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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Stromes, die wenigstens einen Druckbehälter zum Speichern eines unter einem Gasüberdruck stehenden Gases und wenigstens eine Turbine zum Antreiben eines Generators aufweist.
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Derartige Vorrichtungen sind als Teile von Speicherkraftwerken, insbesondere von Druckluftspeicherkraftwerken, aus dem Stand der Technik bekannt.
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Insbesondere bei der Stromerzeugung durch regenerative Energien, beispielsweise durch Wind- oder Sonnenenergie, stellt sich das Problem, dass die Menge des erzeugten Stromes nicht auf den Strombedarf zu bestimmten Zeiten angepasst werden kann. Der Strom kann beispielsweise bei der Nutzung von Sonnenenergie über Photovoltaikanlagen nur tagsüber erzeugt werden. Bei der Nutzung der Windkraft über Windkraftanlagen kann Strom nur erzeugt werden, wenn ein ausreichender Wind weht. Es stellt sich folglich das Problem, wie der zu diesen Zeiten erzeugte Strom, der ggf. nicht oder noch nicht benötigt wird, zwischengespeichert werden kann.
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Dies geschieht beispielsweise in sogenannten Pumpspeicherkraftwerken, in denen mit dem erzeugten elektrischen Strom Wasser in ein hoch gelegenes Reservoir, beispielsweise einen Bergsee oder Stausee, gepumpt wird. Wird zu einem späteren Zeitpunkt Strom benötigt, kann das Wasser über Fallrohre Turbinen und Generatoren antreiben, sodass wieder elektrischer Strom erzeugt werden kann. Nachteilig ist, dass derartige Pumpspeicherkraftwerke einen großen Wasserspeicher benötigen, der deutlich höher als der Generator angeordnet sein muss. Dies ist nicht in allen Gegenden möglich.
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Eine insbesondere auch im Flachland mögliche Form der Energiespeicherung stellen die sogenannten Druckluftspeicherkraftwerke dar. Dabei wird mit überschüssigem Strom Luft in einen Druckbehälter gepumpt, in dem dadurch der Druck erhöht wird. Wird zu einem späteren Zeitpunkt elektrischer Strom benötigt, wird die Luft aus dem Behälter abgelassen und auf eine Turbine geleitet, die den Generator antreibt. Nachteilig ist dabei jedoch, dass bei der Kompression der Luft in dem Druckbehälter diese Luft stark erwärmt wird. Hierbei können durchaus mehrere hundert Grad Celsius an Lufttemperatur erreicht werden. Die bei der Kompression der Luft auftretende Wärme muss abgeführt werden und wird oftmals ungenutzt an die Umwelt abgegeben. Wird nun zu einem späteren Zeitpunkt die Luft wieder entspannt, der Druck im Innern des Druckbehälters folglich gesenkt, kommt es zu einer deutlichen Abkühlung der Luft gegebenenfalls bis weit unter den Gefrierpunkt. Dadurch kann es zu einer Vereisung des gesamten Systems kommen, so dass die Stromerzeugung nicht mehr einwandfrei funktioniert.
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Herkömmlicherweise wird daher beim Expandieren des unter Druck stehenden Gases beispielsweise Erdgas zugesetzt und verbrannt, so dass die ansonsten starke Abkühlung verhindert und die benötigte Wärmemenge zugeführt wird. Alternativ kann natürlich auch durch andere Verfahren extern Wärme hinzugeführt werden. Dies senkt jedoch den Wirkungsgrad derartiger Druckluftspeicherkraftwerke stark ab und führt zudem gegebenenfalls zu einer weiteren Verwendung fossiler Brennstoffe.
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Unter dem Produktnamen „Adele” wird daher zur Zeit ein Druckluftspeicherkraftwerk entwickelt, bei dem die bei der Kompression der Luft entstehende Wärme in separaten dafür vorgesehenen Wärmespeichern gespeichert wird, um sie beim späteren Expandieren der Druckluft wieder zu verwenden. Dazu müssen die Wärmespeicher jedoch große Wärmemengen beispielsweise bei über 600°C über wenigstens mehrere Stunden speichern können, was einen immensen apparativen Aufwand erfordert.
