DE102009031956A1

DE102009031956A1 - Verfahren zur Abfuhr von Wärme, vorzugsweise aus solarthermischen Kraftwerken

Info

Publication number: DE102009031956A1
Application number: DE102009031956A
Authority: DE
Inventors: Joachim Falkenhagen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-07-06
Filing date: 2009-07-06
Publication date: 2011-01-13

Abstract

Für die Kühlung von solarthermischen Kraftwerken wird ein weit entferntes Gewässer genutzt, wie etwa ein über hundert Kilometer entferntes Meer, wobei Skaleneffekte vorteilhaft ausgenutzt werden. In entsprechender Weise erfolgt ein Ferntransport von Wärme aus Geothermie, beispielsweise von Island nach Europa.

Description

Dampfkraftwerke und andere Kraftwerke auf der Basis thermodynamischer Kreislaufprozesse benötigen eine Abfuhr der nicht in elektrische Energie umgewandelten Energie, insbesondere auf der kühlen Seite des thermodynamischen Kreislaufs. Vorzugsweise werden Kraftwerke daher an Flüssen und am Meer errichtet, um diese Gewässer als Kühlwasser zu nutzen. Eine Wärmeabgabe an die Umgebungsluft in Verbindung mit Kühltürmen stellt eine weitere Alternative dar, vermindert aber meist den Wirkungsgrad. Solarparks mit solarthermischen Kraftwerken werden bevorzugt in Regionen mit hoher direkter Sonneneinstrahlung errichtet, also insbesondere mit geringer Bewölkung. Dabei handelt es sich meist um aride Gegenden, in denen Wasser knapp ist. In den letzten Jahren wurden zahlreiche derartige Projekte initiiert, vor allem im Mittelmeerraum und in den Südweststaaten der USA. Vorgeschlagen wurde auch die Trinkwassergewinnung aus Meerwasser mit Hilfe von Solarparks in Küstennähe. Dem Fachmann erschließt sich damit auch eine Kopplung von solarthermischer Stromerzeugung und Meerwasserentsalzung. Oft befinden sich aride Regionen aber in beträchtlicher Entfernung von den nächsten Gewässern, oder jedenfalls von Fließgewässern, bei denen eine Wasserentnahme für Kühlzwecke möglich wäre. Solche Kraftwerke werden daher meist mit Luftwärmetauschern ausgestattet bzw. projektiert. Nachteil ist der geringere Wirkungsgrad, zumal tagsüber bzw. zum Zeitpunkt der größten Sonneneinstrahlung besonders hohe Lufttemperaturen vorliegen. Ein weiterer Nachteil könnte es sein, dass ein zusätzlicher Wärmeeintrag in die Region über Kühltürme bei verbreiteter Nutzung der Solarenergie zu vermehrter Thermik führt und damit das Lokalklima in Richtung verstärkter Wolkenbildung verändert. Ein Kühlwassertransport über weite Strecken oder eine Ausdehnung des thermodynamischen Kreislaufes über weite Strecken ist bislang nicht bekannt.
Lösung
Die Erfindung macht sich in bevorzugter Ausführung das nächstgelegene Meer zu Nutze, das meist als einziges Gewässer einen stärkeren Wärmeeintrag schadlos ermöglichen könnte, und dies bei niedrigerer Kühlwassertemperatur als die Umgebungsluft. Der Errichtung eines Solarparks in Meeresnähe können aber verschiedene Gesichtspunkte entgegenstehen, z. B. größere Verunreinigung der Kollektoren durch Salzablagerung, Gefahr von Beschädigungen der Reflektoren durch Sandstürme, legislative Unterschiede, Sicherheitsgesichtspunkte und höhere Grundstückskosten. Vor allem können in Meeresnähe durch die geringe Höhenlage und höhere Luftfeuchtigkeit ungünstigere Einstrahlungsverhältnisse vorliegen. Eine Kombination der bestmöglichen Sonneneinstrahlung in der Wüstengegend mit der Nutzung kühleren (Meer-)Wassers für die Rückkühlung verspricht daher eine Wirkungsgradsteigerung.
Dies kann durch mehrere Möglichkeiten oder deren Mischformen erreicht werden, die vorzugsweise auf einem Rohrleitungspaar zwischen Wüstengegenden und dem Meer beruhen:

