DE10007685A1 - Kraftstation mit CO2-Kreislauf - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftstation (1) mit CO¶2¶- Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit einer Vorlaufleitung (6) mit mindestens einer Turbine (17) und einer Rücklaufleitung (7) mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung (14). Vorlaufleitung (6) und Rücklaufleitung (7) bilden einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftstation mit CO₂ Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Der Wirkungsgrad und die u. a. daraus resultierenden Einsatzmöglichkeiten von bekannten Kraftstationen mit z. B. Explosionsmotor, Dampfmaschinen oder Gasturbinen sind ungenügend. Die ungenügenden Wirkungsgrade sind u. a. auf die hohen Temperaturniveaus zurück zu führen, bei denen die Zustandsänderungen der Arbeitsmedien auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kraftstation mit verbessertem Wirkungsgrad und vielfachen Einsatzmöglichkeiten zu schaffen.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Kraftstation mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung ist gerichtet auf eine Kraftstation mit CO2 Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit einer Vorlaufleitung mit mindestens einer Turbine oder Kolbenmotor und einer Rücklaufleitung vom Niederdruckbehälter mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung, wobei Vorlaufleitung und Rücklaufleitung einen geschlossenen Kreislauf bilden, und insbesondere auf eine Kraftstation mit CO2 Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit einem Hochdruckbehälter, einem Niederdruckbehälter, einer Vorlaufleitung mit mindestens einer Turbine oder Kolbenmotor vom Hochdruckbehälter zum Niederdruckbehälter, und einer Rücklaufleitung vom Niederdruckbehälter zum Hochdruckbehälter mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung.

Der Wirkungsgrad einer Kraftstation mit CO2 Flüssigkeit ist u. a. abhängig vom gewählten Druck- bzw. Temperaturbereich. Bei den Drücken des Beispieles (z. B. 90/180 bar) sind theoretisch Werte von bis zu 50% möglich (d. h. die Umwandlung von hinein gesteckte thermische Energie in mechanische oder in elektrische Energie). Voraussetzung für den Betrieb einer solchen Kraftstation sind zur Verfügung stehende Wärmeenergien mit einer Mindesttemperatur von ca. 20°C bis 40°C und in geringerem Umfang Kälteleistungen auf einem Temperaturniveau von ca. minus 10°C bis ca. plus 10°C, abhängig vom gewählten Temperaturbereich.

Die erfindungsgemäße Kraftstation mit CO₂ Flüssigkeit ist ein Energiewandler, welcher thermische Energie mit niedrigem Temperaturniveau über den Aufbau eines Druckes in einer Flüssigkeit und einer nachfolgenden Turbine oder Kolbenmotoren/Generatoreinheit in mechanische, respektive elektrische Leistung umformt. Die Kraftstation baut auf den folgenden physikalischen Prinzipien auf:

• 1. den physikalischen Daten von flüssigem CO₂, insbesondere in Abhängigkeit der Dichte von Druck und Temperatur,
• 2. den physikalischen/technischen Prinzipien einer FlüssigkeitsTurbine oder Kolbenmotor.

Die Kraftstation arbeitet intern mit relativ kleinen Temperaturdifferenzen auf niedrigem Temperaturniveau (zwischen 0-30°C). Als Energiequelle können beliebige Wärmequellen verwendet werden. Die Kraftstation ist daher vor allem auch für die Nutzung von Wärme auf niedrigem Temperaturniveau, wie z. B. für Solarenergie geeignet.

Die Kraftstation basiert auf einem Flüssigkeitskreislauf. Differenzdruck zwischen zwei Flüssigkeitsspeichern wird über eine Flüssigkeitsturbine in mechanische Energie umgewandelt, analog einer Wasserturbine. Anstelle des Druckes durch die Höhenunterschiede der Wasserniveaus bei einer Wasserkraftmaschine wird gemäß der Erfindung der Druckaufbau in der Flüssigkeit selbst durch Erwärmung der Flüssigkeit erzielt. Die Flüssigkeit besteht hierbei aus flüssigem CO2 unter hohem Druck. Flüssiges CO2 ändert im Gegensatz zu Wasser die Dichte bei Erwärmung. Bei Erwärmung von flüssigen CO2 in einem geschlossenen Behälter kann sich die Flüssigkeit nicht ausdehnen und man erhält dadurch einen hohen Druckanstieg. Mittels zweier im Volumen variabler Druckkammern mit flüssigem CO2 kann durch Erwärmung bzw. Abkühlung ein hoher Differenzdruck erzeugt werden. Die Druckdifferenz zwischen warmer und kalter Flüssigkeit wird zum Antrieb einer Flüssigkeitsturbine oder Kolbenmotor genutzt. Diese mechanische Energie kann direkt genutzt werden oder die Turbine oder Kolbenmotor treibt einen elektrischen Generator an, welcher die erzeugte elektrische Energie ins Verbrauchernetz einspeist bzw. einen oder mehrere elektrische Antrieb versorgt. Die entspannte und abgekühlte CO2 Flüssigkeit wird über einen Kreislaufprozess durch Wärmezuführung wieder in den Druckbehälter mit höherem Druck zurückgeführt.

Beim Druckabbau über die Turbine oder Kolbenmotor geht die Temperatur des flüssigen CO2 auf die Ausgangstemperatur vor der Erwärmung zurück. Für die Erwärmung wird z. B. die Verlustwärme eines thermischen Prozesses eingesetzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Hochdruckbehälter und der Niederdruckbehälter, jeweils in mindestens zwei separate Kammern unterteilt, wobei die Kammern zum gegenseitigen Volumenausgleich mit Stellmitteln ausgestattet sind.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung können der Hochdruckbehälter und der Niederdruckbehälter, jeweils über Wärmetauscher mit thermischer Energie beaufschlagt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung enthalten der Hochdruckbehälter und der Niederdruckbehälter, jeweils flüssiges CO2 in einer ersten Kammer und ein Gas, wie Luft oder Stickstoff in einer zweiten Kammer.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Turbine eine Flüssigkeitsturbine, die einen Generator antreibt, z. B. einen Synchrongenerator. Beim Einsatz eines Kolbenmotors kann anstelle eines rotierenden Generators ein Lineargenerator eingesetzt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind in der Rücklaufleitung vom Niederdruckbehälter zum Hochdruckbehälter mindestens zwei Druckaufbaueinrichtungen vorgesehen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1: einen schematischen Anlagenplan einer Kraftstation gemäß der Erfindung,

Fig. 2: eine schematische Darstellung einer Druckaufbaueinrichtung einer Kraftstation gemäß der Erfindung,

Fig. 3: ein Diagramm der Arbeitszyklen von zwei parallelen Druckaufbaueinrichtung einer Kraftstation gemäß der Erfindung,

Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Gasdruckausgleicheinrichtung einer Kraftstation gemäß der Erfindung, und

Fig. 5: eine schematische Darstellung einer alternativen Druckaufbaueinrichtung einer Kraftstation gemäß der Erfindung.

Fig. 1: Die Kraftstation 1 besteht aus einem Hoch- und einem Niederdruckbehälter 2, 3, welche jeweils mit flüssigem CO2 mit unterschiedlichen Drücken und Temperaturen sowie einem Gaspuffer (z. B. Stickstoff) 4, 5 gefüllt sind. Das Volumen für das flüssige CO2 der Hoch- und Niederdruckbehälter 2, 3 ist hierbei variabel. Die Dichte der CO2 Flüssigkeiten in den Hoch- und Niederdruckbehältern 2, 3 wird konstant gehalten über jeweils eine Temperaturregelung (nicht dargestellt) in Verbindung mit einer Gasdruckausgleichsregelung für die Gaspuffer 4, 5.

Die Hoch- und Niederdruckbehälter 2, 3 sind vorgesehen für die Bereitstellung bzw. Pufferung der unter Druck stehenden CO2 Flüssigkeiten für die Übergänge zwischen Druckaufbaukammern einer Druckaufbaueinrichtung. Mittels zweier Druckleitungen, nämlich einer Vorlaufleitung 6 und einer Rücklaufleitung 7 zwischen den Hoch- und Niederdruckbehältern 2, 3 erfolgt der Aufbau des Flüssigkeitskreislaufes. Als Stabilisierungselemente für Volumen- und Druckanpassungen werden Gasdruckvolumen für Volumenänderungen und Temperaturregeleinheiten aus je einem Wärmetauscher 8, 9 inkl. zugehöriger Ventile 10, 11 und Umwälzpumpe 12, 13 eingesetzt.

In der Rücklaufleitung 7 vom Niederdruckbehälter 3 zum Hochdruckbehälter 2 ist eine Druckaufbaueinrichtung 14 vorgesehen. Bei intermittierendem Betrieb der Druckaufbaueinrichtung 14 können sich Verschiebungen der CO2 Volumina in den Hoch- und Niederdruckbehältern 2, 3 und damit auch Veränderungen bei den Gasdrücken ergeben, die außerhalb des Toleranzbereichs liegen könnten. Für die Ausregelung dieser Abweichungen ist die Gasdruckausgleichsregelung vorgesehen.

In der Vorlaufleitung 6 sind zwei Absperrschieber 15, 16 und eine Flüssigkeitsturbine oder Kolbenmotor 17 eingebaut. Über die Flüssigkeitsturbine oder Kolbenmotor 17 erfolgt der Druckausgleich (Entspannung). Die in der Flüssigkeitsturbine oder Kolbenmotor 17 gewonnene mechanische Energie kann über einen elektrischen Generator 19 in elektrische Energie umgewandelt werden.

Mittels der Rücklaufleitung 7 vom Nieder- zum Hochdruckbehälter 3, 2 und der Druckaufbaueinrichtung 14 inklusive der Gasdruckausgleichsregelung, erfolgt eine Rückspeisung der CO2 Flüssigkeit von der Druckkammer 3 mit niedrigen Druck in die Druckkammer 2 mit höheren Druck.

Ein über Ventile 21 gesteuerter Wärmetauscher 22 liefert die erforderliche Wärme für die Druckaufbaueinrichtung 14.

