DE102011014108A1

DE102011014108A1 - Verfahren zur Gewinnung von elektrischer Energie aus Meereswärme

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Publication number: DE102011014108A1
Application number: DE102011014108A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Das vorgeschlagene Verfahren für die Nutzung von Niedrigtemperaturenergie für die Gewinnung von elektrischer Energie, zeigt am Beispiel von Meerwasser mit warmen Oberflächenwasser und kalten Tiefenwasser in bestimmten Meeresgebieten verschiedene Varianten und Verbesserungsvorschläge für die wärmetechnische, mechanische und elektrische Ausführung von schwimmenden Kraftwerken in Meeresregionen mit warmen Oberflächenwasser (ca. 20 bis 35°C) und kalten Tiefseewasser (ca. 4 bis 15°C).

Description

Allgemein
Der Anteil von elektrischer Energie aus regenerativen Quellen muss weltweit wesentlich vergrößert werden. Die Nutzung fossiler Brennstoffe für den Energiebedarf muss dagegen drastisch reduziert werden. Die Umwandlung von Meereswärme in elektrische Energie kann hierzu einen wichtigen Beitrag leisten.
Die Erwärmung der Erdatmosphäre durch die Emission von Treibhausgasen, insbesondere von CO₂ hat u. a. zur Folge, dass sich in vielen Gebieten der Erde, insbesondere auch in Meeresgebieten die Jahresdurchschnittstemperaturen erhöht haben. Auch in den tropischen Meeren hat sich die Temperatur der oberen Schichten erhöht. Dies hat u. a. zur Folge, dass sich verstärkt heftige Unwetter bilden (Wirbelstürme, Tornados, Taifune). Diese Unwetter haben eine enorme Zerstörungskraft und können Schäden in Milliarden von € anrichten.
Im nachfolgenden Vorschlag werden Teilmengen dieser erwärmten Wassermassen zur Gewinnung von elektrischer Energie verwendet und damit sollte u. a. eine gewisse Abkühlung der Wassermassen erreicht werden und als Nebeneffekt, die Risiken durch die extremen Unwetter verringert werden. Das Verfahren beschränkt sich dabei nicht nur auf das Beispiel der Meereswärme, sondern gilt auch für große und tiefe Binnenseen.
Grundsätzliches zum Verfahren
Das Verfahren sieht vor, durch abwechselndes Erwärmen und Abkühlen von Wärmetauschern, die mit CO₂ (und/oder N₂O) gefüllt sind, in speziellen Zylindern einen Wasserkreislauf mit unterschiedlichen Drücken (Hochdruck, Mitteldruck) aufzubauen. Der Wasserkreislauf dient der Erzeugung von elektrischer Energie aus Niedrigtemperaturwärme (< 50°C). Der Druckabbau vom Hochdruckwasser zum Mitteldruckwasser erfolgt mittels einer Wasserturbine, welche wiederum einen elektrischen Generator antreibt. Der Druckaufbau in dem Wasserkreislauf erfolgt mittels einer Druckaufbaueinrichtung, welche aus mindestens zwei Druckaufbaustationen besteht und CO₂ als Arbeitsmedium benutzt (alternativ ist auch z. B. N₂O möglich bzw. eine kombinierte Technik mit Einsatz von CO₂ und N₂O als Druckaufbaueinrichtungen). Sowohl CO₂ als auch N₂O sind bei Normaldruck und 20°C Gase, welche bei einer Anreicherung in der Atmosphäre mit verantwortlich für die weltweiten Klima Veränderungen sind (sog. Treibhausgase). Dieses muss bei der technischen Realisierung der Anlagen berücksichtigt werden. Die Anlagen sind daher sowohl in der Entwicklungs-/Planungs-/Bauphase als auch im nachfolgenden Betrieb auf mögliche Leckagen von CO₂ bzw. N₂O sorgfältig zu schützen bzw. zu überwachen.
Stand der Technik:
Die grundsätzliche Möglichkeit der Stromerzeugung durch Ausnutzung des Differenzpotentials der Temperaturen von Meeresoberflächenwasser (d. h. Meerwasser bis zu einer Tiefe von ca. 10 bis 20 m) mit relativ hoher Temperatur (z. B. 25 bis 30°C) und Tiefenwasser mit relativ niedriger Temperatur (z. B. 4–5°C in ca. 800 bis 1000 m Tiefe in tropischen Meeresgebieten) ist bekannt. Erste Versuchsanlagen wurden bereits getestet. Diese Anlagen scheiterten bis heute u. a. an dem relativ hohen Energiebedarf und dem technischen Aufwand für den Transport des kalten Tiefseewassers aus 800 m Tiefe (mittels wärmeisolierten Rohren und Pumpen) an die Oberfläche der Meere.
CO₂ als Arbeitsmedium hat bei einer konventionellen Technik (im Prinzip eine Dampfturbine mit CO₂ Gas als Dampf) einen relativ schlechten Wirkungsgrad, verursacht durch eine erforderliche hohe Pumpenleistung für die Rückführung des Kondensats in den Verdampfer (im normalen Dampfkraftwerk entspricht dies der Speisewasserpumpe).
