DE2548715B2

DE2548715B2 - Verfahren und Vorrichtung zum Transportieren von Wärme

Info

Publication number: DE2548715B2
Application number: DE2548715A
Authority: DE
Inventors: Georg Prof. Dr. 8000 Muenchen Alefeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-10-31
Filing date: 1975-10-31
Publication date: 1978-12-21
Also published as: DE2548715C3; DE2548715A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Transportieren von Wärme, vorzugsweise Abwärme von Kraftwerken, über große Entfernungen, bei dem die Wärme auf ein Wärmespeichermedium übertragen wird, das Wärmespeichermedium dann zum Ort des Energieverbrauchs transportiert wird und die Wärme dort nutzbar gemacht wird.

Die bessere Nutzung der gegenwärtigen Energiequellen ist eine der vordringlichsten volkswirtschaftlichen Aufgaben. Der Wunsch die Abwärme der Kraftwerke zu nutzen, d. h. Kraftwerke als Heizkraftwerke zu betreiben, ist so alt wie die Technologie selbst. Die gestiegenen Energiepreise haben dieser Forderung erneut Aktualität verliehen. Dabei wird aber Wärmetransport über größere Entfernungen erforderlich, da die heutigen und auch die meisten zukünftigen Kraftwerke nicht wärmeverbrauchernahe liegen. Das Trar.sportproblem ist schwerwiegend. Transportleitungen mit entsprechender Leistung sind nämlich ungewöhnlich teuer (7-10 Mill. DM/km). Um eine über das ganze Jahr sich erstreckende effektive Nutzung zu erreichen, kann damit nur die Grundlast eines Versorgungsgebietes transportiert werden. Dementsprechend werden sich solche Transportleitungen nur zur Versorgung von einigen großen Ballungsgebieten nutzen lassen. Überdies ist der Rohrleitungstransport aus wirtschaftlichen Gründen auf Entfernungen unter 50 km beschränkt (Einsatzmöglichkeiten neuer Energiesysteme, Teil V, Fernwärme, Herausgeber: Bundesministerium für Forschung und Technologie, Bonn, 1975).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, durch das Wärme in leicht steuerbarer Menge besonders kostengünstig über große Entfernungen transportiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Wärmespeichermedium in einem Speicherbehälter auf bereits vorhandenen Verkehrswegen zum Ort des Energieverbrauchs transportiert wird.

Nach einem weiteren Merkmal des Verfahrens, bei dem das Obertragen der Wärme auf das Speichermedium durch Verdampfen einer Komponente des ίο Mediums bewirkt wird, wird die gasförmige Komponente am Entstehungsort verflüssigt und am Verbrauchsort die Verdampfungswärme zusätzlich für Kühlzwecke verwendet

Bei einer anderen Variante des Verfahrens wird als Speichermedium überhitztes Wasser verwendet

Weitere Unteransprüche haben Einzelheiten der Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach den vorhergehenden Ansprüchen zum Gegenstand.

Die mit dem Wärmetransportverfahren nach der jo Erfindung erzielten Vorteile sind offenkundig und sehr tiefgehend. Im Gegensatz zu einem großen Transportrohr erfolgt hier der Wärmetransport in kleinen Einheiten, die dem täglichen Wärmebedarf von ca. 1000 bzw. 10 000 Personen entsprechen. Hieraus ergeben : 3 sich folgende weitere Vorteile im einzelnen:

1. Das Wärmetransportsystem, d.h. Verfahren und Vorrichtung, ist sehr flexibel; es ist sehr leicht Steuer- und regelbar.

2. Das Wärmetransportsystem kann verhältnismäßig jo einfach die Kurzzeitschwanknngen zwischen Wärmelieferung und Wärmenachfrage ausgleichen. Es läßt sich leicht errechnen, daß die Investitionen für Wärmetransportwaggons nur zu 15% in den Rohwärmepreis ab Heizwerk eingehen, ü Daher kann eine Vergrößerung der Speicherkapazität finanziell vertreten werden, womit ermöglicht wird, Kraftwerkswärme aus Überschußzeiten, also z. B. nachts und an Wochenenden zu speichern.