Als Wärme- bzw. Kältemedium für die Erwärmung (d. h. für den Druckaufbau) bzw. Abkühlung des flüssigen CO2 wird mittels den entsprechend dimensionierten Wärmetauschern 22, 8, 9 Wasser verwendet (mit oder ohne Frostschutzmittel je nach Einsatzanforderungen, d. h. abhängig von der Umgebungstemperatur bzw. Temperatur des Kühlmittels).

Über Verbindungen 49, 50 erfolgt wechselseitiger Austausch von Druckgasvolumina.

Fig. 2, 5: Es werden zwei alternative technische Lösungen für die Druckaufbaueinrichtung erläutert.

Erwärmung und folglich Druckaufbau der CO2 Flüssigkeit inklusive der Gaspufferausgleichsregelung erfolgt in der Druckaufbaueinrichtung 14. Die Größe der Druckbehälter 2, 3 ist so zu wählen, daß auch bei intermittierender Erwärmung, d. h. des Druckaufbaus, ein kontinuierlicher Betrieb der Flüssigkeitsturbine oder des Kolbenmotors 17 gewährleistet ist. Das Volumen der Druckbehälter 2, 3 sollte ca. 3-5 mal dem Volumen einer Druckaufbaukammer 23 in der Druckaufbaueinrichtung 14 entsprechen.

Zwischen den Gasdruckvolumen für die beiden Druckbehälter 2, 3 und als technische Hilfseinrichtung für die Druckaufbaueinrichung 14 befindet sich die Gasdruckausgleichsregelungseinrichtung 24, welche sowohl die Gasdruckvolumen der Druckbehälter 2, 3 als auch die erforderlichen Gasdruckanpassungen für die einzelnen Schritte der Druckaufbereitung ausregelt.

Funktionsprinzip

Die CO2 Flüssigkeit wird in ihrer Dichte, d. h. in ihrem Volumen konstant gehalten, d. h. sie ändert durch Erwärmung nur ihren Druck und nicht die Dichte. Die Erwärmung erfolgt über den Wärmetauscher 22 der Druckaufbaueinrichtung 14 und die Abkühlung über die Entspannung in der Flüssigkeitsturbine oder Kolbenmotor 17. Weiterhin werden zusätzliche Wärmetauscher 8, 9 kleinerer Leistung verwendet um die Temperaturen in den beiden Druckbehältern 2, 3 konstant zu halten und für die Anfangserwärmung oder Abkühlung der Flüssigkeiten beim Anfahrvorgang der Kraftstation 1.

Die Temperaturen und Drücke in den Druckbehältern 2, 3 liegen z. Beispiel bei ca. 9°C und 90 bar für die kalte Flüssigkeit und bei ca. 20°C und 180 bar für die warme Flüssigkeit. Die unter höherem Druck stehende, erwärmte Flüssigkeit wird über die Flüssigkeitsturbine oder Kolbenmotor 17 entspannt und die dann unter reduziertem Druck stehende Flüssigkeit über die Druckaufbaueinrichtung 14 mit Erwärmung und Gasdruckausgleichsregeleinrichtung 24 wieder in den Druckbehälter 2 mit dem höheren Druck zurückgeführt.

Während des gesamten zyklischen Durchlaufs bleibt das CO2 flüssig, d. h. es erfolgt kein Wechsel des Aggregatzustandes des Arbeitsmediums. Es fallen daher auch keine Kondensationsverluste wie bei einem konventionellen thermischen Kraftwerk an.

Aufgrund der gegebenen physikalischen Daten von CO2 ist der Temperaturbereich nach oben begrenzt durch die kritische Temperatur für CO2 von 31°C.

Die Druckaufbaueinrichtung 14 weist mindestens eine Druckaufbaukammer 23 auf, welche bei Konstanthaltung der Dichte eine Erwärmung der CO2 Flüssigkeit mit tieferer Temperatur auf das höhere Temperaturniveau realisiert. Dabei erfolgt damit auch der gewünschte Druckaufbau. Nach der Erwärmung der CO2 Flüssigkeit d. h. nach erfolgtem Druckaufbau wird diese erwärmte, unter höherem Druck befindliche Flüssigkeit in den Druckbehälter 2 der CO2 Flüssigkeit für die höhere Temperatur zurück befördert.

Die Druckaufbaueinrichtung 14 wird in vier Schritten mittels Ventilen 25, 26, 27, 28 und 29 und Hilfspumpen 30, 31 so gesteuert, dass nur wenig zusätzliche Hilfsenergie neben der erforderlichen Aufheizenergie benötigt wird.

Im Einzelnen besteht die Druckaufbaueinrichtung 14 aus:
mindestens einer Druckaufbaukammer 23 welche im Anfangszustand mit der Druckluft aus dem Druckbehälter 3 auf niedrigerem Druckniveau gefüllt ist bei einem Druck von z. B. 90 bar,
einem Schiebeelement 33 zur Füllung und Entleerung der Druckaufbaukammer 23, welches innerhalb der Druckaufbaukammer 23 in beide Richtungen bewegt werden kann,
eine Fülleitung 53 für die Füllung der Druckaufbaukammer 23 mit der abgekühlten CO2 Flüssigkeit, bestehend aus der Fülleitung 53, dem Absperrventil 25 und einer Hilfspumpe 30,
einer Entleerungsleitung 34 für die Entleerung der erwärmten Flüssigkeit in den Hochdruckbereich, bestehend aus der Entleerungsleitung 35, dem Absperrventil 26 und der Hilfspumpe 31,
zwei Anschlüssen 36, 37 für Gasdruckleitungen 38, 39 mit den Ventilen 27, 28 und 29,
einer Gasdruckausgleichsregeleinrichtung 24 mit geregelten kleinen Gasturbinen bzw. Verdichtern für die Abgleichung der Gasvolumina und Gasdrücke für den Gesamtbetrieb der CO2 Kraftstation 1,
einer Aufheizeinrichtung 40 aus zwei Druckverbindungsleitungen 41, 42 mit jeweils einem Absperrventil 43, 44 sowie einer Umwälzpumpe 45 und einem Wärmetauscher 22 mit externen Ventilen 46, 47 und Pumpe 48 auf der Seite der externen Wärmeeinspeisung. Alternativ ist auch eine Erwärmung durch Umspülen des Zylinders mit warmem Wasser möglich.

Einer elektronischen Steuerung inklusive der erforderlichen Sensoren für Temperaturen, Drücke, Stellung des Schiebeelements 33 für die Steuerung und Überwachung der Kraftstation 1, insbesondere der Arbeitsschritte und der Gasdruckausgleichsregelung. Die elektronische Steuerung und die Sensoren sind in der Zeichnung nicht dargestellt.

Fig. 3: Beschreibung der einzelnen Arbeitsschritte für die Druckaufbaueinrichtung 14

1. Schritt Füllen der Druckaufbaukammer 23 mit CO2 Flüssigkeit von 90 bar

Das Füllen erfolgt mit der CO2 Flüssigkeit von 90 bar gegen den Gasdruck von ebenfalls 90 bar. Zur Überwindung des Gegendrucks dient die Hilfspumpe 30. Über die Gasdruckausgleichregeleinrichtung 24 und die in Fig. 1 dargestellten Verbindungen 49, 50 erfolgt der wechselseitige Austausch der Druckgasvolumina.

2. Schritt Aufheizen der in der Druckaufbaukammer 23 befindlichen CO2 Flüssigkeit

Die Erwärmung erfolgt bei unserem Beispiel durch die Einschaltung des Aufheizkreislaufes durch Öffnen der Ventile 43, 44, 46 und 47 und Einschalten der Pumpen 45 und 48. Mit der Erwärmung erfolgt der Druckaufbau von ca. 90 bar auf ca. 180 bar.

Bei Erreichen der Temperatur bzw. des Druckes werden Ventile 43, 44, 46 und 47 wieder geschlossen und die Pumpen 45 und 48 abgestellt. Die Druckaufbaukammer 23 ist jetzt mit der CO2 Flüssigkeit mit höherem Druck gefüllt (in dem gewählten Beispiel mit 180 bar).

3. Schritt Entleeren der Druckaufbaukammer 23

Die Entleerung des CO2 mit höherem Druck aus der Druckaufbaukammer 23 erfolgt durch Öffnen der 180 bar Druckgasleitung und Öffnen der Rücklaufleitung 7 von 180 bar CO2 zum Druckbehälter 2. Zur Überwindung des Gegendrucks von ebenfalls 180 bar wird die Hilfspumpe 31 benutzt. Nach erfolgter Entleerung wird die Rücklaufleitung 7 geschlossen. Die Druckaufbaukammer 23 ist jetzt mit Druckgas von 180 bar gefüllt.

4. Schritt Druckgas von 180 bar Entspannen auf 90 bar

Das 180 bar Druckgas wird über die Gasdruckausgleichsregeleinrichtung 24 auf 90 bar reduziert, z. B. über eine kleine Gasturbine und gleichzeitig das Volumen vergrößert. Das Druckgas fließt in einen Druckgashilfsspeicher und wird auch für den Gegendruck für das erneute Füllen der Druckaufbaukammer 23 mit CO2 von 90 bar benutzt (siehe erster Schritt). Für diesen Schritt wird V4 geschlossen und V9 geöffnet.

5. Schritt Rückverdichten von 2 Volumenteilen Druckgas mit 90 bar auf 1 Volumenteil mit 180 bar

Nachdem im Schritt 4 des Füllvorgangs 1 Volumenteil des Druckgases von 180 bar umgeformt wurde auf 2 Volumenteile von 90 bar, ist dieser Schritt erforderlich um das Ausgleichdruckgasvolumen für 180 bar wieder abzugleichen. Dieser Schritt erfolgt ebenfalls über die Gasdruckausgleichsregeleinrichtung 24. Der Schritt erfolgt parallel zu den Schritten 1-4 und zählt daher nicht mit bei der Schrittanzahl der notwendigen sequentiellen Schritte für den Ablauf eines Füllvorgangs mit der DAE. Auch für die 180 bar Druckluft ist in der Druckausgleichsregelung ein Druckgashilfsspeicher 62 vorhanden.

