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WO2010097260A2 - Verfahren, vorrichtung und system zum umwandeln von energie - Google Patents

Verfahren, vorrichtung und system zum umwandeln von energie Download PDF

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WO2010097260A2
WO2010097260A2 PCT/EP2010/050854 EP2010050854W WO2010097260A2 WO 2010097260 A2 WO2010097260 A2 WO 2010097260A2 EP 2010050854 W EP2010050854 W EP 2010050854W WO 2010097260 A2 WO2010097260 A2 WO 2010097260A2
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WO
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carrier medium
heat
energy
gaseous
medium
Prior art date
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PCT/EP2010/050854
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French (fr)
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WO2010097260A3 (de
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Klaus Wolter
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Individual
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Ceased legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
    • F01K27/00—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for
    • F01K27/005—Plants for converting heat or fluid energy into mechanical energy, not otherwise provided for by means of hydraulic motors
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B13/00—Adaptations of machines or engines for special use; Combinations of machines or engines with driving or driven apparatus; Power stations or aggregates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03B—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS
    • F03B17/00—Other machines or engines
    • F03B17/005—Installations wherein the liquid circulates in a closed loop ; Alleged perpetua mobilia of this or similar kind
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2220/00—Application
    • F05B2220/60—Application making use of surplus or waste energy
    • F05B2220/602—Application making use of surplus or waste energy with energy recovery turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05B—INDEXING SCHEME RELATING TO WIND, SPRING, WEIGHT, INERTIA OR LIKE MOTORS, TO MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS COVERED BY SUBCLASSES F03B, F03D AND F03G
    • F05B2260/00—Function
    • F05B2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/50—Hydropower in dwellings

Definitions

  • the invention relates to a method, a device and a system for converting energy.
  • a non-gaseous carrier medium can be converted into a gaseous carrier medium by introducing thermal energy so that the gaseous carrier medium rises. At a predetermined level, the gaseous carrier medium can be reconverted back into a non-gaseous carrier medium. The potential energy of the recovered non-gaseous carrier medium at the predetermined level can then be used, for example, to be converted into useful energy, such as by dropping the carrier medium to drive a turbine. Alternatively or additionally, the recovered non-gaseous
  • Carrier medium can also be taken as the distillate of an original medium for use, such as drinking water, when the original medium was salt water.
  • the reconversion of the gaseous carrier medium into a non-gaseous carrier medium can be effected by cooling the gaseous carrier medium.
  • the cooling can be carried out, for example, by passing a transport medium through cooling regions arranged at the predetermined height, where it absorbs heat from the carrier medium.
  • the heat absorbed by the transport medium can be above it be used to contribute to the heating of the carrier medium.
  • the energy losses, including the extracted useful energies, must be introduced during operation from the outside.
  • a method comprises converting a non-gaseous carrier medium into a gaseous carrier medium by introducing thermal energy so that the gaseous carrier medium rises to a predetermined height.
  • the method further comprises reconverting the gaseous carrier medium at the predetermined height into a non-gaseous carrier medium by means of a first cooling circuit receiving heat of the carrier medium.
  • the method further comprises receiving heat of the reconverted non-gaseous carrier medium by means of a second refrigeration cycle.
  • the method further comprises recirculating the heat received from the first and second cooling circuits for use in heating the support medium.
  • the device comprises a cavity and an evaporation space arranged at the lower end of the cavity.
  • the evaporation space is formed to convert a non-gaseous carrier medium into a gaseous carrier medium by means of introduced heat energy, so that the gaseous carrier medium rises to a predetermined height.
  • the device further comprises a first cooling circuit.
  • the first cooling circuit is formed for the return conversion of the gaseous carrier medium at the predetermined level in a non-gaseous carrier medium by absorbing heat of the carrier medium.
  • the first cooling circuit is further formed for returning the absorbed heat to be used for heating the support medium.
  • the apparatus further includes a second refrigeration circuit configured to receive heat from the reconverted non-gaseous carrier medium and configured to recycle the collected heat for use in heating the carrier medium.
  • a system which comprises such a device, and in addition a device designed to obtain heat energy, which is provided to the first device.
  • a second cooling circuit which extracts additional base heat from the reconverted non-gaseous carrier medium.
  • heat can be extracted in a particularly comprehensive manner from the carrier medium so that the recovered non-gaseous carrier medium subsequently has the lowest possible temperature. Thereafter, the carrier medium is available for any use. If the carrier medium is used in a closed circuit, then the effective cooling of the carrier medium has the advantage that for the first heating of the carrier medium for the re-evaporation external heat sources with heat energy at relatively low temperatures can be used, because the provided temperature only has to be slightly higher are the temperature of the carrier medium in the cold point of the device. The heat energy absorbed by the cooling circuits is not lost, but may contribute to further heating of the support medium at a suitable location.
  • the carrier medium is not used in a closed cycle, but at least partially removed after the reverse conversion, then new carrier medium must be added to the further evaporation process.
  • the heat energy absorbed by the cooling circuits can then contribute to a suitable location for heating the at least partially new carrier medium.
  • the effective removal of heat from the recovered non-gaseous carrier medium before its removal thus has the advantage that a particularly high proportion of heat energy remains in the device and less heat energy must be additionally supplied from the outside.
  • thermal energy is supplied to the carrier medium in the following order: first, thermal energy from an external carrier
  • Heat source then heat energy from the second cooling circuit and finally heat energy from the first cooling circuit.
  • this can be done with an external Heat source associated heat exchanger, a heat exchanger of the second cooling circuit and a heat exchanger of the first cooling circuit may be arranged such that they are adapted to feed heat energy in this order in the non-gaseous carrier medium.
  • the externally supplied heat energy heats the support medium at a stage to which it has the lowest temperature. It is understood, however, that in particular when using an external heat source that provides high temperatures, other orders for the injection of heat energy can be selected in the carrier medium.
  • Carrier medium brought to a higher pressure by compression for the purpose of reducing the volume and increasing the temperature.
  • Cooling circuits are fed. This results in the advantage that the return of the heat energy in the cooling circuits can be made simpler. In particular, can be dispensed with the use of a heat pump due to the resulting heat at a higher temperature.
  • the compression of the gaseous carrier medium can be carried out at any point. It can thus take place immediately after the conversion of the non-gaseous carrier medium into a gaseous carrier medium.
  • the compression means may be arranged in the cavity immediately adjacent to the evaporation space for this purpose. Alternatively, compression may take place immediately before Reverse converting the compressed gaseous carrier medium into a non-gaseous carrier medium.
  • the compression means may be arranged in the cavity immediately below the predetermined height for this purpose. Alternatively, compression may take place somewhere in the way between converting the non-gaseous carrier medium into a gaseous carrier medium and converting the compressed gaseous carrier medium back into a non-gaseous carrier medium.
  • the compression means may for this purpose be arranged in the cavity at any height on the route between the evaporation space and the predetermined height.
  • the compressed, non-gaseous carrier medium can be decompressed again at any time. If the compressed, non-gaseous carrier medium is to be converted back into a gaseous carrier medium in a cycle, the decompression takes place at the latest before the renewed conversion. During the decompression of the non-gaseous carrier medium, it cools down further. The at the
  • Decompression released energy can be used in various ways, so that as little energy is lost.
  • Carrier medium for example, a turbine can be driven. This can be done at the given height, but also at any other altitude, especially at a lower altitude.
  • the device described may have a correspondingly shaped turbine.
  • the recovered non-gaseous carrier medium may be transferred from a higher altitude to a higher altitude lower altitude and there drive a turbine by means of its kinetic energy.
  • a fall path may be provided which is shaped to allow the recovered non-gaseous carrier medium to fall from a higher altitude to a lower altitude, and a turbine located at the lower level and formed at least through the kinetic energy of falling vehicle medium to be driven.
  • the energy provided by such turbines can be used both inside the process and outside the process.
  • the energy provided by a turbine can be used, for example, to assist in compressing the gaseous carrier medium by means of mechanical coupling.
  • the coupling can be done for example between turbine and compressor.
  • the energy can be used to reduce, after conversion to another form of energy by means of the resulting energy, the energy needed to compress the gaseous carrier medium.
  • an energy conversion arrangement may be provided which then provides the resulting energy to the compression means.
  • the energy provided by the turbine may be utilized to additionally heat, after conversion to heating energy, for example by an energy conversion arrangement, the carrier medium prior to, during, or after conversion from a non-gaseous state to a gaseous state.
  • the carrier medium may further be used to detect one of at least one of Cooling circulating transport medium, for example by means of a heat exchanger to cool again.
  • a transport medium encompassed by at least one of the cooling circuits can also be used against non-gaseous
  • Carrier medium are exchanged, for example, after this was used to drive the turbine.
  • appropriately shaped exchange means can be provided.
  • the process can proceed at ambient pressure.
  • the carrier medium may additionally be subjected to a pressure which exceeds the ambient pressure, which is further increased by the compression.
  • the overpressure can be adjusted by means of specially provided overpressure means. As a result, the volume of the carrier medium is reduced in the gaseous phase, so that the structural dimensions of the device can be reduced at the same throughput of the carrier medium.
  • a transport medium encompassed by at least one of the cooling circuits can also be subject to a pressure which exceeds the ambient pressure during the entire process.
  • the overpressure means are formed accordingly for this case.
  • the gaseous carrier medium is guided during its ascent through at least one constriction, for example by at least one nozzle or any nozzle equivalent arrangement.
  • the introduced thermal energy the invention can be implemented so that it is completely emission-free. In general, however, any source of energy can be used to obtain the heat energy used.
  • the introduced heat energy from geothermal energy, water heat, air heat, a fossil energy source, a nuclear energy carrier and / or solar energy can be obtained.
  • the heat energy can be introduced only at the starting point of the ascending carrier medium, device thus exclusively on the Evaporungs syndromem. In an alternative approach, however, the heat energy can also be introduced into the carrier medium distributed over the height which the gaseous carrier medium overcomes.
  • the device may for this purpose have a correspondingly arranged energy input element.
  • Such an energy input element may itself comprise an energy-generating element, or else be supplied with energy by a power-generating element.
  • Distributing the heat energy distributed over the height has the advantage that heat energy is required at a lower temperature level. So can on selected
  • the invention can be implemented much more compact and cheaper, for example, when solar collectors as energy and -Inbringungs institute directly on the shell of a cavity in which the gaseous carrier medium rises, be attached or even form this shell in whole or in part.
  • the energy input element may completely enclose a cavity in which the carrier medium rises, or, for example, in the case of solar collectors, may be arranged only on a side facing the sun. Furthermore, the element may extend over the entire height of the cavity or be arranged only on a selected height portion or on a plurality of selected height portions.
  • the heat returned by at least one of the cooling circuits can not only contribute to the thermal energy with which the non-gaseous carrier medium is converted into a gaseous carrier medium, but alternatively or additionally also contributes to a thermal energy with which already gaseous carrier medium is further heated during the ascent.
  • the cooling circuits can heat the carrier medium for
  • a transport medium in the cooling circuit is passed through arranged in the predetermined height cooling areas such as a cooling unit.
  • the cooling areas can be formed by hoses or other lines.
  • the cooling areas can be designed and arranged so that they can be used simultaneously for the discharge of the recovered non-gaseous carrier medium to a designated collection point.
  • a substance could also be introduced directly into the gaseous carrier medium, for example by means of a suitably designed collector, to support the reverse transformation.
  • Incorporation can be done by spraying or raining. After the substance has extracted heat from the carrier medium and thus supported the condensation, the substance and the carrier medium can be separated again for further use. This can for example be done easily if the carrier medium is water and the substance is oil. Instead, however, already recovered carrier medium can be sprayed or gelled into the ascending gaseous carrier medium. Due to the thus enlarged collision surface for the ascending, still gaseous carrier medium, the back conversion is also supported. In this case, it should only be ensured that the sprayed-in or controlled carrier medium does not fall back into the evaporation space, but is supplied to the intended use. This can be achieved, for example, by spraying or cooling the carrier medium only in an angled region of the cavity at the upper end.
  • a collector can have one - possibly cooled - upper
  • Contain boundary surface of the cavity which is designed so that it feeds the reconverted non-gaseous carrier medium, for example via a reservoir for further use.
  • the recovered non-gaseous carrier medium becomes before the farther Use cached, for example by means of a cache.
  • Caching of the recovered non-gaseous carrier medium is for example suitable for providing a reserve for times when no external heat energy is available. Furthermore, buffering can cover peak demands on the recovered non-gaseous carrier medium or buffer peaks in the supply of the recovered non-gaseous carrier medium.
  • the potential energy of the recovered non-gaseous carrier medium at the predetermined level can be used for conversion into an energy form desired for external use, for example by means of the already mentioned driving of a turbine.
  • So energy is first converted into kinetic energy. This can be done by dropping the recovered non-gaseous carrier medium on a fall path from a higher altitude to a lower altitude, such as through a downcomer.
  • the kinetic energy can then be converted into another form of energy.
  • an energy converter such as a turbine with a possibly downstream generator, can be provided.
  • the potential energy can be in any
  • Energy form to be converted It is understood that converting to a desired form of energy also includes storage in a desired energy source. Come into question thus, inter alia, a conversion into mechanical energy, into electrical energy, into energy for the production of a chemical energy carrier and / or into energy for the production of a physical energy carrier.
  • the recovered non-gaseous carrier medium can be temporarily stored in an intermediate storage.
  • the recovered non-gaseous carrier medium may be further used at least partially in a closed loop after the potential energy has been converted to another form of energy.
  • the carrier medium is returned to the evaporation chamber for this purpose.
  • the recovered non-gaseous carrier medium can also be removed for external use.
  • the carrier medium By converting the non-gaseous carrier medium into a gaseous carrier medium, the carrier medium can be distilled, for example, depending on the composition.
  • the distilled recovered non-gaseous carrier medium may then be withdrawn before, after or instead of converting the potential energy to another form of energy at least partially via a withdrawal port.
  • the gaseous carrier medium can ascend in a cavity which contains no further substances except for possible impurities.
  • the cavity may also comprise a filling medium, which is carried along by the ascending gaseous carrier medium.
  • the filling medium is air or any other gas or gas mixture in question.
  • a closed circuit for the filling medium can be provided, in which the filling medium is made available in the evaporator again after removal of the carrier medium at the predetermined height.
  • an open system can be provided in which the filling medium is sucked from the outside by the entrainment within the cavity and discharged after use again to the outside.
  • carrier medium In general, all materials used and not taken for external use, such as carrier medium, can be used. Transport medium and filling medium, as well as for all not for external use extracted energy embodiments with closed circuits and open runs on.
  • the aspects of the heat input into the carrier medium any heat source, so in particular solar energy
  • the aspect of Water production utility, service and drinking water
  • the aspect of heat recovery, heat recovery in the process and / or the device for obtaining energy and the aspects of energy conversion turbine, generator
  • the Storage and intermediate storage of the obtained energy in physical as well as chemical storage media such as the Storage and intermediate storage of the obtained energy in physical as well as chemical storage media.
  • Compression can be effected by means of all known methods and / or devices with which gas can be compressed; such as. Piston pumps, diaphragm pumps, rotary compressors), which is an increase in pressure, energy becomes necessary, since now in the simplified method, apparatus and system for
  • the energy thus recovered can be fed back to the compressor in one embodiment by a direct mechanical coupling by means of axle and optional gear.
  • the detour via the conversion of the kinetic energy of the turbine into other energy sources can also be selected, which are then fed to the compressor after appropriate conversion can be (eg: generator - electrical energy - engine). This corresponds to an indirect provision or supply of energy for compression.
  • the compression of the vaporous carrier medium is not carried out after, but before or during the height transport of the carrier medium. So at the earliest directly after evaporation in the evaporator. This is possible because the chimney effect is not affected by the compression process. Structurally, this means a sustainable simplification, as it means that virtually all parts in motion are located at the foot of the simplified method, apparatus and system for obtaining energy.
  • the advantage, and thus the simplification consists in the fact that, due to the pressure increase in the gaseous state of matter, there is an increase in the boiling / condensation point. This results in that the heat of vaporization in the condenser is fed into the transport medium at a higher temperature. It is thus directly and optimally prepared for the evaporation process in the evaporator via the transport medium and does not first have to be brought to a higher temperature level via a heat pump.
  • Conversion takes place via the liquid turbine and the downstream generator into electrical energy and then this via an electric heater in the Carrier medium is fed in or after the evaporator.
  • the mechanical energy can be converted directly into heat by friction and also coupled into the carrier medium at the designated points. Also, combinations of all these methods are possible.
  • the coupling of this heat is carried out in the transport medium before or in the evaporator, which has the same result.
  • the entire simplified method, apparatus and system for recovering energy is raised to a higher pressure level to reduce the volume of the gaseous phase of the carrier medium; So everything that includes carrier and transport medium.
  • the simplifications already described remain untouched but now on the other Set basic pressure level.
  • only the carrier medium may be raised in pressure. (For example, in the case of water as the carrier medium, 1 liter of fluid will produce about 1800 liters of steam at 100 psi, 18 liters at 100 bars, but the change in the temperature level at which the evaporation takes place will apply.) it is easy to see that sustainable, more constructive solutions result, as the system becomes more compact.
  • the simplified method, apparatus and system for gaining energy in comparison to its predecessor is characterized by the introduction of a branch of increased pressure.