3. Auf Wasser- und Schienenwegen sind in mitteleuropäischen Ländern etwa 80% der Bevölkerung erreichbar. Durch Nutzung dieser Verteilungswege erhöht sich die Einsatzmöglichkeit von Fernwärme über das Transportsystem nach der Erfindung gegenüber bisherigen Konzepten (vgl. 1) ganz

4Ί erheblich. Selbst für kleinere Gemeinden mit

entsprechend großer Siedlungsdichte, so daß die Nahverteilung der Wärme nicht zu teuer wird, würde eine zentrale Wärmeversorgung möglich und wirtschaftlich sein.

,η 4. Durch die Unterteilung in Transporteinheiten ist auch die Reduzierung der Kosten für die Nahverteilung möglich. Es werden keine großen Heizzentralen mit langen Verteilungskanälen benötigt Kleinere Heizzentralen mit kürzeren Transportlei-

vj tungen werden wirtschaftlicher.

5. Die relativ! Kleinheit der Transporteinheiten, insbesondere also der Waggons für den Schienentransport, ermöglicht eine behutsame versuchsweise Einführung des Systems nach der Erfindung mit einem Minimum an Kapitalaufwand. Bevor große Investitionen erforderlich werden, können die Grundeinheiten sorgfältig getestet und verbessert werden. Dabei ist es vorteilhaft, daß der Transport von NH₃ (fl.) auf Schiene oder Wasser heute bereits zum Stand der Technik gehört. Das vermindert die noch verbleibende Entwicklungsarbeit. Zum Beispiel für die benötigten Salzspeicher mit den zugehörigen Wärmetauschern.

6. Das Wärmetransportsystem nach der Erfindung ist sehr umweltfreundlich. Die Emission von Schadstoffen über Wohngebieten wird erniedrigt bei gleichzeitiger Herabsetzung der Abwärmeabgabe an Wasser und Luft durch Kraftwerke. Durch Nutzung der schon bestehenden Transportwege werden neue Transporttrassen nicht erforderlich.

7. Bei Transport zu Wasser mittels Wärmeschiffe läßt sich sehr einfach die Abwärme der aus Gründen des Umweltschutzes in Küstengewässern geplanten Großkraftwerke nutzen. Da hier noch größere Schiffseinheiten als bei der Binnenschiffahrt zum Einsatz kommen können, ist eine kostengünstige Fernwärmeversorgung von Hafenstädten möglich, so z. B. von Hamburg und Bremen. Bei weiterer Entwicklung des Erfindungsgedankens kann es sogar wirtschaftlich werden, Sonnenwärme aus tropischen Gebieten zum Verbraucher zu transportieren. Umgekehrt können in Ländern, die im Sommer einen hohen Kühlbedarf haben, wie z. B. die USA, die Schiffe im Sommer als Kälteschiffe fahren.

8. Die volkswirtschaftliche Bedeutung einer teilweisen Umstellung von öl auf Kraftwerkswärme, insbesondere vom Standpunkt der Außenhandelsbilanz sowie der Versorgungssicherheit, braucht nicht erläutert zu werden. Es ist jedoch noch hervorzuheben, daß ein wesentlicher Prozentsatz des heute vom Verbraucher gezahlten Wärmepreises bei einer solchen Umstellung als Transportvergütung den heimischen Transportunternehmen, nicht zuletzt ;'er Bundesbahn, zugute kommt.

Da die Erfindung im wesentlichen von den anfallenden Transportkosten für die Wärme abhängt, soll im fo genden deren Höhe je für Schienen- und Wasserweg detailliert abgeschätzt werden. Dabei wird ein Ölpreis vo ι 45 DM/Gcal zugrunde gelegt, jedoch beide Sj sterne nicht miteinander verglichen. Dieses ist hier ni;ht möglich weil bei dem Abschätzen verschiedene Voraussetzungen gemacht werden, insbesondere hinsichtlich der Transportentfernung.

1. Schienentransport

a) Ammoniaktankwagen: Standardausführung mit

95 m³, max. Beladung 50 to NH₃, also 50:1,8 = 28 Gcal/Waggon,

b) Salzwaggon: ca. 120 to Belastbarkeit, ca 120 m³ Volumen ohne Wärmetauscher, Schüttungshohlräume, die zur Vermeidung von Quellung und zur Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeit erforder- -,0 lieh sind verursachen diesen Volumenbedarf.