Fig. 4: Gasdruckausgleicheinrichtung 60 dient zur Stabilisierung der Drücke in den Gaspuffern 4, 5 der Hoch- und Niederdruckbehälter 2, 3 und zur Gasdrucksteuerung der Arbeitsschritte der Druckaufbaueinrichtung 14. Gasdruckausgleicheinrichtung 60 weist Hilfsspeicher 61, 62 auf. Ein Doppelkolben 63 ist verschieblich in den Hilfsspeichern 61, 62 angeordnet. Eine mit elastischen Mitteln 64 verstellbare Begrenzung 65 ist bis zu Anschlag 66 axial beweglich in Hilfsspeicher 61. Für den Ausgleich zwischen den Hilfsspeicher 61, 62 ist eine kombinierte Entspannungs-Verdichteranlage 67, 68 mit Motorantrieb 69 vorgesehen.

Gaspuffer 4 ist über Leitung 70 mit Hilfsspeicher 62 und Gaspuffer 5 über Leitung 71 mit Hilfsspeicher 61 verbunden. Zwischenwand 72 dient zur Führung des Doppelkolbens 63. Doppelkolben 63 schließt mit Zwischenwand 72 eine Umgebungsdruckkammer 73 mit 1 bar ein. Zwei Hilfsspeicher 61 sind über eine Druckausgleichsleitung 74 miteinander in ständiger Verbindung.

Die elektronische Steuerung des Motorantriebs 69 der Entspannungs-Verdichteranlage 67, 68 dient mit den elastischen Mitteln 64 der verstellbaren Begrenzung 65 zur Erhaltung möglichst gleichbleibender Druckverhältnisse in den Hilfsspeichern 61, 62.

Zusammenwirken von Druckaufbaueinrichtung und Gasdruckausgleicheinrichtung

Erläuterung des Zusammenwirkens der Druckaufbaueinrichtung ( nachfolgend auch DAE abgekürzt) und der Gasdruckausgleicheinrichtung an einem Beispiel einer CO2 Kraftstation mit einer DAE mit nur einer Druckaufbaukammer. Eine CO2 Kraftstation mit nur einer Druckaufbaukammer stellt die größten Anforderungen an die gegenseitige Abstimmung und an die Gasdruckausgleichseinrichtung, da in diesem Fall die maximalen Abweichungen bei den Gasvolumina auftreten. Nachfolgend eine Beschreibung eines kompletten Zyklus für eine Kraftstation mit einer Druckaufbaukammer.

Bei Beginn des Zyklus sind die beiden Druckspeicher 2,3 ca. halbvoll mit flüssigen CO2 und die andere Hälfte des Innnenvolumens ist mit einem Druckgas gefüllt.

Die Menge der durch die Turbine 17 pro Zeiteinheit fließenden CO2 Flüssigkeit ergibt sich aus dem Volumen der DAE- Druckaufbaukammer dividiert durch die Zykluszeit. Damit erhält man einen definierten Durchfluß Q durch die Turbine 17. Damit fließt aus dem Hochdruckbehälter über die Turbine in den Niederdruckbehälter in der Zykluszeit das Volumen der Druckaufbaukammer. Dieses Volumen muß daher durch nachfließendes Druckgas von 180 bar im Hochdruckbehälter ausgeglichen werden. Gleichzeitig fließt in den Niederdruckbehälter das Volumen der Druckaufbaukammer als flüssiges CO2 mit 90 bar hinein. Damit muß dieses Volumen an Druckgas von 90 bar in die Gasdruckausgleicheinrichtung geführt werden, d. h. die Gasdruckausgleicheinrichtung muß diese erheblichen Verschiebungen in den Hochdruck- und Niederdruckbehältern ausgleichen. Innerhalb der Zykluszeit erfolgt als Ausgleich zum gleichförmigen Betrieb der Turbine, das Entleeren, die Druckentspannung, das Nachfüllen und Heizen in der Druckaufbaukammer. Dabei sind diese Vorgänge bei einer einzelnen DAE immer zeitversetzt und führen damit zwangsweise zu erheblichen Verschiebungen in den Gasvolumina. Durch die diskontinuierlich erfolgenden Zuführungen beim Entleeren der Druckaufbaukammer bzw. Abführung beim Füllen der Druckaufbaukammer ist über der Zeitachse die Summe der Mengen an Druckluft in der Gasdruckausgleicheinrichtung von 90 bzw. 180 bar umgerechnet auf eine Druckbasis nicht konstant.

Bei Auswertung der Kurven über der Zeitachse ergeben sich maximale Abweichungen von ca. 30% auf der Druckbasis von 180 bar bzw. 60% auf der Basis von 90 bar. Diese Mengenabweichungen müssen durch die elastische Begrenzung, siehe Fig. 4, 64 und 65, kompensiert werden. Der erforderliche Ausgleich zwischen der Menge an Druckluft von 90 bar und 180 bar erfolgt mittels der kombinierten Entspannungs- und Verdichtereinheit 67, 68 und 69.

Zwei Druckaufbaukammern sind bei gleicher Leistung der CO2 Kraftstation jeweils nur halb so groß wie eine allein arbeitende Druckaufbaukammer. Die Auswirkungen des diskontinuierlichen Betriebs werden dadurch stark abgeschwächt. Die Druckaufbaukammern arbeiten dabei in der Weise parallel, daß jeweils die eine aufgeheizt wird, während die andere in dieser Zeit die Schritte "Entleerung" des flüssigen CO2 in den Hochdruckspeicher 2, "Gasdruckentspannung und gleichzeitige Rückverdichtung" sowie das Füllen der Druckaufbaukammer durchführt. Diese einzelnen Schritte werden dabei in ihrer jeweiligen Zeitdauer abgestimmt. Die Schritte "Entleerung" und "Füllen" sind von möglichst kurzer zeitlicher Dauer. Der Schritt "Entspannen und gleichzeitig Rückverdichten" dauert damit fast gleich lang wie der Aufheizvorgang. Damit wird die Gasdruckaus­ gleicheinrichtung entlastet. Dennoch ergeben sich erhebliche Abweichungen, die durch die Gasdruckausgleicheinrichtung ausgeglichen werden müssen.

Durch den Einsatz von mehreren Druckkammern für eine CO2 Kraftstation werden Verbesserungen erzielt im Aufbau der Anlage, in einer Vereinfachung der Druckstabilisierung und im Betriebsverhalten. Bei einer entsprechend großen Anzahl von kleinen Druckaufbaukammern anstelle einer oder zwei großen Druckaufbaukammern können diese so gesteuert werden, daß damit auch ein kontinuierlicher Betrieb auch auf der DAE- Seite des Kreislaufprozesses gegeben ist. Die DAE besteht in diesem Fall aus einem oder mehreren Bündeln an einzelnen Zylindern, d. h. Hochdruckrohren, mit den zugeordneten Steuerventilen an den Stirnseiten der Zylinder. Die Erwärmung der in den Zylindern bzw. Rohren befindlichen CO2 Flüssigkeit erfolgt vorzugsweise über den Außenmantel der Zylinder. Die Steuerung der Einzeldruckaufbaukammern erfolgt hierbei so, daß z. B. jeweils 3% der Druckkammern gefüllt werden, 3% entleert werden und 3% entspannt werden. Bei den restlichen 91% erfolgt die Aufheizung. Dies bedeutet, daß für die Aufheizung über 90% der Zeit zur Verfügung steht und damit auch das Aufheizen mit relativ niedrigen Temperaturen begünstigt wird.

Damit ist auch für die Gasdruckausgleichseinrichtung ein quasi kontinuierlicher Betrieb mit minimalen Ausgleichspuffervolumen möglich.

Ebenso reduzieren sich damit die Volumina der Hochdruckbehälter 2 und 3 auf relativ kleine Einheiten von ca. dem 5-10 fachen des Volumens einer einzelnen Druckaufbaukammer in der DAE.

Die optimale Größe bzw. Anzahl von Druckaufbaukammern sowie die Zykluszeiten in der DAE ist abhängig von der Leistungsgröße der CO2 Kraftstation, dem Differenzdruck der CO2 Flüssigkeiten und der Temperatur der zugeführten Wärme.

Bei der alternativen Druckaufbaueinrichtung 114 gemäß Fig. 5 erfolgt der Druckaufbau ebenfalls in 4 Schritten. Das Funktionsprinzip ist jedoch unterschiedlich.

Im Einzelnen besteht die Druckaufbaueinrichtung 114 aus einer zylindrischen Doppelkammer, die in der Mitte durch eine feste Trennwand 117 in zwei gleich große Kammern 115, 116 aufgeteilt wird. Durch die Trennwand 117 führt eine Achse 118 von einem Doppelkolben 119, der innerhalb der beiden Druckkammern 115, 116 hin und her verschoben werden kann. Mittels dieses Doppelkolbens 119 und der Ventile und Hilfspumpen erfolgt die Steuerung der Stoffmengen in der Doppelkammer. Es erfolgt der Druckaufbau nur mit flüssigen CO2, aber mit unterschiedlichen Temperaturen bzw. Drücken.

Die Zuführung der Wärmeenergie erfolgt analog wie für die Druckaufbaueinrichtung 14. Auch für Alternative B ist eine Gasdruckausgleichsregelung erforderlich, die ähnlich aufgebaut ist wie für die Druckaufbaueinrichtung 14.

Funktionsbeschreibung für die Alternative B 1. Schritt

Entleeren der linken Kammer 115, die z. b. gefüllt ist mit flüssigen CO2 mit hohem Druck, - bei unserem Beispiel: 180 bar, über Leitung 134 in den Hochdruckbehälter 2.

Dies erfolgt durch die doppelte Menge an CO2 mit 90 bar und damit einer Verdoppelung der Kraft über den Doppelkolben 119. Beide Kammern 115, 116 sind am Ende des Schrittes mit flüssigen CO2 mit ca. 9°C Temperatur und 90 bar Druck gefüllt. Eine steuerbare Druckausgleichsleitung 136 verbindet Kammer 116 mit einer Kammer 137, die durch die Zwischenwand 117 und den Doppelkolben 119 begrenzt ist.

