termisk energi til rørveggen. Til å drive sirkulasjonen av innholdet i den termiske energiveksleren er det vist en akselerator der spoler med strømledere tilknyttet rørveggen produserer et magnetfelt som trekker på pluggene når de passerer.

Et energisystem kan bestå av en lukket sløyfe som ved hjelp av varmevekslere er tilknyttet en termisk energiveksler og der innholdet i sløyfen består av et medium som ved tilførsel av termisk energi endrer tetthet. Med tilførsel av termisk energi vil oppvarmet medium med redusert tetthet stige opp i den ene delen av sløyfen mens nedkjølt medium med økt tetthet synker ned på motsatt side av sløyfen. Forskjellen i tetthet vil gi en sirkulasjon i sløyfen og en trykkforskjell som kan utnyttes til energiproduksjon. Ved å lede mediet gjennom en turbin i nedre del av sløyfen kan energi hentes ut av systemet og omgjøres til elektrisk energi med en generator tilknyttet turbinen.

Mediet i energisløyfen som er tilknyttet den termiske energiveksleren kan være et medium som endrer tilstand ved tilførsel av termisk energi. På samme måte som i et OTEC system kan mediet skifte mellom å være i en væsketilstand og i en gass-tilstand. Ved tilførsel av kulde i energisløyfen øvre del vil mediet kunne endre tilstand fra gass til væske før nedstigningen og dermed oppnå et økende trykk med økende dybde i væskesøylen. Etter å ha passert turbin/ generator anordningen i nedre del, vil trykket være redusert og mediet kan ledes igjennom varmeveksleren for å endre tilstand fra væske til gassform. Under oppstigningen i gassform vil mediet kunne heves til øvre nivå ved hjelp av svært lite energi mens mediet i væskeform under nedstigningen vil utgjøre en energi som kan hentes ut av systemet. Avstanden mellom øvre del og nedre del vil dermed ha betydning for energimengden som systemet kan levere.

Energimengden som må tilføres for å omgjøre et medium fra væske til gass er forskjellig for hvert medium. Vann er et medium som krever mye energi for å endre tilstand fra væske til damp, mens medier som propan og butan krever mye mindre energi. Tabell 1. viser et utvalg medier med verdier for nødvendig energimengde for å endre tilstand fra væske til gass der propan og butan er de mediene som krever minst energimengde med henholdsvis 356 KJ/Kg og 320 KJ/Kg medium. Selv om propan og butan er oppgitt til å kreve minst energimengde kan det være andre medier som er bedre egnet og som også krever mindre energimengde for å endre tilstand. For å endre mediets tilstand tilbake fra gassform til væske kreves det en like stor energimengde som fra væske til gass. Ved å kombinere en termisk energiveksler med en energisløyfe, får energisløyfen tilført både varme og kulde ved kontinuerlig sirkulasjonen av innholdet i den termiske energiveksleren.

I tillegg til nødvendig energimengde for å endre tilstanden på mediet har også mediets tetthet i væsketilstand en betydning for hvor mye energi som kan hentes. En væskesøyle bestående av vann med tetthet på 1000 kg/m<3>, vil gi et statisk trykk som ligger ca 40 % høyere enn butan og propan som har en tetthet på ca 600 kg/m<3>. Til gjengjeld trenger vann en energimengde som er rundt 7 ganger høyere enn butan for å endre tilstand mellom væske og gass og dermed vil butan være et bedre valg som medium.

Et medium trenger ikke nødvendigvis å skifte tilstand mellom gass og væske. I stedet kan et medium som eksempelvis CO2, være i en superkritisk fase ved rett trykk og temperatur i energisløyfen. I figur 2 er det vist en temperaturreduksjon på rundt 50 gr. Celsius i toppen av energisløyfen der tettheten går fra rundt 200 kg/m<3>til rundt 750 kg/ m<3>, noe som gir en endring i tettheten på rundt 550 kg/ m<3>. Når CO2mediet sendes nedover i sløyfen øker trykket mens temperaturen ikke øker nevne-verdig. Etter å ha passert turbinen er trykket redusert til et nivå som er høyt nok til å holde i gang sirkulasjonen av CO2mediet. I varmeveksleren i nedre del økes temperaturen med 50 grader Celsius og mediet kan heves til øvre del med redusert tetthet. Under oppstigningen synker trykket tilbake til utgangstrykket på rundt 75 bar som vist i figur 3.

Ved ikke å endre tilstand vil all tilført energimengde gå til å heve temperaturen i mediet. De ulike mediene vil ha ulike varmekapasiteter og energimengden som må til for å endre temperaturen er derfor forskjellig for de ulike mediene. Med CO2som medium i stedet for propan eller butan, vil energisystemet kunne produsere mer energi per energimengde levert fra den termiske energiveksleren. propan og butan har likevel den fordelen at de kan operere med et lavere trykk i energisløyfen samt en lavere temperatur som er lettere å tilpasse ved termisk energihenting fra omgivelsesvannet i tillegg til at en lavere temperatur også vil gi et lavere energitap til omgivelsesvannet. Hvilket medium som er best egnet i energisløyfen kan variere med forskjellige typer energisystemer. I stedet for CO2er det også andre medier som kan endre tettheten uten å endre tilstand og som kan operere med lavere temperaturer og trykk og dermed være et bedre alternativ som medium i energi-sløyfen enn C02.

