DE102007006512A1 - Method for energy storage e.g., wind power or solar energy, involves supplying thermal energy from thermal reservoir to heat collector - Google Patents
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Abstract
Description
GEGENSTAND DER ERFINDUNGSCOPE OF THE INVENTION
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Verfahren zur Energiespeicherung und zur gesteuerten Wärmeenergieumwandlung sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zur Energiespeicherung bei der Gewinnung erneuerbarer Energien, wie z.B. Solar- und Windenergie, um überschüssige Energie zu speichern und bei Bedarf wieder freizugeben, sowie zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bzw. elektrische Arbeit. Dabei wird Wärmeenergie aus beliebigen Wärmequellen verwendet, wobei auch alternative Energien bzw. Energiequellen zum Einsatz kommen können. Die Temperatur der Wärmequelle kann dabei auch unterhalb des Gefrierpunkts des Wassers liegen, insofern ein weiteres, kälteres Wärmereservoir zur Verfügung steht.The The present invention generally relates to methods of energy storage and for controlled heat energy conversion and devices for carrying out this procedure. In particular, the invention relates to methods and energy storage devices for the production of renewable energy Energies, such as Solar and wind energy to save excess energy and release as needed, as well as for the conversion of heat energy in mechanical energy or electrical work. This is heat energy from any heat sources used, with alternative energy or energy sources for Use can come. The temperature of the heat source can also be below the freezing point of the water, insofar another, colder heat reservoir to disposal stands.
HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND THE INVENTION
Energie wird heutzutage aus fossilen Brennstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle), aus Kernenergie, Wasserkraft oder auch aus den sogenannten regenerativen Energien (Windenergie, Solarenergie, Biogas, Erdwärme usw.) "gewonnen". Kraftfahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge werden fast ausschließlich mit fossilen Brennstoffen betrieben. Bei der sogenannten regenerativen Energiegewinnung ist eine kontinuierliche Energieentnahme nicht gewährleistet, wie beispielsweise im Fall von Stürmen und Windflauten bei Windkraftwerken oder im Fall von trübem Wetter oder Dunkelheit bei Solaranlagen.energy is nowadays made of fossil fuels (oil, natural gas, coal), nuclear energy, Hydropower or from the so-called renewable energies (Wind energy, solar energy, biogas, geothermal, etc.) "won". Motor vehicles, ships and aircraft become almost exclusively operated with fossil fuels. In the so-called regenerative Energy production is not a continuous energy withdrawal guaranteed such as in the case of storms and wind storms in wind power plants or in the case of cloudy Weather or darkness in solar systems.
In modernen Wärmekraftwerken wird Wasserdampf mit hoher Temperatur und hohem Druck erzeugt, der sich dann in einer Dampfmaschine oder Dampfturbine entspannt. Dabei wird Arbeit verrichtet und der Dampf kühlt sich ab.In modern thermal power plants is generated water vapor with high temperature and high pressure, the then relax in a steam engine or steam turbine. there work is done and the steam cools down.
Der
Wirkungsgrad η einer
Wärmekraftmaschine
lässt sich
folgendermaßen
bestimmen: 
- Tk
- Temperatur des unteren (kalten) Wärmereservoirs bzw. Wärmebehälters
- Tω
- Temperatur des oberen (warmen) Wärmereservoirs bzw. Wärmebehälters.
- T k
- Temperature of the lower (cold) heat reservoir or heat tank
- T ω
- Temperature of the upper (warm) heat reservoir or heat tank.
Mit Θk = Tk – 273 =
10°C und Θω =
Tω – 273 =
170°C ergibt
sich beispielsweise ein theoretischer Wirkungsgrad von 36 %. Der
Rest (64 %) bleibt ungenutzt und fällt als Abwärme an. Bei Vergrößerung der
Temperaturdifferenz verbessert sich der Wirkungsgrad; ein Wirkungsgrad
von 100% ist jedoch prinzipiell nicht erreichbar. Die eingespeiste
Energie E besteht somit aus vollständig umwandelbarer Energie,
der sogenannten Exergie EE, und aus nichtumwandelbarer
Energie, der sogenannten Anergie EA:
In der Thermodynamik wird statt des Begriffs Anergie EA die Wärmemenge TdS benutzt, die mit unter auch als Entropieterm bezeichnet wird. Die Entropie S beschreibt die Qualitätsminderung von Energie, das aber wenig anschaulich ist, sodass hier weiterhin von Anergie gesprochen werden wird.In thermodynamics, instead of the term anergy E A, the quantity of heat TdS is used, which is also referred to below as the entropy term. The entropy S describes the reduction in quality of energy, which is not very descriptive, so that here continues to be spoken of anergy.