a) Umlauf eines Wärmeträgermediums, vorzugsweise salzarmem Wasser, mit Wärmetauschern zur Wärmeabgabe an das Meer und weiteren Wärmetauschern im solarthermischen Kraftwerk, wo der Kreislaufprozess gekühlt wird;
b) Umlauf von Meerwasser, das zum Solarpark gepumpt wird und erwärmt zurückfließt;
c) nach der Stromerzeugung am Ort des Solarparks in der Wüstenregion unmittelbare Zuführung des nach Durchlauf der Dampfturbine kondensierten Wassers in eine Rohrleitung, Kühlung mit Meerwasser in Küstennähe, Rückführung des kühleren Wassers in den Solarpark;
d) Transport eines flüssigen, im Solarpark erhitzten Wärmeträgemediums zu einem Kraftwerk in Küstennähe, dort Dampferzeugung und Stromerzeugung, Rückführung des abgekühlten Wärmeträgermediums zum Solarpark in der Wüstengegend;
e) Transport des im Solarpark erzeugten Dampfes bis zur Küstennähe, dort Stromerzeugung.

Variante d und e haben den Nachteil des höheren Aufwands für Wärmedämmung infolge der höheren Temperatur, größerer Wandstärken infolge des höheren Drucks und/oder größerer Druckverluste bzw. Querschnitte infolge der ungünstigeren Viskosität des umlaufenden Mediums. Variante a erfordert Wärmetauscher an beiden Enden des Umlaufs, hat aber den Vorteil, dass die Strömung und die Druckhaltung im Umlauf unabhängig von dem thermodynamischen Prozess bzw. vom Umgebungsdruck in Meereshöhe gestaltet werden kann. Auch die kinetische Energie des umlaufenden Wassers müsste bei Variante a nur einmal zugeführt werden, wenn in den Wärmetauschern keine Abbremsung vorgesehen wird, danach müsste lediglich die Reibung ausgeglichen werden. Besonders bei Solarparks auf Plateaus jenseits von meeresnahen Bergrücken – einem möglichen Verursacher der guten Einstrahlungsverhältnisse – müsste bei Umlauf von Meerwasser gemäß Variante b beträchtliche Pumpenergie aufgewandt werden, um dieses den Berg hinaufzupumpen, eine teilweise Rückgewinnung der potentiellen Energie des erwärmten Wasser im Rückstrom hätte weiteren technischen Aufwand zur Folge.
In abgewandelter Form könnte das Kühlwasser auch lediglich herangeführt werden und dann in Nähe des Solarparks in die Umwelt entlassen werden. Es könnte in Feuchtkühltürmen verdampft werden oder flüssig in die Umwelt geführt werden, wo es schließlich auch verdampfen oder versickern würde. Eine solche Verdampfung würde der Patentinhaber wahrscheinlich restriktiv behandeln, da dies das örtliche Klima verändern und zu Lasten benachbarter Solarpark gehen könnte. Die Heranführung von Salzwasser zu Kühlzwecken ohne Rückleitung erscheint selbst bei Versickerung ungeeignet.
Voraussetzung und Auslegung
Bedingung sind vertretbare Kostenverhältnisse zwischen den Vorteilen und den Kosten der sehr langen Rohrleitung vom Meer zum Solarpark, die mitunter mehrere hundert Kilometer überbrücken muss. Vorteil sind vorzugsweise die Wirkungsgradverbesserungen nebst Wegfall oder Einschränkung der Kosten für Luftkühlsysteme. Liegen an der Küste ebenfalls günstige Einstrahlungsverhältnisse vor, so kann eine Standortwahl des Kraftwerks weiter im Landesinneren auch durch weitere wirtschaftliche Verhältnisse begünstigt werden, beispielsweise bei günstigeren Strompreisen jenseits der Grenze von Staaten oder Bundesstaaten.
Die Transportkapazität einer Rohrleitung nimmt viel stärker mit dem Durchmesser zu als die Kosten. Die Erfindung beruht daher auf der Erkenntnis, dass sich Kühlsysteme der hier beschriebenen Art ausschließlich bei sehr großen Anschlussleistungen an dem Rückkühlsystem lohnen können.