Aufgabenstellung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren mit CO₂ oder/und N₂O zu entwickeln, welches die o. g. Nachteile vermeidet und damit einen besseren Gesamtwirkungsgrad aufweist. Mit der vorgeschlagenen Technik werden die Funktionen Verdampfen und Kondensieren in den gleichen Wärmetauschern realisiert. Die Arbeitszylinder arbeiten mit CO₂ oder/und mit N₂O als Arbeitsmedien. Die Kraftübertragung von den Zylindern zu der Turbine erfolgt mittels in Rohren geführten Hochdruckwassers. Der Hochdruck im Wasser wird mittels Wärme (Verdampfung von CO₂ bzw. N₂O) in den Druckaufbaustationen (gemäß 4 oder 8) erzeugt. Die Temperatur der Wärme ist hierbei in der Regel < 50°C.
2 Varianten
Der Aufbau der Technik für das Verfahren ist in 2 Varianten möglich. Variante 1 sieht vor, dass die Kältemittel für die Abkühlung des CO₂ bzw. N₂O in den zugehörigen Wärmetauschern auf das höhenmäßige Niveau des Oberflächenwassers transportiert wird. Dort befindet sich dann ein Kältedepot, von dem aus die einzelnen Verbraucher mit der Kälte versorgt werden.
Variante 2 sieht für die Abkühlung der Wärmetauscher eine Absenkung der Druckaufbaustationen mit den Wärmetauschern im Meerwasser vor. Das heißt, die Druckaufbaustationen mit den dazugehörigen Wärmetauschern werden für die Abkühlung tiefenmäßig so platziert, dass neben der Temperaturkurve des Meerwassers auch die Druckerhöhung durch die Absenkung der DAS im Meerwasser berücksichtigt wird.
1 Variante 1:
1.1. Beschreibung einer Kraftstation mit CO₂ als Arbeitsmedium (siehe hierzu Fig. 1 und Fig. 4)
Die Kraftstation besteht aus einem Wasserkreislauf mit unterschiedlichen Drücken und entsprechenden erforderlichen Druckaufbaueinrichtungen und Druckabbaueinrichtungen (letzteres sind Wasserturbinen). Als Druckaufbaueinrichtungen funktionieren z. B. die vier Druckaufbaustationen (10, 11, 12, 13 – gemäß 1) wobei abwechselnd zwei davon gekühlt werden (z. B. 12, 13) und zwei erwärmt werden (z. B. 10, 11). Die erforderliche Kalte wird aus dem Kältedepot (17) entnommen und die Warme aus dem Wärmedepot (1). Fallweise wird noch Zusatzwärme aus einem z. B. mit solarer Wärmeenergie gespeisten Zusatz-Wärmespeicher (3) erforderlich. Diese Zusatzwärme dient z. B. für die Erhöhung der Vorlauftemperatur von z. B. 27°C auf z. B. 35°C. Die Wärme aus dem Wärmedepot (1) sowie der Zusatzwärme (3) bewirken, dass das in den Wärmetauschern (20) der Druckaufbaustationen 10 und 11 befindliche flüssige CO₂ sich erwärmt und schließlich verdampft. Dabei dehnt es sich aus und schiebt mittels eines oder mehreren Trennkolben (22) Hochdruckwasser über die Schieber (31) in die Druckrohre für die Wasserversorgung der Turbine. Die Kälte aus dem Kältedepot (17) wird verwendet um das CO₂ in den Wärmetauschern der Druckaufbaustationen 12 und 13 abzukühlen. Das von der Turbine kommende, und, falls erforderlich, über einen Zusatzwärmetauscher (8) vorgekühlte Wasser drängt das CO₂ Gas mittels der Trennkolben (22) in die Ringzylinder (d. h. in die Wärmetauscher) zurück. Bei diesem Vorgang verflüssigt sich das CO₂ und Mitteldruckwasser strömt in die Innenzylinder. Gleichzeitig gibt das CO₂ Wärme ab (Kondensationswärme).
Beim nächsten Schritt werden die Druckaufbaustationen 12 und 13 erwärmt und 10 und 11 gekühlt. D. h., es findet ein steter Wechsel zwischen Erwärmen und Abkühlen der Wärmetauscher in den Druckaufbaustationen statt.