Wie das vorstehende Beispiel zeigt, ist die Energieumwandlung von Wärme in mechanische Arbeit durch Zwangsanfall von Anergie mit einem schlechten Wirkungsgrad behaftet. Darüber hinaus wird die Umwelt durch beträchtliche Mengen an Kohlendioxid, ggf. Schwefeldioxid, und andere Umweltgifte oder radioaktive Stoffe verschmutzt bzw. geschädigt, die bei der Erzeugung anfallen.As The example above shows the energy conversion from heat to mechanical Work by forced attack of anergy with a poor efficiency afflicted. About that In addition, the environment is characterized by considerable amounts of carbon dioxide, possibly sulfur dioxide, and other environmental toxins or radioactive substances dirty or damaged, incurred in the production.
Bekannt
ist auch die "chemische
Speicherung" von
elektrischer Energie, wie das z.B. in Akkumulatoren der Fall ist.
Der Bleiakkumulator ist wohl der am weitesten verbreitete elektrische
Speicher. Die recht komplexen Elektrodenvorgänge lassen sich vereinfacht
folgendermaßen
darstellen: 
Technisch wird das Prinzip so umgesetzt, dass eine Bleielektrode und eine Bleidioxid-Elektrode in Schwefelsäure eintauchen. Beim Schließen des Stromkreises wird elektrische Energie frei, die zum Verrichten von Arbeit nutzbar gemacht werden kann (ΔH0 = –506,2 kJ/mol). Es bildet sich unlösliches Blei-(II)-Sulfat. Zur Wiederaufladung muss an die Elektroden eine äußere Spannung von mehr als 0,3588 + 1,6913 = 2,0501 V angelegt werden, um die chemischen Prozesse gemäß den Gleichungen 3 und 4 umzukehren, sodass insgesamt gemäß Gleichung 5 das Bleisulfat wieder in Blei und Bleidioxid verwandelt wird.Technically, the principle is implemented so that a lead electrode and a lead dioxide electrode immersed in sulfuric acid. When closing the circuit, electrical energy is released, which can be harnessed to perform work (ΔH 0 = -506.2 kJ / mol). It forms insoluble lead (II) sulfate. For recharging, an external voltage of more than 0.3588 + 1.6913 = 2.0501 V must be applied to the electrodes to reverse the chemical processes according to equations 3 and 4, so that in total the lead sulphate returns to lead and according to equation 5 Lead dioxide is transformed.
Der Bleiakkumulator erzeugt keine elektrische Energie, d.h. die dem Akkumulator entnommene Energie muss vorher erst als elektrische Energie eingespeist werden. Aufgrund des elektrischen Widerstandes gehen zwangsläufig beträchtliche Mengen an Energie beim Laden und Entladen des Akkumulators verloren.Of the Lead-acid battery does not generate electrical energy, i. the the Accumulator extracted energy must first as electrical Energy to be fed. Due to the electrical resistance inevitably go considerable Amounts of energy lost when charging and discharging the battery.
Mit Ausnahme der Kernenergie sowie der Erdwärme stammt letztendlich jede Energieform, die auf der Erde genutzt wird, unmittelbar oder mittelbar von der Sonne. Jedoch steht die Energie der Sonne nicht kontinuierlich zur Verfügung, denn nachts sowie im Winter muss auf Energiespeichersysteme zurückgegriffen werden.With The exception of nuclear energy and geothermal energy ultimately comes from each Energy form used on earth, directly or indirectly from the sun. However, the sun's energy is not continuous to disposal, because at night and in winter energy storage systems must be used become.