  • the cycle of the simplified method, apparatus and system for obtaining energy can be exemplified by means of a carrier and transport medium, we take e.g. We take water and a source of energy, e.g. describe the solar energy as follows simplified:
  • Water is vaporized by the supply of solar energy, is raised by the heat impressed in a suitable building on the chimney effect as steam to a level (thus potential energy is gained), where the steam is brought to a higher pressure with a compressor (which falls Heat of vaporization at a higher boiling temperature again), with the help of a cooling circuit that transports the heat of vaporization back into the evaporator condenses, which is under this higher pressure cooled condensate is fed to a turbine, in which at least the necessary energy for compression by compression itself Increasing pressure is regained, while at the same time achieved by the pressure reduction in the condensate in the flow through the turbine, a further cooling and the thus obtained cold condensate fed back to the evaporator.
  • this cold condensate is also the cold pole for the cooling circuit by the water of the cooling circuit is taken from this or cooled by this before it is fed back to the condenser.
  • the conversion of the thermal energy of the carrier medium via adiabatic expansion into kinetic energy takes place by means of flow of the carrier medium through one or more nozzles or nozzle-equivalent devices.
  • the chimney located downstream of the evaporator can also be considered as such a nozzle if its flow cross section is smaller than the flow cross section of the volume in the evaporator. Any other nozzle design such as constructive arrangements of the same in the process,
  • Apparatus and / or system for obtaining energy which causes the function of converting the heat energy into kinetic energy for height transport, is also usable.
  • FIG. 1 shows schematically the structure of an exemplary, inventive device
  • Fig. 2 shows schematically the structure of an exemplary device according to the invention
  • Figure 3 is a schematic flow diagram that illustrates the operation of the device of Figure 2;
  • FIG. 4 is a schematic block diagram of an exemplary apparatus according to the invention.
  • FIG. 5 schematically shows the structure of an exemplary device according to the invention, with possible variations, options for addition and possible details of the device from FIG. 1;
  • FIG. 6 shows a schematic block diagram of a further exemplary device according to the invention;
  • FIG. 7 shows schematically the construction of a further exemplary device according to the invention.
  • Fig. 8 schematically shows an exemplary evaporation heat recovery in a device according to the invention.
  • FIG. 9 is a quadrant diagram of an exemplary heat and gravitational field power plant according to the invention.
  • FIG. 1 shows an embodiment of a device according to the invention for injecting energy into a medium which can be used for the efficient conversion of energy.
  • the device has a main circuit for a carrier medium.
  • the main circuit is shown dotted. It comprises at the bottom of an evaporation chamber 100, then a riser 101, then again an upper portion 102 at a height h and finally a drop tube 103, which connects the upper portion 102 again with the evaporation chamber 100.
  • the carrier medium circulates in the main circuit while changing its state of aggregation. Liquid carrier medium is heated in the evaporation chamber 100 so that it evaporates and rises in the riser 101. Then the gaseous carrier medium in the upper region 102 is again converted into a liquid carrier medium. The liquid carrier medium falls through the downpipe 103 back into the evaporation chamber 100, where it is recycled to the circulation.
  • the areas of the Main circuit in which the carrier medium in the gaseous state occurs are shown with a lower density point than the areas of the main circuit in which the carrier medium occurs in the liquid state.
  • a compressor 110 is arranged, which is connected to the upper region of the riser 101 via a valve 111.
  • the compressor 110 compresses the ascending gaseous carrier medium.
  • the valve 111 is closed, and the compressor 110 is idling until it reaches its rated speed. Thereafter, the valve 111 is opened so that the compressed, gaseous carrier medium can circulate in the main circuit.
  • the downpipe 103 is connected to the Verdampfungs syndromem 100 via a valve 121.
  • a turbine 120 is arranged in the lower region of the downpipe 103.
  • the turbine 120 is driven by the kinetic energy of the falling, liquid carrier medium.
  • the turbine 120 is driven by the kinetic energy of the falling, liquid carrier medium.
  • Turbine 120 are driven by a decompression of the previously under increased pressure carrier medium. The decompression reduces the temperature of the carrier medium, which after driving the turbine 120 has its lowest temperature.
  • the valve 121 is closed and the turbine 120 is short-circuited until it reaches its rated speed. Thereafter, the valve 121 is opened for the operation of the device.
  • the turbine 120 is connected to a generator 122, via which electrical energy can be taken from the device.
  • Turbine 120 and compressor 110 are coupled together via an axle 130 so that a portion of the mechanical energy provided by turbine 120 may also be used to operate compressor 110.
  • the axle can have a slide 131 which can be moved to the right and left, which can provide pressure equalization.
  • the device has two cooling circuits.
  • a first cooling circuit comprises a heat exchanger 200 used as a condenser, which is arranged immediately after the riser 101 in the upper region 102 of the main circuit.
  • the first cooling circuit further comprises a heat exchanger 201 used as an evaporator, which is arranged in the evaporation chamber 100 of the main circuit immediately before the transition to the riser 101.
  • a circulating in the first cooling circuit transport medium is circulated by the condenser 200 via a first line 202 to the evaporator 201 and further via a second line 203 back to the condenser 200.
  • the drive is effected via a circulation pump 204 arranged in the second line 203.
  • the condenser 200 extracts the heat of vaporization from the gaseous carrier medium in the upper region 102 and thereby converts it back into a liquid carrier medium.
  • the heat is supplied to the evaporator 201 via the first cooling circuit, where it supplies the still required heat for evaporation to the already heated but still liquid carrier medium.
  • the transition from liquid to gaseous in the area of the evaporator 201 and from gaseous to liquid in the area of the Capacitor 200 is illustrated by an oblique, dashed line.
  • a second cooling circuit comprises a heat exchanger 300 used as a liquid cooler, which is likewise arranged in the upper region 102 of the main circuit.
  • the liquid cooler 300 is arranged downstream of the condenser 200, as seen in the flow direction of the carrier medium.
  • the second cooling circuit further comprises a liquid-liquid heat exchanger 301, which is arranged in the evaporation chamber 100 of the main circuit.
  • the heat exchanger 301 is, seen in the flow direction of the carrier medium, arranged before the evaporator 201.
  • a circulating in the second cooling circuit transport medium is recirculated from the liquid cooler 300 via a first line 302 to the heat exchanger 301 and further via a second line 303 back to the liquid cooler 300.
  • the drive takes place via a circulating pump 304 arranged in the second line 303.
  • the liquid cooler 300 withdraws the already liquid
  • Carrier medium at the height h further heat and thereby further reduces the lowest, occurring at the cold pole of the main circuit temperature of the carrier medium from.
  • the heat absorbed by the transport medium is supplied via the line 302 to the heat exchanger 301, which absorbs the heat in
  • Evaporating chamber 100 transfers back to the liquid carrier medium.
  • heat is supplied via a heat exchanger 400 to which heat energy is supplied from an external heat source.
  • the heat input of external heat energy into the carrier medium via the heat exchanger 400 takes place in the evaporation chamber 100 close to the turbine 120 and thus close to the cold pole of the device.
  • an external heat source which provides a comparatively low temperature available to be used for the heating of the support medium.
  • the heat exchanger 400 may directly heat the carrier medium.
  • the heat exchanger 400 may be integrated, for example, in the heat exchanger 301, so that the coupling of the heat first takes place in the transport medium of the second cooling circuit, and only from the transport medium into the carrier medium.
  • the heat input into the transport medium advantageously takes place closer to the line 303 than to the line 302, and thus after the transport medium has substantially returned the heat absorbed in the liquid cooler 300 to the carrier medium.
  • an active heat exchanger 401 may be provided as an auxiliary unit, which, if necessary, the Kältepol immediately after the turbine 120 to a desired
  • an exemplary apparatus includes a building 10 having a cavity 11.
  • the cavity 11 corresponds to the riser 101 of Figure 1. It is understood that the cavity could also be arranged obliquely in an alternative embodiment, for example, adjacent to the edge of a hill.
  • Refrigeration units 13 arranged.
  • the compressor 101 can be configured as desired, for example as a piston pump, diaphragm pump, rotary compressor, etc.
  • a downpipe 14 leads to a turbine 15 with a generator connected thereto.
  • the turbine 15 in turn is in communication with the evaporation chamber 12.
  • the cooling units 13 are also beyond
  • Cooling units 13 and heat returns 16 form elements of two separate cooling circuits, which may be formed, for example, as in the apparatus in Figure 1.
  • the turbine of a conventional updraft power plant 17 is optionally arranged in the cavity.
  • a heat energy recovery element 18 is arranged so that it can supply thermal energy to the evaporation space 11.
  • An example of such an element is a solar collector. But any other one can be used instead of the sun
  • Energy source can be used by the element 18. It is further understood that a plurality of such elements can be provided. Furthermore, incident solar energy can be used directly for heating.
  • a heat energy recovery and supply element 19 is disposed along the shell of the cavity.
  • the element 19 may comprise, for example, a solar collector.
  • FIG. 3 shows a flow diagram which illustrates the basic mode of operation of the device from FIG.
  • a carrier medium in a non-gaseous state such as water as a liquid carrier medium.
  • the evaporation chamber 12 is from the element 18 to
  • the carrier medium Due to the heat energy supplied, the carrier medium is converted into a gaseous state of aggregation, that is, it evaporates and rises in the cavity 11.
  • the element 19 brings about the height of the cavity distributed to support the rise additional heat energy in the ascending, gaseous carrier medium, so that an auto-condensation is prevented from reaching the cooling units 13.
  • the evaporation chamber 12 then only has to be supplied with energy as required for the conversion of the non-gaseous carrier medium into a gaseous carrier medium.
  • the carrier medium is returned to the previous state of aggregation (step 22). That is, the vapor from the carrier medium is condensed again.
  • the back conversion is caused by a first of the cooling units 13.
  • a cooling unit may for example consist of a network of hoses. The network offers a great on the one hand
  • Collision surface to create or compact a condensation mist On the other hand can flow through the hoses a transport medium as a coolant, which supports the condensation on the network.
  • the network dissipates the condensate obtained in the direction of the downpipe 14 from.
  • the second of the cooling units 13 extracts the condensate on the way to the downpipe 14 more heat and also feeds them into a transport medium.
  • the respective heated transport medium can over the
  • Heat return lines 16 are supplied to the evaporation chamber 12 to assist there the effect of the heat energy supplied and then returned to the cooling units 13 in the cooled state (step 23). Due to the additionally provided
  • Energy input element 19 the recirculated via the heat recirculation 16 of the cooling units 13 heat to the evaporation chamber 12 during operation may even be sufficient as the only power supply at this point. Only for commissioning the evaporation chamber then external heat must be supplied; or in the cavity 11 is initially sprayed at start-up non-gaseous carrier medium, so that it is only in the beginning Cavity 11 itself is converted into steam.
  • the heated transport medium may additionally or alternatively, however, also heat the carrier medium elsewhere, for example via the element 19.
  • the carrier medium now has because of the subdued level h ⁇ ⁇ h 0 an impressed potential energy. It is dropped down through the downcomer 14 so that kinetic energy is gained from the potential energy (step 24).
  • This kinetic energy can now be converted into another, desired form of energy (step 25).
  • the falling carrier medium may drive the turbine 15, and the resulting rotational energy may then be utilized to operate the connected generator and generate electrical energy.
  • the carrier medium In the area from the compressor 101 to the turbine 15, the carrier medium is subjected to an increased pressure, resulting in
  • FIG. 2 is illustrated by dotted areas.
  • the turbine 15 can therefore be designed so that it is additionally driven by the decompression of the carrier medium reaching it.
  • the carrier medium After the carrier medium has driven the turbine 15, it can then be cooled and returned to the evaporation space 12 at the original pressure level (step 26).
  • the original pressure level may correspond to the ambient pressure, or an increased pressure level, which makes it possible to make the device more compact due to the thus reduced volume of the gaseous medium.
  • the optional updraft power plant 17 may additionally utilize the ascending vapor from the carrier medium between step 20 and step 21 in a conventional manner for energy production.
  • An evaporator 32 or more generally one
  • the carrier medium may be, for example, seawater.
  • Evaporator 32 corresponds to the evaporation chamber 12 in Figure 2.
  • the carrier medium is evaporated by means of supplied heat energy.
  • the steam rises in the cavity of a building 30 until it reaches a compressor 301.
  • the cavity may additionally contain a filling medium, which is taken in an open or a closed circuit of the carrier medium.
  • the compressor 301 compresses the carrier medium.
  • the gaseous carrier medium continues to increase and reaches two successively arranged cooling units 33.
  • the cooling units 33 comprise a second aggregate state changer and a further cooling device.
  • the second aggregate state changer can, for example, correspond to the first one of the cooling units 13 from FIG. 2, and, as an active condensate collector to promote condensation, bring about cooling of the steam by means of a cooling circuit.
  • the others Cooling device may correspond to the second of the cooling units 13 of Figure 2 and withdraw the condensate base heat. The heat absorbed by both cooling units 13 is supplied to the evaporator 32 via heat recirculation.
  • At least part of the condensed and further cooled carrier medium can be fed directly to a consumer via a removal connection 40.
  • the carrier medium is seawater
  • the salts contained precipitate out during evaporation, and part of the condensed carrier medium can be used as drinking water or for irrigation.
  • the non-removed part of the condensed and further cooled carrier medium is fed to a buffer 41, for example a water tank, which is also arranged substantially at the level of the second aggregate state changer 33.
  • a buffer 41 for example a water tank, which is also arranged substantially at the level of the second aggregate state changer 33.
  • Energy form at a desired time This also includes an increased extraction of the desired form of energy at peak load times, and / or a temporally uniform distribution of recovery of the desired form of energy, if the supplied heat energy is available only at certain times and therefore condensate can be obtained only at certain times.
  • the condensed and further cooled carrier medium is then dropped as needed through a downcomer so that it occurs on and drives a turbine 35.
  • a decompression of the carrier medium can be used to drive the turbine 35. It is understood that the turbine 35 or another turbine only to use the
  • Decompression energy could also be arranged at the height of the cooling units 33.
  • the turbine 35 may be mechanically coupled by means of axle and gear to the compressor 301 and thus drive it to compress the carrier medium.
  • the rotational energy generated by the turbine 35 may either be used directly by a consumer, and / or supplied to a generator 42 for generating electrical energy.
  • the electrical energy can in turn either be supplied directly to a consumer, or be used for a further energy conversion 43, such as for the production of hydrogen or oxygen.
  • the condensed carrier medium After the condensed carrier medium has driven the turbine 35, it can be temporarily stored in a further intermediate store 44, in order then to be fed again to the evaporator in a closed circuit.
  • a removal of distilled carrier medium via a removal connection can also take place before or after the second temporary storage 44, so that a larger amount of carrier medium is available for driving the turbine.
  • the carrier medium leaving the turbine 35 and stored in the intermediate memory 44 has the lowest temperature of carrier medium in the system, and thus represents a cold pole.
  • Cooling circuits with cooling units 33 and heat recirculation can be brought to its flow temperature, for example, at this point by means of the carrier medium.
  • the transport medium can be cooled there, for example by means of a heat exchanger, or replaced by the carrier medium.
  • Cooling circuits can be included in the cooling units 33, a heat pump is generally no longer required. However, the use of a heat pump is still possible in some embodiments, for example, for exchanging heat between the transport medium and the cold pole, or for adjusting the temperature of the cold pole.
  • the circulation condensed carrier medium As far as the circulation condensed carrier medium was removed, it is additionally supplied to the evaporator 32 from external again, for example in the form of further seawater.
  • FIG. 5 shows further possible modifications of the device of FIG. 2.
  • the same components have been given the same reference numerals as in FIG. 2.
  • an evaporation chamber 12, a building 10 with a cavity 11, cooling units 13, a downpipe 14, a turbine 15 and heat recirculation 16 are again arranged as in the example of Figure 2.
  • the apparatus of Figure 5 operates much like the apparatus of Figure 2.
  • only the carrier medium is already compressed immediately after the conversion into a gaseous carrier medium.
  • the already compressed gaseous carrier medium rises in the cavity 11 in the building until it reaches the first of the cooling units 13. This allows the building to have a smaller diameter for the same flow of carrier medium as in FIG.
  • FIG. 6 largely corresponds to the representation in FIG. 4, to the description of which reference is made.
  • the compressor 302 is disposed between the evaporator 32 and the building 30 as in FIG. 6, however, the compressor 302 is disposed between the evaporator 32 and the building 30 as in FIG.
  • a generation of heating heat can be provided by means of mechanical energy supplied by the turbine 35 or by means of electrical energy supplied by the generator 42.
  • the mechanical generation of heat can be done by means of friction.
  • This heat can then be fed into the carrier medium at one or more points of the system.
  • One example is a feed of heat energy into the evaporator 32.
  • electrical energy supplied by the generator 42 may be utilized to operate the compressor 302 or other powered components of the apparatus.
  • the method and / or the device for obtaining energy is based on the collection and conversion of
  • the method and / or the device for gaining energy is basically a "heat pipe", however, with decisive changes and extensions.
  • height Ii height Ii
  • this means: one end is located eg on the ground (height h 0 0) and the other end is located at a height h ⁇ > 0 above the ground.
  • Carrier medium can be fed back into the circulation.
  • Collision surface are used to produce a condensation mist / condensate, not necessarily connected to a buffer storage device for the condensate (necessary, for example, in the event of lack of external heat, or to cover Spitzenabbigen or peaks around the condensate delivery buffer), connected to it Downpipe for the condensate, connected to it a turbine with a connected generator, in which the kinetic energy gained from the potential energy of the condensate of the carrier medium via the downpipe can be converted into eg electrical energy (which in turn can be directly converted into heat), not necessarily connected thereto another intermediate storage device for the condensate, and connected back to the evaporation chamber.