Figur 4 viser et system for energiproduksjon som består av en termisk energiveksler som i tillegg til egen termisk energiproduksjon også henter termisk energi fra omgivelsesvannet. Den termiske energien blir overført mellom den termiske energiveksleren og energisløyfen på øvre og nedre nivå via varmevekslere. Varmevekslingen bidrar til at innholdet av energisløyfen sirkulerer og gir en trykkforskjell i systemet som utnyttes til energiproduksjon ved hjelp av en turbin/ generator anordning i bunn av energisløyfen. Effekt og virkningsgrad av et slikt energisystem vil øke med økende nivåforskjell mellom topp og bunn av systemet - både for den termiske energiveksleren og for energisløyfen.

En annen løsning kan være et system som kombinerer den termiske energiveksleren med solenergi eller andre energikilder. I figur 5 er det vist et system der termisk energi både fra varmt overflatevann og fra solfangere blir tatt opp av den termiske energiveksleren på øvre nivå. Under nedstigningen øker den termiske energi mengden etter hvert som gassen blir komprimert før den blir overført til energisløyfen på nedre nivå ved hjelp av direkte varmeveksling mellom sløyfene. Etter varmeveksling på nedre nivå henter den termiske energiveksleren kulde fra omgivelsesvannet som under oppstigningen blir tilført mer kulde.

Et energisystem som skal ha stor nivåforskjell mellom topp og bunn kan med fordel plasseres på dypt vann. En konstruksjon som eksempelvis skal være på over 1000 meter vil kunne settes sammen av moduler og senkes etter hvert som de skjøtes sammen. En slik konstruksjon vil måtte balanseres slik at det er nok tyngde til å senke konstruksjonen etter hvert som den blir sammenstilt samt at konstruksjonen har nok oppdrift til at den holder seg flytende. Et energisystem med en termisk energiveksler vil inneholde mye oppdrift og det må derfor kompenseres ved å legge inn masse i nedre del av energisystemet. Ved å forlenge energisløyfen slik at denne stikker mye dypere enn den termiske energiveksleren samt overføre varme ved hjelp av en væskefylt varmesløyfe fra den termiske energiveksleren og ned til nedre del av energisløyfen, vil nedre del av konstruksjonen få mindre oppdrift og dermed vil det være lettere å bygge inn negativ oppdrift i nedre del av konstruksjonen. Energisystemet vil dermed bestå av en stabil konstruksjon med et oppdriftpunkt som ligger langt over tyngdepunktet til konstruksjonen. I tillegg til varmesløyfen kan energisystemet også inneholde en kuldesløyfe i toppen av konstruksjonen som trekker varme ut av øverste del av energisløyfen og veksler denne mot kulde fra den termiske energiveksleren. En forlenget energisløyfe med økt nivåforskjell mellom topp og bunn av sløyfen vil i tillegg til å gi en stabil konstruksjon også gi en høyere effekt ut av energisystemet.

Figur 6 viser et system som består både av en termisk energiveksler samt en varme-sløyfe nederst og en kuldesløyfe øverst. Både varmesløyfen og kuldesløyfen er utstyrt med pumper til å drive sirkulasjonen i sløyfene. Termisk energioverføring kan med en slik løsning foregå med "rør i rør" varmeveksling over en stor del av den termiske energiveksleren før den overføres til energisløyfen. I figur 7 er det vist en flytende konstruksjon av et energisystem som beskrevet i figur 6. Den termiske energiveksleren består av mange systemer som leverer varme til en felles varme-sløyfe i nedre del samt kulde til en felles kuldesløyfe i den øvre delen. Varmesløyfen er her betydelig lenger enn kuldesløyfen for å sikre en stabil konstruksjon med lavt tyngdepunkt og et oppdriftspunkt som ligger vesentlig høyere. Turbin/ generator anordningene i nedre del vil typisk være utskiftbare enheter som er tilpasset for å kunne heves til overflaten for vedlikehold og reparasjoner. Ved å ha flere turbin/ generatorløsninger vil hver enhet bli enklere å håndtere samtidig som en utkobling av en enhet kan foregå uten at all energiproduksjon må stoppe. Figur 8 viser det samme energisystemet som i figur 6 og 7, men som en bunnfast konstruksjon med tre energisystemer i stedet for en flytende konstruksjon med ett energisystem.