1.2. Beschreibung einer Kraftstation mit CO2 und N2O Arbeitsmedien (siehe hierzu Fig. 2, Fig. 3 und Fig. 4)
Phase 1: Erwärmung bzw. Verdampfung der CO₂ und N₂O Flüssigkeiten (Arbeitsmedien):
Die Anordnung der Druckaufbaustationen mit CO₂ und N₂O als Arbeitsmedien ist eine Reihenschaltung von je einer N₂O Einheit mit einer CO₂ Einheit. Bedingt durch die Unterschiede bei den Siedepunktkurven bzw. den Taupunktkurven von N₂O und CO₂ ergeben sich Unterschiede in den Temperaturen der beiden Stoffe bei gleichzeitig gleichen Drücken. Das warme Wasser mit z. B. 35°C (aus dem Wärmedepot und der Zusatzwärme) durchfließt zuerst eine N₂O Druckaufbaustation (abgekürzt DAS), kühlt sich dabei um ca. 5°C ab und fließt danach mit einer Eingangstemperatur von 30°C durch eine CO₂ DAS. Dabei kühlt es sich ebenfalls um 5°C auf 25°C ab. An Wärmeenergie gibt das Kühlwasser somit 10 Grad Wassertemperaturdifferenz an die beiden DAS ab. Der dabei in den DAS erzeugte Dampf (CO₂ oder N₂O) ist in der Menge und im Druck nahezu gleich, aber in der Temperatur unterschiedlich. Das um 10°C auf 25°C abgekühlte Wärmemedium Wasser fließt wieder zurück in das Wärmedepot (geschlossener Kreislauf) oder fließt zurück ins Meereswasser (offener Kreislauf). Jede DAS hat dabei einen Außenzylinder aus Blech (25) oder Kunststoff inklusive einer ausreichenden Wärmeisolierung nach außen und nach innen), in welchem das Kühlmedium (kaltes Wasser) bzw. das Aufheizmedium (warmes Wasser) um die Wärmetauscherrohre fließt, gesteuert durch die Absperrschieber 26 bis 29. Alle Schieber haben einen elektrischen Stellantrieb. Der Wasserdruck in dieser Umhüllung ist ca. 1 bis 2 bar. Dieser Druck wird durch Pumpen erzeugt, (Pos. 16) für das Kaltwasser und (Pos 2) für das Warmwasser. In diesem Zwischenraum (zwischen äußeren und inneren Zylinder) befinden sich die Wärmetauscher (vorzugsweise Röhrenwärmetauscher) für die Erwärmung inklusive die Verdampfung des CO₂ oder N₂O bzw. die Abkühlung inklusive die Kondensation des CO₂ oder N₂O.
In der Wasserturbine (Pos. 5) erfolgt der Druckabbau des Wassers mittels geeigneter Wasserturbinen auf ein Druckniveau, mit dem eine Rückeinspeisung in eine bereit stehende, bereits vorgekühlte, zweite Druckaufbaustation möglich ist. Es muss für diese Variante daher für die Wasserturbine eine Gegendruckturbine vorgesehen werden (z. B. eine Francisturbine).
Phase 2: Abkühlung bzw. Kondensation der CO₂ und N₂O Flüssigkeiten:
Das von der Wasserturbine kommende, einströmende, vorgekühlte Wasser (8) in der zweiten DAS drückt auf die Trennkolben in der CO₂ DAS und N₂O DAS. Das Kühlwasser mit z. B. ca. 5–6°C fließt zuerst durch die CO₂ DAS, erwärmt sich dabei um ca. 4°C und fließt danach durch die N₂O DAS. Dabei erwärmt es sich ebenfalls um ca. 4°C und fließt dann zum Kältedepot zurück. Damit kühlt das kalte Wasser die CO₂ und die N₂O DAS ab, bis das CO₂ bzw. das N₂O sich unter dem anstehenden Druck des Wassers von dem Turbinenausgang verflüssigt Durch das Verflüssigen des gasförmigen CO₂ bzw. N₂O entsteht Wärme auf niedrigem Niveau, die wiederum über die Oberfläche der Wärmetauscher an das umgebende Medium wie z. B. kaltes Wasser (aus dem Kältedepot) abgegeben wird.
Es folgt nun wieder die Erwärmung des CO₂ und des N₂O in den Wärmetauschern der DAS mit dem warmen Wasser aus dem Warmwasserdepot gemäß Phase 1.
Beschreibung einer Druckaufbaustation für die Variante 1 (siehe Fig. 4):
4 zeigt einen Längsschnitt und einen Querschnitt von einer Druckaufbaustation. Die Druckaufbaustationen werden senkrecht aufgestellt. Dabei können die einzelnen Stationen übereinander oder nebeneinander aufgestellt werden.
Eine Druckaufbaustation besteht aus mindestens zwei, koaxialen, zylindrischen Behältern (21). Die zwei koaxialen Zylinder bilden hierbei einen Ringzylinder (20). Der Ringzylinder enthält die Rohre der Wärmetauscher gefüllt mit CO₂ bzw. N₂O. Das Volumen der in den Ringzylindern (32) befindlichen Röhren bzw. das Volumen des bzw. der Innenzylinder ergeben sich aus den technischen Daten für CO₂ in flüssiger Form und den technischen Daten in gasförmigen Zustand (bei definierten Temperaturen und Drücken). Die Wärmetauscherröhren in den Ringzylindern enthalten im Betrieb der Anlage immer CO₂ bzw. N₂O welches abwechselnd überwiegend in flüssiger (kalter Zustand) bzw. überwiegend in gasförmiger Form vorliegt (warmer Zustand). Die Röhrenwärmetauscher in den Ringzylindern, inklusive deren Inhalt, werden über das durch den Ringzylinder fließende Meerwasser abwechselnd gekühlt oder erwärmt. In den inneren Zylindern befindet sich abwechselnd CO₂ Gas (oder N₂O Gas) oder/und Wasser, wobei die Trennung zwischen Gas und Wasser über einen Trennkolben (22) mit einer Dichtung (z. B. Dichtringe) erfolgt. Dabei verdampft und kondensiert das CO₂ oder das N₂O entsprechend seinen spezifischen Siedekurven bzw. Taukurven. Die Siede- und die Taukurven von CO₂ und N₂O für den genutzten Temperaturbereich sind quasi parallele Geraden.