  • the heat accumulating in the cooling unit can turn over a
  • Transport medium are introduced into the heating in the evaporation chamber.
  • the carrier medium is not necessarily the only gas within the building of height h except for impurities.
  • the building of height h is additionally filled with a filling medium (primarily air, but also any other gas / Gas mixture is usable) flooded.
  • a filling medium primarily air, but also any other gas / Gas mixture is usable
  • the option of a filling medium results from differences in pressure between the interiors of the process and / or the device and the external environment at different operating temperatures, which are caused by changes in states of aggregation. These can optionally be compensated by filling media, resulting in constructive measures for the design of the structural objects. This results in now, since the filling medium is taken through the carrier medium, at least two
  • a closed circuit for the filling medium which by a return device after removal of the carrier medium in the height h back in
  • an evaporator is provided and on the other hand an open system, where the filling medium is sucked from the outside by the entrainment within the building and discharged after use again to the outside.
  • Sea water is used as a carrier medium in an open pass in the method and / or the device for recovering energy, so simplified evaporates water, dissolved gases are released and salts precipitate.
  • primarily pure water is available, which has already been pumped to the height h by means of the energy obtained without further intermediate steps. This results in again diverse applications and designs (keywords: (drinking) water, irrigation). If e.g. Industrial water or wastewater taken from industry or households, the process results in a process water or wastewater treatment, and a recovery of the residues.
  • the heat of vaporization or enthalpy of vaporization of the particular carrier medium is optionally discussed, which must be applied as latent heat in the state of aggregate change from liquid / solid to gaseous, but is then released again at the reverse transition with sublimation or condensation heat.
  • the same is optionally returned by the above-described return transport by means of cooling unit in the range of the state of liquid state of liquid / solid introduced in gaseous form (see Fig.4).
  • cooling unit in the range of the state of liquid state of liquid / solid introduced in gaseous form (see Fig.4).
  • the energy losses must be additionally introduced during operation from the outside into the evaporator. This also includes the useful energy taken.
  • these embodiments have the advantage of a significantly smaller structural complexity for the gain of energy.
  • the recovery of the heat of vaporization and thus the condensation by spraying / raining / introducing the condensate, which was previously cooled by the cooling unit in a further embodiment, is improved.
  • the condensate can also be replaced by substances that cause the same physical effect.
  • the introduced substance could also be an oil to improve the condensation, which would have the advantage of a simple separation of both substances.
  • carrier medium for all substances (carrier medium (s), transport medium (s)), filling medium (s), energies (heat (s), electrical energy (s), mechanical energy (s), wind (s), kinetic energy (s)) and Physical states in the process and / or the device for obtaining energy are constructive solutions with closed circuits, such as open passages.
  • the return of the recoverable heat in cooling units via optionally closed circuits of a transport medium is organized back into the evaporator.
  • the transport medium in this process may be subject to a change of state of aggregation, but this need not. This would be the case if this part of an embodiment is also implemented as a "heat pipe".
  • a gas is used as the heat transport medium, for example a higher-boiling liquid (eg vegetable or mineral oil, a molten salt or the like), which does not change its state of aggregation while introducing the heat obtained in the respective cooling aggregate.
  • a higher-boiling liquid eg vegetable or mineral oil, a molten salt or the like
  • the heat energy that drives this method and / or device can be taken from any source.
  • Earth geothermal
  • water heat of water
  • air heat of air
  • fossil fuels gas, oil, coal, methane ice etc.
  • nuclear energy fusion or fission
  • sun solar energy
  • the building of the height h coincides with the device for energy / heat production, which drastically reduces the effort and thus the construction and development costs.
  • Physical / technical background to this is the consideration that the energy required for the height transport by means of chimney effect for the carrier medium not necessarily already in the evaporation space (Fig. 2) so concentrated (consequence: high temperatures necessary) must be introduced, but also distributed over the height profile of the building of the height h can be introduced (consequence: only low temperatures necessary, ie only so much pro Altitude meters heat as absolutely necessary).
  • Evaporation or transport energies are analogous.
  • the basic procedure with the following stations The evaporation - with not necessarily sufficient transport energy to bridge the height h, that of the
  • the energy and / or energy sources that we humans need or want to use to shape our environment may be e.g. electrical energy or chemical energy sources or physical energy sources such as e.g.
  • Hydrogen and oxygen from an electrolysis, or pump energy, such as energy for distillation are advantages of this method and / or the device for obtaining energy in the case of the benefit of the input energy sources such as geothermal, heat of the air or water and solar energy, the absolute freedom from emissions to the polluting substances.
  • Thermal power plants such as this method presented here and / or the device for obtaining energy).
  • a Aufwindkraftmaschine is not an essential part of this power plant presented here.
  • the method and / or device for generating energy presented here is not a marine thermal power plant. The heat of seawater is just a solution to the design of the energy source.
  • Heat of the earth is just another solution for designing the energy source.
  • geothermal energy as source energy, it may be considered to include existing wells - e.g. in the
  • FIG. 7 schematically illustrates the structure of another device.
  • the device corresponds to the device described with reference to FIG. However, it became an element of energy conversion, heat generation and
  • Such a device is exemplary for the following designs:
  • the energy obtained by the method and / or device is introduced into a store in the form of heat (FIG. 7) (45). From this, the heat can be brought back into the energy recovery cycle when needed.
  • This heat accumulator can be used as a storage medium in various embodiments, e.g. Iron or other metal, or simply of stone (e.g., basalt, granite, marble, fireclay, etc.), or of a liquid such as e.g. a brine, a molten salt or a
  • the heat recovery such as the reintroduction of the heat of vaporization and optionally also the reintroduction of the base heat of the carrier medium, is realized by a respective heat exchanger.
  • a respective heat exchanger These are each meaningfully interconnected via lines (FIG. 8). So: The one heat exchanger of a respective cooling circuit collects the energy from the vapor or the condensate of the carrier medium - this is the cooling unit - and transmits them into the transport medium. The Other gives these collected
  • passive heat exchangers are preferably used for the heat transport, then, since passive heat exchangers are not ideal, in one embodiment at least one further active heat exchanger for the transfer of the residual heat not transferred by the passive heat exchangers has to be integrated into the evaporation process in order to transfer it , or else it will be in According to a further embodiment, this residual heat is released by a heat exchanger to the environment of the method and / or the device for obtaining energy and then has to be compensated for again by an enlarged by this amount external energy input into the evaporation process.
  • the integration of this active heat exchanger is more meaningful but not necessarily at the evaporator location, where the transmission paths of this residual heat into the evaporation process are short.
  • FIG. 8 An example ( Figure 8) illustrates the heat flow for a first cooling circuit:
  • the heat exchangers are counterflow heat exchanger and carrier and transport medium is water and the flow temperature of the transport medium in the cooler (60) is 7O 0 C and the outflow temperature 100 0 C, the Temperature of the vapor of the carrier medium at the flow of the countercurrent 102 0 C and at the outflow 72 0 C, then the flow temperature of the transport medium in the evaporator 100 0 C and in turn meets a carrier medium of 72 ° C.
  • FIG. 1 principle of the refrigerator
  • FIG. 9 shows the technical-physical principle of the simplified system, method and / or device for obtaining energy in the form of a quadrant diagram, in which the functional groups are shown essentially as transitions between the quadrants. Exceptions are the external energy supply in the form of heat (FIG. 9 (I)) and the consumer (FIG. 9 (2)), which are outside the actual core area of the system and / or device. Furthermore, the generator ( Figure 9 (7)), the memory ( Figure 9 (8)) and the circulation pump for the transport medium
  • the first functional group to be described is the heat exchanger (FIG. 9 (3)), which brings about the phase transition of the carrier medium from liquid to gaseous and represents by its arrangement and function the state gaseous at low pressure at low altitude (quadrant I).
  • the compressor (Fig.9 (4)) now serves to increase the pressure and thus the volume, as the temperature of the gaseous carrier medium. It thus forms the transition from quadrant I to II, in which then the carrier medium continues to be gaseous at a higher temperature and in which it reaches a greater height through the drive pump. Then the heat is removed from the gaseous carrier medium in heat exchangers (FIG. 9 (5)) and the liquid state of matter is thus restored. This heat, yes, the heat of vaporization on higher
  • the energy obtained in the generator can now be supplied to the consumer either this or the memory depending on the consumer's need, in which it can be stored as heat again by conversion, for example, or in other form as already cited.
  • the present after the turbine at a lower pressure cooled carrier medium is now fed back to the evaporating heat exchanger, which also this cycle is closed.

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Abstract

Ein nicht-gasförmiges Trägermedium wird umgewandelt in ein gasförmiges Trägermedium mittels eingebrachter Wärmeenergie, so dass das gasförmige Trägermedium auf eine vorgegebene Höhe aufsteigt. Das gasförmige Trägermediums wird auf der vorgegebenen Höhe mittels eines ersten Wärme des Trägermediums aufnehmenden Kühlkreislaufs in ein nicht-gasförmiges Trägermedium rückumgewandelt. Des Weiteren wird Wärme des rückumgewandelten nicht-gasförmigen Trägermediums mittels eines zweiten Kühlkreislaufs aufgenommen. Die von dem ersten und dem zweiten Kühlkreislauf aufgenommenen Wärme wird dann zur Nutzung für eine Erwärmung des Trägermediums an einer beliebigen geeigneten Stelle rückgeführt.

Description

Verfahren, Vorrichtung und System zum Umwandeln von Energie
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, eine Vorrichtung und ein System zum Umwandeln von Energie.
Ein nicht-gasförmiges Trägermedium kann durch Einbringen von Wärmeenergie in ein gasförmiges Trägermedium umgewandelt werden, so dass das gasförmige Trägermedium aufsteigt. Auf einer vorgegebenen Höhe kann das gasförmigen Trägermediums wieder in ein nicht-gasförmiges Trägermedium rückumgewandelt werden. Die potentielle Energie des rückgewonnenen nichtgasförmigen Trägermedium auf der vorgegebenen Höhe kann dann beispielsweise genutzt werden, um in eine Nutzenergie umgewandelt zu werden, etwa indem das Trägermedium fallengelassen wird um eine Turbine anzutreiben. Alternativ oder zusätzlich kann das rückgewonnenen nicht-gasförmigen
Trägermedium auch als Destillat eines ursprünglichen Mediums zur Nutzung entnommen werden, etwa als Trinkwasser, wenn das ursprüngliche Medium Salzwasser war.
Das Rückumwandeln des gasförmigen Trägermediums in ein nicht - gasförmiges Trägermedium kann durch Kühlung des gasförmigen Trägermediums erfolgen. Die Kühlung kann dabei zum Beispiel dadurch erfolgt, dass ein Transportmedium durch in der vorgegebenen Höhe angeordnete Kühlbereiche geleitet wird und dort Wärme des Trägermediums aufnimmt.
Wenn eine Kühlung mittels eines Transportmediums erfolgt, so kann die von dem Transportmedium aufgenommene Wärme darüber hinaus genutzt werden, um einen Beitrag zu der Erwärmung des Trägermediums zu liefern. Dies hat zur Folge, dass während des Betriebes von außen nur die Verlustenergien, einschließlich der entnommenen Nutzenergien, eingebracht werden müssen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, solche Verfahren sowie entsprechende Vorrichtungen und Systeme weiter zu verbessern.
Es wird ein Verfahren vorgeschlagen, das ein Umwandeln eines nicht-gasförmigen Trägermediums in ein gasförmiges Trägermedium durch eingebrachte Wärmeenergie umfasst, so dass das gasförmige Trägermedium auf eine vorgegebene Höhe aufsteigt. Das Verfahren umfasst ferner ein Rückumwandeln des gasförmigen Trägermediums auf der vorgegebenen Höhe in ein nicht-gasförmiges Trägermedium mittels eines Wärme des Trägermediums aufnehmenden ersten Kühlkreislaufs. Das Verfahren umfasst ferner ein Aufnehmen von Wärme des rückumgewandelten nicht-gasförmigen Trägermediums mittels eines zweiten Kühlkreislaufs. Das Verfahren umfasst ferner ein Rückführen der von dem ersten und dem zweiten Kühlkreislauf aufgenommenen Wärme zur Nutzung für eine Erwärmung des Trägermediums .
Des Weiteren wird eine Vorrichtung vorgeschlagen. Die
Vorrichtung umfasst einen Hohlraum und einen am unteren Ende des Hohlraums angeordneten Verdampfungsraum. Der Verdampfungsräum ist ausgeformt zum Umwandeln eines nichtgasförmigen Trägermediums in ein gasförmiges Trägermedium mittels eingebrachter Wärmeenergie, so dass das gasförmige Trägermedium auf eine vorgegebene Höhe aufsteigt. Die Vorrichtung umfasst ferner einen ersten Kühlkreislauf. Der erste Kühlkreislauf ist ausgeformt zum Rückumwandeln des gasförmigen Trägermediums auf der vorgegebenen Höhe in ein nicht-gasförmiges Trägermedium durch Aufnahme von Wärme des Trägermediums. Der erste Kühlkreislauf ist darüber hinaus ausgeformt zum Rückführen der aufgenommenen Wärme zur Nutzung für eine Erwärmung des Trägermediums. Die Vorrichtung umfasst ferner einen zweiten Kühlkreislauf, ausgeformt zum Aufnehmen von Wärme aus dem rückumgewandelten nicht-gasförmigen Trägermedium und ausgeformt zum Rückführen der aufgenommenen Wärme zur Nutzung für eine Erwärmung des Trägermediums.
Schließlich wird ein System vorgeschlagen, dass eine solche Vorrichtung umfasst, und zusätzlich eine Vorrichtung ausgeformt zum Gewinnen von Wärmeenergie, die der ersten Vorrichtung zur Verfügung gestellt wird.
Es wird also vorgeschlagen, dass vorhandene Wärmeenergie eingesetzt wird, um ein Trägermedium auf eine größere Höhe zu befördern. Dies erfolgt, indem ein nicht-gasförmiges - also festes oder flüssiges - Trägermedium in einen gasförmigen Aggregatzustand versetzt wird und dadurch aufsteigt. Auf einer vorgesehenen Höhe wird das Trägermedium von einem ersten Kühlkreislauf gekühlt, so dass es kondensiert und somit wieder in einen nicht-gasförmigen Aggregatzustand versetzt wird. Der erste Kühlkreislauf entzieht dem Trägermedium somit im Wesentlichen die Verdampfungswärme.
Zusätzlich ist ein zweiter Kühlkreislauf vorgesehen, der dem rückumgewandelten nicht-gasförmigen Trägermedium zusätzliche Basiswärme entzieht. Durch diesen mindestens zweistufigen Ansatz kann dem Trägermedium Wärme in besonders umfassender Weise entzogen werden, so dass das rückgewonnene nicht - gasförmige Trägermedium im Anschluss eine möglichst tiefe Temperatur aufweist. Danach steht das Trägermedium für eine beliebige Nutzung zur Verfügung. Wird das Trägermedium in einem geschlossenen Kreislauf genutzt, so hat die effektive Abkühlung des Trägermediums den Vorteil, dass zur ersten Erwärmung des Trägermediums für die erneute Verdampfung externe Wärmequellen mit Wärmeenergien bei relativ niedrigen Temperaturen nutzbar sind, denn die zur Verfügung gestellte Temperatur muss lediglich geringfügig höher liegen als die Temperatur des Trägermediums im Kaltpunkt der Vorrichtung. Die von den Kühlkreisläufen aufgenommene Wärmeenergie ist nicht dabei verloren, sondern kann an geeigneter Stelle zur weiteren Erwärmung des Trägermediums beitragen.
Wird das Trägermedium dagegen nicht in einem geschlossenen Kreislauf genutzt, sondern nach der Rückumwandlung zumindest teilweise entnommen, so muss für den weiteren Verdampfungsprozess neues Trägermedium nachgefüllt werden. Die von den Kühlkreisläufen aufgenommene Wärmeenergie kann dann an geeigneter Stelle zur Erwärmung des zumindest teilweise neuen Trägermediums beitragen. In diesem Fall hat der effektive Entzug von Wärme aus dem rückgewonnenen nichtgasförmigen Trägermedium vor dessen Entnahme somit den Vorteil, dass ein besonders hoher Anteil von Wärmeenergie in der Vorrichtung verbleibt und weniger Wärmeenergie zusätzlich von außen zugeführt werden muss.
In einem Ausführungsbeispiel wird zur Umwandlung des nicht - gasförmigen Trägermediums in ein gasförmiges Trägermedium dem Trägermedium Wärmeenergie in der folgenden Reihenfolge zugeführt: zunächst Wärmeenergie aus einer externen
Wärmequelle, dann Wärmeenergie aus dem zweiten Kühlkreislauf und schließlich Wärmeenergie aus dem ersten Kühlkreislauf. Vorrichtungsmäßig kann hierzu ein mit einer externen Wärmequelle in Verbindung stehender Wärmetauscher, ein Wärmetauscher des zweiten Kühlkreislaufs und ein Wärmetauscher des ersten Kühlkreislaufs derart angeordnet sein, dass sie geeignet sind, Wärmeenergie in dieser Reihenfolge in das nicht-gasförmigen Trägermedium einzuspeisen. Mit diesem Ausführungsbeispiel wird sichergestellt, dass die von extern zugeführte Wärmeenergie das Trägermedium in einem Stadium erwärmt, zu dem es die niedrigste Temperatur aufweist. Es versteht sich allerdings, dass insbesondere bei Nutzung einer externen Wärmequelle, die hohe Temperaturen zur Verfügung stellt, auch andere Reihenfolgen für die Einspeisung von Wärmeenergie in das Trägermedium gewählt werden können.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird das gasförmige
Trägermedium durch Kompression zwecks Volumenverringerung und Temperaturerhöhung auf einen höheren Druck gebracht .