Beispielsweise waren bis Juni 2009 allein in Kalifornien auf Flächen des Bureau of Land Management rund 70 Solarparks mit angegebenen elektrischen Leistungen beantragt worden, die zusammengenommen ca. 50 GW betrugen, mit einem Schwerpunkt in der Mojave-Wüste in rund 250 km Abstand vom Pazifik. Die Abwärme dürfte mehr als die dreifache Leistung umfassen. Trotz der Zahl und Größenordnung der Planungen, die längst eine Größe erreichen, bei der eine Kühlwasserleitung dieser Länge sehr wirtschaftlich erscheint, sind Pläne zur Kühlung und Wirkungsgradsteigerung mittels Meerwasser nicht bekannt. Der Patentschutz nach Veröffentlichung dieses Verfahrens unterstützt eine gebündelte und koordinierte Planung solcher Kühlwasserleitungen.
An Stelle der Kühlung mit Meerwasser kommt auch eine Kühlung mit Süßwasser aus kühleren und feuchteren Klimazonen in Betracht. Eine optimale Kühlung geht allerdings mit einer geringen Differenz zwischen Vor- und Rücklauf des Kühlwassers einher, also bei vorgegebener Abwärmemenge mit großen umlaufenden Wassermengen. Im Fall von ausschließlich zur Stromerzeugung betriebenen Kondensationskraftwerken ist daher eine Abwägung zu treffen zwischen der Nutzung von relativ warmer Kühlwasser mit mittleren Transportentfernungen beispielsweise in der Größenordnung von hundert Kilometer – ggf. Meerwasser mit der Erfordernis zusätzlicher Wärmetauscher – und der Heranführung von Wasser aus kühleren Klimazonen über wesentlich größere Entfernungen.
Alle Verfahren lassen sich auch in Kraftwerken nutzen, in denen ein Brennstoff wie z. B. Erdgas den Solarwärmeeintrag zeitweilig unterstützt, oder die fernab von Kühlwasser fossilen Brennstoffen – z. B. neben Kohlekraftwerken – oder Kernenergie nutzen.
Bei PV-Kraftwerken kann eine vergleichbare Kühlung den Wirkungsgrad verbessern.
Geothermie
Bis auf die geothermische Wärmeversorgung für Reykjavík mit rund 120.000 Einwohnern aus dem 32 km entfernten Nesjavellir-Kraftwerk wird geothermische Wärme weltweit nur kleinräumig genutzt. Diskutiert wird lediglich der Bau von geothermischen Kraftwerken auf Island, deren Leistung über Elektrizitätsleitungen nach Westeuropa geführt werden soll. Der Bau einer Fernwärmeleitung durch den Atlantik in das rund 1000 km entfernte Großbritannien würde die aus Reykjavík bekannte geothermische Fernwärme nun um das erfinderische Grundprinzip ergänzen, dass bei extrem großen Übertragungsleistungen mit dem Transport heißen, energetisch genutzten Wassers in Rohrleitungen auch weite Strecken wirtschaftlich überbrückt werden können.
Die Druckdifferenz einer Rohrleitung ist proportional zum Volumenstrom, mithin Druckverlust proportional zum Quadrat des Volumenstroms. Der Volumenstrom ist ferner nach dem Hagen-Poiseuillesches Gesetz bei gleichem Druckverlust proportional zur vierten Potenz des Radius. Würde nun statt der mit 32 km weltweit längsten Geothermieleitung eine ca. 36-mal so lange Rohrleitung mit einem sechsfach größeren Durchmesser errichtet, und ein 216-facher (= 6³-facher) Volumenstrom durchgepumpt, so ergäbe sich über die gesamte Leitungsstrecke der sechsfache Druckverlust (aus 36-facher Länge mal 1/6⁴-fachem Strömungswiderstand und 6³-fachem Volumen), also ein noch vertretbar erscheinender Wert. Auf jeden Wärmeabnehmer mit gleichem Warmwasserbedarf würde 1/6 der Leitungsstrecke der Verbraucher des Vergleichssystems in Reykjavík entfallen. In Anbetracht des 6-fachen Durchmessers kann also erwartet werden, dass die spezifischen Kosten um einen niedrigen Faktor über den Kosten in Reykjavík liegen.