Bei entsprechender Wahl der Siedetemperaturen bzw. der Kondensationstemperaturen von CO₂ und N₂O erfolgt die Verdampfung bzw. die Kondensation bei dem gleichen Druck aber unterschiedlichen Temperaturen Beim Verdampfen von CO₂ bzw. N₂O wird mithilfe der Trennkolben (22) und einem Absperrschieber (31) Hochdruckwasser (mit z. B. 60 bar) an die Wasserturbine abgegeben und beim Kondensieren des CO₂ bzw. N₂O wird Mitteldruckwasser (mit z. B. 40 bar) von der Turbine kommend über einen zweiten Absperrschieber (30) in die Innenzylinder der Druckaufbaustationen rückgeführt.
Die Absperrschieber 26 bis 29 dienen zur Zuführung bzw. Ableitung des Warmwassers (27 und 28) bzw. Kaltwassers (26 und 29) für die Erwärmung bzw. Abkühlung der Wärmetauscher.
Die Nutzung von sowohl CO₂ und N₂O in getrennten Zylindern für ein Niedrigtemperaturkraftwerk ist vergleichbar einem Gas/Dampf-Kombikraftwerk und bedeutet quasi eine Verdoppelung der gewonnenen elektrischen Energie aus der Wärmeenergie im Vergleich zum einfachen Kreislauf mit CO₂ und damit auch eine Verdoppelung des Wirkungsgrades bezogen auf die zur Verfügung stehende Wärmeenergie respektive Kühlenergie.
1.3. Beschreibung des Prinzipschema für den Kühlkreislauf gemäß Fig. 5
5 zeigt einen Schnitt durch das Kältedepot (56) sowie zwei Aufzugsbehältern (51) für den Transport von Kalte aus z. B. 800 m Tiefe an die Meeresoberfläche. Der Schnitt zeigt die wesentlichen Komponenten für die Bereitstellung von Kühlleistung für mehrere Druckaufbaustationen. 5 zeigt das Kältedepot (56) und zwei zugehörige, mit z. B. Ameisensäure gefüllte, Aufzugbehälter (51). Jeder Aufzugbehälter hängt an einer Seiltrommel (52) mit jeweils einem Elektromotorantrieb und einer Bremseinrichtung (53). Grundsätzlich ist über eine Kupplung (55) eine gemeinsame Welle für zwei Behälter möglich, wobei die Drehrichtung der Seiltrommeln (Auf- bzw. Abwicklung) wählbar ist. Die zwei Aufzugsbehälter (51) werden dabei im Gegentakt von der Oberfläche abwechselnd bis in ca. 800 m Tiefe abgesenkt, dort wird die Ameisensäure abgekühlt und wechselt von der flüssigen Phase in die feste Phase (bei 8°C) und wird dann wieder mithilfe eines Seiltrommelantriebs (Seilwinde) (52) an die Wasseroberfläche geführt. Dort liefert die feste Ameisensäure die Kalte für das Kältedepot, d. h. die Ameisensäure wird wieder flüssig, nimmt dabei Wärme auf und wird danach wieder auf ca. 800 m Tiefe abgesenkt. Solange die Ameisensäure nicht vollständig geschmolzen ist, bleibt die Temperatur im Kältedepot bei 8°C (analog wie bei Eiswasser).
Die Ameisensäure befindet sich dabei z. B. in flexiblen, robusten, säurebeständigen Kunststoffbehältern mit großer Oberfläche oder Edelstahlröhren welche Teil eines Wärmetauschers sind. Dabei wechselt der Inhalt der Kunststoffbehälter bei Erwärmung von einem festen zu einem flüssigen Zustand und bei Abkühlung erfolgt der umgekehrte Vorgang. Um vom festen Zustand zum flüssigen Zustand zu wechseln muss Energie zugeführt werden. Das ist die Schmelzwärme der Ameisensäure. Umgekehrt wird bei einem Wechsel vom flüssigen zum festen Aggregatszustand Wärme frei. Die Schmelzwärme ist bei der Ameisensäure mit 276 kJ/kg erheblich höher als z. B. die Kältemenge von Kühlwasser für z. B. 6 Grad Temperaturdifferenz (ca. 24 kJ/kg). Die Energiedichte, der aus der Tiefe an die Oberfläche zu transportierenden Kälteenergie ist bei einer Technik mit Ameisensäure ca. 10 mal so groß als bei einer Lösung mit Kühlwasser. Während das Wärmedepot (Pos. 1 in 1) seine Wärmeenergie unmittelbar aus dem umgebenden Oberflächenwasser entnehmen kann, muss die Kälteleistung aus der Meerestiefe von ca. 800 m Tiefe nach oben befördert werden. Dabei werden, die beim Phasenwechsel des speziellen Stoffes (z. B. Ameisensäure) anfallenden bzw. erforderlichen Mengen an Wärme für den einzelnen Vorgang genutzt. In der Tiefe wird der Stoff durch die Umgebungskälte fest (er gibt Wärme ab) und an der Meeresoberfläche wird der Stoff flüssig (er nimmt Wärme auf), ändert dabei aber seine Dichte nur wenig. Der Energiebedarf für die Bereitstellung der Kälte ist wichtig für die Energiebilanz des Verfahrens.