2. Schritt

Abkühlen des flüssigen CO2 von 9°C auf ca. 5°C. Damit erfolgt ein Abbau des Druckes des flüssigen CO2 auf ca. 45 bar in den beiden Kammern 117, 116.

Dies erfolgt mittels eines Wärmetauschers 120, der auf beide Kammern 117, 116 arbeitet. Die Ansteuerung des Wärmetauschers 120 erfolgt mittels Ventilen 121-124 und Hilfspumpen 125, 126.

3. Schritt

Entleeren von beiden, mit 45 bar CO2 gefüllten Kammern 115, 116 durch Füllen der linken Kammer 115 mit flüssigem CO2 mit 90 bar über die Leitung 135 aus dem Niederdruckbehälter 3. Nach diesem Schritt ist die linke Kammer 115 mit flüssigen CO2 mit 90 bar gefüllt und die rechte Kammer 116 ist leer.

4. Schritt

Erwärmen des flüssigen CO2 in der linken Kammer 115 auf ca. 20°C und damit Druckaufbau auf 180 bar. Dies erfolgt mittels Aktivierung des Wärmetauschers 127 für die linke Kammer 115 - ebenfalls über die Ansteuerung der zugehörigen Ventile 128-131 und Hilfspumpen 132, 133. Damit sind nun wieder alle Voraussetzungen für den ersten Schritt gegeben.

5. Schritt

Rückerwärmung des flüssigen CO2 von ca. 5°C und 45 bar auf ca. 9°C und 90 bar. Dieser Vorgang kann parallel zu den Schritten 1-4 erfolgen und ist daher in der Anzahl der erforderlichen Schritte für einen Druckaufbauzyklus nicht berücksichtigt.

Für die Alternative B ist es daher ebenfalls von Vorteil, wenn mindestens zwei Druckaufbaueinrichtungen 114 parallel arbeiten. Damit ist ein wechselseitiger Temperaturausgleich für die erforderliche Kälteleistung und eine Verbesserung des Wirkungsgrades und des Betriebsverhaltens insgesamt möglich.

Die alternative Druckaufbaueinrichtung bietet Vorteile bei kombinierten Anlagen mit Wärmepumpen. Die anfallende Kälteleistung der Wärmepumpe muß dabei, z. B. in dem Temperaturbereich zwischen +5° bis -10°C liegen.

Anwendungs- bzw. Einsatzmöglichkeiten

Die Erfindung ist grundsätzlich für alle Arten von Antriebsmaschinen geeignet, insbesondere für Anlagen, welche mit Wärme auf relativ niedrigem Temperaturniveau arbeiten. Hierunter fallen insbesondere Anlagen mit Solarenergie, geothermische Anlagen, Anlagen zur Nutzung der Temperaturunterschiede von See- oder Meerwasser in unterschiedlichen Tiefen sowie die Nutzung der Wärme von Prozessen mit Wärmeverlusten auf niedrigem Temperaturniveau, wie z. B. thermische Kondensationskraftwerke, Industrieprozesse, Gasturbine oder Kolbenmotoren und große Dieselmotoren, Müllverwertungsanlagen, Kompostierungsanlagen, Latentwärmespeicher, etc..

Grundsätzlich ist die Erfindung auch geeignet als Ersatz für Verbrennungsmotoren und hierbei insbesondere für große mechanische/elektrische Antriebe wie z. B. für Lokomotiven und Schiffsantriebe. Hierbei wird in der Regel nicht die mechanische Energie der Turbine oder des Kolbenmotors direkt genutzt werden, sondern über einen elektrischen Generator wird ein entsprechender elektrischer Antrieb (z. B. Elektromotor) angetrieben.

Grundsätzlich ist jedoch besonders bei kleineren Antrieben, wie z. B. für Motoren von Personenkraftwagen auch ein direkter mechanischer Antrieb möglich. Für die erforderliche Kälteleistung ist bei warmen Umgebungstemperaturen, z. B. bei Außentemperaturen größer als 10°C die CO2 Kraftstation mit einer Wärmepumpe für Umgebungsluft zu kombinieren. Damit sind auch für Antriebe oder Motoren von Straßenfahrzeugen bessere Wirkungsgrade erreichbar als mit den derzeitigen Verbrennungsmotoren. In Kombination mit Latentwärmespeichern hoher Wärmekapazität (z. B. Natriumacetat) können mit der Erfindung Antriebe für Straßenfahrzeuge ausgerüstet werden, die völlig emissionsfrei arbeiten.

Die Vorteile gegenüber den konventionellen Antrieben mit Verbrennungsmotoren liegen in einer besseren Ausnutzung der Brennstoffe, d. h. einem besseren Wirkungsgrad und auch geringeren Schadstoffemissionen.

Insbesondere ist die Erfindung geeignet für kleinere und mittlere Anlagen als dezentrale Kraftwerksstationen oder als Ergänzung vorhandener Blockheizkraftwerke für die Stromerzeugung außerhalb der Heizperiode speziell in Verbindung mit einer zusätzlichen Wärmepumpe für die Lieferung der erforderlichen Kälteleistung.

Weiterhin ist die Erfindung geeignet als Nachrüststation bzw. Ersatz bei thermischen Kraftwerken für die Verbesserung des Wirkungsgrades.

Beschreibung Druckaufbaueinrichtung (DAE) Alternative C und D Allgemein

Diese beiden Alternativen benötigen keine motorischen Entspannungs- und Ver­ dichtungssysteme für die Druckluft. Durch den Wegfall dieser Funktion wird der Ge­ samtwirkungsgrad verbessert. Die Alternative C verwendet eine geeignete inkom­ pressible Flüssigkeit, wie z. B. Hydrauliköl, als ein Zwischenmedium für den Druck­ ausgleich beim Entleeren und gleichzeitigen Neubefüllen von zwei Druckaufbaube­ hälter. Die Alternative D arbeitet ohne getrennte Druckaufbaubehälter. Diese Funkti­ on ist in den Wärmetauschern integriert. Beide Verfahren weisen weniger Verluste auf im Vergleich zu den Alternativen A und B. Aufgrund dieser Vorzüge werden die­ se Alternativen nachfolgend detaillierter erläutert. Für diese Verfahren ist aufgrund der kontinuierlichen Nachfüllung über die Druckaufbaueinrichtung keine Gasdruck­ ausgleichseinrichtung erforderlich. Für die Alternative C gibt es eine maximale Druckdifferenz zwischen den hohen und den niedrigen Druckwerten in den Hauptbe­ hältern 2 (hoher Druck) und 3 (niederer Druck). Der hohe Druckwert darf nicht ganz doppelt so groß sein wie der niedere Druckwert, d. h. der Faktor 1,9 sollte normaler­ weise nicht überschritten werden.

Für beide Alternativen wurden insgesamt sechs Zeichnungen erstellt und dem Pa­ tentantrag beigefügt (Fig. 6-11).

Alternative C (siehe Fig. 6, 7, 8)

Die Druckaufbaueinrichtung besteht aus 2 Typen von Druckbehältern, zugehörige Hilfspumpen, Steuerventile, Druckrohrleitungen inklusive elektronische Steuerungs­ geräte mit Sensoren etc.. Die erste Art (Typ A) dient dazu die Stoffströme zu steuern um die Hauptbehälter 2 und 3 über die Druckaufbaubehälter zu füllen bzw. zu ent­ leeren. Die zweite Art (Typ B) von Druckbehälter ist für den Druckaufbau von dem flüssigen CO2 bestimmt.

Für eine DAE ist ein Behälter vom Typ A erforderlich, nachfolgend Schiebebehälter genannt, der zwei Druckaufbaubehälter vom Typ B gleichzeitig umfüllen kann. Aus technischen Gründen können anstelle eines großen Schiebebehälters mehrere klei­ ne, parallel arbeitenden Schiebebehälter verwendet werden. Die Anzahl von Druck­ aufbaubehälter ist von vielen Faktoren abhängig wie z. B. von der Temperatur der zugeführten Wärmeenergie, der Leistung der Anläge, der Technik der Wärmetau­ scher usw.. Die Anzahl kann zwischen 4-12 Druckaufbaubehältern liegen.

Alternative D (siehe Fig. 9, 10, 11)

Diese Alternative verwendet zwei Schiebebehälter die im Gegentakt arbeiten. Eine zusätzliche Flüssigkeit als Hilfsmedium wird nicht benötigt. Der Druckaufbau erfolgt direkt in den Wärmetauschern. Der Austausch der CO2 Flüssigkeiten auf verschie­ denem Temperatur- bzw. Druckniveau erfolgt in kleinen Mengen schubweise über spezielle kleine Druckschleusen direkt bei den Wärmetauschern.

ALTERNATIVE C

Anmerkung: Die nachfolgende Beschreibung ist nur für Alternative C zutreffend.

Aufbau Schiebebehälter (Druckbehälter Typ A, siehe Fig. 7)

Der Druckbehälter besteht aus einem zylindrischen Behälter 200, der durch zwei Quertrennwände 201, 202 in zwei spiegelbildlich gleiche Druckkammern unterteilt ist, d. h. in die Druckkammern 204 und 205 und in ein konstruktiv erforderliches Zwi­ schenteil. Die Volumen der beiden Druckkammern 204 und 205 sind gleich groß und haben das Volumen Q. Die Kammer 203 hat ein Volumen von ca. 0,5 Q. Hierbei entspricht Q dem Volumen, welches bei einem definierten Nachfüllvorgang aus einem Druckaufbaubehälter oder einer Gruppe von Druckaufbaubehältern in den Hauptbehälter 2 befördert wird. Die Kammern 204 und 205 werden bei den einzelnen Arbeitsschritten mit Druckluft und mit Hydrauliköl beaufschlagt, wobei diese ver­ schiedenen Materialien durch die Kolben eines Doppelkolben mit Dichtungen ge­ trennt sind. Die Kammer 203 dient als mechanisches Verbindungselement und ent­ hält nur Luft unter normalem atmosphärischem Druck. Prinzipiell können die beiden Kammern 204 und 205 auch getrennt als einfache Zylinder aufgebaut werden mit dem erforderlichen Abstand und der Stange des Doppelkolbens als Kraftübertra­ gungselement zwischen den beiden Zylindern.