Investitionskosten (in 10³ DM)

NHrWaggon

NH₃-Ladung(50 to NH₃zu 0,8 DM/kg NH₃)
CaCIrWaggon mit Kessel
Wärmetauscher und Armaturen

(30 TDM/Gcal/h plus 50% Aufschlag wegen

schlechten Wärmeübergangs in Salz;

h Entladezeit, also 4,7 Gcal/h

Wärmeleistung)
Füllung:

16,6 to NH₃(0,8 DM/kg)

55toCaCl₂(200DM/to)

Investition pro Doppelwaggon
bzw. pro28Gcal:

TDM
70
40
90

210

14

435

Bei 100 km Abstand zwischen Kraftwerk und Verbraucher ist eine Hin- und Rückfahrt/Tag möglich. Bei etwa 20% Stillstand für Instandhaltung ergeben sich rund 300 Tage/Jahr, also 8400 Gcal/Jahr pro Doppelwaggon, also 52 DM Gcal/Jahr Investitionskosten. Mit 14% Annuität tragen die Investitionen zum Wärmep-eis 0,14 · 435/8,4 7 DM/Gcal bei.

ι ο Damit ergibt sich folgender Gesamtpreis:

Wärmepreis ab Kraftwerk 10 DM/ Gcal Investition in Transportgefäßen

(14% Annuität) 7 DM/ Gcal

Transportpreis (5 DM/to für 100 km) 22 DM/ Gcal

Wärmepreis bei Schienentransport
über lOü km

30

)5

40 39 DM/ Gcal

Erhöhl man den Transportpreis der Bahn auf 6,40 DM/to, so daß mit erheblichem Gewinn gefahren werden kann, so erreicht man gerade den heutigen Preis für Wärme aus öl. Aus obiger Aufstellung ist ersichtlich, daß die Entwicklung der Transportpreise relativ zu den ölpreisen und nicht so sehr die Investitionen bzw. der Wärmepreis ab Kraftwerk die Wirtschaftlichkeit der Fernwärme relativ zum öl bestimmen.

Für Ende 1976 wird von der Bundesbahn ein Durchschnittstarif für Ganzzüge von 6,80 DM/to (Entfernung 100 km) abzüglich 10% bei Gewährung von Mengenrabatt, also 6,10 DM/to, angestrebt. Dieser Tarif, der unter Berücksichtigung des Gesamttransports gewinnbringend kaikuliert ist, enthält den Preis für eine Leerrückfahrt. Bei einer Vollrückfahrt erhöhen sich die Zugabfertigungskosten nicht. Bei den Zugförderungskosten sind lediglich der Energieverbrauch der Zugmaschine (0,15 DM/to) und Abschreibung auf Zugmaschine bzw. Gleiskörper erhöht. Somit dürfte obig gemachte Abschätzung auch in dem kommenden Jahren ihre Gültigkeit behalten.

Die Investitionskosten in Wärmewaggons für den Transport der halben Abwärme eines großen Kraftwerkes (1000 Gcal/h) errechnen sich aus den obigen Daten zu 370 Mill. DM. Dazu kommen Investitionen für die beiden Wärmeübergabestationen und eventuell in zusätzlichen Zugmaschinen der Bundesbahn. Diese Gesamtinvestitionen sind zu vergleichen mit ca. 1000 Mill.-DM für eine Heißwasser-Doppelrohrleitung über 100 km.

Die Versorgung von 20% der Bevölkerung Westdeutschlands mit einem durch Fernwärme abdeckbaren Durchschnittsverbrauch von 10 Gcal/Jahr pro Person erfordert die Investitionssumme von 6 Mrd. DM zum Bau von 14 000 Doppelwaggons, was unter 10% des heutigen Waggonbestandes von 330 000 liegt. Pro Jahr würden zusätzlich 530 Mill, to Güter bewegt, entsprechend einem Transportumsatz von 3,4 Mrd. DM (6,4 DM/to). Mit einer Belastbarkeit von 1350to/Zug würden täglich insgesamt 1300 Wärmezüge verkehren, eine für die Bahn leicht zusätzlich erfüllbare Transportleistung (zum Vergleich: München-Hbf. hat 3000 Zugbewegungen pro Tag).

Unter der Annahme obigen Durchschnittsverbrauchs versorgt:

1 Doppelwaggon etwa 1 000 Personen/Tag,

1Zug(l 350 to = 11 Doppelwaggons) etwa 11 000 Personen/Tag.