Der Transport der Ameisensäure erfolgt über ein Aufzugsystem mit z. B. 4 × 2 Aufzügen (2 Aufzüge sind oben und geben dort Kälte ab, 2 Aufzüge sind auf dem Weg nach oben, 2 Aufzüge sind auf dem Weg nach unten und 2 Aufzüge sind unten und nehmen dort Kalte auf). Eine übergeordnete Steuerung koordiniert und überwacht die Aufzüge Die mit flüssiger oder fester Ameisensäure gefüllten Aufzüge sind dabei gleich schwer (mit einer Dichte der Ameisensäure von ca. 1.3 kg/dm³). Der Antrieb für 2 gegenläufige Aufzüge dient daher im wesentlichen zur Beschleunigung beim Anlaufen sowie der Überwindung des Strömungswiderstandes der beiden Aufzüge. Die Seile sind aus Kunststoff und haben eine Dichte, die kleiner als Meerwasser ist. Damit müssen sie bei der Energiebilanz nicht berücksichtigt werden.
2. Variante 2:
2.1. Beschreibung einer Kraftstation mit CO₂ als Arbeitsmedium (siehe hierzu Fig. 6 und Fig. 8)
Grundsätzlich ist die Temperaturkurve für die Meereswassertemperatur in tropischen Meeren nicht linear. Die nachfolgenden Angaben zur Temperaturkurve sind beispielhaft für einen Temperaturverlauf in einem tropischen Meer. Die Temperatur sinkt in den ersten ca. 20 m nur sehr wenig (Temperatur des Oberflächenwassers ca. 30°C). Von 20 m bis ca. 100 m sinkt die Temperatur auf ca. 13°C, d. h. die Temperatur des Meerwassers sinkt um ca. 17°C. Ab etwa 100 m Wassertiefe sinkt die Temperatur nur noch sehr langsam auf eine Temperatur von ca. 4–5°C in einer Wassertiefe von 800 bis 1000 m. Das vorgeschlagene Verfahren nutzt das Temperaturgefälle von der Wasseroberfläche bis zu einer bestimmten Meerestiefe (in dem gewählten Beispiel: ca. 100 m.). Grundsätzlich sind in tropischen und insbesondere in nichttropischen Meeren auch andere Temperaturen möglich, wie z. B. eine Oberflächenwassertemperatur von ca. 15°C und 4°C in 50 m (oder 100 m) Tiefe. Auch diese Temperaturverhältnisse sind mit einem modifizierten Verfahren nutzbar.
Als Druckaufbaueinrichtungen funktionieren die Druckaufbaustationen, abgekürzt DAS (60 in 6). Die einzelne Druckaufbaustation besteht aus mindestens einem Zylinder (75), um den kreisförmig Wärmetauscher (74) angebracht sind (z. B. Röhrenwärmetauscher) Die Wärmetauscher enthalten im kalten Zustand flüssiges CO₂, welches durch Erwärmen großteils verdampft (z. B. bei 22°C mit einem Druck von ca. 60 bar). Dabei dehnt sich das CO₂ aus, strömt von oben in den Innenraum der Zylinder und schiebt mittels dem Trennkolben (62) das im Innenraum der Zylinder befindliche Hochdruckwasser über den Wasseranschluss (77) in die Druckrohre für die Wasserversorgung einer Wasserturbine (63). Nach der Entleerung des Druckwassers wird die komplette DAS mittels einer Seilwinde auf ca. 100 m Wassertiefe abgesenkt, dort mit dem kalten Umgebungswasser abgekühlt und mit Mitteldruckwasser von ca. 50 bar (ca. 40 bar aus der Wasserturbine plus 10 bar zusätzlichem Druck durch die 100 m Wassersäule) aus dem Ausgang der Wasserturbine wieder gefüllt. Dabei wird das CO₂ wieder verflüssigt. Danach wird die DAS, nun gefüllt mit Wasser, wieder zur Wasseroberfläche gezogen (mit einer Seilwinde). Gleichzeitig wird eine nur mit CO₂ Gas gefüllte DAS abgesenkt. Das flüssige CO₂ in den Wärmetauschern wird durch das warme Oberflächenwasser wieder verdampft, drückt das Wasser aus den Zylindern in die Hochdruckrohre für die Wasserturbine usw.. Damit schließt sich der Kreislauf. D. h. es findet ein steter Wechsel zwischen Erwärmen und Abkühlen der Druckaufbaustationen statt.