In den beiden Druckkammern 204 und 205 befindet sich jeweils ein Kolben 206 und 207 der über eine Kolbenstange mit dem Kolben des anderen Zylinders fest verbun­ den ist. Der Schiebebehälter ermöglicht eine kontinuierliche Nachfüllung des Haupt­ behälters 2 und Entleerung des Hauptbehälters 3. Damit können die Hauptbehälter 2 und 3 relativ klein aufgebaut werden und die Druckluftpuffer in den Behältern können durch eine Stickstoffmembran ersetzt werden. Mit dem Schiebebehälter werden je­ weils immer ein Druckaufbaubehälter (bzw. eine Gruppe von Druckaufbaubehältern) entleert in den Hauptbehälter 2 und gleichzeitig wird die Nachfüllung mittels CO2 aus dem Hauptspeicher 3 eines zweiten Druckaufbaubehälters (bzw. einer Gruppe von Druckaufbaubehältern) benutzt, um den Druckaufbau für das Hochdruck- Hydrauliköl zu ermöglichen. Die Kammern 204 und 205 haben die gleiche Funktion und Wirkungsweise. Sie arbeiten hierbei im Gegentaktverfahren. Jede der beiden Kammern enthält eine gleich große Menge an Gas, wie z. B. Luft, die ständig im Be­ hälter verbleibt. Eine Nachfüllung ist nur im Leckagefall oder bei z. B. Wartungsar­ beiten notwendig. Das Gas bzw. die Druckluft befindet sich zwischen der Kolbenau­ ßenwand und dem Gehäuse des Behälters. Der Druck der eingeschlossenen Druckluft variiert hierbei, abhängig von der Stellung des Kolbens in der Kammer, - von dem niederen Druckniveau des Behälters 203 bis zu einem etwas höheren Druck als der Druck des Behälters 2. In den Zwischenraum zwischen den Innensei­ ten der Doppelkolben und dem Gehäuse wird abwechselnd entweder Hydrauliköl auf niedrigem Druckniveau über die Ventile 208 oder 209 eingebracht bzw. in dem zuvor mit Hydrauliköl gefüllten Zwischenraum der anderen Kammer wird Hydrauliköl auf einem etwas höheren Druck als dem hohen Druckniveau vom Hauptbehälter 2 er­ zeugt und über die Ventile 210 oder 211 zu einem von der übergeordneten Automa­ tik ausgewählten Druckaufbaubehälter geführt. Mit diesem Hochdruck-Hydrauliköl erfolgt dann das Entleeren der mit Hochdruck- CO2 gefüllten Druckaufbaubehälter. Durch zwei gegenläufige Bewegungen des Doppelkolbens wird in zwei Arbeits­ schritten jeweils die Menge Q/2 in jedem der beiden Arbeitsschritte in der Zeit T/2 entleert bzw. nachgefüllt.

Der Schiebebehälter hat folgende Anschlüsse

An die Kammern 204 und 205 jeweils einen Anschluß für das Hydrauliköl auf niedri­ gem Druckniveau über die Ventile 208 und 209 sowie jeweils einen Ausgang für das Hydrauliköl auf hohem Druckniveau über die Ventile 211 und 212. Die Ventile werden hierbei vorzugsweise druck- bzw positionsabhängig direkt hydraulisch gesteuert.

Anmerkung

Die Anpassung des Schiebebehälters an unterschiedliche Drücke für den oberen bzw. unteren Druck und damit auch unterschiedliche Verdichtungsverhältnisse kann z. B. über hydraulisch verstellbare äußere Stirnseiten der Kammern 204 und 205 er­ folgen. Bei zwei getrennten Behältern mit jeweils einer Kammer 204 bzw. 205 kann eine Anpassung durch eine Veränderung des Abstandes der Behälter bzw. einer Anpassung der Länge der Kolbenstange erfolgen.

Aufbau Druckaufbaubehälter (Druckbehälter Typ B siehe Fig. 8)

Der Druckbehälter B besteht aus einem zylindrischen Druckbehälter 230, in wel­ chem ein Trennkolben 231 mit Abdichtungen zur Behälterwand zwischen den beiden Enden der Druckkammer in beiden Richtungen beweglich angeordnet ist. Der Trenn­ kolben kann dabei auch auf einer Hohlwelle 232 geführt werden, mittels derer, das im Behälter befindliche, flüssige CO2 mittels z. B. Wasserdurchströmung geheizt werden kann. An einem Ende der Kammer ist aus Sicherheitsgründen eine Volu­ menausdehnungskammer 233 für den Fall vorgesehen, dass der Druck innerhalb der Druckaufbaukammer aufgrund technischer oder menschlicher Fehler zu hoch ansteigt. Die Volumenausdehnungskammer enthält ebenfalls Druckluft mit dem hö­ heren Druck sowie eine einstellbare Feder, so dass diese Sicherheitseinrichtung bei ca. 10-20% Überdruck anspricht. In einem solchen Falle öffnet automatisch eine Druckklappe 234 und der Druck wird durch die Ausdehnung der Flüssigkeit sofort stark reduziert.

Die Druckaufbaubehälter dienen zur Erwärmung der CO2-Flüssigkeit von z. B. 10°C auf 20°C und damit gleichzeitig der Druckerhöhung in der CO2-Flüssigkeit. Jeder Druckbehälter verfügt über nachfolgende Anschlüsse:

An einem Ende sind jeweils ein Anschluß für die Füllung bzw. Entleerung der CO2 Flüssigkeit 235, 236 sowie ein Meßfühler 237 für Temperatur und Druck der in der Kammer befindlichen CO2-Flüssigkeit angebracht. Am anderen Ende befinden sich zwei Anschlüsse für die zwei Hydraulikölanschlüsse 238, 239 auf höherem bzw. niedrigerem Druckniveau. Alle Anschlüsse, ausgenommen die der Meßfühler, kön­ nen mit einer Gruppe von weiteren Druckbehältern auf Sammelleitungen geführt werden, die jeweils gemeinsame Absperreinrichtungen haben, wie z. B. steuerbare Ventile 240-244.

Jede Kammer wird von warmem Wasser erwärmt, das über den Außenmantel bzw. die Hohlwelle in der Druckaufbaukammer die Wärme an die CO2-Flüssigkeit abgibt. Mit dem warmen Wasser kann auch das Zwischenmedium, wie z. B. das Hydrauli­ köl, erwärmt werden und damit z. B. die Kammerwände vorgewärmt werden. Weiter­ hin ist der Anschluß eines externen Wärmetauschers 245 möglich. Der Wärmetau­ scher ist z. B. ein Wärmetauscher mit sehr vielen dünnen Rohren und damit einem großen Wärmeübergang. Er ist mit flüssigem CO2 gefüllt und wird während der Um­ füllvorgänge des Druckaufbaubehälters über Trennschieber 246, 247 von dem Druckaufbaubehälter getrennt. Während dieser Zeit erwärmt sich das in dem Wär­ metauscher befindliche CO2. Der Inhalt eines größeren Druckbehälters kann mit ei­ nem entsprechend dimensionierten Wärmetauscher sehr viel schneller erwärmt wer­ den. Die Pumpe 248 bewirkt den raschen Austausch der erwärmten CO2 Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher mit dem Inhalt des Druckaufbaubehälters. Die Zuführung der Wärme (Wassermenge) ist hierbei für jede Gruppe von Kammern bzw Wärme­ tauschern regelbar (in den Zeichnungen nicht dargestellt.)

Die Anzahl und die Größe der Druckaufbaubehälter ist abhängig von der Temperatur der Wärmezuführung, der Leistung der CO2 Kraftstation und dem Leistungsverstell­ bereich der Kraftstation. Im Normalfall ist bei Einsatz von externen Wärmetauschern mit einer Anzahl von 4 bis 8 Druckaufbaubehältern zu rechnen, wobei diese in 2-4 Gruppen, aufgeteilt sind. Ohne den Einsatz von externen Wärmetauschern ist mit einer höheren Zahl von z. B. 10 bis 30 Druckaufbaubehältern zu rechnen.

Funktionsbeschreibung (siehe hierzu die Zeichnungen Fig. 64)

Die Druckaufbaueinrichtung, im nachfolgenden auch DAE genannt, verwendet das Hilfsmedium Hydrauliköl, um den Entleerungs- bzw. Füllvorgang der Druckaufbaube­ hälter mit den unterschiedlichen Drücken auszugleichen.

Zunächst einige allgemeine Angaben

Bei einer CO2-Kraftstation mit einer Flüssigkeit als Hilfsmedium benötigen die Hauptbehälter 2 und 3 jeweils nur kleine Volumina, da der Nachfüllvorgang quasi synchron zum Abfließen über die Turbine erfolgt und damit nur sehr geringe Volu­ menveränderungen auftreten können. Behälter mit ca. 0.5 Q-Q sind daher ausrei­ chend. Der Druckluftpuffer kann durch eine Stickstoffmembran ersetzt werden. Die Zeitdauer für die Wiedererwärmung der pro Zeiteinheit von 1 Sekunde durch die Turbine abfließenden Menge bestimmt die Anzahl und das Volumen der Druckauf­ baubehälter. Bei einem Durchfluß von 1 kg/s und einer angenommenen Wiederauf­ heizzeit mittels der Druckaufbaubehälter für diese Menge von 100 s bedeutet dies, dass mindestens 100 kg an flüssigen CO2 (Puffermenge) für den Aufwärmkreislauf benötigt werden. Neben der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmeeinspeisung und der CO2 Flüssigkeit ist die Technik der Erwärmung der CO2 Flüssigkeit daher von großer Bedeutung. Die Zeit für die Aufwärmung der abgekühlten CO2 Flüssigkeit ist entscheidend für die Größe der Anlage.

Neben der Gesamtzeit für einen kompletten Umlauf ist die Zeit T für einen Umfüllvor­ gang für die weitere Betrachtung wichtig. In der Zeit T fließt die bei einem Umfüllvor­ gang mittels des Schiebebehälters und einer Gruppe von Druckaufbaubehältern nachgefüllte Menge Q an CO2 Flüssigkeit vom Hauptbehälter 2 über die Turbine zum Hauptbehälter 3. Diese Zeit ist ebenfalls zu optimieren. In erster Linie sollte Q so klein als möglich sein, damit die einzelnen Anlagenteile ebenfalls möglichst klein dimensioniert werden können.