Ziel der Erfindung ist es, eine bedeutende Lücke zur kontinuierlichen Energieabgabe bei Gewinnung erneuerbarer Energie (wie z.B. Solar- und Windenergie) zu schließen, und zwar durch Speicherung überschüssiger Energie, die bei Bedarf wieder freigeben wird, sowie zur Wärmeenergieumwandlung in mechanische bzw. elektrische Arbeit relativ kalter Wärmequellen, die derzeit nicht genutzt werden können.aim The invention is a significant gap for the continuous release of energy in the production of renewable energy (such as solar and wind energy) close, by storing excess energy, which will release again when needed, as well as for heat energy conversion in mechanical or electrical work of relatively cold heat sources, which currently can not be used.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION
Das erfindungsgemäße zyklische und emissionsfreie Verfahren zum Speichern von Energie und zur Umwandlung dieser Energie in mechanische bzw. elektrische Energie besteht im wesentlichen darin, durch ein geeignetes dynamisches Gleichgewichtssystem Wärmeenergie zu speichern und/oder in mechanische bzw. elektrische Arbeit umzuwandeln.The Cyclic according to the invention and emission-free processes for storing energy and for conversion this energy is in mechanical or electrical energy in the essential in it, by a suitable dynamic equilibrium system Thermal energy to store and / or convert into mechanical or electrical work.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein emissionsfreies und zyklisches Verfahren zum Speichern von Energie bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Zuführen einer Wärmeenergie Q von einem ersten beliebigen Wärmereservoir zu einem Wärmekollektor; b) Separieren eines Speichermediums in mindestens zwei Komponenten mittels der zugeführten Wärmeenergie Q; c) Abgabe einer Wärmemenge, enthaltend den Entropieterm, an ein zweites Wärmereservoir, das eine niedrigere Temperatur als das erste Wärmereservoir aufweist; und d) Speichern der übrigen Energie in Form der mindestens zwei separierten Komponenten, im Text auch Arbeitsmedien genannt.According to one The first aspect of the invention is an emission-free and cyclic Method for storing energy provided, wherein the method the following steps include: a) supplying heat energy Q from a first arbitrary heat reservoir to a heat collector; b) separating a storage medium into at least two components by means of the supplied Thermal energy Q; c) release of heat, containing the Entropieterm, to a second heat reservoir, the lower one Temperature as the first heat reservoir having; and d) storing the rest Energy in the form of at least two separated components, in the Text also called working media.
Optional kann das Verfahren ferner die folgenden weiteren Schritte umfassen: e) Aufbau einer Druckdifferenz zwischen den separierten Komponenten, wobei durch Erwärmen über den Siedepunkt einer Komponente sich der Druckunterschied erhöhen lässt; f) Entspannung der verdampften Komponente in einem Energiewandler, vorzugsweise einer Dampfmaschine oder eine Dampfturbine; g) Kondensation der verdampften Komponente in der zweiten Komponente des Speichermediums, wodurch die Kondensationswärme und die Lösungswärme freigesetzt werden; h) Verwendung der Kondensationswärme und der Lösungswärme bei der Erwärmung der zwei separierten Komponenten bei Schritt e); und i) Zurückführung des rekombinierten Speichermediums zum Wärmekollektor bei Schritt a); und j) Nutzung der nach Schritt d) gespeicherten Energie in Form von Wärme durch Zurückführung der separierten Komponenten.optional the method may further comprise the following further steps: e) establishing a pressure difference between the separated components, by heating over the Boiling point of a component, the pressure difference can be increased; f) Relaxation of the vaporized component in an energy converter, preferably a steam engine or a steam turbine; g) condensation the vaporized component in the second component of the storage medium, whereby the condensation heat and the heat of solution released become; h) use of the heat of condensation and the heat of solution the warming the two separated components at step e); and i) repatriation of the recombined storage medium to the heat collector in step a); and j) using the energy stored after step d) in the form of heat by repatriating the separated components.
Eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von Energie und zur Umwandlung dieser Energie in mechanische bzw. elektrische Energie (in Kombination mit einem Generator), mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren umsetzen lässt, umfasst einen Energiesammler (bestehend aus Wärmekollektor und Kondensator), einen Energiespeicher, einen Reaktor und einen Energiewandler. Beim Wärmeübergang vom Wärmekollektor zum Kondensator des Energiesammlers wird die Exergie mit einem Wirkungsgrad gemäß Gl. 1 im Energiespeicher gespeichert.A first device according to the invention for storing energy and converting that energy into mechanical ones or electrical energy (in combination with a generator), with the process of the invention can be implemented, includes an energy collector (consisting of heat collector and condenser), an energy storage, a reactor and an energy converter. At the Heat transfer from heat collector the condenser of the energy collector is the exergy with an efficiency according to Eq. 1 stored in the energy storage.
Eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung gespeicherter Energie in mechanische bzw. elektrische Energie (in Kombination mit einem Generator), mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren umsetzen lässt, umfasst eine Druckkammer, einen Energiewandler, eine Konzentrierungskammer und eine Verdünnungskammer, die mit der Druckkammer in thermischen Kontakt steht. Die Komponenten sind derart ausgestaltet, angeordnet und über Leitungen miteinander verbunden, dass ein in der Druckkammer erwärmtes erstes Arbeitsmedium im Energiewandler mechanische bzw. elektrische Energie erzeugt, das entspannte erste Arbeitsmedium anschließend in der Verdünnungskammer ein zweites Arbeitsmedium, das aus der Konzentrierungskammer zugeführt wird, verdünnt und die dabei in der Verdünnungskammer freigesetzte Wärmeenergie von dem ersten Arbeitsmedium in der Druckkammer aufgenommen wird.A second inventive device for converting stored energy into mechanical or electrical energy (in combination with a generator), with which the inventive method can be implemented, comprising a pressure chamber, an energy converter, a concentration chamber and a dilution chamber, which is in thermal contact with the pressure chamber. The components are configured, arranged and connected to one another via lines, such that a first working medium heated in the pressure chamber generates mechanical or electrical energy in the energy converter, then the relaxed first working medium dilutes a second working medium, which is supplied from the concentration chamber, in the dilution chamber and the heat energy released thereby in the dilution chamber is taken up by the first working medium in the pressure chamber.
Eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von Energie und zur Umwandlung dieser Energie in mechanische bzw. elektrische Energie (in Kombination mit einem Generator), mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren umsetzen lässt, umfasst einen ersten Kreislauf, der aus einer Verdampfungszone, einem Energiewandler, einer Kondensationszone und einer Pumpe besteht, die jeweils über Leitungen miteinander in fluider Kommunikation stehen, sowie einen davon getrennten zweiten Kreislauf. Dieser zweite Kreislauf besteht aus einer Kammer, in der ein endothermer Prozess abläuft, einem Kondensator, einem Reservoir für das erste Speichermedium, einem Wärmetauscher, einem Reservoir für das zweite Speichermedium, einer Kammer, in der ein exothermer Prozess abläuft, einem Verdünnungsreservoir sowie mindestens einer Pumpe, die jeweils über Leitungen miteinander in fluider Kommunikation stehen. Der Wärmetauscher und die Kammer des zweiten Kreislaufs, in der der exotherme Prozess abläuft, stehen dabei jeweils in thermischer Verbindung mit der Kondensationszone bzw. der Verdampfungszone des ersten Kreislaufs. Über die Kammer, in der der endotherme Prozess abläuft, wird dem System Energie zugeführt, während der Kondensator mit dem kalten Wärmereservoir in thermischer Verbindung steht.A third device according to the invention for storing energy and converting that energy into mechanical ones or electrical energy (in combination with a generator), with the process of the invention can be implemented, comprises a first circuit consisting of an evaporation zone, a Energy converter, a condensation zone and a pump, each over Lines are in fluid communication with each other, as well as one separate second cycle. This second cycle exists from a chamber in which an endothermic process takes place Capacitor, a reservoir for the first storage medium, a heat exchanger, a reservoir for the second storage medium, a chamber in which an exothermic process expires a dilution reservoir and at least one pump, each via lines with each other in fluid communication. The heat exchanger and the chamber of the second cycle, in which the exothermic process takes place in each case in thermal connection with the condensation zone or the evaporation zone of the first cycle. About the Chamber, in which the endothermic process takes place, becomes the system's energy supplied while the condenser with the cold heat reservoir is in thermal communication.