6 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Kraftanlage mit z. B. 2 DAS Stationen (60) auf Höhe des Oberflächenwassers und 2 DAS in ca. 100 m Tiefe. In der oberen Reihe werden die DAS erwärmt, sodass sich das CO₂ in den Wärmetauschern erwärmt und verdampft, sich dabei ausdehnt und das in den Zylindern befindliche Wasser mit einem Druck von z. B. ca. 60 bar in die Druckrohre für die Wasserturbine geführt wird. Aus der Position der Trennkolben in den einzelnen DAS ist ersichtlich wie viel Wasser noch in den jeweiligen DAS vorhanden ist. Wenn das Wasser in einer DAS vollständig verbraucht ist, wird diese DAS mittels entsprechend geeigneten Transporteinrichtungen wieder in eine Tiefe von ca. 100 m abgesenkt. Dort wird die DAS abgekühlt und gleichzeitig drückt das Wasser aus der Wasserturbine kommend auf den bzw. die Trennkolben (62) bis das CO₂ in den Wärmetauschern kondensiert und die Innenzylinder der DAS sich vollständig mit Wasser füllen. Danach wird die DAS wieder nach oben gezogen. Die einzelnen DAS für Variante 2 (oben und unten) befinden sich jeweils in einem Führungsrahmen (nicht gezeigt in 6). In diesem Führungsrahmen befindet sich die mechanische Führung der einzelnen DAS. Die Ankopplung an das Hochdruckwasser für die Wasserturbine bzw. an das Mitteldruckwasser erfordert flexible Leitungen (Hochdruckschläuche) für hohe Drücke. Die Zuführung der Kälte für die DAS in 100 m Tiefe erfolgt über natürliche Konvektion, d. h. das Umgebungswasser kühlt die Wärmetauscher der DAS ab, erwärmt sich dabei und steigt nach oben und kaltes Wasser fließt nach. In der oberen Reihe der DAS ist es genau umgekehrt, d. h. das umgebende Meerwasser kühlt sich durch die Erwärmung der Wärmetauscher ab und sinkt nach unten. Wie bei der Variante 1 ist bei der Variante 2 ebenfalls eine Reihenschaltung von einer CO₂ Lösung mit einer N₂O Lösung möglich.
2.2. Beschreibung einer Kraftstation mit CO₂ und N₂O Arbeitsmedien (siehe hierzu Fig. 7)
Phase 1: Erwärmung bzw. Verdampfung der CO₂ und N₂O Flüssigkeiten (Arbeitsmedien):
Die Anordnung der Druckaufbaustationen mit CO₂ und N₂O als Arbeitsmedien ist eine Reihenschaltung von je einer N₂O DAS (78) mit einer CO₂ DAS (79). Die Unterschiede bei den Siedepunktkurven bzw. den Taupunktkurven von N₂O und CO₂ ergeben die räumliche Anordnung der Doppel DAS. Warmes Wasser durchfließt mit z. B. 30°C (Oberflächenwasser) eine N₂O DAS. Die CO₂ DAS wird mir circa 25°C warmen Wasser erwärmt. Der dabei in den DAS erzeugte Dampf (CO₂ und N₂O) ist in der. Menge und im Druck nahezu gleich, und drückt das Wasser in den gemeinsamen Hochdruckwasserschlauch (77). Das um circa 10°C abgekühlte Wärmemedium Meerwasser sinkt aufgrund tieferer Wassertemperaturen nach unten. Durch die Erwärmung von CO₂ bzw. N₂O verdampfen das CO₂ bzw. N₂O und drücken das Hochdruckwasser aus den DAS über die Druckrohre in die Turbine. Die entleerten DAS werden mittels einer Seilwinde nach unten abgesenkt. Dabei steigt der Umgebungswasserdruck an und die Temperatur des Meerwassers sinkt.
In der Wasserturbine (66) erfolgt der Druckabbau des Wassers auf ein Druckniveau, mit dem eine Rückeinspeisung in eine abgesenkte zweite Doppelstation möglich ist. Es muss für diese Variante daher ebenfalls für die Wasserturbine eine Gegendruckturbine (bzw. Differenzdruckturbine) vorgesehen werden (z. B. eine Francisturbine).
Phase 2: Abkühlung bzw. Kondensation der CO₂ und N₂O Gase:
Durch Absenken der DAS in kälteres Wasser mit gleichzeitig ansteigendem statischem Druck des Wassers erfolgt das Füllen der DAS mit Mitteldruckwasser durch die gleichen Leitungen wie beim Entleeren. Dabei kann aufgrund des höheren Drucks (im gewählten Beispiel ca. 10 bar) auch eine höhere Temperatur für das Kondensieren des CO₂ bzw. N₂O akzeptiert werden. Die durch die Verflüssigung anfallende Wärme wird dabei von dem Umgebungswasser aufgenommen. Nach dem Füllen der Innenzylinder mit Mitteldruckwasser erfolgt der Transport der DAS Stationen zur Oberfläche. Dort erfolgen dann wieder die Erwärmung und der Druckaufbau für das Hochdruckwasser. Damit ist der Wasserkreislauf geschlossen.
2.3. Beschreibung einer Druckaufbaustation DAS für die Variante 2 (siehe Fig. 7 und Fig. 8)
8 zeigt einen Längsschnitt und einen Querschnitt von einer Druckaufbaustation. Die DAS sind ähnlich wie in der Variante 1. Es werden daher nur die Abweichungen erläutert. Für eine Lösung mit CO₂ und N₂O ergeben je zwei DAS eine funktionale Einheit (eine Doppel DAS).