Damit fließt vom Hauptbehälter 2 das Volumen Q einer Gruppe von Druckaufbau­ kammern ab und gleichzeitig erhöht sich beim Hauptbehälter 3 dieses Volumen an flüssigem CO2 auf dem niedrigeren Druckniveau.

Bei einem kontinuierlichen Nachfließen dieser Mengen aus der Druckaufbaueinrich­ tung ergeben sich keine Verschiebungen in den CO2 Volumina und in den Gasvolu­ mina. Mit dem Schiebebehälter wird zusammen mit einer Regelung der Durchfluß­ menge durch die Ventile 208 bis 212 eine kontinuierliche Nachfüllung erreicht. In dem nachfolgenden Beispiel wird ein Nachfüllvorgang für eine Menge Q be­ schrieben, der zeitlich in der Zeit T des Durchlaufs der Menge Q durch die Turbine stattfindet. Hierbei wird gleichzeitig ein Druckaufbaubehälter entleert und ein zweiter gefüllt.

Beschreibung des Zusammenwirkens des Schiebebehälters mit zwei Druck­ aufbaubehältern

Die nachfolgende Erläuterung geht von zwei Druckaufbaubehälter und einem Schie­ bebehälter aus. Prinzipiell ist dieser Vorgang auch bei einer Umfüllung einer Gruppe von einzelnen Druckaufbaubehältern gleich.

Zum Ausgangszeitpunkt befindet sich im Schiebebehälter in der Kammer 204 Druckluft mit dem Niveau des Druckes vom Hauptbehälter 3 (niedriger Druck) und der Kolben ist in der äußersten rechten Position. Die Kammer 205 ist zur Hälfte, d. h. mit Q/2 an Hydrauliköl gefüllt. In der anderen Hälfte der Kammer befindet sich Druckluft auf einem etwas höheren Druckniveau als der Druck im Hauptbehälter 2. Der Kolben in 205 befindet sich dabei etwa in der Mitte der Kammer 205. Durch Öff­ nen des Ventils 211 am Schiebebehälter für das Hydrauliköl und das Ventil 241 am Druckaufbaubehälter (für die Füllung des Hauptbehälter 2) für das zurückfließende CO2 auf hohem Druck kann das Hydrauliköl aus dem Schiebebehälter zu dem Druckaufbaubehälter 1 fließen. Der etwas höhere Druck wird als Differenzdruck zwi­ schen dem Druck des Hydrauliköls und dem Druck des erwärmten CO2 in dem Druckaufbaubehälter benötigt, um das CO2 aus dem Druckaufbaubehälter in den Hauptbehälter 2 zu drücken. Das Hydrauliköl verdrängt also das Hochdruck CO2 und schiebt dieses in den Hauptbehälter 2. Für den erforderlichen Druckaufbau muß während dieser Vorgang abläuft, gleichzeitig über das Ventil 206 die zweite Hälfte Hydrauliköl Q12 mit dem Druck des Hauptbehälters 3 zwischen die Kolbeninnenseite des Kolbens 206 und das Gehäuse der Kammer 204 befördert werden. Nach Entlee­ rung der Menge von Q12 aus der Kammer 205 steht somit die Kammer 204 bereit den selben Arbeitsschritt, aber in umgekehrter Richtung, durchzuführen. Die beiden Kammern "schwingen" damit im Gegentakt zwischen Aufnahme und Abgabe von Hydrauliköl und damit auch druckmäßig ständig hin und her.

Sobald der Druckaufbaubehälter vollständig von CO2 geleert ist, wird das Ventil 241 am Druckaufbaubehälter geschlossen. Der Entleerungsvorgang des Druckaufbau­ behälters ist damit beendet und der Druckaufbaubehälter ist jetzt vollständig mit Hy­ drauliköl gefüllt. Dieses Hydrauliköl wird bei dem nächsten Umfüllvorgang mittels des aus dem Hauptbehälter 3 kommenden flüssigen CO2 auf niedrigen Druckniveau wieder zurück in den Schiebebehälter befördert.

Die Umfüllvorgänge laufen ohne Unterbrechungen nacheinander ab. Durch rechtzei­ tiges Öffnen eines Ventils für eine neue Druckaufbaukammer kann damit ein gleich­ mäßiges, d. h. weitgehend stoßfreies Nachfüllen des Hauptbehälters 2 mit CO2- Flüssigkeit auf hohem Druckniveau realisiert werden. Analog gilt dies für das Nach­ füllen der geleerten Druckaufbaukammern.

Vorteile der Alternative C

Die Verwendung von Hydrauliköl als Zwischenmedium bietet nachfolgende Vorteile:

• 1. Durch die kontinuierliche Nachfüllung des erwärmten CO2 in den Hauptbehälter 2 können die Hauptbehälter 2 und 3 sehr viel kleiner dimensioniert werden und eine Gasdruckausgleicheinrichtung kann entfallen.
• 2. Das Hydrauliköl dient gleichzeitig zur besseren Schmierung der Innenflächen der verschiedenen Druckbehältern für die Kolbenbewegungen.
• 3. Über das Hydrauliköl können die Druckaufbaubehälter von innen vorgewärmt wer­ den, was die Aufheiztechnik verbessert und auch die Aufheizzeit verkürzt.
• 4. Der Druckabbau in den Druckaufbaukammern nach der Entleerung des Hochdruck CO2 ist damit sehr einfach realisierbar mit nur sehr geringen Verlusten.
• 5. In den Rohren zwischen den einzelnen Anlagenteilen werden nur Flüssigkeiten transportiert und die Mengen an erforderlicher Druckluft damit wesentlich reduziert.
• 6. Durch den Einsatz von zusätzlichen externen Wärmetauschern bei den Druckauf­ baukammern sind kurze Aufheizzeiten im Sekundenbereich erreichbar und damit nur noch wenige Druckaufbaubehälter erforderlich.

ALTERNATIVE D Allgemein

Die Alternative D eignet sich vor allem für Anlagen bzw. Kraftmaschinen mit niedri­ gen Temperaturen der zur Verfügung stehenden Wärmequellen. Typische Anwen­ dungsbereiche sind z. B. große solarthermische Anlagen, die Restwärmenutzung von thermischen Kraftwerken, geothermische Anlagen aber auch Kleinanlagen für die Nutzung der Umweltwärme.

Der Aufbau einer großen, leistungsfähigen Anlage erfordert möglichst geringe Di­ mensionen der einzelnen Anlagenteile, eine große Flexibilität in der Führung des Kraftwerkbetriebes, eine gute Verfügbarkeit der Gesamtanlage und aufgrund der Größe der Anlagen auch ein hohes Maß an Sicherheit.

Grundsätzlich ist eine CO2 Kraftstation nur soweit im Leistungsbereich variabel, als auch die zuführbare Energie, d. h. in diesem Falle die Wärmeenergie, anpassfähig an die wechselnden Betriebsanforderungen, zur Verfügung steht. Entscheidend sind die Techniken der Wärmetauscher. Anstelle von großen Druckaufbaubehältern mit je­ weils zugeordneten oder flexiblen großen Wärmetauschern, basiert die Technik der Alternative D auf einer Vielzahl von kleinen bis mittleren Wärmetauschern. Die An­ zahl der dabei in Betrieb befindlichen Wärmetauschern kann dabei variabel sein. Durch Öffnen der zugeordneten Schieber bzw. Ventile können leistungsabhängig zusätzliche Wärmetauscher in Betrieb gehen bzw. nicht benötigte aus dem Betrieb genommen werden. Damit sind, abhängig von den Maschinendaten und der zur Verfügung stehenden Wärmeenergie, - verschiedene Leistungsbereiche erfüllbar. Auch Lastschwankungen sind mit der Anlage mit einer Verzögerung bedingt durch die Aufheizzeit neu zugeschalteter Wärmetauscher nachfahrbar, solange die erfor­ derliche zusätzliche Wärmenergie zur Verfügung steht.

Eine komplette CO2 Kraftstation gemäß Alternative D besteht im wesentlichen aus den folgenden mechanischen bzw. elektrischen Komponenten:

• - den zwei Hauptspeichern 2 und 3 als Ausgleichsbehälter
• - einer Turbine und einem Generator
• - zwei Schiebebehälter, die im Gegentakt arbeiten
• - einer Vielzahl von Wärmetauschern mit Druckschleusen (z. B. 30 Stück)
• - zugehörige Rohre und Ventile, Hilfsaggregate
• - einer übergeordneten Steuerungsautomatik inkl. Sensoren und Stellglieder

Nachfolgend werden die Schiebebehälter, die Technik der Wärmetauscher sowie das Zusammenwirken der Schiebebehälter mit den Wärmetauschern und den restli­ chen Hauptkomponenten einer Anlage beschrieben.