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Aus der
US 8,539,763 B2 ist es bekannt, aus der zu komprimierenden Luft und einer Flüssigkeit, in der unterschiedliche Additive enthalten sind, einen Schaum zu bilden, der anschließend komprimiert oder entspannt werden kann. Dadurch wird ein sehr guter thermischer Kontakt zwischen dem zu komprimierenden Gas und der umgebenen Flüssigkeit erreicht.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Stromes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiter zu entwickeln, dass sie einfach, zuverlässig und ohne großen apparativen Aufwand betreibbar ist.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch eine gattungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Stromes gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die sich dadurch auszeichnet, dass die Vorrichtung wenigstens ein Mischelement mit wenigstens einer Mischkammer, wenigstens einer Gaszuleitung zum Einleiten von Gas aus dem Druckbehälter in die Mischkammer, wenigstens einer Flüssigkeitszuleitung zum Einleiten einer Flüssigkeit in die Mischkammer und wenigstens einer Austrittsöffnung aufweist, wobei das Mischelement derart ausgebildet ist, dass die Flüssigkeit durch das Gas in der Mischkammer derart beschleunigt wird, dass sie durch die Austrittsöffnung auf die Turbine trifft.
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Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung werden mehrere Vorteile erreicht. Dadurch, dass das Gas beim Expandieren aus dem Druckbehälter mit der Flüssigkeit in Kontakt kommt, die eine gewisse Temperatur aufweist, kann die beim Expandieren des Gases zur Vermeidung einer Vereisung nötige Wärmemenge der Flüssigkeit entnommen werden. Wird als Gas beispielsweise Luft und als Flüssigkeit beispielsweise Wasser verwendet, führt dies durch die höhere Wärmekapazität des Wassers gegenüber der Luft dazu, dass sich die Temperatur des Wassers deutlich langsamer vermindert als dies bei der Luft der Fall wäre. Zudem wird im laufenden Betrieb der Vorrichtung permanent frische Flüssigkeit in die Mischkammer eingebracht, der die Wärme beim Expandieren des Gases entzogen wird, wodurch eine Vereisung insbesondere der Turbine vermieden wird. Hinzu kommt, dass durch die Austrittsöffnung der Mischkammer ein Gemisch aus dem Gas und der Flüssigkeit, vorteilhafterweise also ein Gemisch aus Luft und Wasser, austritt, das auf die Turbine trifft. Dadurch können die für den Antrieb durch Flüssigkeit ausgelegten hocheffizienten Turbinen verwendet werden, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter erhöht wird. Das Gas expandiert folglich beim Verlassen des Druckbehälters und kühlt dabei ab. Da es jedoch in thermischen Kontakt mit der Flüssigkeit kommt, die eine gegenüber dem abgekühlten beziehungsweise abkühlenden Gas erhöhte Temperatur aufweist, entzieht das abgekühlte Gas der Flüssigkeit Wärme. Dadurch wird eine Vereisung der beteiligten Bauteile sicher vermieden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird dabei das Gesamtsystem mit Flüssigkeitsreservoir und allen beteiligten Bauteilen nahezu adiabatisch betrieben.
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An die Vorrichtung kann ein Kompressor angeschlossen sein oder werden, durch den die Luft in den Druckbehälter eingeführt bzw. in diesem verdichtet wird. Dabei kann der Gasüberdruck beispielsweise 46 bar bis 72 bar, insbesondere 60 bar, betragen. Prinzipiell ist der maximal verwendbare Gasüberdruck durch die mechanische Stabilität des Druckbehälters begrenzt. Werden beispielsweise als Druckbehälter Stahlrohre benutzt, wie sie auch bei Hochdruckleitungen oder Hochdruckgasleitungen verwendet werden, können Gasüberdrücke von 200 bar und mehr erreicht werden. Dabei kommt es zu einer starken Erhöhung der Temperatur des Gases. Die dabei entstehende Wärme wird vorteilhafterweise abgeführt und steht gegebenenfalls für andere Anwendungen zur Verfügung. Dies kann beispielsweise mit aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannten Wärmetauschern geschehen.