Et energisystem med termiske energivekslere vil kunne bygges i mange varianter og også kunne tilpasses for energilagring eksempelvis termisk energilagring eller trykk-luftlagring. Med energihenting fra flere energikilder vil anlegget kunne bli et effektivt energisystem som kan levere forutsigbar kraft som er konkurransedyktig med andre kraftkilder. Siden energisystemene gir best effekt med energisløyfer som har stor avstand mellom topp og bunn, vil det være fordelaktig med feltutbygginger på større dyp med felles strømkabel til land eller til offshore installasjoner i nærheten. På samme måte som et OTEC-anlegg eller en vindkraftutbygging kan effekten fra slike anlegg være fra et par hundre megawatt til flere gigawatt. En fordel med denne type energisystemer er at de har høy effekt per areal og kan levere effekt av betydning. I tillegg kan de bygges ut uten å skjemme eller skade miljøet rundt. Et annet fortrinn er at de har få bevegelige deler, der utskifting av plugger utgjør det største vedlike-holdsarbeidet ved siden av turbin/ generatordelen og annet vedlikehold.

Claims (16)

1. Termisk energiveksler omfattende ett eller flere medier som sirkulerer i en lukket sløyfe,karakterisert vedat nivåforskjellen mellom topp og bunn av sløyfen er på minimum 400 meter, og at når innholdet i sløyfen sirkulerer genereres varme når innholdet forflyttes nedover samt kulde når innholdet forflyttes oppover, hvor nevnte varme og kulde overføres til ett eller flere adskilte medier hvor den adskilte termiske energimengden indirekte eller direkte benyttes til kraftproduksjon eller til en energiøkning i et energisystem.

2. Termisk energiveksler ifølge krav 1,karakterisert vedat trykkforskjellen mellom topp og bunn i sløyfen er på minst 10 bar, fortrinnsvis på 15 bar eller mer.

3. Termisk energiveksler ifølge krav 1,karakterisert vedat væskepartikler opptar varme ved kompresjon og kulde ved dekompresjon, og derved begrenser temperatur-utviklingen i systemet ved sirkulasjon av innholdet.

4. Termisk energiveksler ifølge krav 1,karakterisert vedat i tillegg til det interne mediet i sløyfen omfatter sløyfen stempelanordninger som sirkulerer i sløyfen og seksjonerer mediet i sløyfen i mindre volumer.

5. Termisk energiveksler ifølge krav 4,karakterisert vedat stempelanordningene fungerer som plugger som med sin egenvekt og tilhørende masse utgjør et trykk på underliggende seksjoner, hvor trykket i hver seksjon hovedsakelig er en funksjon av antall overliggende plugger.

6. Termisk energiveksler ifølge krav 5,karakterisert vedat pluggene samler og fordeler væskepartikler til hver seksjon,

7. Termisk energiveksler ifølge krav 5,karakterisert vedat hvor væskepartiklene fordeles i spray eller dråpeform.

8. Termisk energiveksler ifølge krav 5,karakterisert vedat slø<y>fen er utstyrt med en anordning for å kunne skifte ut plugger ved behov.

9. Termisk energiveksler ifølge krav 1,karakterisert vedat termisk energi tilføres fra andre energikilder og bidrar til å øke den totale termiske energimengden som overføres til det adskilte mediet.

10. Energisystem for kraftproduksjon eller energilagring omfattende en termisk energiveksler,karakterisert vedat den termiske energiveksleren leverer termisk energi direkte eller indirekte til en energisløyfe som har en nivåforskjell mellom topp og bunn på over 800 meter, hvor en eller flere kraftkonvertere for kraftproduksjon er direkte eller indirekte tilknyttet energisløyfen.

11. Energisystem ifølge krav 10,karakterisert vedat den termiske energiveksleren er en termisk energiveksler i samsvar med ett eller flere av krav 1-9.

12. Energisystem ifølge krav 10,karakterisert vedat en varmesløyfe overfører varme fra den termiske energiveksleren til energisløyfen og der varmesløyfens nedre del stikker minimum 400 meter ned under den termiske energivekslerens lukkede sløyfe.

13. Energisystem ifølge krav 12,karakterisert vedat varmeslø<y>fens nedre del gir nedre del av konstruksjonen en negativ oppdrift ved plassering i et marint miljø og vil sammen med den termiske energivekslerens positive oppdrift i øvre del gi konstruksjonen en fordelaktig stabilitet med lavt tyngdepunkt og høyt oppdriftspunkt

14. Energisystem ifølge krav 10,karakterisert vedat energisystemet omfatter et tårn som forlenger nivåforskjellen mellom topp og bunn i energisløyfen, og en kuldesløyfe overfører kulde fra den termiske energiveksleren til energisløyfen

15. Energisystem ifølge krav 10,karakterisert vedat den termiske energiveksleren produserer termisk energi ved sirkulasjon av innholdet, hvor varme genereres ved økende trykk ved økende dybde og kulde genereres ved minskende trykk ved minkende dybde.

16. Energisystem ifølge krav 10,karakterisert vedat væske<p>artikler i spray eller dråpeform bidrar til å redusere temperaturutviklingen ved trykkvariasjoner internt i den termiske energiveksleren.