Durch die Kompression des Trägermediums kann die Wärme aus dem Trägermedium mit einer höheren Temperatur in die
Kühlkreisläufe eingespeist werden. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Rückführung der Wärmeenergie in den Kühlkreisläufen einfacher gestaltet werden kann. Insbesondere kann aufgrund der bei höherer Temperatur anfallenden Wärme auf den Einsatz einer Wärmepumpe verzichtet werden.
Das Komprimieren des gasförmigen Trägermediums kann an beliebiger Stelle erfolgen. Es kann somit unmittelbar nach dem Umwandeln des nicht-gasförmigen Trägermediums in ein gasförmiges Trägermedium erfolgen. Vorrichtungsmäßig können die Kompressionsmittel zu diesem Zweck im Hohlraum unmittelbar anschließend an den Verdampfungsraum angeordnet sein. Das Komprimieren kann alternativ unmittelbar vor dem Rückumwandeln des komprimierten gasförmigen Trägermediums in ein nicht-gasförmiges Trägermedium erfolgen. Vorrichtungsmäßig können die Kompressionsmittel zu diesem Zweck im Hohlraum unmittelbar unterhalb der vorgegebenen Höhe angeordnet sein. Das Komprimieren kann weiter alternativ irgendwo auf dem Weg zwischen dem Umwandeln des nicht- gasförmigen Trägermediums in ein gasförmiges Trägermedium und dem Rückumwandeln des komprimierten gasförmigen Trägermediums in ein nicht-gasförmiges Trägermedium. Vorrichtungsmäßig können die Kompressionsmittel zu diesem Zweck im Hohlraum auf jeder beliebigen Höhe auf der Strecke zwischen dem Verdampfungsraum und der vorgegebenen Höhe angeordnet sein.
Das komprimierte, nicht-gasförmige Trägermedium kann zu einem beliebigen Zeitpunkt wieder dekomprimiert werden. Falls das komprimierte, nicht-gasförmige Trägermedium in einem Kreislauf wieder in ein gasförmiges Trägermedium umgewandelt werden soll, so erfolgt die Dekomprimierung spätestens vor der erneuten Umwandlung. Bei der Dekomprimierung des nicht- gasförmigen Trägermediums kühlt dieses weiter ab. Die bei der
Dekomprimierung freiwerdende Energie kann auf verschiedene Weisen genutzt werden, so dass möglichst wenig Energie verloren geht.
Durch Dekomprimieren des komprimierten gasförmigen
Trägermediums kann beispielsweise eine Turbine angetrieben werden. Dies kann auf der vorgegebenen Höhe erfolgen, aber ebenso auf einer beliebigen anderen Höhe, insbesondere auf einer niedrigeren Höhe. Die beschriebene Vorrichtung kann eine entsprechend ausgeformte Turbine aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann das rückgewonnene nichtgasförmige Trägermedium von einer höheren Höhe auf eine niedrigere Höhe fallengelassen werden und dort mittels seiner kinetischen Energie eine Turbine antreiben. Vorrichtungsmäßig kann zu diesem Zweck ein Fallweg vorgesehen werden, der ausgeformt ist zum Ermöglichen eines Fallenlassens des rückgewonnenen nicht-gasförmigen Trägermediums von einer höheren Höhe auf eine niedrigere Höhe, sowie eine Turbine, die auf der niedrigeren Höhe angeordnet ist und die ausgeformt ist um zumindest durch die kinetische Energie von fallendem Trägermedium angetrieben zu werden.
Die von solchen Turbinen zur Verfügung gestellte Energie kann sowohl verfahrensintern als auch verfahrensextern genutzt werden. Verfahrensintern kann die von einer Turbine zur Verfügung gestellte Energie zum Beispiel genutzt werden, um mittels einer mechanischen Kopplung das Komprimieren des gasförmigen Trägermediums zu unterstützen. Die Kopplung kann beispielsweise zwischen Turbine und Kompressor erfolgen. Alternativ kann die Energie genutzt werden, um nach einer Umwandlung in eine andere Energieform mittels der resultierenden Energie die für das Komprimieren des gasförmigen Trägermediums benötigte Energie zu reduzieren. Für die Umwandlung kann eine Energieumwandlungsanordnung bereitgestellt werden, die die resultierende Energie dann den Kompressionsmitteln zur Verfügung stellt. Alternativ kann die von der Turbine bereit gestellte Energie genutzt werden, um nach einer Umwandlung in Heizenergie, beispielsweise durch eine Energieumwandlungsanordnung, das Trägermedium vor, in oder nach dem Umwandeln von einem nicht-gasförmigen Zustand in einen gasförmiges Zustand zusätzlich zu erwärmen.
Zum Beispiel nachdem das Trägermedium zum Antreiben einer Turbine genutzt wurde, kann das Trägermedium des Weiteren verwendet werden, um ein von mindestens einem der Kühlkreisläufe umfasstes Transportmedium zum Beispiel mittels eines Wärmetauschers wieder zu kühlen.
Alternativ kann ein von mindestens einem der Kühlkreisläufe umfasstes Transportmedium auch gegen nicht-gasförmiges
Trägermedium ausgetauscht werden, zum Beispiel nachdem dieses zum Antreiben der Turbine genutzt wurde. Zu diesem Zweck können entsprechend ausgeformte Austauschmittel vorgesehen werden.
Zwischen der Komprimierung und der Dekomprimierung des Trägermediums kann das Verfahren bei Umgebungsdruck ablaufen. Alternativ kann das Trägermedium zusätzlich während des gesamten Verfahrens einem den Umgebungsdruck übersteigenden Druck unterliegen, der durch das Komprimieren weiter erhöht wird. Der Überdruck kann durch speziell vorgesehene Überdruckmittel eingestellt werden. Hierdurch wird das Volumen des Trägermediums in der gasförmigen Phase verringert, so dass die baulichen Maße der Vorrichtung bei gleichem Durchsatz des Trägermediums reduziert werden können.
Neben dem Trägermedium kann auch ein von mindestens einem der Kühlkreisläufe umfasstes Transportmedium während des gesamten Verfahrens einem den Umgebungsdruck übersteigenden Druck unterliegen. Die Überdruckmittel sind für diesen Fall entsprechend ausgeformt.
In einem Ausführungsbeispiel wird das gasförmige Trägermedium während seines Aufstiegs durch mindestens eine Verengung geführt, beispielsweise durch mindestens eine Düse oder eine beliebige düsenequivalente Anordnung. Bei geeigneter Wahl der eingebrachten Wärmeenergie kann die Erfindung so implementiert werden kann, dass sie vollkommen emissionsfrei ist. Generell kann aber jegliche Energiequelle zur Gewinnung der genutzten Wärmeenergie verwendet werde. So kann die eingebrachte Wärmeenergie aus Erdwärme, Wasserwärme, Luftwärme, einem fossilen Energieträger, einem Kernenergieträger und/oder Sonnenenergie gewonnen werden.
Die Wärmeenergie kann ausschließlich am Ausgangspunkt des aufsteigenden Trägermediums eingebracht werden, vorrichtungsmäßig somit ausschließlich über den Verdampfungsräum. In einem alternativen Ansatz kann die Wärmeenergie aber auch verteilt über die Höhe, die das gasförmige Trägermedium überwindet, in das Trägermedium eingebracht werden.
Die Vorrichtung kann hierzu ein entsprechend angeordnetes Energieeinbringungselement aufweisen. Ein solches Energieeinbringungselement kann selber ein Energiegewinnungselement umfassen, oder aber von einem Energiegewinnungselement mit Energie versorgt werden.
Ein über die Höhe verteiltes Einbringen der Wärmeenergie hat den Vorteil, dass Wärmeenergie auf niedrigerem Temperaturniveau benötigt wird. So kann auf ausgewählten
Höhen oder kontinuierlich entlang der Höhe eines Hohlraums jeweils genau so viel Energie zugeführt werden, dass das Trägermedium bis zum Erreichen der vorgegebenen Höhe im gasförmigen Zustand verbleibt.
Darüber hinaus kann die Erfindung wesentlich kompakter und kostengünstiger implementiert werden, wenn beispielsweise Solarkollektoren als Energiegewinnungs- und -einbringungselemente unmittelbar auf der Hülle eines Hohlraums, in dem das gasförmige Trägermedium aufsteigt, angebracht werden oder gar diese Hülle ganz oder teilweise bilden.
Das Energieeinbringungselement kann einen Hohlraum, in dem das Trägermedium aufsteigt, komplett umschließen, oder beispielsweise im Fall von Solarkollektoren nur auf einer sonnenzugewandten Seite angeordnet sein. Ferner kann sich das Element über die gesamte Höhe des Hohlraums erstrecken oder nur auf einem ausgewählten Höhenabschnitt oder auf mehreren ausgewählten Höhenabschnitten angeordnet sein.
Auch die von mindestens einem der Kühlkreisläufe rückgeführte Wärme kann dementsprechend auch nicht nur einen Beitrag zu der Wärmeenergie leisten, mit der das nicht-gasförmige Trägermedium in ein gasförmiges Trägermedium umgewandelt wird, sondern alternativ oder zusätzlich ebenfalls einen Beitrag zu einer Wärmeenergie, mit der das bereits gasförmige Trägermedium während des Aufstiegs weiter erwärmt wird.
Hierzu kommt insbesondere der erste Kühlkreislauf in Betracht, da dieser die höhere Wärmeenergie bereitstellen kann.
Die Kühlkreisläufe können Wärme des Trägermediums zum
Beispiel dadurch aufnehmen, dass ein Transportmedium im Kühlkreislauf durch in der vorgegebenen Höhe angeordnete Kühlbereiche etwa eines Kühlaggregats geleitet wird. Die Kühlbereiche können dabei durch Schläuche oder sonstige Leitungen gebildet werden. Die Kühlbereiche können dabei so ausgebildet und angeordnet werden, dass sie gleichzeitig zur Ableitung des rückgewonnenen nicht-gasförmigen Trägermediums zu einer vorgesehenen Sammelstelle genutzt werden können. In einer ergänzenden Ausführungsform könnte zur Unterstützung der Rückumwandlung auch ein Stoff unmittelbar in das gasförmige Trägermedium eingebracht werden, beispielsweise durch einen entsprechend ausgebildeten Sammler. Das
Einbringen kann dabei etwa durch Einsprühen oder Einregnen erfolgen. Nachdem der Stoff dem Trägermedium Wärme entzogen und damit die Kondensation unterstützt hat, können Stoff und Trägermedium zur weiteren Verwendung wieder separiert werden. Dies kann beispielsweise auf einfache Weise erfolgen, wenn das Trägermedium Wasser und der Stoff Öl ist. Stattdessen kann aber auch bereits rückgewonnenes Trägermedium in das aufsteigende, gasförmige Trägermedium eingesprüht oder eingeregnet werden. Durch die somit vergrößerte Kollisionsoberfläche für das aufsteigende, noch gasförmige Trägermedium wird die Rückumwandlung ebenfalls unterstützt. Hierbei sollte lediglich sichergestellt werden, dass das eingesprühte oder eingeregnete Trägermedium nicht zurück in den Verdampfungsraum fällt, sondern der beabsichtigten Nutzung zugeführt wird. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Trägermedium erst in einem am oberen Ende abgewinkelten Bereich des Hohlraums eingesprühte oder eingeregnete wird.
Ein Sammler kann eine - gegebenenfalls gekühlte - obere
Begrenzungsfläche des Hohlraums umfassen, die so ausgebildet ist, dass sie das rückumgewandelte nicht-gasförmige Trägermedium beispielsweise über ein Sammelbecken der weiteren Verwendung zuleitet.
In einer beispielhaften Ausführungsform wird das rückgewonnene nicht -gasförmiges Trägermedium vor der weitern Verwendung zwischengespeichert, etwa mittels eines Zwischenspeichers .
Eine Zwischenspeicherung des rückgewonnenen nicht-gasförmigen Trägermediums ist zum Beispiel geeignet, eine Reserve zu liefern für Zeiten in denen keine externe Wärmeenergie zur Verfügung steht. Des Weiteren lassen sich mit einer Zwischenspeicherung Spitzenbedarfe an dem rückgewonnenen nicht-gasförmigen Trägermedium abdecken oder aber Spitzen in der Lieferung des rückgewonnenen nicht-gasförmigen Trägermediums abpuffern.
Die potentielle Energie des rückgewonnenen nicht-gasförmigen Trägermediums auf der vorgegebenen Höhe kann zur Umwandlung in eine zur externen Nutzung gewünschte Energieform eingesetzt werden, beispielsweise mittels des bereits erwähnten Antreibens einer Turbine.
Zu einer Umwandlung der potentiellen Energie des Trägermediums in eine andere Energieform kann die potentielle
Energie also zunächst in kinetische Energie umgewandelt werden. Dies kann erfolgen, indem das rückgewonnene nicht - gasförmige Trägermedium auf einem Fallweg von einer höheren Höhe auf eine niedrigere Höhe fallengelassen wird, etwa durch ein Fallrohr. Die kinetische Energie kann dann in eine andere Energieform umgewandelt werden. Hierzu kann ein Energiewandler, wie eine Turbine mit einem eventuell nachgeschalteten Generator, vorgesehen werden.
Im Endergebnis kann die potentielle Energie in jede beliebige
Energieform umgewandelt werden. Es versteht sich, dass das Umwandeln in eine gewünschte Energieform auch das Speichern in einem gewünschten Energieträger umfasst. In Frage kommen somit unter anderem eine Umwandlung in mechanische Energie, in elektrische Energie, in Energie zur Erzeugung eines chemischen Energieträgers und/oder in Energie zur Erzeugung eines physikalischen Energieträgers.
Auch nach der Umwandlung der potentiellen Energie in eine andere Energieform kann das rückgewonnene nicht-gasförmige Trägermedium bei Bedarf in einem Zwischenspeicher zwischenspeichert werden.
Stattdessen oder im Anschluss kann das rückgewonnene nicht- gasförmige Trägermedium nach der Umwandlung der potentiellen Energie in eine andere Energieform zumindest teilweise in einem geschlossenen Kreislauf weiter eingesetzt werden. Vorrichtungsmäßig wird das Trägermedium hierzu dem Verdampfungsräum wieder zugeführt.
Alternativ oder zusätzlich kann das rückgewonnene nicht - gasförmige Trägermedium auch für eine externe Nutzung entnommen werden.
Durch das Umwandeln des nicht-gasförmigen Trägermediums in ein gasförmiges Trägermedium kann das Trägermedium je nach Zusammensetzung beispielsweise destilliert werden. Das destillierte, rückgewonnene nicht-gasförmigen Trägermediums kann dann vor, nach oder statt der Umwandlung der potentiellen Energie in eine andere Energieform zumindest teilweise über einen Entnahmeanschluss entnommen werden.
Wird zum Beispiel Meereswasser als Trägermedium eingesetzt, so verdampft vereinfacht dargestellt Wasser, gelöste Gase werden frei und Salze fällen aus. Im Kondensationsbereich in der vorgegebenen Höhe steht dann vornehmlich reines Wasser zur Verfügung. Hieraus ergeben sich wieder vielfältige Anwendungs- und Ausführungsmöglichkeiten, wie Trinkwassergewinnung und Bewässerung. Wird Brauchwasser oder Abwasser aus Industrie oder Haushalten als Trägermedium eingesetzt, so kann mittels der Destillation eine
Brauchwasser oder Abwasserreinigung erfolgen, sowie eine Gewinnung der Reststoffe.
Das gasförmige Trägermedium kann in einem Hohlraum aufsteigen, der bis auf eventuelle Verunreinigungen keine weiteren Stoffe beinhaltet. Alternativ kann der Hohlraum aber auch ein Füllmedium umfassen, das von dem aufsteigenden gasförmigen Trägermedium mitgenommen wird. Für das Füllmedium kommt Luft oder jegliches andere Gas oder Gasgemisch in Frage.
Die Verwendung eines Füllmediums erlaubt es, unerwünschte Druckunterschiede zwischen dem Hohlraum und der äußeren Umgebung auszugleichen. Solche Druckunterschiede können sich aufgrund verschiedener Betriebstemperaturen, die durch die
Änderungen der Aggregatzustände des Trägermediums hervorgerufen werden, ergeben. Da das Füllmedium durch das Trägermedium mitgenommen wird, kann ein geschlossener Kreislauf für das Füllmedium vorgesehen werden, in dem das Füllmedium nach Entfernen des Trägermediums in der vorgegebenen Höhe wieder im Verdampfer zur Verfügung gestellt wird. Alternativ kann aber auch ein offenes System vorgesehen werden, in dem das Füllmedium von außen durch die Mitnahme innerhalb des Hohlraums angesaugt wird und nach der Nutzung wieder nach außen entlassen wird.
Generell bieten sich für alle eingesetzten und nicht zur externen Nutzung entnommenen Stoffe, wie Trägermedium, Transportmedium und Füllmedium, sowie für alle nicht zur externen Nutzung entnommenen Energien Ausführungsformen mit geschlossenen Kreisläufen sowie mit offenen Durchläufen an.