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Wird das Gas aus dem Druckbehälter dem Mischelement zugeführt, kann es sinnvoll sein, den Gasüberdruck auf einen jeweiligen Betriebsdruck, der beispielsweise 10 bar betragen kann, zu reduzieren. Dies kann beispielsweise über aus dem Stand der Technik ebenfalls prinzipiell bekannte Reduktionsventile geschehen.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung verfügt die Flüssigkeitszuleitung über ein Leitelement, das in die Mischkammer hineinragt. Dabei hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn das Leitelement ein in die Mischkammer hineinragendes Umlenkelement, insbesondere ein Umlenkblech, ist. Dies kann beispielsweise gewölbt oder schräg ausgebildet sein, wobei eine Wölbung beispielsweise mit der konvexen Seite der Gaszuleitung zugewandt ist.
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Das Umlenkelement kann zudem weitere strömungsleitende Elemente aufweisen, die beispielsweise an der der Gaszuleitung zugewandten Seite des Umlenkelementes angeordnet sind. Durch diese Elemente wird der Strömungswiderstand, den das Umlenkelement dem durch die Gaszuleitung einströmenden Gas entgegenstellt, verringert. Dadurch kann mehr Energie aus dem Gas verwendet werden, um die Flüssigkeit entsprechend zu beschleunigen.
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Vorteilhafterweise ist die wenigstens eine Mischkammer zylinderförmig ausgebildet und die wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung in einer Mantelfläche der Mischkammer angeordnet. An einer der beiden Stirnseiten der Mischkammer befindet sich in diesem Fall die Austrittsöffnung, während bevorzugt am gegenüberliegenden Stirnende, gegebenenfalls aber auch in der Mantelfläche des Zylinders, die Gaszuleitung angeordnet ist.
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Vorteilhafterweise ist die wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung Strömungsrichtung hinter der wenigstens einen Gaszuleitung angeordnet. Möglich ist auch, die Gaszuleitung und die wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung in Strömungsrichtung auf der gleichen Höhe anzuordnen, so dass das Gas aus der wenigstens einen Gaszuleitung und die Flüssigkeit aus der wenigstens einen Flüssigkeitszuleitung gleich lange Strecken innerhalb der Mischkammer zurücklegen.
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Unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Mischkammer ist die Austrittsöffnung vorzugsweise eine Düse. Dies bedeutet, dass die Austrittsöffnung einen kleineren Querschnitt als die Mischkammer aufweist, so dass das in der Mischkammer erzeugte Gemisch aus Gas und Flüssigkeit, bevorzugt aus Luft und Wasser, beim Austreten durch die Austrittsöffnung nochmals beschleunigt wird, bevor es auf die dahinter angeordnete Turbine trifft, durch die ein angeschlossener Generator angetrieben werden kann. Durch ihn wird letztendlich der elektrische Strom erzeugt.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung ist die wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden. Das Flüssigkeitsreservoir steht dabei vorzugsweise unter einem Flüssigkeitsüberdruck. Der Flüssigkeitsüberdruck ist dabei größer als der umgebende Atmosphärendruck. Durch die Verwendung eines derartigen Flüssigkeitsreservoirs ist es zudem möglich, die Flüssigkeit in einem Kreislauf zu verwenden. Nachdem das Gemisch aus Gas und Flüssigkeit auf die Turbine getroffen ist, wird die Flüssigkeit, beispielsweise Wasser, dem Reservoir wieder zugeführt. Das Reservoir kann dabei ein Tank oder eine Kaverne aber auch ein See, Stausee, Fluss oder ein Meer sein. Da anders als bei Pumpspeicherkraftwerken der Wasserdruck nicht die für die Stromerzeugung entscheidende Größe ist, ist es auf diese Weise auch möglich, nur kleine Flüssigkeitsüberdrücke gewinnbringend zu verwenden. Insbesondere für den Fall eines sehr großen Reservoirs, beispielsweise in Form eines natürlichen oder künstlich angelegten Stausees, führt die bei der Expansion des Gases dem Wasser entnommene Wärmemenge nicht zu einer nennenswerten Abkühlung des Reservoirs.