Eine vierte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische bzw. elektrische Energie, mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren umsetzen lässt, umfasst einen mit einem Bypass verbundenen Kreislauf. Der Kreislauf umfasst eine heiße Zone, eine kalte Zone, einen Wärmetauscher und eine Pumpe, die jeweils über Leitungen miteinander in fluider Kommunikation stehen. Außerdem ist die heiße Zone mit der kalten Zone über einen Bypass verbunden. In diesem Bypass befindet sich ein Energiewandler, der optional einen Generator antreibt.A fourth device according to the invention for the conversion of heat energy in mechanical or electrical energy, with which the inventive method can be implemented, includes a circuit connected to a bypass. The circulation includes a hot one Zone, a cold zone, a heat exchanger and a pump, each over Lines are in fluid communication with each other. Besides that is the hot one Zone with the cold zone over connected to a bypass. In this bypass is an energy converter, which optionally drives a generator.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION THE INVENTION
Kernstück der Erfindung ist ein reversibel arbeitender Energiespeicher. Hierzu eignen sich beispielsweise reversible dynamische Gleichgewichtssysteme bzw. Gleichgewichtsreaktionen, insbesondere mit hoher Wärmetönung. Dem Fachmann ist wohlbekannt, dass bei chemischen Gleichgewichtsreaktionen die Lage des Gleichgewichts durch die Wahl der "Randbedingungen" beeinflusst werden kann.Centerpiece of the invention is a reversible working energy storage. Suitable for this purpose For example, reversible dynamic equilibrium systems or Equilibrium reactions, especially with high heat of reaction. the One skilled in the art is well known that in chemical equilibrium reactions the position of equilibrium can be influenced by the choice of "boundary conditions".
Bei einer Gleichgewichtsreaktion findet neben einem Stoffumsatz auch ein Energieumsatz statt. Erfindungsgemäß wird ein reversibler Vorgang, der mit ausgeprägter Wärmetönung abläuft, als Energiespeicher bzw. Wärmespeicher benutzt. Die Reaktion läuft bis zur Einstellung des Gleichgewichts gerichtet ab, dabei wird Energie frei oder aufgenommen. Im Fall der Energieabgabe spricht man von einem exothermen und im anderen Fall von einem endothermen Vorgang.In an equilibrium reaction takes place in addition to a metabolic rate and an energy conversion. According to the invention, a reversible process, which proceeds with pronounced heat of reaction, is used as energy store or heat store. The reaction proceeds until equilibrium is established, releasing or absorbing energy. In the case of energy release one speaks of an exothermic and in the other ren case of an endothermic process.
Wird das Gleichgewicht in die endotherme Richtung verlagert, muss von außen Energie zugeführt werden. Wird dagegen keine Energie zugführt, sinkt die Temperatur des Reaktionsraums. Beim Start der Reaktion hat das Reaktionsgefäß die Temperatur des heißen Wärmereservoirs. Bei einer schnellen endothermen Reaktion kühlt sich das Reaktionsgefäß unter die Umgebungstemperatur ab, und die Reaktion käme zum Stillstand, wenn von der Umgebung keine Energie zugeführt wird. Die Umgebung versucht, die entstandene Asymmetrie auszu gleichen, und kühlt sich dabei selbst ab, oder anders ausgedrückt, die Energie der Umgebung wird im Gleichgewichtssystem gespeichert. Diese gespeicherte Energie wird bei der Umkehrung des Prozesses wieder vom System abgegeben. Ist der Zeitpunkt dieser Rückreaktion frei wählbar, dann lässt sich überschüssige Energie, z.B. des Sommerhalbjahres mittels dieser Methode speichern und dann im Winterhalbjahr freisetzen. Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet also ein Speichersystem zur Speicherung von Energie, um sie dann bei Bedarf wieder freizugeben. Damit wird eine bedeutende Lücke zur kontinuierlichen Energieversorgung bei der Energiegewinnung durch Sonnen- oder Windkraftwerke geschlossen.Becomes the equilibrium shifts to the endothermic direction must be of Outside Energy supplied become. If, however, no energy is supplied, the temperature of the Reaction chamber. At the start of the reaction, the reaction vessel has the temperature of the hot Heat reservoir. In a fast endothermic reaction, the reaction vessel cools down the ambient temperature, and the reaction would come to a halt when off the environment no energy supplied becomes. The environment tries to equalize the resulting asymmetry, and cool itself, or in other words, the energy of the environment is stored in the balance system. This stored energy is returned by the system when the process is reversed. Is the time of this back reaction freely selectable, then lets excess energy, e.g. of the summer half-year using this method save and then release in the winter half-year. The inventive method thus includes a storage system for storing energy and then adding it Need to release again. This is a significant gap to continuous energy supply during energy production through Solar or wind power plants closed.