Beschreibung des Schiebebehälters (siehe Fig. 11)

Der Schiebebehälter 300 ist ein zylindrischer Druckbehälter, unterteilt durch eine Trennwand 301 in zwei gleich große Kammern 302 und 303 die einen spiegelbildli­ chen identischen Aufbau haben. Jede der beiden Kammern hat ein Volumen von ca. 1 Q. Jede der Kammern wird in jeweils zwei variable Bereiche 302A, 302B sowie 303A, 303B durch einen in der Kammerachse beweglichen Kolben aufgeteilt 304 und 305. Diese beiden Kolben sind durch eine abgedichtete Öffnung in der Trenn­ wand 301 über eine Kolbenstange 306 miteinander starr verbunden und bilden da­ durch einen Doppelkolben. In den Kammerbereichen zwischen den Kolbeninnenflä­ chen und der Trennwand befindet sich flüssiges CO2. In dem Bereich 302B befindet sich CO2 Flüssigkeit mit dem Druck nach der Turbine, d. h. mit niedrigem Druck. In dem Bereich 303B befindet sich CO2 Flüssigkeit mit hohem Druck, d. h. mit dem Druck vor der Turbine. In dem anderen Bereich befindet sich in der Kammer 302A Druckluft mit dem gleichen Druck wie in 302B und in 303A Druckluft auf dem glei­ chen Druckniveau wie die CO2 Flüssigkeit in 303B. Außerdem verfügt der Schiebe­ behälter an jeder der beiden Druckluftkammern 302 und 303 links und rechts neben der Trennwand jeweils über einen Ausgang 307 und einen Einlass 308 mit den Ventilen 309 und 310 und auf der gegenüberliegenden Seite über jeweils einen Ein­ lass 311 und Ausgang 312 mit den Ventilen 313 und 314. Die vier Ventile werden direkt hydraulisch über die Bewegung des Doppelkolbens gesteuert. Hierzu dient z. B. ein hydraulisches Steuergerät 317. Bewegt sich der Doppelkolben nach links wird 313, 314 geöffnet und 309, 310 geschlossen und bei der Bewegung in Gegen­ richtung werden 313, 314 geschlossen und 309, 310 geöffnet. Das Öffnen bzw. Schließen der jeweils vier Ventile bei den im Gegentakt arbeitenden beiden Schiebe­ behältern erfolgt dabei überlappend, so dass ein kontinuierliches Fließen der CO2 Flüssigkeiten gewährleistet ist.

Die beiden Verbindungen 307 und 308 führen auf eine Gruppe von Wärmetau­ schern. Die beiden Verbindungen 311 und 312 führen hinter bzw. vor die Turbine bzw. zu den Hauptbehältern(jetzt vielmehr Ausgleichsbehälter) 2 und 3. Beide Druckluftbereiche in den Kammern 302A und 303A sind mit der zugehörigen Gruppe von Wärmetauschern verbunden über ein steuerbares Ventil 315 und 316. Diese Ventile sind normalerweise immer geöffnet.

Die Größe der Schiebebehälter ist abhängig von der Leistungsgröße der Anlage so­ wie von der Frequenz der Schiebebewegungen und diese sind wiederum eine Funk­ tion der Nachheizzeit der Wärmetauscher.

Beschreibung der Wärmetauscher (siehe Fig. 9 und 10)

Der Wärmetauscher 250 besteht aus einem großflächigen konventionellen Wärme­ tauscher 260 mit gutem Wärmeübergang und kleinen Strömungsquerschnitten für das durchströmende flüssige CO2. Er ist für den erforderlichen Druckbereich inkl. Sicherheitsreserven für den Druck inkl. Sicherheitsarmaturen (wie z. B. Überdruck­ ventil)auszulegen. Im Wärmetauscher befindet sich flüssiges CO2. Alle im Betrieb befindlichen Wärmetauscher sind in Gruppen parallel geschaltet (pro Schiebebe­ hälter ist es eine Gruppe). Die Darstellung gemäß Fig. 10 zeigt nur die prinzipielle Aufteilung. Die äußere Form bzw. das Material der Wärmetauscher kann entspre­ chend den spezifischen Anforderungen verschieden sein. Der Anschluß an die Sammelleitungen (für mehrere Wärmetauscher) erfolgt für jeden Wärmetauscher über eine eigene kleine Druckschleuse 251. Diese Druckschleuse kann auch ge­ trennt von dem Wärmetauscher aufgebaut und mit kurzen Druckleitungen mit dem Wärmetauscher verbunden werden. Diese Druckschleuse ermöglicht über einen kleinen Doppelkolben 252 in einer Zylinderkammer den Austausch von ca. 3-20% des Inhalts eines Wärmetauschers an flüssigen CO2 auf niedrigem Druck gegen das gleiche Volumen von flüssigen CO2 auf hohem Druck. Die Menge des prozentual austauschbaren Volumens pro Wärmetauscher ist abhängig von der Größe und der Anzahl von parallel geschalteten Wärmetauschern sowie von der Aufheizzeit. Der Anschluß an die Sammelleitungen erfolgt für die CO2 Ein- bzw. Ausgänge über Leitungen mit Rückschlagventilen 256 und 257 sowie einem hydraulisch gesteuerten Ventil 258. Das Ventil 258 ist nur dann offen, wenn der Doppelkolben geöffnet wird, d. h. während der Öffnungsbewegung. Die bei einem Austauschvorgang einge­ brachte Menge an CO2 mit niedrigem Druck in die Druckschleuse des Wärmetau­ schers wird durch die nachfolgende Gegenbewegung des Doppelkolbens in den Wärmetauscher gedrückt. Diese Gegenbewegung wird verursacht durch die Ände­ rung der Bewegungsrichtung des Doppelkolbens durch die Umschaltung der Ventile 313, 314 sowie 309, 310. Der Druck der CO2 Flüssigkeit im Wärmetauscher zu­ sammen mit der Druckluft aus 302A schiebt den Doppelkolben wieder in die Aus­ gangsstellung zurück. Ein möglicher Druckabfall durch das Nachfüllen von CO2 Flüssigkeit auf niedrigem Druckniveau wird kompensiert durch ein Druckausgleich­ gefäß mit Stickstoffpuffer 263.

Über einen Bypass mit einem Rückschlagventil 261 wird das CO2 mit niedriger Temperatur an den Fußpunkt des Wärmetauschers geführt und durchläuft dann schubweise mit jedem Austauschvorgang den Wärmetauscher, d. h. in ca. 5 bis 30 Schritten in seiner ganzen Länge. Auf diesem Weg erfolgt die Erwärmung der über die Druckschleuse nachgeführten Mengen, verbunden mit dem Druckaufbau.

Die Druckschleuse 251 besteht aus einer Zylinderkammer mit einer Trennwand 253 und einem Doppelkolben 252. Der Doppelkolben 252 wird bei gleichzeitig anliegen­ der Druckluft über den Anschluß 259 mit dem Druck gemäß dem Normaldruck im Hauptbehälter 2 sowie CO2 Flüssigkeit auf dem Druckniveau wie dem Hauptbehälter 3 bzw. nach der Turbine über den Anschluß 262 in Richtung Wärmetauscher 260 verschoben und drückt dabei CO2 Flüssigkeit aus dem Wärmetauscher auf hohem Druckniveau über den Ausgang 263 in den Schiebebehälter. Das Ventil 258 wird nur während der Öffnungsbewegung des Doppelkolbens über eine hydraulische oder pneumatische Steuerung geöffnet.

Funktionsbeschreibung der Druckaufbaueinrichtung (siehe Fig. 9, 10 u. 11)

Die Druckaufbaueinrichtung besteht aus zwei Schiebebehältern 300 und zwei Grup­ pen von Wärmetauschern 250 gemäß Fig. 9. In Fig. 9 ist nur ein Wärmetauscher einer Gruppe gezeigt. Die Nummern 250 sollen weitere Wärmetauscher darstellen. Die Gesamtzahl pro Gruppe kann z. B. 30 Stück sein.

Der Doppelkolben in dem Schiebebehälter 300 wird alternierend nach rechts bzw. nach links verschoben. Mit der Bewegung nach rechts erfolgt das Nachladen der Druckschleusen mit CO2 Flüssigkeit auf niedrigem Druckniveau und gleichzeitig wird der Schiebebehälter mit Hochdruck CO2 Flüssigkeit gefüllt. Mit der Bewegung nach links erfolgt die Abgabe der Hochdruck CO2 Flüssigkeit an die Turbine und gleich­ zeitig das Füllen des Schiebebehälters mit CO2 Flüssigkeit auf niedrigem Druckni­ veau. Der zweite Schiebebehälter arbeitet im Gegentakt. Damit wird im Zu­ sammmenwirken mit den Hauptbehältern 2 und 3 (d. h. die Hauptbehälter sind Aus­ gleichsbehälter!) ein kontinuierliches Fließen der CO2 Flüssigkeiten und damit auch ein kontinuerlicher Betrieb der Kraftstation ermöglicht. Das Nachfüllen und Entleeren der Druckschleusen in den Wärmetauschern ist unter den vorangehenden Kapiteln erläutert.

Damit ist eine alternierende Abgabe und Aufnahme der CO2 Flüssigkeiten gegeben und in Zusammenarbeit mit dem zweiten Schiebebehälter im Gegentaktbetrieb ergibt sich ein kontinuierlicher Betrieb einer CO2 Kraftstation.

Die Geschwindigkeit der Bewegungen der Doppelkolben in den Schiebebehältern und in den Druckschleusen ist dabei abhängig von der nachfließenden CO2 Flüssig­ keitsmenge durch die Turbine, denn diese liefert das flüssige Niederdruck CO2. Dies bedeutet, dass der gesamte Vorgang sich selbst regelt. D. h. bei einem Nachschub­ vorgang werden pro Schiebebehälter Q/2 an Hochdruck CO2 mit dem Schiebebe­ hälter in der Zeit T in Richtung Hauptbehälter 2 bzw. zur Turbine befördert und gleichzeitig Q/2 an Hochdruck CO2 aus den parallel geschalteten Wärmetauschern in den Schiebebehälter befördert. Weiterhin werden Q/2 an CO2 Flüssigkeit auf nied­ rigem Temperaturniveau bzw. Druckniveau in die Wärmetauscher befördert.

Die beiden Schiebebehälter ergänzen sich, so dass in der Zeit T die Gesamtmenge Q verarbeitet wird.

Durch wechselnde Ansteuerung der beiden Schiebebehälter sind für beide Gruppen von Wärmetauschern immer eine kurze Pause für die Aufheizung gegeben. Bedingt durch die relativ kleine Austauschmenge der CO2 Flüssigkeit auf hohem Druck in den Wärmetauschern bei einem einzelnen Austauschvorgang durch CO2 auf niedriger Temperatur bzw. niedrigem Druck führt dieser Austausch nur zu einem kleinem Druckeinbruch in der einen Gruppe von den Wärmetauschern, der durch das Druckausgleichgefäß kompensiert wird.