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Bevorzugt wird die bei der Kompression des Gases frei werdende Wärme dem Flüssigkeitsreservoir zugeführt. Insbesondere für den Fall eines besonders großen Reservoirs führt auch dies nicht zu einer nennenswerten Änderung der Temperatur der Flüssigkeit. Insgesamt kann in diesem Fall folglich sowohl die Kompression als auch die Expansion des Gases nahezu isotherm erfolgen. Das Gesamtsystem mit Flüssigkeitsreservoir und allen beteiligten Bauelementen stellt sich bevorzugt als zumindest nahezu adiabatisch, im Optimalfall als vollständig adiabatisch dar. Dies gilt vorzugsweise unabhängig davon, was mit der beim Komprimieren des Gases entstehenden Wärme geschieht. Diese kann als Abwärme ungenutzt verpuffen oder beispielsweise gespeichert und anschließend beim Expandieren des Gases wieder verwendet werden. Als Speicher bietet sich dabei insbesondere ein großes Flüssigkeitsreservoir an.
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Eine Speicherung extrem großer Wärmemengen bei sehr hohen Temperaturen ist daher nicht nötig. Es entfallen daher auch die Bauteile, die thermisch hoch belastet teilweise extremen Drücken standhalten müssen. Die Konstruktion einer derartigen Vorrichtung wird daher gegenüber einer Vorrichtung aus dem Stand der Technik deutlich vereinfacht und die Herstellungskosten reduziert.
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Vorzugsweise ist der Flüssigkeitsüberdruck kleiner als der Gasüberdruck. Je höher der Gasüberdruck ausgebildet ist, desto größer ist die Gasmenge, die einem gegebenen Volumen gespeichert werden kann. Dadurch werden hohe Speicherdichten und hohe Energiedichten erreicht.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung verfügt die Vorrichtung über eine Einstelleinrichtung, durch die ein Mischungsverhältnis zwischen Gas und Flüssigkeit in der Mischkammer, vorzugsweise auch während eines Betriebs der Vorrichtung, einstellbar ist. Dies geschieht beispielsweise über Reduktionsventile und/oder eine Pumpe, durch die die Menge der einströmenden Flüssigkeit, die durch die wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung in die Misch-Flüssigkeit, die durch die wenigstens eine Flüssigkeitszuleitung in die Mischkammer eingebracht wird, eingestellt werden kann. Je nach vorhandenem Gasüberdruck oder eingestellten Betriebsdruck des durch die wenigstens eine Gaszuleitung eingeleiteten Gases sind unterschiedliche Flüssigkeitsmengen optimal. Durch die Einstelleinrichtung kann das optimale Verhältnis zwischen Gas und Flüssigkeit in der Mischkammer für jeden der eingestellten Drücke erreicht werden, wodurch der Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter angehoben wird.
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Vorteilhafterweise handelt es sich bei der Turbine um eine Pelton-Turbine. Diese Turbine weist insbesondere bei der Verwendung einer Flüssigkeit als Antriebsmedium eine besonders hohe Effizienz auf. Natürlich ist auch die Verwendung anderer Turbinen, beispielsweise einer Francis-Turbine möglich.
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Um die beschleunigte Masse des Gemisches aus Gas und Flüssigkeit, das aus der Austrittsöffnung der Mischkammer tritt, möglichst optimal nutzen zu können, ist die Turbine vorteilhafterweise von einem Gehäuse umgeben. Dieses befindet sich bevorzugt möglichst nah an den Flügeln der jeweiligen Turbine, um den Anteil des Gas-Flüssigkeit-Gemisches, der nicht auf die Turbinenflügel trifft, möglichst zu reduzieren. Zu diesem Zweck kann es auch sinnvoll sein, an der Austrittsöffnung Strahlformungselemente anzuordnen oder der Austrittsöffnung selbst eine strahlformende Form zu geben.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe zudem durch ein Mischelement für eine hier beschriebene Vorrichtung.
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Mit einem hier beschriebenen Mischelement, das beispielsweise als Strahldüse ausgebildet werden kann, kann ein Wirkungsgrad von 95% erreicht werden. Dies bedeutet, dass 95% der zunächst im Gas enthaltenen kinetischen Energie in der Mischkammer auf die Flüssigkeit übertragen werden können.