Eine Druckaufbaustation besteht hierbei aus mindestens einem zylindrischen Behälter (60) mit je einem Ring von Wärmetauschern (74) (z. B. Röhrenwärmetauscher) rund um den oder die Zylinder (75). Die Wärmetauscher sind gefüllt mit CO₂ oder N₂O und haben oben einen Ausgang zum Innenraum der Hochdruckzylinder (75). Die Doppelstationen sind z. B. 2 DAS, die mit einem Seil variabler Länge miteinander verbunden sind. Diese Doppel DAS werden immer gemeinsam hochgezogen bzw. abgesenkt. Die Länge des Seils zwischen den zwei DAS kann hierbei bei den Positionen Verdampfen und Kondensieren unterschiedlich sein. Diese Länge ergibt sich aus den physikalischen Daten der beiden DAS (CO₂ und N₂O) sowie den Meerestemperaturen abhängig von der Meerestiefe. Während in der Variante 1 die einzelnen Vorgänge im Wesentlichen abhängig von der Temperatur der Wärmetauscher und dem Gegendruck der Wasserturbine ablaufen, kommt bei der Variante 2 noch der Druck der Wassertiefe als wichtige Variable hinzu.
Zum einfacheren Verständnis wurde in den Zeichnungen für die DAS sowohl für die Variante 1 als auch für die Variante 2 jeweils nur ein Innenzylinder je DAS vorgesehen. In der konkreten Realisierung sind anstatt eines Innenzylinders in der Regel mehrere Innenzlinder (parallel angeordnet) erforderlich. Diese Innenzylinder einer DAS werden von dem kalten bzw. warmen Meerwasser unmittelbar umspült und dabei abgekühlt bzw. erwärmt. Nachdem die DAS in die Tiefe gesenkt werden und dort mit dem aus der Turbine kommenden Mitteldruckwasser gefüllt werden, ist keine Umhüllung der Wärmetauscher inklusive der Notwendigkeit von Pumpen zur Zirkulation mehr erforderlich. Für den Anschluss der einzelnen DAS an die Hochdrucksammelleitung (Zuleitung zur Turbine) bzw. an die Mitteldrucksammelleitung des Turbinenausgangs ist pro DAS ein Hochdruckschlauch (77) vorgesehen. Mittels zweier Schieber (30 und 31) kann der Hochdruckschlauch umgeschaltet werden. Jeder dieser Schieber verfügt dabei über einen elektrischen Antrieb mit gegenseitiger Verriegelung. Die Schieber befinden sich räumlich auf einem Niveau oberhalb des Oberflächenwassers. Eine Doppelstation benötigt ebenfalls nur einen Hochdruckschlauch.
Nachfolgende Zeichnungen liegen diesem Antrag bei:
Zeichnungen, verwendet zur Erläuterung der Variante 1:
1.: Prinzipschema für eine Anlage mit CO₂ als Arbeitsmedium
2.: Prinzipschema einer Anlage mit CO₂ und N₂O Druckaufbaustationen (Phase 1)
3.: Prinzipschema einer Anlage mit CO₂ und N₂O Druckaufbaustationen (Phase 2)
4.: Prinzipschema für eine Druckaufbaustation
5.: Prinzipschema für Bereitstellung von Kälteenergie für Kreisläufe gemäß 1–3
Zeichnungen, verwendet zur Erläuterung der Variante 2:
6.: Prinzipschema für eine Anlage mit CO₂ als Arbeitsmedium
7.: Prinzipschema für eine Anlage mit CO₂ und N₂O als Arbeitsmedium
8.: Prinzipschema für eine Druckaufbaustation

Claims

Die Erzeugung von elektrischer Energie mit Hilfe von Wärmeenergie gespeichert in den Oberschichten von tropischen bzw. tropennahen Ozeanen durch abwechselndes Verdampfen und Kondensieren von CO₂ und/oder N₂O in sogenannten Druckaufbaustationen (abgekürzt DAS). Die DAS ist dadurch gekennzeichnet, dass Sie jeweils aus 1 oder mehreren Hochdruckzylinder (z. B. 5 für eine DAS) bestehen. Jeder Hochdruckzylinder ist dadurch gekennzeichnet, dass sie ringförmig von Wärmetauschern umgeben sind und sich in jedem Hochdruckzylinder ein Trennkolben zur Trennung von Wasser und CO₂ bzw. N₂O befindet. Nachgeschaltet ist den CO₂ und N₂O DAS ein Wasserkreislauf mit einer Francis Gegendruck Turbine.
Die Kälteleistung für die Abkühlung und den Kondensationsvorgang des CO₂ und/oder N₂O wird aus dem kalten Meerwasser in ca. 50 bis 1000 m Meerestiefe gewonnen. Die Abkühlung ist dadurch gekennzeichnet, dass das kalte Wasser nicht hoch gepumpt sondern vorzugsweise mittels wärmeisolierten Aufzugsbehältern (bzw. Aufzugstechniken) an die Wasseroberfläche zu einem Kaltwasserdepot geführt wird.