Verschiedene Aspekte der Erfindung können mit anderen Worten auch wie folgt beschrieben werden:
Die Beschreibung des hier vorgestellten vereinfachten Verfahrens und/oder der Vorrichtung zum Gewinnen von Energie, insbesondere die Definition der Begriffe und Beschreibungen sind identisch zu denen in der Anmeldung PCT/EP2007/051940 „Verfahren, Vorrichtung und System zur Umwandlung von Energie" des Anmelders Klaus Wolter. Alle Definitionen, Beschreibungen, Begründungen und Zeichnungen werden von dort übernommen. Insbesondere kann jeder Aspekt zitierter Anmeldung in der hier vorliegenden Anmeldung des vereinfachten Verfahrens, der Vorrichtung und des Systems zum Gewinnen von Energie benutzt werden. Bezuggenommen wird auf die Aspekte der Aggregatzustandsänderungen, die Aspekte des Wärmeeintrages in das Trägermedium (beliebige Wärmequelle, also insbesondere auch Sonnenenergie) , den Aspekt der Energiegewinnung durch verfrachten (= heben) einer trägen Masse auf eine größere Höhe im Schwerefeld mittels Ausnutzen des Kamineffektes (also Umwandeln der chaotischen Bewegung der Molekel (= Wärme) des Trägermediums in eine gerichtete gemeinsame Bewegung (= kälterer Wind) durch geometrische Gegebenheiten des Gefäßes (= Gebäude der Höhe h) in dem sich die „warmen" Molekel befinden) , was den Gewinn potentieller Energie darstellt, den Aspekt der Wasserherstellung (Nutz-, Brauch-, Trinkwasser), den Aspekt des Wärmerücktransports, der Wärmerückgewinnung im Verfahren und / oder der Vorrichtung zum Gewinnen von Energie und die Aspekte der Energieumwandlung (Turbine, Generator) , wie die der Speicherung und Zwischenspeicherung der gewonnenen Energien in physikalischen wie auch chemischen Speichermedien.
(Hier sei darauf hingewiesen, daß die voranstehende Aufzählung nur die Kernaspekte aufzählt, was nicht bedeutet, daß die restlichen Aspekte ohne Bedeutung sind. Vielmehr ist diese Beschränkung in der Aufzählung nur als Gedächtnisstütze für Kernaspekte zu verstehen.)
Die Weiterentwicklung und Vereinfachung besteht darin, dass bisher separate Teile des Verfahrens und/oder der Vorrichtung zum Gewinnen von Energie durch eine Erweiterung und andere Prozessführung vollständig überflüssig werden. Dies führt, auch wenn die zu Grunde liegende Idee identisch ist, zu einer anderen bisher nicht bekannten Lösung.
Die Vereinfachung besteht nun darin, dass das gasförmige Trägermedium vor dem Kondensator, jedoch nachdem es die größere Höhe zwecks Einprägens potentieller Energie erreicht hat, komprimiert wird. Die für die Kompression (die
Kompression kann mittels aller bekannten Verfahren und/oder Vorrichtungen mit denen Gas komprimiert werden kann erfolgen; wie z.B. Kolbenpumpen, Membranpumpen, Rotationsverdichter) , die eine Druckerhöhung ist, notwendige Energie wird, da jetzt in dem vereinfachten Verfahren, Vorrichtung und System zum
Gewinnen von Energie der gesamte Zweig bis zur Turbine diese Druckerhöhung sieht, in dieser zurückgewonnen. Die so zurückgewonnene Energie kann in einer Ausführungsform durch eine direkte mechanische Kopplung mittels Achse und optional Getriebe dem Kompressor wieder zugeführt werden. Allerdings kann auch der Umweg über die Wandlung der Bewegungsenergie der Turbine in andere Energieträger gewählt werden, die dann nach entsprechender Rückwandlung dem Kompressor zugeführt werden können (z.B.: Generator - elektrische Energie - Motor) . Dies entspricht einer indirekten Bereitstellung oder Zuführung der Energie für die Kompression.
In einer weiteren Ausführung wird die Kompression des dampfförmigen Trägermediums nicht nach, sondern vor oder während des Höhentransportes des Trägermediums vorgenommen. Also frühestens direkt nach dem Verdampfen im Verdampfer. Dies ist möglich, da der Kamineffekt durch den Vorgang der Kompression nicht beeinflusst wird. Bautechnisch bedeutet dies eine nachhaltige Vereinfachung, da dadurch praktisch alle in Bewegung befindlichen Teile sich im Fußbereich des vereinfachten Verfahrens, Vorrichtung und Systems zum Gewinnen von Energie befinden.
Der Vorteil und damit die Vereinfachung besteht nun darin, dass auf Grund der Druckerhöhung im gasförmigen Aggregatzustand eine Erhöhung des Siede- / Kondensationspunkts stattfindet. Dies ergibt, dass die Verdampfungswärme im Kondensator auf einer höheren Temperatur in das Transportmedium eingespeist wird. Sie steht damit direkt und optimal über das Transportmedium für den Verdampfungsprozess im Verdampfer bereit und muss nicht erst über eine Wärmepumpe auf ein höheres Temperaturniveau verbracht werden.
In einer weiteren Ausführung wird der selbe Effekt der Anhebung der Temperatur dadurch erzielt, dass anders als durch direkte Übertragung der gewonnenen mechanischen Energie von der Flüssigkeitsturbine auf den Gaskompressor zuerst eine
Wandlung über die Flüssigkeitsturbine und den nachgeschalteten Generator in elektrische Energie stattfindet und diese dann über eine elektrische Heizung in das Trägermedium im oder nach dem Verdampfer eingespeist wird. Auch kann die mechanische Energie über Reibung direkt in Wärme umgewandelt und ebenso in das Trägermedium an den benannten Stellen eingekoppelt werden. Auch sind Kombinationen aller dieser Verfahrenswege möglich. In einer weiteren Ausführung wird die Einkopplung dieser Wärme in das Transportmedium vor oder im Verdampfer vorgenommen, was das selbe Resultat zur Folge hat.
Weiterhin ergibt sich bei der Druckminderung in der Turbine eine weitere Abkühlung des dort ja bereits flüssigen Trägermediums. Dies auch durch die dabei stattfindende Siedepunktserniedrigung. Dieser Aspekt stellt die Bereitstellung des Kältepols in dem gesamten vereinfachten Verfahren, Vorrichtung und Systems zum Gewinnen von Energie dar mit dem das Transportmedium auf seine Vorlauftemperatur gebracht wird. Dies wurde im zitierten Verfahren und/oder Vorrichtung zum Gewinnen von Energie durch eine separate Wärmepumpe dargestellt und erreicht, die jetzt wegfallen kann. Lediglich in einer weiteren Ausführungsform wird eine Wärmepumpe oder auch eine steuerbare Kühlvorrichtung zum Einstellen der Temperatur des Kältepols eingesetzt. Bei diesem Einstellungsvorgang transportiert dann die Wärmepumpe Wärmeenergie aus dem Transportmedium vornehmlich in den Kältepol.
In einer weiteren Ausführungsform wird das gesamte vereinfachte Verfahren, Vorrichtung und System zum Gewinnen von Energie auf ein höheres Druckniveau angehoben, um das Volumen der gasförmigen Phase des Trägermediums zu verringern; also alles, was Träger und Transportmedium umfasst. Die bereits beschriebenen Vereinfachungen bleiben davon unberührt sind aber jetzt auf das anderen Grunddruckniveau aufgesetzt. Allerdings kann in einer weiteren Ausführungsform auch nur das Trägermedium im Druck angehoben sein. (Beispiel: Im Fall von Wasser als Trägermedium ergeben bei 1 bar Druck 1 Liter Flüssigkeit ca. 1800 Liter Dampf. Bei 100 bar nur 18 Liter. Allerdings ist dabei die Änderung des Temperaturniveaus, auf dem die Verdampfung stattfindet zu beachten. ) Dies hat wie leicht zu ersehen ist nachhaltig günstigere konstruktive Lösungen zur Folge, da die Anlage kompakter wird.
Im Fall der Ausführung zur Wassergewinnung bestehen nun zwei Unterausführungsformen. Beiden Unterausführungsformen ist aber gemein, dass das Trägermedium einem offenen Durchlauf unterliegt. Auch ist die oben beschriebene Rückführung der Verdampfungswärme Bestandteil. Einziger Unterschied ist, dass in der einen Unterausführung kein Wert auf den Gewinn der Pumpleistung (siehe zitiertes Verfahren und/oder Vorrichtung zum Gewinnen von Energie) gelegt wird, sondern der Gewinn der Energie in anderer Form (z.B: elektrische Energie) bevorzugt wird und in der anderen Unterausführung die Pumpleistung teilweise oder aber vollständig genutzt wird, was dadurch erreicht wird, dass teilweise oder aber ganz auf die Umsetzung der ja gewonnenen potentiellen Energie in den bereits beschriebenen Art und Weisen (siehe zitiertes Verfahren und/oder Vorrichtung zum Gewinnen von Energie) verzichtet wird. Beispielhaft wird dies so ausgeführt, dass die Turbine derart auf der Höhe h (= Pumphöhe) - also nach Gewinn der potentiellen Energie, die die Höhe auf der die Aggregatzustandsänderung des Trägermediums stattfindet darstellt, angeordnet ist, dass die zur Kompression notwendige Energie, die in der Druckerhöhung steckt, zurückgewonnen wird ohne das notwendigerweise auf die potentielle Energie zurückgegriffen wird. Mit anderen Worten und etwas simplifiziert zusammengefasst zeichnet sich das vereinfachte Verfahren, Vorrichtung und System zum Gewinnen von Energie im Vergleich zum Vorgänger durch die Einführung eines Zweiges erhöhten Drucks aus .
Dadurch fällt die Wärmepumpe komplett weg und die Rückführung der Verdampfungswärme wird zugleich deutlich vereinfacht.
Der Kreislauf des vereinfachten Verfahrens, Vorrichtung und Systems zum Gewinnen von Energie lässt sich beispielhaft an Hand eines Träger- wie Transportmediums nehmen wir z.B. Wasser und einer Energiequelle nehmen wir z.B. die Sonnenenergie wie folgt vereinfacht beschreiben:
Wasser wird unter Zufuhr von Sonnenenergie verdampft, wird durch die eingeprägte Wärme in einem geeigneten Gebäude über den Kamineffekt als Dampf auf eine Höhe gehoben (damit ist potentielle Energie gewonnen) , dort wird der Dampf mit einem Kompressor auf einen höheren Druck gebracht (damit fällt die Verdampfungswärme bei einer höheren Siedetemperatur wieder an), mit Hilfe eines Kühlkreislaufes, der die Verdampfungswärme wieder in den Verdampfer transportiert, kondensiert, das unter diesem höheren Druck stehende gekühlte Kondensat wird einer Turbine zugeleitet, in der zumindest die zur Kompression notwendige Energie durch Abbau eben selber Druckerhöhung wieder zurückgewonnen wird, dabei wird gleichzeitig durch den Druckabbau im Kondensat beim Durchfluss durch die Turbine eine weitere Abkühlung erzielt und das so gewonnene kalte Kondensat dem Verdampfer wieder zugeführt. Zudem stellt dieses kalte Kondensat auch den Kältepol für den Kühlkreislauf dar, indem das Wasser des Kühlkreislaufes aus diesem genommen oder durch dieses gekühlt wird bevor es wieder dem Kondensator zugeführt wird. Diese kurze Beschreibung passt mit all ihren Auslegungen auf Ausführungsformen für Aufgabestellungen mit reinem Gewinnen von Energie über Mischformen bis hin zu reinem Gewinnen von Nutzwasser.
In einer weiteren Ausführungsform findet die Umwandlung der Wärmeenergie des Trägermediums über adiabatische Expansion in kinetische Energie mittels Fluss des Trägermediums durch eine oder mehrere Düsen oder düseneguivalente Vorrichtungen statt. Als solche Düse kann zum Beispiel auch der nach dem Verdampfer befindliche Kamin betrachtet werden, wenn dessen Strömungsquerschnitt kleiner als der Strömungsquerschnitt des Volumens im Verdampfer ist. Jede andere Düsenkonstruktion wie konstruktive Anordnungen selbiger in das Verfahren,
Vorrichtung und/oder System zum Gewinnen von Energie, die die Funktion des Umsetzens der Wärmeenergie in Bewegungsenergie zwecks Höhentransports bewirkt, ist ebenso nutzbar.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines beispielhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt:
Fig. 1 schematisch den Aufbau einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 schematisch den Aufbau einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Vorrichtung mit
Variationsmöglichkeiten, Ergänzungsmöglichkeiten und möglichen Details der Vorrichtung aus Figur 1, Fig. 3 ein schematisches Flussdiagram, dass den Betrieb der Vorrichtung aus Figur 2 erläutert;
Fig. 4 ein schematisches Blockdiagram einer beispielhaften, erfindungsgemäßen Vorrichtung; und Fig. 5 schematisch den Aufbau einer beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung mit wetieren Variationsmöglichkeiten, Ergänzungsmöglichkeiten und möglichen Details der Vorrichtung aus Figur 1; Fig. 6 ein schematisches Blockdiagram einer weiteren beispielhaften, erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 7 schematisch den Aufbau einer weiteren beispielhaften erfindungsgemäßen Vorrichtung;
Fig. 8 schematisch eine beispielhafte Verdampfungswärmerückgewinnung in einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 9 ein Quadrantendiagramm eines beispielhaften, erfindungsgemäßen Wärme- Schwerefeldkraftwerks.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einprägen von Energie in ein Medium, die zur effizienten Umwandlung von Energie nutzbar ist.
Die Vorrichtung weist einen Hauptkreislauf für ein Trägermedium auf. Der Hauptkreislauf ist gepunktet dargestellt. Er umfasst im unteren Bereich einen Verdampfungsraum 100, daran anschließend ein Steigrohr 101, wiederum daran anschließend einen oberen Bereich 102 auf einer Höhe h und schließlich ein Fallrohr 103, das den oberen Bereich 102 wieder mit dem Verdampfungsraum 100 verbindet. Das Trägermedium zirkuliert in dem Hauptkreislauf unter Änderung seines Aggregatzustands. Flüssiges Trägermedium wird in dem Verdampfungsraum 100 erwärmt so dass es verdampft und im Steigrohr 101 aufsteigt. Dann wird das gasförmige Trägermedium im oberen Bereich 102 wieder in ein flüssiges Trägermedium umgewandelt. Das flüssige Trägermedium fällt durch das Fallrohr 103 zurück in den Verdampfungsraum 100, wo es erneut dem Kreislauf zugeführt wird. Die Bereiche des Hauptkreislaufs, in dem das Trägermedium in gasförmigem Zustand auftritt sind mit einer geringeren Punktdichte dargestellt als die Bereiche des Hauptkreislaufs, in dem das Trägermedium in flüssigem Zustand auftritt.
Im unteren Bereich des Steigrohrs 101 ist ein Kompressor 110 angeordnet, der mit dem oberen Bereich des Steigrohrs 101 über ein Ventil 111 verbunden ist. Der Kompressor 110 komprimiert das aufsteigende, gasförmige Trägermedium. Während einer Startphase ist das Ventil 111 dabei geschlossen, und der Kompressor 110 arbeitet im Leerlauf bis er seine Nenndrehzahl erreicht. Danach wird das Ventil 111 geöffnet, so dass das komprimierte, gasförmige Trägermedium im Hauptkreislauf zirkulieren kann.
Das Fallrohr 103 ist über ein Ventil 121 mit dem Verdampfungsräum 100 verbunden. Im unteren Bereich des Fallrohrs 103 ist eine Turbine 120 angeordnet. Die Turbine 120 wird durch die kinetische Energie des fallenden, flüssigen Trägermediums angetrieben. Zusätzlich kann die
Turbine 120 durch eine Dekompression des bis dahin noch unter erhöhtem Druck stehenden Trägermediums angetrieben werden. Durch die Dekompression reduziert sich die Temperatur des Trägermediums, das nach dem Antreiben der Turbine 120 seine niedrigste Temperatur aufweist. Während einer Startphase ist das Ventil 121 geschlossen, und die Turbine 120 wird im Kurzschluss betrieben, bis sie ihre Nenndrehzahl erreicht. Danach wird das Ventil 121 für den laufenden Betrieb der Vorrichtung geöffnet. Die Turbine 120 ist mit einem Generator 122 verbunden, über den der Vorrichtung elektrische Energie entnommen werden kann. Turbine 120 und Kompressor 110 sind über eine Achse 130 miteinander gekoppelt, so dass ein Teil der von der Turbine 120 zur Verfügung gestellten mechanischen Energie auch für das Betreiben des Kompressors 110 verwendet werden kann. Je nach Turbinentyp kann die Achse einen nach rechts und links beweglichen Schieber 131 aufweisen, der für einen Druckausgleich sorgen kann.
Neben dem Hauptkreislauf weist die Vorrichtung zwei Kühlkreisläufe auf.