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Vorrichtung kann folglich ein Druckluftspeicherkraftwerk erreichtet werden, das isotherm oder zumindest nahezu isotherm und/oder adiabat betrieben werden kann, ohne dass beispielsweise durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe zusätzlich Energie zugeführt werden müsste. Die Konstruktion ist dabei denkbar einfach und weist insbesondere gegenüber der momentanen getesteten Vorrichtung „Adele” eine Vielzahl konstruktiver Vorteile auf, insbesondere müssen keine thermisch hochbelasteten Komponenten entwickelt und verbaut werden und auch die für Adele speziell entwickelten Wärmetauscher werden nicht benötigt. Die für die hier beschriebene Vorrichtung verwendeten Bauteile sind per se aus dem Stand der Technik nahezu alle bekannt und zur Serienreife und höchster Effizienz entwickelt. Ein weiterer Vorteil der hier beschriebenen Vorrichtung besteht darin, dass der wenigstens eine Druckbehälter, in dem das Gas gespeichert wird, in nahezu jeder beliebigen Größe herstellbar und verwendbar ist. Neben Hochdrucktanks, die speziell für diese Anwendung hergestellt werden, können auch natürliche Kavernen, beispielsweise in Felsen oder Salzstöcken oder unterseeische Wasserblasen verwendet werden. Daher sind die Druckbehälter nahezu beliebig skalierbar und auch die durch die Vorrichtung erzeugbare Strommenge bzw. elektrische Leistung kann an die jeweiligen Bedürfnisse angepasst werden. Insbesondere bei unterseeischen oder andernorts Unterwasser angeordneten Druckbehältern, bei denen der aufgebrachte Druck von der oberhalb des Behälters befindlichen Wassersäule aufgebracht wird, bietet sich der Vorteil, dass dieser Druck unabhängig vom Füllstand des Druckbehälters, in dem das Gas komprimiert wird, nahezu oder vorteilhafterweise sogar vollständig konstant bleibt. Während bei starren Überdruckbehältern, beispielsweise Kavernen oder Behältern, der Druck innerhalb des Behälters beim Komprimieren des Gases zunimmt und beim Expandieren des Gases abnimmt, kann bei Druckbehältern, bei denen der Druck durch eine oberhalb des Behälters angeordnete Wassersäule aufgebracht wird, unabhängig von der eingefüllten Gasmenge das Gas immer unter dem gleich hohen Druck verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Vorrichtung eingerichtet, in einem gepulsten Betrieb betrieben zu werden. Die Vorrichtung verfügt dazu insbesondere über eine Verschlusseinrichtung zum Verschließen der Austrittsöffnung, sowie ein Gaszuleitungsventil und ein Flüssigkeitszuleitungsventil. Im gepulsten Betrieb wird nun zunächst die Austrittsöffnung der Mischkammer durch die Verschlusseinrichtung geschlossen. Das Flüssigkeitszuleitungsventil ist geöffnet, während das Gaszuleitungsventil geschlossen ist. In diesem Zustand wird folglich Flüssigkeit in die Mischkammer eingeleitet, während Gas nicht eindringen kann. Sobald die Mischkammer bis zu einem vorbestimmten Grad gefüllt ist, beispielsweise bis zur Hälfte, zu dreiviertel oder vollständig wird das Flüssigkeitszuleitungsventil geschlossen, um zu verhindern, dass Flüssigkeit durch die Flüssigkeitszuleitung aus der Mischkammer gedrückt werden kann. Anschließend werden Gaszuleitungsventil und Verschlusseinrichtung für die Austrittsöffnung geöffnet, sodass die sich in der Mischkammer befindende Flüssigkeit durch das aus der Gaszuleitung austretende und expandierende Gas aus der Mischkammer gedrückt wird, die es durch die Austrittsöffnung verlässt. Dabei können beispielsweise die Verschlusseinrichtung für die Austrittsöffnung und das Gaszuleitungsventil gleichzeitig geöffnet werden. Alternativ ist es auch möglich, zunächst das Gaszuleitungsventil zu öffnen und erst eine vorbestimmte Zeitspanne später die Verschlusseinrichtung für die Austrittsöffnung zu öffnen.