Erläuterung der zwei Arbeitsschritte im Detail 1. Schritt

Ausgangssituation: Der Doppelkolben im Schiebebehälter 304-306 bewegt sich nach rechts und der Kolben 304 ist kurz vor der Trennwand 301 (ca. 5-10% der Ge­ samtwegstrecke entfernt). Ventil 313 und 314 wird bei Erreichen dieser Position ge­ öffnet und die Ventile 309 und 310 geschlossen. Damit wird die Bewegung des Dop­ pelkolbens geändert in die Gegenrichtung, d. h. nach links. Nun fließt aus 303A Hochdruck CO2 Flüssigkeit zur Turbine und gleichzeitig wird 302A wieder mit CO2 Flüssigkeit auf niedrigem Druckniveau nachgefüllt. Durch diese Bewegung wird in den einzelnen Druckschleusen der Wärmetauschern der Doppelkolben wieder in die Ausgangsstellung gebracht.

2. Schritt

Der zweite Schritt ist die Gegenbewegung des Doppelkolbens, d. h. nach rechts. Bei Erreichen einer definierten Position des Kolbens 305 kurz vor der Trennwand 301 wird der Doppelkolben von der Bewegung nach links umgesteuert in eine Bewegung nach rechts. Hierzu werden die Ventile 313 und 314 geschlossen sowie 320 und 321 geöffnet. Nun fließt CO2 Flüssigkeit auf niedrigem Druckniveau von dem Schiebebe­ hälter aus dem Bereich 302B in die einzelnen Druckschleusen. Gleichzeitig fließt aus den Druckschleusen der Wärmetauscher Hochdruck CO2 in den Schiebebehälter in den Kammerbereich 303B. Während des 2. Schrittes erfolgt somit keine Entleerung des Hochdruck CO2 aus dem Schiebebehälter und auch keine Aufnahme von Nie­ derdruck CO2. Bei Erreichen der Endposition des Doppelkolbens beginnt dann wie­ der Schritt 1.

Ein Anlagenbeispiel mit der Alternative D

Nachfolgend eine grobe Abschätzung der Anlagedaten für eine Anlage mit 5 MW Ausgangsleistung an elektrischer Leistung. Bei einer angenommenen Druckdifferenz von 80 bar und einer Temperatur von 10°C für den unteren und 20°C für den oberen Wert errechnet sich zunächst aus der Druckdifferenz eine theoretische Menge von 0,6-0,7 cm Durchfluß durch die Turbine in 1 s. Unter Berücksichtigung verschiedener Verluste nehmen wir vereinfachend einen Durchfluß von 1 cm/s an. Bei einer Anzahl von 2 × 30 Wärmetauschern mit jeweils 1 cm Füllung müßten diese Wärmetauscher in einer Minute die erforderliche Nachschubmenge an flüssigen CO2 liefern. Dies ergibt bei ca 30 Leerungen die Menge von ca. 2 cm pro Leerung. Dies bedeutet, dass die Hauptbehälter 2 und 3 jeweils ein Volumen von ca. 1-2 cm haben und auch die beiden Schiebebehälter mit den Kammern 302 und 303 pro Kammer jeweils ca. 2 cm Volumen benötigt. Die Turbine und der Generator sind von den Abmessungen mit ca. 5-10 cm Volumen anzusetzen. Damit ergibt sich ein Gesamtraumbedarf von ca. 20-30 cm Volumenbedarf - allerdings ohne die erforderlichen Wärmetauscher. Diese werden etwa ein Volumen von 150-300 cm benötigen. Anmerkung: cm = Kubikmeter

Vorteile der Alternative D

• 1. Die Alternative D für die Druckaufbereitung bietet Vorteile für Anlagen, die mit Wärmeenergie auf niedrigem Temperaturniveau arbeiten. Durch die Integration der Druckaufbaufunktion in die Wärmetauscher und die Technik des Austausches der CO2 Flüssigkeiten über die Druckschleusen können die einzelnen Druckbehälter re­ lativ klein dimensioniert werden.
• 2. Die Anlagen sind regelungstechnisch stabil und bieten damit auch die notwendi­ gen betriebstechnischen Voraussetzungen für den Betrieb von Großanlagen.
• 3. Sicherheitstechnisch bedeutet die Aufteilung der Druckaufbaufunktion auf viele kleine Geräte auch eine wesentliche Reduzierung der Sicherheitsrisiken und der Schadensmöglichkeiten.

Claims (22)

1. Kraftstation (1) mit CO2 Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit
einer Vorlaufleitung (6) mit mindestens einer Turbine (17) und
einer Rücklaufleitung (7) mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung (14), wobei Vorlaufleitung (6) und Rücklaufleitung (7) einen geschlossenen Flüssigkeitskreislauf bilden.

2. Kraftstation (1) mit CO2 Flüssigkeit als Arbeitsmedium mit
einem Hochdruckbehälter (2),
einem Niederdruckbehälter (3),
einer Vorlaufleitung (6) mit mindestens einer Turbine (17) vom Hochdruckbehälter (2) zum Niederdruckbehälter (3), und
einer Rücklaufleitung (7) vom Niederdruckbehälter (3) zum Hochdruckbehälter (2) mit mindestens einer Druckaufbaueinrichtung (14).

3. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckbehälter (2) und der Niederdruckbehälter (3), jeweils in mindestens zwei separate Kammern unterteilt sind, wobei die Kammern zum gegenseitigen Volumenausgleich mit Stellmitteln ausgestattet sind.

4. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckbehälter (2) und der Niederdruckbehälter (3), jeweils über Wärmetauscher (8, 9) mit thermischer Energie beaufschlagt werden können.

5. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruckbehälter (2) und der Niederdruckbehälter (3), jeweils flüssiges CO2 in einer ersten der separaten Kammern und ein Gas, wie Luft oder Stickstoff in einer zweiten der separaten Kammer enthalten.

6. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (17) eine Flüssigkeitsturbine ist, die einen Generator antreibt (19).

7. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Einsatz eines Kolbenmotors anstelle einer Turbine der angetriebene Generator ein Lineargenerator sein kann.

8. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Rücklaufleitung (7) vom Niederdruckbehälter (3) zum Hochdruckbehälter (2) mindestens zwei Druckaufbaueinrichtungen (14) vorgesehen sind.

9. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckaufbaueinrichtungen (14) in mindestens zwei separate Kammern unterteilt sind, wobei die Kammern zum gegenseitigen Volumenausgleich mit Schiebeelementen (33) ausgestattet sind.

10. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Arbeitsmedium in einer der Kammern mit Wärme beaufschlagt wird.

11. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasdruckausgleichseinrichtung vorgesehen ist mit Gasdruckhilfsspeichern und eine kombinierte Entspannungs-, Verdichtereinheit für das Druckgas mit Nutzung der anfallenden Wärmeenergie beim Verdichten.

12. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckaufbaueinrichtung aus einer Vielzahl von einzelnen Druckkammern bestehen kann, die über Sammelleitungen miteinander verbunden sind und über Ventile einzeln auf die Sammelleitungen geschaltet werden können.

13. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kraftstation in Verbindung mit einer Wärmepumpe betrieben werden kann zur Nutzung von Wärmeenergien im Temperaturbereich 0-30°C, wie z. B. Energie aus Erdwärme oder Flußwasser.

14. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Kraftstation in Verbindung mit einem Latentwärmespeicher hoher Wärmekapazität, wie z. B. Natriumacetat, als Energiequelle betrieben werden kann für stationären als auch instationären Betrieb der CO2 Kraftstation.

15. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Druckaufbaueinrichtung eine geeignete nahezu inkompressible Flüssigkeit, wie z. B. Hydrauliköl für die Füllung bzw. Entleerung des flüssigen CO2 in bzw. aus den Druckaufbaubehältern verwendet wird.

16. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die Druckaufbaueinrichtung zylindrische Druckbehälter verwendet werden mit Ausdehnungskammern für Überdruckabbau.

17. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an die zylindrischen Druckbehälter für den Druckaufbau externe Wärmetauscher über steuerbare Trennschieber angeschlossen werden können.

18. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbehälter für den Druckaufbau als Doppelkammern (Tandem) mit einem gemeinsamen Doppelkolben ausgeführt werden können. Dadurch erfolgt eine mechanische zwangsweise Synchronisierung von der Füllung einer Kammer und der gleichzeitigen Entleerung einer zweiten Kammer.

19. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung der Füllung und Entleerung der Druckaufbaubehälter über zwei im Gegentakt arbeitenden Druckkammern ein kontinuierliches Nachfüllen der über die Turbine abfließenden Menge an flüssigem CO2 ermöglicht wird. Ein gemeinsamer Doppelkolben teilt durch seine beiden Kolben die Druckkammern in zwei variable Bereiche für Druckluft und Hydrauliköl. Mittels einer Vorspannung mit Druckluft und dem Hydrauliköldruck aus der gleichzeitigen Aufnahme der Füllmenge Hydrauliköl eines zweiten Druckbehälters wird der erforderliche Hochdruck des Hydrauliköls für die Entleerung der mit Hochdruck CO2 gefüllten Druckaufbaubehälter gewonnen.

20. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckaufbaueinrichtung mit einer inkompressiblen Flüssigkeit als Hilfsmedium die Nachfüllung des Hauptbehälters 2 und die Entleerung des Hauptbehälters 3 kontinuierlich und angepaßt an die durch die Turbine abfließende Menge ermöglicht.

21. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckaufbau direkt in den Wärmetauschern erfolgt. Der Austausch der CO2 Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Drücken erfolgt über einen gemeinsamen Schiebebehälter und einzelnen Druckschleusen für jeden Wärmetauscher. Die Druckschleusen ermöglichen einen Austausch von exakt gleichen Volumen bzw. Massen an CO2 Flüssigkeiten für jeden Wärmetauscher. Pro Austauschvorgang werden in einem Wärmetauscher nur ca. 3- 20% des Inhaltes des Wärmetauschers gewechselt.

22. Kraftstation (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für den Druckaufbau direkt an den einzelnen Wärmetauschern zwei Gruppen von Wärmetauschern gebildet werden, die jeweils auf einen zugeordneten Schiebebehälter arbeiten. Die zwei Schiebebehälter arbeiten im Gegentaktbetrieb, so dass immer ein Schiebebehälter die Turbine mit Hochdruck CO2 versorgt und damit ein kontinuierlicher Betrieb der CO2 Kraftstation gewährleistet wird.