Ein erster Kühlkreislauf umfasst einen als Kondensator eingesetzten Wärmetauscher 200, der unmittelbar anschließend an das Steigrohr 101 in dem oberen Bereich 102 des Hauptkreislaufs angeordnet ist. Der erste Kühlkreislauf umfasst des Weitern einen als Verdampfer eingesetzten Wärmetauscher 201, der in dem Verdampfungsraum 100 des Hauptkreislaufs unmittelbar vor dem Übergang zum Steigrohr 101 angeordnet ist. Ein in dem ersten Kühlkreislauf zirkulierendes Transportmedium wird von dem Kondensator 200 über eine erste Leitung 202 zum Verdampfer 201 und weiter über eine zweite Leitung 203 wieder zurück zum Kondensator 200 umgewälzt. Der Antrieb erfolgt dabei über eine in der zweiten Leitung 203 angeordnete Umwälzpumpe 204. Der Kondensator 200 entzieht dem gasförmigen Trägermedium im oberen Bereich 102 die Verdampfungswärme und wandelt es dadurch wieder in ein flüssiges Trägermedium um. Die Wärme wird über den ersten Kühlkreislauf dem Verdampfer 201 zugeführt, wo sie dem bereits erwärmten aber noch flüssigen Trägermedium die noch erforderliche Wärme zum Verdampfen zuführt. Der Übergang von flüssig zu gasförmig im Bereich des Verdampfers 201 und von gasförmig zu flüssig im Bereich des Kondensators 200 ist jeweils durch eine schräg verlaufende, gestrichelte Linie veranschaulicht.
Zusätzlich umfasst ein zweiter Kühlkreislauf einen als Flüssigkeitskühler eingesetzten Wärmetauscher 300, der ebenfalls im oberen Bereich 102 des Hauptkreislaufs angeordnet ist. Der Flüssigkeitskühler 300 ist dabei, in Flussrichtung des Trägermediums gesehen, dem Kondensator 200 nachgeordnet angeordnet. Der zweite Kühlkreislauf umfasst des Weiteren einen flüssig-flüssig Wärmetauscher 301, der in dem Verdampfungsraum 100 des Hauptkreislaufs angeordnet ist. Der Wärmetauscher 301 ist dabei, in Flussrichtung des Trägermediums gesehen, noch vor dem Verdampfer 201 angeordnet. Ein in dem zweiten Kühlkreislauf zirkulierendes Transportmedium wird aus dem Flüssigkeitskühler 300 über eine erste Leitung 302 zum Wärmetauscher 301 und weiter über eine zweite Leitung 303 wieder zurück zum Flüssigkeitskühler 300 umgewälzt. Der Antrieb erfolgt über eine in der zweiten Leitung 303 angeordneten Umwälzpumpe 304. Der Flüssigkeitskühler 300 entzieht dem bereits flüssigen
Trägermedium auf der Höhe h weitere Wärme und senkt dadurch auch die tiefste, am Kältepol des Hauptkreislaufs auftretende Temperatur des Trägermediums weiter ab. Die von dem Transportmedium aufgenommene Wärme wird über die Leitung 302 dem Wärmetauscher 301 zugeführt, der die Wärme im
Verdampfungsraum 100 wieder an das flüssige Trägermedium überträgt .
Da das auf die Turbine 120 treffende Trägermedium bereits weit heruntergekühlt ist, wird eine mögliche Ableitung von
Wärmeenergie über die Turbine 120 aus der Vorrichtung heraus minimiert . Zusätzlich zu der Wärmeeinkopplung in das Trägermedium über die beiden Kühlkreisläufe erfolgt eine Wärmezufuhr über einen Wärmetauscher 400, dem Wärmeenergie von einer externen Wärmequelle zugeführt wird. Die Wärmeeinkopplung externer Wärmeenergie in das Trägermedium über den Wärmetauscher 400 erfolgt in dem Verdampfungsraum 100 nahe an der Turbine 120 und somit nahe am Kältepol der Vorrichtung. Auf diese Weise kann auch eine externe Wärmequelle, die eine vergleichsweise niedrige Temperatur zur Verfügung stellt, für die Erwärmung des Trägermediums genutzt werden. Der Wärmetauscher 400 kann das Trägermedium beispielsweise direkt erwärmen. Alternativ kann der Wärmetauscher 400 beispielsweise in den Wärmetauscher 301 integriert sein, so dass die Einkopplung der Wärme zunächst in das Transportmedium des zweiten Kühlkreislaufs erfolgt, und erst von dem Transportmedium weiter in das Trägermedium. In diesem Fall erfolgt die Wärmeeinkopplung in das Transportmedium vorteilhafterweise näher an der Leitung 303 als an der Leitung 302, und somit nachdem das Transportmedium die in dem Flüssigkeitskühler 300 aufgenommene Wärme im Wesentlichen wieder an das Trägermedium abgegeben hat .
Schließlich kann noch ein aktiver Wärmetauscher 401 als Hilfsaggregat vorgesehen sein, das bei Bedarf den Kältepol unmittelbar nach der Turbine 120 auf eine gewünschte
Temperatur eingestellt bzw. die Erwärmung des Trägermediums zusätzlich unterstützt.
Mögliche Details, Ergänzungen und Alternativen zu der Vorrichtung aus Figur 1 werden nun mit Bezug auf die Figuren
2 bis 9 beschrieben. In Figur 2 umfasst eine beispielhafte Vorrichtung ein Gebäude 10, das einen Hohlraum 11 aufweist. Der Hohlraum 11 entspricht dabei dem Steigrohr 101 aus Figur 1. Es versteht sich, dass der Hohlraum in einer alternativen Ausbildung auch schräg angeordnet sein könnte, beispielsweise an die Flanke eines Hügels angrenzend. Am unteren Ende des Hohlraums 11 auf der Höhe h = h0 ist ein Verdampfungsraum 12 angeordnet.
Am oberen Ende des Hohlraums 11 ist zunächst ein Kompressor 101 und daran anschließend sind auf der Höhe h = hx
Kühlaggregate 13 angeordnet. Der Kompressor 101 kann dabei beliebig ausgestaltet sein, beispielsweise als Kolbenpumpe, Membranpumpe, Rotationsverdichter, etc. Von den Kühlaggregaten 13 führt ein Fallrohr 14 zu einer Turbine 15 mit einem daran angeschlossenen Generator. Die Turbine 15 steht wiederum in Verbindung mit dem Verdampfungsräum 12. Die Kühlaggregate 13 stehen darüber hinaus über
Wärmerückführungsleitungen 16 mit dem Verdampfungsräum 12 in Verbindung. Kühlaggregate 13 und Wärmerückführungen 16 bilden Elemente von zwei separaten Kühlkreisläufen, die beispielsweise wie in der Vorrichtung in Figur 1 ausgebildet sein können.
In dem Hohlraum ist des Weiteren optional die Turbine eines konventionellen Aufwindkraftwerks 17 angeordnet.
Ein Element 18 zur Wärmeenergiegewinnung ist so angeordnet, dass es dem Verdampfungsräum 11 Wärmeenergie zuführen kann. Ein Beispiel für ein solches Element ist ein Solarkollektor. Anstelle der Sonne kann aber auch jede beliebige andere
Energiequelle von dem Element 18 genutzt werden. Es versteht sich des Weiteren, dass auch eine Mehrzahl solcher Elemente vorgesehen sein kann. Ferner kann auch einfallende Sonnenergie direkt zur Erwärmung genutzt werden.
Schließlich ist ein Element 19 zur Wärmeenergiegewinnung und -einspeisung entlang der Hülle des Hohlraums angeordnet. Das Element 19 kann beispielsweise einen Solarkollektor umfassen.
Figur 3 zeigt ein Flussdiagram, das die prinzipielle Funktionsweise der Vorrichtung aus Figur 2 veranschaulicht.
In dem Verdampfungsraum 12 befindet sich ein Trägermedium in nicht-gasförmigem Aggregatszustand, beispielsweise Wasser als flüssiges Trägermedium.
Dem Verdampfungsraum 12 wird von dem Element 18 zur
Energiegewinnung externe Wärmeenergie zugeführt (Schritt 20) .
Aufgrund der zugeführten Wärmeenergie wird das Trägermedium in einen gasförmigen Aggregatszustand umgewandelt, das heißt, es verdampft und steigt in dem Hohlraum 11 auf.
Das Element 19 bringt über die Höhe des Hohlraums verteilt zur Unterstützung des Aufstiegs zusätzlich Wärmeenergie in das aufsteigende, gasförmige Trägermedium ein, so dass eine Autokondensation vor Erreichung der Kühlaggregate 13 verhindert wird. Dem Verdampfungsraum 12 muss dann nur so viel Energie zugeführt werden, wie für die Umwandlung des nicht-gasförmigen Trägermediums in ein gasförmiges Trägermedium erforderlich ist.
Kurz vor der Höhe h = hi wird das Trägermedium vom dem Kompressor komprimiert, so dass das weiter aufsteigende gasförmige Trägermedium die Kühlaggregate 13 mit erhöhtem Druck erreicht (Schritt 21) .
Auf der Höhe h = hx wird das Trägermedium in den vorherigen Aggregatszustand zurückversetzt (Schritt 22) . Das heißt, der Dampf aus dem Trägermedium wird wieder kondensiert. In dem dargestellten Beispiel wird die Rückumwandlung durch ein erstes der Kühlaggregate 13 veranlasst. Ein solches Kühlaggregat kann zum Beispiel aus einem Netz aus Schläuchen bestehen. Das Netz bietet zum einen eine große
Kollisionsoberfläche, um einen Kondensationsnebel zu erzeugen bzw. zu verdichten. Zum anderen kann durch die Schläuche ein Transportmedium als Kühlmittel fließen, das die Kondensation an dem Netz unterstützt. Das Netz leitet das gewonnene Kondensat in Richtung des Fallrohrs 14 ab. Das zweite der Kühlaggregate 13 entzieht dem Kondensat auf dem Weg zum Fallrohr 14 weitere Wärme und speist diese ebenfalls in ein Transportmedium ein.
Das jeweils erwärmte Transportmedium kann über die
Wärmerückführungsleitungen 16 dem Verdampfungsraum 12 zugeführt werden, um dort den Effekt der eingespeisten Wärmeenergie zu unterstützen und dann in abgekühltem Zustand wieder den Kühlaggregaten 13 zugeführt zu werden (Schritt 23) . Aufgrund des zusätzlich vorgesehenen
Energieeinbringungselements 19 kann die über die Wärmerückführungen 16 von den Kühlaggregaten 13 rückgeführte Wärme zum Verdampfungsraum 12 im laufenden Betrieb eventuell sogar als einzige Energiezufuhr an dieser Stelle ausreichen. Lediglich für die Inbetriebnahme muss dem Verdampfungsraum dann externe Wärme zugeführt werden; oder in den Hohlraum 11 wird bei Inbetriebnahme zunächst nicht-gasförmiges Trägermedium eingesprüht, so dass es zu Beginn erst in dem Hohlraum 11 selber in Dampf umgewandelt wird. Das erwärmte Transportmedium kann das Trägermedium zusätzlich oder alternativ aber auch an anderer Stelle erwärmen, beispielsweise über das Element 19.
Das Trägermedium weist nun aufgrund der überwundenen Höhe hχ~ h0 eine eingeprägte potentielle Energie auf. Es wird durch das Fallrohr 14 nach unten fallen gelassen, so dass aus der potentiellen Energie kinetische Energie gewonnen wird (Schritt 24) .
Diese kinetische Energie lässt sich nun in eine andere, gewünschte Energieform umwandeln (Schritt 25) . Beispielsweise kann das fallende Trägermedium die Turbine 15 antreiben, und die entstehende Rotationsenergie kann dann genutzt werden, um den angeschlossenen Generator zu betreiben und elektrische Energie zu erzeugen.
In dem Bereich vom Kompressor 101 bis zur Turbine 15 unterliegt das Trägermedium einem erhöhten Druck, was in
Figur 2 durch gepunktete Flächen veranschaulicht ist . In dem Trägermedium ist aufgrund dieses Drucks somit zusätzliche Energie gespeichert. Die Turbine 15 kann daher so ausgelegt sein, dass sie zusätzlich durch die Dekompression des sie erreichenden Trägermediums angetrieben wird.
Nachdem das Trägermedium die Turbine 15 angetrieben hat, kann es dann abgekühlt und wieder auf dem ursprünglichen Druckniveau in den Verdampfungsraum 12 geleitet werden (Schritt 26) . Das ursprünglichen Druckniveau kann dabei dem Umgebungsdruck entsprechen, oder einem erhöhten Druckniveau, das es erlaubt, die Vorrichtung aufgrund des so reduzierten Volumens des gasförmigen Mediums kompakter zu gestalten. Das optionale Aufwindkraftwerk 17 kann den aufsteigenden Dampf aus dem Trägermedium zwischen Schritt 20 und Schritt 21 zusätzlich in konventioneller Weise zur Energiegewinnung nutzen.
Einige ausgewählte Details und Variationsmöglichkeiten der
Vorrichtung aus Figur 2 sind in dem in Figur 4 gezeigten
Blockschaltbild dargestellt.
Einem Verdampfer 32, oder allgemeiner einem
Aggregatszustandveränderer, wird ein Trägermedium zugeführt.
Das Trägermedium kann beispielsweise Meerwasser sein. Der
Verdampfer 32 entspricht dem Verdampfungsraum 12 in Figur 2. In dem Verdampfer 32 wird das Trägermedium mittels zugeführter Wärmeenergie verdampft.
Der Dampf steigt in dem Hohlraum eines Gebäudes 30 auf, bis es einen Kompressor 301 erreicht. Der Hohlraum kann zusätzlich ein Füllmedium enthalten, das in einem offenen oder einem geschlossenen Kreislauf von dem Trägermedium mitgenommen wird. Der Kompressor 301 komprimiert das Trägermedium .
Das weiterhin gasförmige Trägermedium steigt weiter auf und erreicht zwei aufeinander folgend angeordnete Kühlaggregate 33. Die Kühlaggregate 33 umfassen einen zweiten Aggregatszustandsveränderer sowie eine weitere Kühleinrichtung. Der zweite Aggregatszustandsveränderer kann beispielsweise dem ersten der Kühlaggregate 13 aus Figur 2 entsprechen, und als aktiver Kondensatsammler zur Unterstützung der Kondensierung eine Kühlung des Dampfes mittels eines Kühlkreislaufs bewirken. Die weitere Kühleinrichtung kann dem zweiten der Kühlaggregate 13 aus Figur 2 entsprechen und dem Kondensat Basiswärme entziehen. Die durch beide Kühlaggregate 13 aufgenommene Wärme wird über Wärmerückführungen dem Verdampfer 32 zugeführt.
Sollen Verdampfung und Kondensation zur Destillation des Trägermaterials eingesetzt werden, so kann zumindest ein Teil des kondensierten und weiter abgekühlten Trägermediums über einen Entnahmeanschluss 40 direkt einem Verbraucher zugeführt werden. Ist das Trägermedium zum Beispiel Meerwasser, so fällen die enthaltenen Salze bei der Verdampfung aus, und ein Teil des kondensierten Trägermediums kann als Trinkwasser oder zur Bewässerung genutzt werden.
Der nicht entnommene Teil des kondensierten und weiter abgekühlte Trägermediums wird einem Zwischenspeicher 41 zugeführt, beispielsweise einem Wassertank, der ebenfalls im Wesentlichen auf der Höhe des zweiten Aggregatzustandsveränderers 33 angeordnet ist. Die Zwischenspeicherung erlaubt eine Gewinnung der gewünschten
Energieform zu einer gewünschten Zeit. Dies schließt auch eine verstärkte Gewinnung der gewünschten Energieform zu Spitzenlastzeiten ein, und/oder eine zeitlich gleichmäßige Verteilung der Gewinnung der gewünschten Energieform, wenn die zugeführte Wärmeenergie etwa nur zu bestimmten Zeiten zur Verfügung steht und daher nur zu bestimmten Zeiten Kondensat gewonnen werden kann.
Das kondensierte und weiter abgekühlte Trägermedium wird dann bedarfsmäßig gesteuert durch ein Fallrohr fallengelassen, so dass es auf eine Turbine 35 auftritt und diese antreibt. Zusätzlich kann eine Dekompression des Trägermediums genutzt werden um die Turbine 35 anzutreiben. Es versteht sich, dass die Turbine 35 oder eine weitere Turbine nur zur Nutzung der
Dekompressionsenergie auch auf der Höhe der Kühlaggregate 33 angeordnet sein könnte. Die Turbine 35 kann mechanisch mittels Achse und Getriebe mit dem Kompressor 301 gekoppelt sein und diesen somit antreiben um das Trägermedium zu komprimieren .
Darüber hinaus kann die von der Turbine 35 erzeugte Rotationsenergie kann entweder direkt von einem Verbraucher genutzt werden, und/oder einem Generator 42 zur Erzeugung elektrischer Energie zugeführt werden. Die elektrische Energie kann wiederum entweder direkt einem Verbraucher zugeführt werden, oder aber für eine weitere Energieumwandlung 43, wie zur Herstellung von Wasserstoff oder Sauerstoff, eingesetzt werden.
Nachdem das kondensierte Trägermedium die Turbine 35 angetrieben hat, kann es in einem weiteren Zwischenspeicher 44 zwischengespeichert werden, um dann erneut in einem geschlossenen Kreislauf dem Verdampfer zugeführt zu werden.
Es versteht sich, dass eine Entnahme von destilliertem Trägermedium über einen Entnahmeanschluss auch vor oder nach dem zweiten Zwischenspeicher 44 erfolgen kann, damit für das Antreiben der Turbine eine größere Menge an Trägermedium zur Verfügung steht.