Eine
bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Der
Energiesammler
Der
Wärmekollektor
Chemisches
Gleichgewicht z.B.:
- Akonz
- konzentrierte Lösung von A
- Averd
- verdünnte Lösung von A
- LM
- Lösungsmittel
Chemical equilibrium eg:
- A conc
- concentrated solution of A
- A verd
- diluted solution of A
- LM
- solvent
Beim
Energiespeicher
AB → A + B +
n kJ: dynamisches Gleichgewichtssystem (Energiespeicher)
Afl. ⇌ Agasf.: DestillationsprozessAt the energy storage
AB → A + B + n kJ: dynamic equilibrium system (energy storage)
A fl. ⇌ A gasf. : Distillation process
Um
beim Beispiel einer Destillation zu bleiben: Dem Speichersystem
wird Energie zugeführt,
wodurch die Komponente A in die Gasphase übergeht, während die Komponente B in der
flüssigen
Phase (bestehend aus AB, A und B) zurückbleibt. Weil die Reaktion
AB ⇌ A
+ B eine Gleichgewichtsreaktion ist, wird mit dem Entzug von A das
Gleichgewicht gestört,
und die Reaktion beginnt bis zur Einstellung neuer Gleichgewichtsbedingungen
gerichtet abzulaufen. Mit der Kondensation der Komponente A am Kondensator
Die
gespeicherte chemische Energie der beiden separierten Komponenten
des Speichersystems wird in einem Wärmewandler, bestehend aus einem
Reaktor
Der
Reaktor
Beispiel 1: Natronlauge/WasserExample 1: Caustic soda / water
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird zunächst
am Beispiel Natronlauge erläutert
(Speichersystem – Natronlauge/Wasser;
Verdünnungsenthalpie
ist exotherm):
Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
dieses Verfahrens ist in
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird der entspannte Wasserdampf über
die Leitungen
Der
Lösungsvorgang
des Wassers in Natronlauge vollzieht sich so schlagartig, dass sich
in den Leitungen
Prozesse im Reaktor:Processes in the reactor:
-
Prozess in der Druckkammer
120 :120 : -
Prozess in den Verdünnungskammern
116 ,118 :116 .118 :
Energiebilanz Reaktor:Energy balance reactor:
-
- Mit:With:
- ΔvapHΔ vap H
- Verdampfungsenthalpieevaporation
- ΔkondH Δcond H
- Kondensationsenthalpiecondensation enthalpy
- ΔsHΔ s H
- VerdünnungsenthalpieVerdünnungsenthalpie
Der Energiebetrag von 369 kJ kg–1 wird in Arbeit umgewandelt. Die Verdampfungsenthalpie und die Kondensationsenthalpie sind unter gleichen Bedingungen betragsidentisch mit umgekehrtem Vorzeichen.The energy amount of 369 kJ kg -1 is converted into work. The enthalpy of vaporization and the enthalpy of condensation are identical under the same conditions with the opposite sign.
Die
verdünnte
Natronlauge wird ausgetauscht, wenn ihr Siedepunkt unter 170°C sinkt,
denn dann kann kein Wasser mehr in dieser Natronlauge kondensieren,
sondern sie beginnt selbst zu sieden. Die heiße verdünnte Natronlauge fließt durch
einen Wärmeaustauscher
Der
verdünnten
Natronlauge wird mittels Wärmekollektor
Der Temperaturunterschied zwischen Wärmekollektor und Kondensator gibt nach Gl. 1 den Wirkungsgrad n der Carnot-Maschine an. Beispielsweise erhält man mit Θk = 10°C und Θω = 200°C einen theoretischen Wirkungsgrad von ca. 40%.The temperature difference between the heat collector and the condenser is given by Eq. 1 the efficiency n of the Carnot machine. For example, with Θ k = 10 ° C and Θ ω = 200 ° C, a theoretical efficiency of about 40% is obtained.
Weil
die Temperatur im Reaktor
Zur Nutzung kälterer Wärmequellen gibt es zwei Möglichkeiten, nämlich eine Druckerniedrigung oder die azeotrope Destillation. Selbstverständlich führt die Verwendung kälterer Wärmequellen zu einer Senkung des Wirkungsgrads.to Use colder heat sources there are two ways namely a reduction in pressure or azeotropic distillation. Of course, the leads Use colder heat sources to a reduction of the efficiency.