Die Wärmetauscher der DAS sind dadurch gekennzeichnet, dass sie abwechselnd erwärmt und gekühlt werden. Dabei geben die DAS Hochdruckwasser ab, bzw. werden die DAS mit Mitteldruckwasser gefüllt. Die Wärmetauscher in den DAS werden sowohl für die Verdampfung als auch für die Kondensation des CO₂ oder des N₂O genutzt. Bei dem Füllvorgang der DAS wird das CO₂ (oder N₂O) Gas mit Meerwasser gekühlt und von dem Mitteldruckwasser, von der Turbine kommend, verdichtet und letztendlich verflüssigt. Bei dem Entleerungsvorgang der DAS wird mit dem warmen Oberflächenwasser das CO₂ bzw. N₂O verdampft. Das CO₂ bzw. N₂O Gas drückt mit Hochdruck das in den Innenzylindern befindliche Wasser aus den Innenzylindern in die Hochdrucksammelrohre der Wasserturbine.
Die DAS für die Variante 1 ist dadurch gekennzeichnet, dass sie abwechselnd erwärmt oder gekühlt werden, indem sie abwechselnd von dem warmen Wasser aus dem Warmwasserdepot und mit kaltem Wasser aus dem Kaltwasserdepot umspült werden. Die Umspülung wird mit elektrisch betätigten Schiebern gesteuert (4 Pos. 26–29) und mit Pumpen unterstützt. Der Ausgang bzw. Eingang des Wassers für die Hochdruckzylinder wird ebenfalls mit elektrisch betätigten Schiebern gesteuert (4 Pos. 30 und 31).
Die Variante 2 (siehe 6, 7 und 8) ist dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer Anzahl im Meerwasser beweglicher DAS besteht. Die einzelnen DAS für Variante 2 (oben und unten) befinden sich in einem Führungsrahmen. In diesem Führungsrahmen befindet sich die mechanische Führung der einzelnen DAS. Für Reparaturarbeiten bzw. bei starken Stürmen (im Notfall) können diese Führungsrahmen auf den Schwimmkörper (siehe Pos. 9) hochgezogen werden. Kennzeichnend ist, dass für die Erwärmung die DAS im Oberflächenwasser erwärmt und für die Abkühlung die DAS auf z. B. circa 100 m Tiefe abgesenkt und mit dem Mitteldruckwasser aus der Turbine kommend gefüllt werden. Das. Mitteldruckwasser wird ebenfalls auf z. B. circa 100 m Tiefe geführt und erhöht dabei seinen Ausgangsdruck durch die 100 m Wassersäule um ca. 10 bar. Die in der Tiefe mit Wasser gefüllten DAS werden über eine Seilwinde mit elektrischem Antrieb nach oben transportiert. Gleichzeitig wird eine leere DAS (d. h. die DAS enthält kein Wasser mehr) vom Oberflächenniveau auf z. B. 100 m Tiefe abgesenkt.
Der Transport ist dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Transport der mit Wasser gefüllten DAS aus der Tiefe zum Oberflächenwasser gleichzeitig ein Transport einer leeren DAS nach unten in die Tiefe (z. B. 100 m) erfolgt. Durch einen Wärmeaustausch dieser beiden DAS auf halben Wege kann die benötigte Wärme-, bzw. Kältemenge durch den Wärmeaustausch reduziert werden.
Mehrere solcher Anlagen gemäß Pos. 1–6 befinden sich auf bzw. unter einem hochseetauglichen Schwimmkörper. Der Schwimmkörper verfügt über geeignete Antriebe zur Positionierung des Schwimmkörpers und über Einrichtungen für die industrielle Nutzung der gewonnenen elektrischen Energie (z. B. Elektrolyseanlagen für die Erzeugung von Wasserstoff).
Ein verbesserter Wirkungsgrad für die Variante 1 und 2 wird durch eine Kombination von CO₂ und N₂O Druckaufbaustationen erreicht. Dabei ist kennzeichnend, dass die CO₂ und N₂O Druckaufbaustationen wärmetechnisch in Reihe geschaltet sind. Für den Erwärmungsvorgang erfolgt die Reihenschaltung der N₂O DAS mit den nachfolgenden CO₂ Druckaufbaustationen und bei dem Kühlvorgang ist die Reihenschaltung umgekehrt. Mit dieser Kombination von DAS ist quasi eine Verdoppelung des Wirkungsgrades der eingesetzten Wärmeenergie und Kälteenergie möglich.
Für die Kühlung des Prozesses kann ein Transport von Kalte aus z. B. 800 m Wassertiefe an die Wasseroberfläche notwendig sein. Anstelle eines Transports der Kälte mittels Kühlwassers ist auch ein Transport mit Latentwärme möglich. Hierfür ist z. B. Ameisensäure mit einer Schmelztemperatur von 8°C geeignet. Anstelle des Transportes von Kühlwasser wird Ameisensäure in geeigneten (geschlossenen) Behältern transportiert. Als Alternative zur Ameisensäure sind auch andere Stoffe möglich.
Eine kontinuierliche elektrische Leistungsabgabe einer solchen Kraftstation erfordert neben einem Druckausgleichbehälter (4) zum Ausgleich von Druckschwankungen möglichst viele Druckaufbaustationen, welche zeitlich gestaffelt arbeiten. Eine Erhöhung der Vorlauftemperatur des Oberflächenwassers von z. B. 25°C auf z. B. 30°C kann durch zusätzliche (z. B. schwimmende) Solaranlagen (mit Wärmepuffer) erreicht werden.