Das die Turbine 35 verlassende und im Zwischenspeicher 44 gespeicherte Trägermedium weist die geringste Temperatur von Trägermedium in dem System auf, und stellt somit einen Kältepol dar. Das Transportmedium aus mindestens einem der
Kühlkreisläufe mit Kühlaggregaten 33 und Wärmerückführungen kann beispielsweise an dieser Stelle mittels des Trägermediums auf seine Vorlauftemperatur gebracht werden. Das Transportmedium kann dort zum Beispiel mittels Wärmetauscher gekühlt werden oder durch das Trägermedium ausgetauscht werden.
Aufgrund der erhöhten Wärmeenergie, die von den
Kühlkreisläufen in den Kühlaggregaten 33 aufgenommen werden kann, ist eine Wärmepumpe generell nicht mehr erforderlich. Der Einsatz einer Wärmepumpe ist jedoch in einigen Ausführungsbeispielen weiterhin möglich, zum Beispiel zum Austausch von Wärme zwischen Transportmedium und Kältepol, oder zum Einstellen der Temperatur des Kältepols .
Soweit dem Kreislauf kondensiertes Trägermedium entnommen wurde, wird es dem Verdampfer 32 zusätzlich von extern wieder zugeführt, zum Beispiel in Form von weiterem Meerwasser.
Figur 5 zeigt weitere mögliche Abwandlungen der Vorrichtung aus Figur 2. Gleiche Komponenten wurden mit den gleichen Bezugszeichen wie in Figur 2 versehen.
In diesem Ausführungsbeispiel sind ein Verdampfungsraum 12, ein Gebäude 10 mit einem Hohlraum 11, Kühlaggregate 13, ein Fallrohr 14, eine Turbine 15 und Wärmerückführungen 16 wiederum wie in dem Beispiel aus Figur 2 angeordnet.
In der Ausformung entsprechend Figur 5 ist jedoch kein Element 19 zur Wärmeenergiegewinnung und -einspeisung entlang der Hülle des Hohlraums angeordnet, obwohl dieses auch hier vorgesehen sein könnte.
Der wesentliche Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel aus Figur 2 besteht darin, dass zwar ebenfalls ein Kompressor 102 vorgesehen ist, dass dieser aber nun zwischen Verdatnpfungsraum 12 und Gebäude 10 angeordnet ist.
Die Vorrichtung aus Figur 5 arbeitet im Wesentlichen wie die Vorrichtung aus Figur 2. In diesem Fall wird lediglich das Trägermedium bereits unmittelbar nach der Umwandlung in ein gasförmiges Trägermedium komprimiert. Das bereits komprimierte gasförmige Trägermedium steigt im Hohlraum 11 im Gebäude auf, bis es das erste der Kühlaggregate 13 erreicht. Hierdurch kann das Gebäude für den gleichen Durchfluss an Trägermedium wie in Figur 2 einen geringeren Durchmesser aufweisen.
Es versteht sich, dass eine beliebige andere Anordnung des Kompressors zwischen den beiden in Figur 2 und 4 dargestellten Positionen ebenso möglich ist.
Einige ausgewählte Details und Variationsmöglichkeiten der Vorrichtung aus Figur 5 sind in dem in Figur 6 gezeigten Blockschaltbild dargestellt.
Die Darstellung in Figur 6 entspricht weitgehend der Darstellung in Figur 4, auf deren Beschreibung verwiesen wird.
In Figur 6 ist jedoch der Kompressor 302 ähnlich wie in Figur 5 zwischen dem Verdampfer 32 und dem Gebäude 30 angeordnet.
Neben der optionalen mechanischen Rückkopplung zwischen der Turbine 35 und dem Kompressor 302 sind außerdem weitere mögliche systeminterne Rückkopplungen durch gestrichelte Linien angedeutet . So kann beispielsweise eine Erzeugung von Heizwärme mittels mechanischer, von der Turbine 35 gelieferter Energie oder mittels elektrischer, vom Generator 42 gelieferten Energie vorgesehen werden. Die mechanische Erzeugung von Wärme kann etwa mittels Reibung erfolgen. Diese Wärme kann dann an einer oder mehreren Stellen des Systems in das Trägermedium eingespeist werden. Ein Beispiel ist eine Einspeisung der Wärmeenergie in den Verdampfer 32. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise vom Generator 42 gelieferte elektrische Energie genutzt werden, um den Kompressor 302 oder andere strombetriebene Komponenten der Vorrichtung zu betreiben.
In anderen Worten lassen sich einige mögliche Details der Erfindung wie folgt beschreiben, wobei in diesen Ausführungen Kompressionsmittel zwar nicht erwähnt sind, aber jeweils ähnlich wie der Kompressor in Figuren 1, 3, 4 oder 5 vorgesehen sind:
Das Verfahren und / oder die Vorrichtung zum Gewinnen von Energie basiert auf dem Einsammeln und Umsetzen von
Wärmeenergie über den Umweg des Gewinnens potentieller Energie im Schwerefeld einer Masse (Epot - m#g*h; , rd die in die Höhe gehobene Masse in Kilogramm, , cf die
Gravitationskonstante und , h' die Höhe) in Energie und / oder Energieträger, die wir Menschen zur Gestaltung unserer Umwelt benötigen oder zu benötigen glauben.
Die Physik, die hier zum Gewinnen von Energie ausgenutzt wird, ist gegeben durch das Einbringen von Energie in eine Änderung des Aggregatzustandes fest und / oder flüssig in den
Aggregatzustand gasförmig und wieder zurück, sowie durch die Gasdynamik in Form der adiabatischen Expansion, die nach Änderung des Aggregatzustandes in die Gasform stattfindet. Aus der adiabatischen Expansion ergibt sich ein Kamineffekt, der in diesem Verfahren und / oder Vorrichtung eine Rolle spielt. Letztendlich ergibt sich daraus eine Wandlung von Energie in Form von Wärme in im Schwerefeld gespeicherte Energie, die dann wiederum in andere Energieformen umgewandelt werden kann und / oder wird.
Das Verfahren und / oder die Vorrichtung zum Gewinnen von Energie ist vom Grundprinzip her eine "Heat pipe" allerdings mit entscheidenden Veränderungen und Erweiterungen. Diese ist derart im Schwerefeld der Masse angeordnet, dass für eine Bewegung von ihrem einen Ende zu ihrem anderen Ende (= Höhe Ii) Energie für die Überwindung einer Differenz im Potential des Schwerefeldes aufgewandt werden muss. Beispielhaft übertragen auf den Fall , Erde' bedeutet dies: Das eine Ende befindet sich z.B. auf dem Erdboden (Höhe h0 = 0) und das andere Ende befindet sich in einer Höhe h± > 0 über dem Erdboden.
Das funktionale Grundprinzip nach dem das Verfahren und / oder die Vorrichtung zum Gewinnen von Energie abläuft lässt sich wie folgt beschreiben (Fig.4) : Ein Stoff (= Trägermedium) wird mittels von außen eingeprägter Energie in den gasförmigen Aggregatzustand überführt, dann durch den die tragende Rolle spielenden physikalischen Effekt der adiabatischer Expansion auf die Höhe h gefördert und dort in den vorhergehenden Aggregatzustand zurückversetzt (=kondensiert) . Danach steht der Stoff mit eingeprägter potentieller Energie für die Energiegewinnung zur Verfügung. Optional kann er dort in dieser Höhe für eine spätere Nutzung zwischengespeichert werden. Die potentielle Energie kann dann mittels entsprechender Vorrichtungen und / oder Verfahren in andere physikalische wie chemische Energieformen umgewandelt werden, d.h. dem Trägermedium entnommen werden. Nach der Entnahme der potentiellen Energie kann der Stoff optional wiederum zwischengespeichert werden. Danach kann dann optional, wenn in der entsprechenden Ausführungsform geplant, das
Trägermedium in den Kreislauf wieder eingespeist werden.
Zur Umsetzung des Verfahrens und / oder der Vorrichtung zum Gewinnen von Energie wird in einer Ausführung ein Kreislauf mit folgenden Elementen dargestellt (siehe auch Fig.2) : Ein Verdampfungsraum zum Verdampfen eines Trägermediums mittels der eingeprägten äußeren Wärme, daran angeschlossen ein Gebäude einer Höhe h, in dem der Dampf aufsteigen kann und in das auch ein Aufwindkraftwerk eingefügt werden kann, daran angeschlossen in einer Ausführungsform ein Kühlaggregat (=eine Kühlvorrichtung) zum Gewinnen von Kondensat aus dem Dampf des Trägermediums, in einer anderen Ausführungsform wird die Höhe h so ins Verhältnis zu der in das Trägermedium eingeprägten Wärme gesetzt, dass die Abkühlung durch die Aufwärtsbewegung (das ist der physikalische Vorgang des
Umwandeins der Wärme (= mikroskopische Bewegung) in die makroskopische Bewegung, das ist die gleichgerichtete Bewegung der Moleküle/Atome - der Kamineffekt) einen unterkühlten Dampf generiert, daran schließt / schließen sich dann in einer Ausführung Kondensatsammler / Kondensatoren z.B. in Form von Netzen an, die als große
Kollisionsoberfläche dienen, um einen Kondensationsnebel / Kondensat zu erzeugen bzw. weiter zu verdichten, daran nicht notwendigerweise angeschlossen eine Zwischenspeichervorrichtung für das Kondensat (notwendig z.B. für den Fall des Ausbleibens der äußeren Wärme, oder aber um Spitzenabforderungen abzudecken, oder aber um Spitzen in der Kondensatzulieferung abzupuffern) , daran angeschlossen ein Fallrohr für das Kondensat, daran angeschlossen eine Turbine mit angeschlossenem Generator, in der die aus der potentiellen Energie des Kondensats des Trägermediums über den Fall im Fallrohr gewonnene kinetische Energie in z.B. elektrische Energie umgesetzt werden kann (kann wiederum auch direkt in Wärme umgewandelt werden) , daran nicht notwendigerweise angeschlossen eine weitere Zwischenspeichervorrichtung für das Kondensat, und daran angeschlossen wieder der Verdampfungsraum. Hierbei kann die im Kühlaggregat anfallende Wärme wiederum über ein
Transportmedium in die Aufheizung im Verdampfungsraum eingebracht werden.
Zur Umsetzung des Verfahrens und / oder der Vorrichtung zum Gewinnen von Energie sind verschiedene Ausführungen möglich. In dem bisher beschriebenen Verfahren und / oder Vorrichtung ist das Trägermedium nicht notwendigerweise bis auf Verunreinigungen das einzige Gas innerhalb des Gebäudes der Höhe h, in einer weiteren Ausführung ist das Gebäude der Höhe h zusätzlich mit einem Füllmedium (vornehmlich Luft, aber auch jegliches andere Gas / Gasgemisch ist nutzbar) geflutet. Die Option eines Füllmediums ergibt sich durch Druckunterschiede zwischen den Innenräumen des Verfahrens und / oder der Vorrichtung und der äußeren Umgebung bei verschiedenen Betriebstemperaturen, welche durch Änderungen von Aggregatzuständen hervorgerufen werden. Diese können optional durch Füllmedien ausgeglichen werden, woraus sich konstruktive Maßnahmen für das Auslegen der baulichen Objekte ergeben. Hieraus ergeben sich nun, da das Füllmedium durch das Trägermedium mitgenommen wird, mindestens zwei
Ausführungen. Zum einen ein geschlossener Kreislauf für das Füllmedium, welches durch eine Rückführungsvorrichtung nach Entfernen des Trägermediums in der Höhe h wieder im Verdampfer zur Verfügung gestellt wird und zum anderen ein offenes System, wo das Füllmedium von außen durch die Mitnahme innerhalb des Gebäudes angesaugt wird und nach Nutzen wieder nach außen entlassen wird.
Aus weiterem Betrachten des Verfahrens und / oder der Vorrichtung zum Gewinnen von Energie ergibt sich ein weiterer Nutzen. Als Nebeneffekt des Änderns des Aggregatzustandes eines genutzten Stoffes ergibt sich je nach Zusammensetzung desselben eine fraktionierte Destillation. Wird z.B.
Meereswasser als Trägermedium in einem offenen Durchlauf in dem Verfahren und / oder der Vorrichtung zum Gewinnen von Energie eingesetzt, so verdampft vereinfacht dargestellt Wasser, gelöste Gase werden frei und Salze fällen aus. Im Kondensationsbereich in der Höhe h steht dann vornehmlich reines Wasser zur Verfügung, welches ja mittels der gewonnenen Energie bereits ohne weitere Zwischenschritte auf die Höhe h gepumpt wurde. Hieraus ergeben sich wieder vielfältige Anwendungen und Ausführungen (Stichworte: (Trink- ) Wassergewinnung, Bewässerung) . Wird z.B. Brauchwasser oder Abwasser aus Industrie oder Haushalten genommen, so resultiert das Verfahren in einer Brauchwasser oder Abwasserreinigung, sowie einer Gewinnung der Reststoffe.
In weiteren Ausführungsformen wird optional speziell auf die Verdampfungswärme oder Verdampfungsenthalpie des jeweiligen Trägermediums eingegangen, die als latente Wärme bei der Aggregatzustandsänderung von flüssig / fest nach gasförmig aufgebracht werden muss, dann aber beim reversen Übergang bezeichnet mit Sublimations- oder Kondensationswärme wieder frei wird. Selbige wird optional durch den oben bereits beschriebenen Rücktransport mittels Kühlaggregat wieder in den Bereich der Aggregatzustandsänderung von flüssig / fest nach gasförmig eingebracht (s. Fig.4) . Dies führt dazu, dass während des Betriebes von außen in den Verdampfer nur die Verlustenergien zusätzlich eingebracht werden müssen. Dazu gehört ja auch die entnommene Nutzenergie. Insgesamt haben diese Ausführungsformen den Vorteil eines deutlich kleineren baulichen Aufwandes für das Gewinnen der Energie. In einer weiteren Ausführungsform werden die oben genannten Netze durch konstruktive Auslegung und Anordnung von den Kühlbereichen des Kühlaggregats dargestellt, wie z.B. Netze aus Schläuchen, durch die ein Kühlmittel (=Transportmedium) fließt.
In einer weiteren Ausführungsform wird die Rückgewinnung der Verdampfungswärme und damit die Kondensation durch einsprühen / einregnen / einbringen des Kondensats, welches in einer weiteren Ausführungsform vorher durch das Kühlaggregat gekühlt wurde, verbessert. In weiteren Ausführungsformen kann das Kondensat auch durch Stoffe, die den selben physikalischen Effekt bewirken ersetzt werden. (Beispiel: Im Fall eines Trägermediums Wasser könnte der eingebrachte Stoff zur Verbesserung der Kondensation auch ein Öl sein. Dies hätte den Vorteil einer einfachen Separation beider Stoffe.) .
Für alle Stoffe (Trägermedium (en) , Transportmedium (en) ) , Füllmedium (en) , Energien (Wärme (en), elektrische Energie (en), mechanische Energie (en), Wind(e), Bewegungsenergie (en) ) und Aggregatzustände im Verfahren und / oder der Vorrichtung zum Gewinnen von Energie bieten sich konstruktive Lösungen mit geschlossenen Kreisläufen, wie offenen Durchläufen an.
Die Transportmedien, die in diesem Verfahren und / oder Vorrichtung genutzt werden, erfüllen, wie z.B. Katalysatoren in chemischen Reaktionen, nur funktionale Hilfsaufgaben, die aber wiederum für die Darstellung der jeweiligen Ausführungsform funktional notwendig sind. Z.B. wird die Rückführung der in Kühlaggregaten gewinnbaren Wärme über optional geschlossene Kreisläufe eines Transportmediums zurück in den Verdampfer organisiert. Auch kann das Transportmedium in diesem Prozess einem Wechsel des Aggregatzustandes unterliegen, muss dies aber nicht. Dies wäre der Fall, wenn dieser Teil einer Ausführungsform ebenso als "Heat pipe" ausgeführt wird. In einer anderen Ausführungsform wird als Wärmetransportmedium, z.B. eine höher siedende Flüssigkeit (z.B. pflanzliches oder mineralisches Öl, eine Salzschmelze o.a.), ein Gas eingesetzt, das seinen Aggregatzustand unter Einbringung der im jeweiligen Kühlaggregat gewonnenen Wärme nicht ändert.
Die Wärmeenergie, die dieses Verfahren und / oder die Vorrichtung antreibt, kann aus beliebigen Quellen entnommen werden. So z.B. Erde (Erdwärme), Wasser (Wärme des Wassers), Luft (Wärme der Luft) , Fossile Energieträger (Gas, Öl, Kohle, Methaneis etc.), Kernenergieträger (Fusion oder Spaltung) oder Sonne (Sonnenenergie) .