An einem Heizwerk für 44 000 Menschen würden bei 6 Stunden Entladezeit im Mittel 1 Zug mit 11 Doppelwaggons entlanden, ist also technisch leicht durchführbar. Platzschwierigkeiten könnte es allerdings bei der Beladung am Kraftwerk geben. Bei einer Abgabeleistung von 1000 Gcal/h würden bei 6 Stunden Beladezeit im Mittel 200 Doppelwaggons, d.h. ca. 10 Züge, beladen werden. Eine Reduzierung der Beladezeit scheint von der Kinetik her durchaus möglich zu sein; allerdings wird zu prüfen sein, ob hierbei die Anforderungen an die Wärmetauscher nicht zu groß werden.

Eine Fernwärmeversorgung obiger Größenordnung ergäbe bei einem Importpreis für öl von 12$/barrel (=30DM/Gcal) eine Importersparnis von 3,6 Mrd. DM/Jahr.

2. Wasserstraßentransport

Europa-Typ (Johann Welker) Tragfähigkeit 1350 to, also 310 Gcal/Fahrt.

2000 DM/Fahrt angesetzt, also 2000/310 = 6,ü DM/ Gcal,

Damit ergibt sich folgender Gesamtpreis:

-, Wärmepreis ab Kraftwerk lODM/Gcal

Investitionskosten (14% Annuität) 10,5 DM/Gcal

Betriebskosten 6,5 DM/Gcal

Wärmepreis bei Wasserstraßentransport über 50 km 27 DM/Gcal

Investitionskosten (in 10³ DM)

Speichermaterial:	460
560 to N H₃ (Π)	150
190 to N H₃ (gebunden)	120
600 to CaCI₂	300
TankfürNH₃(1000m³)	300
TankfürCaCI₂-2NH₃
Wärmetauscher und Armaturen
(30 TDM/Gcal/h + 50% Aufschlag wegen
schlechten Wärmeübergangs in Salz;
6 h Entladezeit, also 52 Gcal/h	2 320
Wärmeleistung)	2 200
Schiff mit voller Ausrüstung

5 850

Im Gegensatz zur Abschätzung für Schienenwege enthält diese Investition von 5,8 Mill. DM für 310 Gcal auch den Antrieb für den Transport.

Bei 50 km Kraftwerkabstand (gegenüber 100 km bei 3ahn) ist eine Fahrt/Tag möglich. Wegen Ausfalltage für Reparaturen, Schiffahrtssperren, Hoch- oder Niedrigwasser etc. 250 Tage/Jahr Einsatz, also Wärmetransport/Jahr: 78 Ü00 Gcal/Jahr.

Mit 14% Annuität tragen die Investitionen zum Wärmepreis 0,14-5850/78 10,5 DM/Gcal bei. Die Betriebskosten seien zur Sicherheit hoch, d. h. mit Dieser Preis liegt ganz erheblich unter 45 DM/Gcal.

Bei einem Transport über 100 km Entfernung benötigt 1 volle Fahrt rund 1,5 Tage; also 166

ii Fahrten/Jahr, 51 000 Gcal/Jahr, Investitionskosten bei 14% Annuität 16 DM/Gcal; Betriebskosten 3000 DM/ Fahrt, also 10 DM/Gcal, Wärmepreis bei Wasserstraßentransport über 100 km also 36 DM/Gcal.

In obiger Rechnung wurden die Betriebskosten sicherheitshalber sehr hoch, nämlich mit 5000 TDM/ Jahr angesetzt Üblicherweise echnet man bei Vollauslastung (allerdings ohne Überstun'ien) mit etwa 200 bis 250 TDM/Jahr. Legt man diesen Wert zugrunde, so ergibt sich ein Wärmepreis von 24 DM/Gcal (bei 50 km)

2Ί bzw. 31 DM/Gcal (bei 100 km). Läßt man die Annahme, d 'ß jedes Schiff voll mit Antrieb, Navigationsinstrumenten usw. ausgerüstet ist, d. h. arbeitet man mit TDM Schubleichtern, so kann eine weitere Reduktion des

Wärmepreises erwartet werden.

j» 1 Schiff/Tag versorgt ca. 11 000 Menschen/Tag. Um 10% der Bevölkerung Westdeutschlands auf dem Wasserweg zu versorgen, wären 7 Mrd. DM an Investitionen in Wärmeschiffen erforderlich, entsprechend 1160 Schiffen (bei 100 km Abstand zwischen

y, Kraftwerk und Verbraucher). Im Gegensatz zum Schienentransport ist dieser Zuwachs an Schiffskapazität keineswegs mehr klein gegenüber der Gesamtkapazität. Die Belastbarkeit der Wasserstraßen bedarf einer eigenen Prüfung.