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Nach einer vorbestimmten Zeitspanne, innerhalb derer ein festgelegter Anteil der sich in der Mischkammer befindenden Flüssigkeit die Mischkammer verlassen hat, wird das Gaszuleitungsventil und die Verschlusseinrichtung für die Austrittsöffnung geschlossen. Auch dies kann gleichzeitig oder nacheinander geschehen, wobei vorteilhafterweise zunächst das Gaszuleitungsventil und anschließend die Verschlusseinrichtung geschlossen wird. Nun wird das Flüssigkeitszuleitungsventil geöffnet und erneut Flüssigkeit in die Mischkammer eingeleitet. Dieses Verfahren kann zyklisch betrieben werden, sodass die Vorrichtung in einem gepulsten Betrieb betreibbar ist.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Vorrichtung verfügt die Vorrichtung über eine elektrische Steuerung, die eingerichtet ist zum Durchführen eines derartigen Verfahrens. Sie ist dabei Vorteilhafterweise eingerichtet, ein Gaszuleitungsventil, ein Flüssigkeitszuleitungsventil und/oder eine Verschlusseinrichtung für die Austrittsöffnung der Mischkammer zu steuern und durch Steuersignale zu öffnen und/oder zu schließen.
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Mit Hilfe einer Zeichnung wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigt
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1 – die schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit darin angeordneten Generator und
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2 – eine schematische Schnittdarstellung durch ein Mischelement.
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1 zeigt die schematische Darstellung einer Vorrichtung 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, an der ein Generator 2 angeordnet ist. In einem Druckbehälter 4 befindet sich ein Gas, insbesondere Luft, bei einem Gasüberdruck. Der Druckbehälter 4 ist über eine Druckleitung 6 mit einem Kompressor 8 verbunden. Überschüssiger Strom, der beispielsweise durch regenerative Energiequellen erzeugt, momentan jedoch nicht benötigt wird, kann zum Antreiben des Kompressors 8 verwendet werden, so dass Luft durch die Druckleitung 6 in den Druckbehälter 4 gepresst wird. Dadurch steigt der Gasüberdruck innerhalb des Druckbehälters 4 an.
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Die Vorrichtung 1 verfügt zudem über ein Mischelement 10 mit einer Mischkammer 12, einer Gaszuleitung 14 und einer Flüssigkeitszuleitung 16. Über die Gaszuleitung 14 kann Gas aus dem Druckbehälter 4 in die Mischkammer 12 eingeleitet werden. Dazu können Ventile oder eine andere Einstelleinrichtung vorhanden sein, um die Menge des einströmenden Gases einstellen zu können. Über die Flüssigkeitszuleitung 16 die mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden ist, kann Flüssigkeit in die Mischkammer 12 eingeleitet werden. Das Mischelement 10 verfügt zudem über eine Austrittsöffnung 20 durch die ein Gemisch aus Wasser und Luft bzw. Flüssigkeit und Gas aus der Mischkammer 12 austreten kann. Es trifft dann auf eine Turbine 22, die dadurch in Rotation versetzt wird und den Generator 2 antreibt. Die Flüssigkeit, die auf die Turbine 22 getroffen ist, wird über eine Rückführleitung 24 wieder dem Flüssigkeitsreservoir 18, das beispielsweise ein See oder Fluss sein kann, zugeführt.
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Bevorzugt wird die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir 18 über die Flüssigkeitszuleitung 16 unter einem Flüssigkeitsüberdruck stehend in die Mischkammer 12 eingeleitet. Dazu kann der Kompressor 8 über eine zweite Druckleitung 26, über die er mit dem Flüssigkeitsreservoir 18 verbunden ist, den benötigten Flüssigkeitsüberdruck aufbringen.
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Beim Komprimieren des Gases im Kompressor 8 wird das Gas erwärmt. Die freiwerdende Wärmemenge ist insbesondere vom Gasüberdruck abhängig und kann zu Temperaturen von mehreren Hundert Grad Celsius innerhalb des Druckbehälters 4 führen, wenn die Wärme nicht abgeführt wird. Daher ist in den 1 gezeigten Ausführungsbeispiel eine gestrichelt dargestellte Wärmeabführleitung 32 vorhanden, die den Kompressor 8 mit dem Flüssigkeitsreservoir 18 verbindet. In einer konstruktiv besonders einfachen Ausgestaltung wird Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir 18 zum Kompressor 8 geleitet und nimmt dort die durch die Kompression des Gases entstehende und frei werdende Wärme auf. Durch die Wärmeabführleitung 32 wird die so erwärmte Flüssigkeit dem Flüssigkeitsreservoir wieder zugeführt. Die dadurch hervorgerufene Erwärmung der Flüssigkeit im Flüssigkeitsreservoir 18 ist neben der verwendeten Flüssigkeit natürlich auch von der Größe des Flüssigkeitsreservoirs 18 und gegebenenfalls der thermischen Isolierung des Flüssigkeitsreservoirs 18 abhängig. Wird als Flüssigkeitsreservoir 18 beispielsweise eine thermisch gedämmte und isolierte Kaverne oder ein Druckbehälter verwendet, kann die aus dem Kompressor 8 über die Wärmeabführleitung 32 abgeführte Wärme in dem Flüssigkeitsreservoir 18 gespeichert werden.