In weiteren Ausführungsformen fällt das Gebäude der Höhe h (=der Kamin) mit der Vorrichtung zur Energie- / Wärmegewinnung zusammen, was den Aufwand und damit die Bau- und Erschließungskosten drastisch senkt. Physikalisch / technischer Hintergrund dazu ist die Überlegung, dass die zum Höhentransport mittels Kamineffekt notwendige Energie für das Trägermedium ja nicht unbedingt bereits im Verdampfungsraum (Fig. 2) also konzentriert (Folge: hohe Temperaturen nötig) eingebracht werden muss, sondern auch verteilt über den Höhenverlauf des Gebäudes der Höhe h eingebracht werden kann (Folge: nur niedrige Temperaturen nötig. D.h. nur so viel pro Höhenmeter heizen wie unbedingt nötig) . Wird also die Vorrichtung zur Energie- / Wärmegewinnung z.B. im Falle eines Solarkollektors derart ausgeführt, so fallen Kollektor und Gebäude der Höhe h zusammen. In jedem anderen Fall, in dem ebenso nur niedrige Ausgangstemperaturen für die
Verdampfungs- bzw. Transportenergien vorliegen gilt analoges. Also ergibt sich auch für diese Ausführungsformen der grundlegende Verfahrensablauf mit den folgenden Stationen: Die des Verdampfens - mit nicht notwendigerweise genügender Transportenergie zum überbrücken der Höhe h, die des
Gewinnens und Einbringens von Energie (Wärme) zwecks des Transports des Trägermediums zum Gewinnen der potentiellen Energie und ausgleichen der Verluste (Das Trägermedium erfüllt hier auch gleichzeitig die Funktion eines Transportmediums für einen möglicherweise temporär überschüssigen Energiegewinn) , die des Kondensierens und Rückgewinnens latenter Energien (selbige latente Energien sind die Verdampfungswärme, wie auch die Wärme des Trägermediums) nach erreichen der Höhe h, selbige werden dann wieder in die Verdampfung eingespeist, wie auch die des Gewinnens der Nutzenergie und die des Rückführens des Trägermediums in den Verdampfer. Auch hier sind alle bereits oben genannten Ausführungen Zwecks Gewinnen von Trinkwasser oder Abwasserreinigung etc., sowie offene und / oder geschlossene Kreisläufe möglich (siehe auch Fig. 4) .
Die Energie und / oder Energieträger, die wir Menschen zur Gestaltung unserer Umwelt benötigen oder zu benötigen glauben, können z.B. elektrische Energie oder chemische Energieträger oder physikalische Energieträger wie z.B.
Wasserstoff und Sauerstoff aus einer Elektrolyse sein, oder auch Pumpenergie, wie Energie zur Destillation. Vorteil dieses Verfahrens und / oder der Vorrichtung zum Gewinnen von Energie ist im Falle des Nutzens der Eingangsenergieträger wie Erdwärme, Wärme der Luft oder des Wassers sowie der Sonnenenergie die absolute Emissionsfreiheit an den die Umwelt verschmutzenden Stoffen.
Zur Abgrenzung :
• Das hier vorgestellte Verfahren und / oder die Vorrichtung zum Gewinnen von Energie ist kein Aufwindkraftwerk (Aufwindkraftwerke gehören zur Gruppe der
Thermikkraftwerke, so wie dieses hier vorgestellte Verfahren und / oder die Vorrichtung zum Gewinnen von Energie) . Ein Aufwindkraftwerk ist ein nicht notwendiger Bestandteil dieses hier vorgestellten Kraftwerks. « Das hier vorgestellte Verfahren und / oder die Vorrichtung zum Gewinnen von Energie ist kein Meereswärmekraftwerk. Die Wärme des Meerwassers ist lediglich eine Lösung zur Gestaltung der Energiequelle.
• Das hier vorgestellte Verfahren und / oder die Vorrichtung zum Gewinne von Energie ist kein Geothermiekraftwerk. Die
Wärme der Erde ist lediglich eine weitere Lösung zur Gestaltung der Energiequelle.
Im Fall der Nutzung von Erdwärme als Quellenergie kann daran gedacht werden, bestehende Schachtanlagen - z.B. im
Ruhrgebiet - zu nutzen. Damit ließen sich die Anfangskosten für die Entwicklung minimieren und zugleich die Bauzeit bis zur ersten Inbetriebnahme verkürzen. Dabei würde die Wärmegewinnung z.B. in den Stollen geschehen und die Schächte wären die Gebäude der Höhe h, und ebenerdig besteht dann zusätzlich die Möglichkeit eines Speichersees für das Kondensat, was als Funktion "Speicherkraftwerk" zur Steuerung und Bedienung der Spitzenlastverteilung dienen kann. Figur 7 veranschaulicht schematisch den Aufbau einer weiteren Vorrichtung. Die Vorrichtung entspricht der mit Bezug auf Figur 4 beschriebenen Vorrichtung. Es wurde jedoch ein Element zur Energiewandlung, Wärmeerzeugung und
Wärmespeicherung 45 - angeordnet zwischen Turbine 35 und/oder Generator 42 einerseits und Verdampfer 32 andererseits - ergänzt. Eine solche Vorrichtung ist beispielhaft für folgende Ausführungen:
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens und / oder der Vorrichtung von Energie wird die durch das Verfahren und / oder Vorrichtung gewonnene Energie in Form von Wärme in einen Speicher eingebracht (Fig. 7) (45) . Daraus ist die Wärme bei Bedarf wieder in den Energiegewinnungskreislauf einbringbar. Dieser Wärmespeicher kann als Speichermedium in diversen Ausführungsformen z.B. Eisen oder ein anderes Metall haben oder aber einfach aus Stein (z.B. Basalt, Granit, Marmor, Schamott etc.), oder aber aus einer Flüssigkeit wie z.B. einer Salzlake, einer Salzschmelze oder aber einer
Metallschmelze bestehen.
Vorteil dieser Art der Zwischenspeicherung ist die erreichbare viel höhere Energiedichte im Vergleich zur Speicherung von Trägermedium und damit Gewicht auf großer
Höhe und daraus ergibt sich ein deutlich geringerer Aufwand. Zugleich ergibt sich dadurch die Möglichkeit der permanenten Wärmezufuhr in den Verdampfungsprozess, was in einigen Ausführungsformen dazu führt, dass kein Unterdruck im Gebäude entsteht; auch dies ergibt etliche bauliche Vorteile.
Am Beispiel von 365 Wärmespeichern aus Basalt (0,84 kJ/kg*K, 3000 kg/m3), die um 6000C erwärmt werden und ein Volumen von jeweils 300x300x300 m3 haben zeigt sich die Kapazität dieses Verfahrens. Die hierin gespeicherte Wärmemenge ergibt sich zu 15.000 Peta Joule, was aufgerundet dem Jahresbedarf der Bundesrepublik Deutschland an Primärenergie im Jahr 2005 entspricht. Diese Wärmemenge ist mittels des hier dargestellten Verfahrens und / oder der Vorrichtung zum Gewinnen von Energie erzeugbar und wieder abrufbar zwecks Nutzung in anderen Energieträgern.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens und / oder der Vorrichtung zum Gewinnen von Energie wird der Wärmerücktransport, wie das erneute Einbringen der Verdampfungswärme und optional auch das erneute Einbringen der Grundwärme des Trägermediums, durch jeweils einen Wärmetauscher realisiert. Diese sind jeweils über Leitungen sinnvoll miteinander verbunden (Fig. 8) . Also: Der eine Wärmetauscher eines jeweiligen Kühlkreislaufs sammelt die Energien aus dem Dampf bzw. dem Kondensat des Trägermediums ein - dieser ist das Kühlaggregat - und überträgt diese in das Transportmedium. Der Andere gibt diese eingesammelte
Energie im Verdampfer wieder an das Trägermedium zwecks verdampfen ab - dieser ist dann der Verdampfer. Diese Wärmetauscher können in verschiedenen Ausführungsformen passiv (= Gegenstrom-, Mitstrom-, Kreuzstromwärmetauscher) und/oder aktiv (= Wärmepumpe) sein.
Wenn in einer Ausführungsform für den Wärmetransport bevorzugt passive Wärmetauscher eingesetzt werden, dann muss, da passive Wärmetauscher nicht ideal sind, in einer Ausführungsform mindestens ein weiterer aktiver Wärmetauscher für die Übertragung der von den passiven Wärmetauschern nicht übertragenen Restwärme zwecks Übertragung dieser in den Verdampfungsprozess integriert werden, oder aber es wird in einer weiteren Ausführungsform diese Restwärme durch einen Wärmetauscher an die Umgebung des Verfahrens und / oder der Vorrichtung zum Gewinnen von Energie abgegeben und muss dann durch eine um diesen Betrag vergrößerte externe Energiezufuhr in den Verdampfungsprozess wieder ausgeglichen werden. Das integrieren dieses aktiven Wärmetauschers geschieht sinnvoller, aber nicht notwendigerweise am Ort des Verdampfers, wo die Übertragungswege dieser Restwärme in den Verdampfungsprozess kurz sind.
Ein Beispiel (Fig.8) verdeutlicht den Wärmefluss für einen ersten Kühlkreislauf: Angenommen die Wärmetauscher sind Gegenstromwärmetauscher und Träger- wie Transportmedium ist Wasser und die Vorlauftemperatur des Transportmediums in den Kühler (60) beträgt 7O0C und die Abströmtemperatur 1000C, die Temperatur des Dampfes des Trägermediums am Vorlauf des Gegenstromes 1020C und am Abstrom 720C, so beträgt die Vorlauftemperatur des Transportmediums in den Verdampfer 1000C und die wiederum trifft auf ein Trägermedium von 72°C. Sei nun dieser passive Gegenstromwärmetauscher des
Verdampfers (62) ähnlich dem des Kühlers ausgelegt. Dann liegt am Abstrom ein Trägermedium von 980C vor und ein Transportmedium von 740C. Zugleich kann dieser passive Wärmetauscher aber nur einen Bruchteil der im Transportmedium zwischengespeicherten Energie abführen und so muss, um für den Kühler wieder die für den Betrieb notwendige Vorlauftemperatur von 700C zu erreichen die restliche Wärme aktiv abgeführt und damit die Temperatur des Transportmediums noch um 40C gesenkt werden. Dies geschieht dann mittels einer Wärmepumpe (61) (= Prinzip des Kühlschranks) wobei die Wärme sinnvollerweise derart gepumpt wird, dass sie wieder zwecks Verdampfen in den Verdampfungsprozess einfügbar ist. Figur 9 zeigt das technisch physikalische Prinzip des vereinfachten Systems, Verfahrens und / oder Vorrichtung zum Gewinnen von Energie in Form eines Quadrantendiagramms, in dem die Funktionsgruppen im Wesentlichen als Übergänge zwischen den Quadranten dargestellt sind. Ausnahmen sind die externe Energiezufuhr in Form von Wärme (Fig.9 (I)) und der Verbraucher (Fig.9 (2)), die außerhalb des eigentlichen Kernbereichs des Systems Verfahrens und / oder Vorrichtung liegen. Des Weiteren der Generator (Fig.9 (7)), der Speicher (Fig.9 (8)) und die Umwälzpumpe für das Transportmedium
(Fig.9 (H)), die Wärmerückgewinnung, wie die Kernpumpe des Systems, Verfahrens und / oder Vorrichtung, die eigentliche Antriebspumpe, die Wärme (Fig.9 (12)), die das Trägermedium im Kreislauf zum Energiegewinnen (Fig.9 (9)) in den Funktionsquadranten I und II an- bzw. auftreibt.
Die erste zu beschreibende Funktionsgruppe ist der Wärmetauscher (Fig.9 (3)), der den Phasenübergang des Trägermediums hier von flüssig nach gasförmig bewirkt und durch seine Anordnung und Funktion den Zustand gasförmig bei niedrigem Druck auf geringer Höhe darstellt (Quadrant I) . Der Kompressor (Fig.9 (4)) dient nun dazu den Druck und damit das Volumen, wie die Temperatur des gasförmigen Trägermediums zu erhöhen. Er bildet damit den Übergang von Quadrant I auf II, in dem dann das Trägermedium weiterhin gasförmig bei höherer Temperatur ist und in dem es auf eine größere Höhe durch die Antriebspumpe gelangt. Darauf wird dem gasförmigen Trägermedium in Wärmetauschern (Fig.9 (5)) die Wärme entzogen und damit der flüssige Aggregatzustand wieder hergestellt. Diese Wärme, die ja die Verdampfungswärme auf höherem
Temperaturniveau, wie die Grundwärme des Trägermediums beinhaltet, wird über jeweils einen Umwälzkreislauf der Wärmen (Fig.9 (10)) mittels des Transportmediums dem Verdampfungsprozess in Wärmetauscherern (Fig.9 (3)) wieder zur Verfügung gestellt. Die nun so gewonnene herunter gekühlte Flüssigkeit wird im Funktionsquadranten III aus der größeren Höhe der Turbine (Fig.9 (6)) zugeführt, die ja auf niedrigerer Höhe angebracht ist und in der die im Druck vorliegende Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Der Druck an der Turbine setzt sich dabei aus der Druckerhöhung, die durch den Kompressor gegeben ist und dem durch die Höhendifferenz gegeben Druck zusammen. Die so gewonnene mechanische Energie wird nun im Funktionsquadrant IV nach Anforderung zum Teil wieder für die Druckerhöhung im Kompressor, wie zum Gewinnen elektrischer Energie im Generator eingesetzt. Die im Generator gewonnene Energie kann nun je nach anfallendem Bedarf beim Verbraucher entweder diesem oder aber dem Speicher zugeführt werden, in dem sie durch Wandlung z.B. wieder als Wärme abgespeichert werden kann oder aber in anderer wie schon zitierter Form. Das nach der Turbine auf niedrigerem Druck vorliegende abgekühlte Trägermedium wird nun dem Verdampfungswärmetauscher wieder zugeführt, womit auch dieser Kreislauf geschlossen ist.
Da die Wärmemenge des gasförmigen Trägermediums durch die Umwandlung von Wärme in kinetische und dann in potentielle Energie abgenommen hat reicht die durch den Umwälzkreislauf zurücktransportierte Wärmemenge nicht aus, um die selbe Menge an Trägermedium zu verdampfen, die aufgestiegen war. Dies wird dann durch die Erhöhung der Basistemperatur des Trägermediums am kühlsten Punkt des Systems, Verfahrens und / oder der Vorrichtung, der am Ausgang der Turbine vorliegt, durch Zufuhr von Wärme ausgeglichen. Ebenso werden alle
Verlustwärmen der realen Bauteile zum Erhöhen der Basistemperatur genutzt. Es versteht sich, dass die beschriebenen Ausführungsformen lediglich Beispiele sind, die im Rahmen der Ansprüche auf vielfältige Weise modifiziert und/oder ergänzt werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren umfassend:
Umwandeln eines nicht-gasförmigen Trägermediums in ein gasförmiges Trägermedium mittels eingebrachter Wärmeenergie, so dass das gasförmige Trägermedium auf eine vorgegebene Höhe aufsteigt;
Rückumwandeln des gasförmigen Trägermediums auf der vorgegebenen Höhe in ein nicht-gasförmiges Trägermedium mittels eines Wärme des Trägermediums aufnehmenden ersten Kühlkreislaufs;
Aufnehmen von Wärme des rückumgewandelten nichtgasförmigen Trägermediums mittels eines zweiten Kühlkreislaufs; und Rückführen der von dem ersten und dem zweiten Kühlkreislauf aufgenommenen Wärme zur Nutzung für eine Erwärmung des Trägermediums .
2. Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend:
Komprimieren des gasförmigen Trägermediums.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, umfassend:
Fallenlassen des rückgewonnenen nicht-gasförmigen Trägermediums von einer höheren Höhe auf eine niedrigere Höhe derart, dass das nicht-gasförmigen Trägermedium auf der niedrigeren Höhe eine Turbine antreibt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zur Umwandlung des nicht-gasförmigen Trägermediums in ein gasförmiges Trägermedium dem Trägermedium Wärmeenergie in der folgenden Reihenfolge zugeführt wird: aus einer externen Wärmequelle; aus dem zweiten Kühlkreislauf; und - aus dem ersten Kühlkreislauf.
5. Vorrichtung umfassend: einen Hohlraum; einen am unteren Ende des Hohlraums angeordneten Verdampfungsräum, ausgeformt zum Umwandeln eines nichtgasförmigen Trägermediums in ein gasförmiges Trägermedium mittels eingebrachter Wärmeenergie, so dass das gasförmige Trägermedium auf eine vorgegebene Höhe aufsteigt ; - einen ersten Kühlkreislauf, ausgeformt zum Rückumwandeln des gasförmigen Trägermediums auf der vorgegebenen Höhe in ein nicht-gasförmiges Trägermedium durch Aufnahme von Wärme des Trägermediums und ausgeformt zum Rückführen der aufgenommenen Wärme zur Nutzung für eine Erwärmung des Trägermediums; und einen zweiten Kühlkreislauf, ausgeformt zum Aufnehmen von Wärme aus dem rückumgewandelten nicht-gasförmigen Trägermedium und ausgeformt zum Rückführen der aufgenommenen Wärme zur Nutzung für eine Erwärmung des Trägermediums.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, ferner umfassend:
Kompressionsmittel, ausgeformt zum Komprimieren des gasförmigen Trägermediums.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, umfassend: einen Fallweg, ausgeformt zum Ermöglichen eines Fallenlassens des rückgewonnenen nicht-gasförmigen Trägermediums von einer höheren Höhe auf eine niedrigere Höhe ; und eine Turbine angeordnet auf der niedrigeren Höhe und ausgeformt um zumindest durch die kinetische Energie von fallendem Trägermedium angetrieben zu werden.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7 wobei ein mit einer externen Wärmequelle in Verbindung stehender Wärmetauscher, ein Wärmetauscher des zweiten Kühlkreislaufs und ein Wärmetauscher des ersten Kühlkreislaufs derart angeordnet sind, dass sie geeignet sind, Wärmeenergie in dieser Reihenfolge in das nicht-gasförmigen Trägermedium einzuspeisen.
9. System umfassend eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8 sowie mindestens eine Vorrichtung ausgeformt zum Gewinnen von Wärmeenergie, die der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 zur Verfügung gestellt wird.
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