Obige Abschätzungen erheben nicht den Anspruch großer Verbindlichkeit. So sind z. B. das Gewicht der Wärmetauscher, Wirkungsgrade beim Speicherprozeß, andererseits wiederum auch Mengenrabatte nicht berücksichtigt. Dennoch liefern diese Zahlen Evidenz dafür, daß der Transportvorschlag nach der Erfindung zusammen mit den effektiven Wärmespeicherverfahren heute schon einen konkurrenzfähigen Wärmepreis ergeben. Jede Ölpreiserhöhung, die nicht mit einer gleich großen Transporterhöhung verbunden ist, verschiebt das Verhältnis immer mehr zugunsten des vorgeschlagenen Fernwärmekonzepts. Auf längere Sicht bleibt sowieso keine andere Wahl.

Als Beispiel für die Wärmespeicherung nach Anspruch 2 kann u. a. die folgende Reaktion dienen:

CaCl₂ · 8NH) (fest) = CaCI₂ · 2NH₃ (fest) + 6Ni;., (gasf.) - 56 0OOcal.

Diese Reaktion bezeichnet den Vorgang der Wärmespeicherung. Die umgekehrte Reaktion führt zu Wärmeabgabe. Diese erfolgt auf einem Temperaturniveau zwischen 80 und 90° C.

Dieses Beispiel wird hier genannt, einmal, um das Prinzip zu demonstrieren und andererseits, weil speziell die Eigenschaften dieses Systems (sowie von SrCl₂ · 8 NH₃) sehr gut bekannt sind, (z. B. W. Niebergall, Handbuch der Kältetechnik, Bd. VII, Herausgeber: R. Plank, Springer-Verlag, Bln. Göttingen Heidelberg (1959₍ R. Plank und J. Kuprianoff:

Die Kleinkältemaschine, Springer-Verlag, Bln. Göttingen Heide'.berg[1960]).

Wenn üoerhitztes Wasser als Wärmespeicher-Medium verwendet werden soll, so sind dafür Drückbehälter erforderlich. Diese sind zv/ar teurer als die Behälter zum Transport der Reaktions-Speicher-Medien. Dafür kann aber damit gerechnet werden, daß weder beim Verladen ab Kraftwerk noch beim Ausladen an der Üoernahmestation Wärmetauscher erforderlich werden. Auch gibt es keine Vorschriften die dem Transport von Heißwasserdruckgefäßen per Bahn

oder Schiff entgegenstehen. Schließlich handelt es sich dabei im Prinzip nur um Abwandlungen von Dampflokomotiven und Dampfschiffen.

Das Wärmetransportsystem nach der Erfindung zeigt, daß bei Anwendung effektiver Wärmespeichermethoden und unter Benutzung heute schon existierender Transport-Mittel und -Wege Wärme kostengünstig von Kraftwerken zu Verbrauchern transportiert werden kann. Damit soll die Grundlast des Verbrauchs gedeckt werden; das Kraftwerk am Verbrauchsort soll πι aus regelungstechnischen Gründen damit nicht vollständig ersetzt werden.

Für die Durchführung des Wärmetransportsystems nach der Erfindung ist das Betreten technischen Neulands mit seinen Risiken nicht erforderlich. Für die günstigste Gestaltung des Systems ist zwar noch intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu leisten, worin jedoch ein abwertendes Moment nicht gesehen werden kann.

809551/313

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Transportieren von Wärme, vorzugsweise Abwärme von Kraftwerken, über große Entfernungen, bei dem die Wärme am Entstehungsort auf ein Wärmespeichermedium übertragen wird, das Wärmespeichermedium dann zum Ort des Energieverbrauchs transportiert wird und die Wärme dort nutzbar gemacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmespeichermedium in einem Speicherbehälter auf bereits vorhandenen Verkehrswegen zum Ort des Energieverbrauchs transportiert wird.

Z Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Obertragen der Wärme auf das Speichermedium durch Verdampfen einer Komponente des Mediums bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die gasförmige Komponente am Entstehungsort verflüssigt und am Verbrauchsort die Verdampfungswärme zusätzlich für Kühlzwecke verwendet wird

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmespeichermedium Wasser dient, das überhitzt wird.

4. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter als Container ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speicherbehälter aus zwei Gefäßen besteht, von denen eines mit einem Wärmetauscher versehen ist

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß mit dem Wärmetauscher in Modulbauweise aufgebaut ist