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Beim Expandieren des Gases, das im Druckbehälter 4 gespeichert wird, kommt es zu einer Abkühlung der Umgebung, da das Gas beim Expandieren Wärme aufnimmt. Diese wird über die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir 18, die über die Flüssigkeitszuleitung 16 in die Mischkammer 12 eingeleitet wird, bereit gestellt. Je besser die thermische Isolierung des Flüssigkeitsreservoirs 18 ist, desto weniger der ursprünglich über die Flüssigkeit Abführleitung 32 dem Flüssigkeitsreservoir 18 zugeführte Wärme ist verloren gegangen und muss nun auf anderem Wege ersetzt werden.
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Wird das Flüssigkeitsreservoir 18 groß genug gewählt und beispielsweise als künstlicher Stausee oder natürlicher See ausgebildet, führt die aus dem Kompressor 8 über die Wärmeabführleitung 32 abgeführte Wärme nicht zu einer nennenswerten Temperaturerhöhung der Flüssigkeit im Flüssigkeitsreservoir 18, sodass der gesamte Prozess des Komprimierens, Speicherns und Expandierens des Gases isotherm oder zumindest nahezu isotherm ablaufen kann. Dadurch werden de verwendeten Bauteile thermisch kaum belastet, wodurch sie einfacher und kostengünstiger herstellbar sind.
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2 zeigt die schematische Schnittdarstellung durch das Mischelement 10 aus 1. Man erkennt die Mischkammer 12, die Gaszuleitung 14 sowie die Flüssigkeitszuleitung 16. Am in 2 rechten Ende der Mischkammer 12 befindet sich die Austrittsöffnung 20, die hier als Düse 28 ausgebildet ist. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die Durchströmrichtung der Mischkammer 12, die in 2 von links nach rechts verläuft, und die Strömungsrichtung innerhalb der Flüssigkeitszuleitung 16 unter einem rechten Winkel zueinander. Daher ist es vorteilhaft, wenn wie in 2 gezeigt ein Umlenkelement 30 in die Mischkammer 12 hineinragt. Flüssigkeit, insbesondere Wasser, die durch die Flüssigkeitszuleitung 16 in 2 von unten nach oben in die Mischkammer 12 einströmt, wird durch das Umlenkelement 30 zumindest teilweise umgelenkt, so dass die Strömungsrichtung zumindest eine Komponente enthält, die in Richtung auf die Austrittsöffnung 20 gerichtet ist. Je nach Größe und Ausgestaltung des Umlenkelementes 30 und des Flüssigkeitsüberdruckes, mit dem die Flüssigkeit durch die Flüssigkeitszuleitung 16 in die Mischkammer 12 einströmt, ist diese Komponente mehr oder weniger groß. In der Gaszuleitung 14 und/oder der Flüssigkeitszuleitung 16 können Ventile vorhanden sein, durch die die jeweilige Menge des eingeströmten Mediums reduziert oder erhöht werden kann, so dass das optimale Mischungsverhältnis zwischen Gas und Flüssigkeit im Inneren der Mischkammer 12 eingestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Generator
- 4
- Druckbehälter
- 6
- Druckleitung
- 8
- Kompressor
- 10
- Mischelement
- 12
- Mischkammer
- 14
- Gaszuleitung
- 16
- Flüssigkeitszuleitung
- 18
- Flüssigkeitsreservoir
- 20
- Austrittsöffnung
- 22
- Turbine
- 24
- Rückführleitung
- 26
- Zweite Druckleitung
- 28
- Düse
- 30
- Umlenkelement
- 32
- Wärmeabführleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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