Claims

Verfahren zur Stromerzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmeeintrag in einen thermodynamischen Kreislauf in einer ariden, meeresfernen Gegend erfolgt, und dass daraus resultierende Abwärme über weite Strecken einem Gewässer für Kühlzwecke zugeführt wird, wobei durch eine genügend große thermische Leistung trotz der großen Entfernung ein vertretbares Verhältnis zwischen dem Aufwand und den Nutzen hergestellt wird.
Verfahren zur Stromerzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag im wesentlichen in einer ariden Gegend erfolgt, ein so erhitztes Wärmeträgermedium über weite Strecken in eine Region mit ungünstigeren Verhältnissen zur Wärmeerzeugung befördert wird, und dort Strom produziert wird, wobei durch eine genügend große Leistung trotz der großen Entfernung ein vertretbares Verhältnis zwischen dem Aufwand und den Nutzen hergestellt wird.
Verfahren zur Stromerzeugung, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerzeugung in einer ariden, meeresfernen Gegend erfolgt, und dass Kühlwasser über weite Strecken von einem Gewässer zugeführt wird, wobei durch eine genügend große thermische Leistung trotz der großen Entfernung ein vertretbares Verhältnis zwischen dem Aufwand und den Nutzen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Umlauf von Wasser über weite Strecken in wenigstens einem Rohrleitungspaar zwischen der ariden Gegend und dem bzw. den Gewässern erfolgt.
Verfahren zur Stromerzeugung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeeintrag mittels konzentrierenden Systemen der Solarenergienutzung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, dass die Stromerzeugung auf photovoltaischem Weg erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das über weite Strecken herantransportierte Wasser im Rahmen der Kühlaufgabe verdampft wird.
Verfahren nach einem der beiden vorherigen Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das über weite Strecken herantransportierte Wasser im Rahmen der Kühlaufgabe erwärmt und ohne Rückführung zum Herkunftsgewässer in flüssiger Form in die Umwelt entlassen wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Solarenergienutzung und am Ort des Gewässers unterschiedliche klimatische Verhältnisse vorliegen, vorzugsweise unterschiedliche Einstrahlungsverhältnisse.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entfernung von mindestens 40 km überbrückt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entfernung von mindestens 100 km überbrückt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleistung von mehr als 1 Gigawatt abgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Meer für die Kühlung verwendet wird und Meerwasser in einem Rohrleitungspaar über weite Strecken als Kühlwasser umläuft.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fluss oder ein See in einer anderen Klimazone für die Kühlung verwendet wird.
Verfahren zur Wärmeversorgung, bei dem Wärme mittels Geothermie gewonnen wird und ein Wärmeträgermedium, vorzugsweise Wasser, aufheizt, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium über weiträumige Entfernungen zu Wärmeabnehmern geführt werden, wobei durch eine genügend große thermische Leistung trotz der großen Entfernung ein vertretbares Verhältnis zwischen dem Aufwand und den Nutzen hergestellt wird.
Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeträgermedium über eine im Meer bzw. am Meeresgrunds verlegte Pipeline transportiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die im Meer verlegte Rohrleitung unter Berücksichtigung der Wärmedämmung, des Wärmeträgermedium und evtl. Auftriebskörper schwimmfähig ausgestaltet wird, und mittels Seilen am Meeresgrund befestigt wird, womit eine Bewegung der Rohrleitung ermöglicht wird, mit der sie insbesondere auf Längenänderungen in Folge von Temperaturänderungen reagieren kann.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Entfernung von mindestens 500 km überbrückt wird.