Da
es sich um eine geschlossene Apparatur handelt, muss die Wärmeumwandlung
nicht zwangsläufig bei
Normaldruck (1013 mbar) durchgeführt
werden. Durch Druckveränderung
lässt sich
der Siedepunkt der Natronlauge der Temperatur der Wärmequelle
anpassen. Zum Beispiel verschiebt sich der Siedepunkt der Natronlauge
von 240°C
bei Normaldruck auf ca. 90°C
bei 10 mbar. Ebenfalls verschieben sich der Siedepunkt des Wassers
(auf ca. 20°C)
und die Temperatur im Reaktor
Durch Zugabe eines inerten, mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittels werden ebenfalls kalte Wärmequellen nutzbar. Toluol ist ein solches Lösungsmittel. Wasser und Toluol bilden zwei Phasen, wobei nur ca. 0,1% Wasser in der Toluolphase und ebenfalls nur ca. 0,1% Toluol in der Wasserphase löslich sind. Das Toluol-Wasser-Azeotrop siedet mit 85°C und besteht aus 79.8% Toluol und 20,2% Wasser. Dieses Azeotrop kondensiert am Kondensator, es bilden sich schnell zwei Phasen. Während das Toluol zur verdünnten Natronlauge in den Wärmekollektor zurückgeführt wird, wird das Wasser in einem separaten Behälter gesammelt oder in die Verdampfungskammer (Reaktor) geleitet.By adding an inert, water-immiscible solvent are also cold heat usable. Toluene is one such solvent. Water and toluene form two phases, with only about 0.1% water in the toluene phase and also only about 0.1% toluene are soluble in the water phase. The toluene-water azeotrope boils at 85 ° C and consists of 79.8% toluene and 20.2% water. This azeotrope condenses on the capacitor, two phases quickly form. As the toluene is returned to the dilute caustic soda in the heat collector, the water is collected in a separate vessel or sent to the vaporization chamber (reactor).
Die Kombination eines Vakuums und der azeotropen Destillation ermöglicht die Nutzung von Wärmequellen mit einer Temperatur von nur 40°C. Der theoretische Wirkungsgrad sinkt hier auf 9% (mit Θk = 10°C), jedoch stehen viel mehr Wärmereservoire mit dieser Temperatur zur Verfügung als mit 200°C und höher.The combination of a vacuum and the azeotropic distillation allows the use of heat sources with a temperature of only 40 ° C. The theoretical efficiency drops to 9% (with Θ k = 10 ° C), but there are many more heat reservoirs available at this temperature than at 200 ° C and higher.
Darüber hinaus
wird primär
die Energie in Form von Natronlauge und Wasser gespeichert, das
bedeutet, dass die Destillation oder besser nur die Energiespeicherung
mit dem theoretischen Wirkungsgrad von 9% behaftet ist. Bei der
folgenden Umwandlung der gespeicherten Energie in mechanische bzw.
elektrische Arbeit ist der theoretische Wirkungsgrad 100% (praktisch
wird der Wirkungsgrad durch die verwendeten Pumpen und durch Reibung
ein wenig geschmälert).
Denn die gesamte erfindungsgemäße Verrichtung
ist eine Carnot-Maschine,
deren Wirkungsgrad sich nach Gl. 1 bestimmt. Beide Wärmereservoire
befinden Sie im Energiesammler
Energiebilanz Energiesammler Azeotrope Destillation:Energy balance energy collector Azeotropic distillation:
-
Energiebilanz Wärmekollektor: Energy balance heat collector:
-
Energiebilanz Kondensator: Energy balance capacitor:
-
Energiebilanz Energiesammler:
-
Mit:
- ΔvapH
- Verdampfungsenthalpie
- ΔkondH
- Kondensationsenthalpie
- ΔsH
- Verdünnungsenthalpie
- Q
- Wärme
- Δ vap H
- evaporation
- Δcond H
- condensation enthalpy
- Δ s H
- Verdünnungsenthalpie
- Q
- warmth
Der
Energiebetrag
Mit
der Abtrennung des Wassers wird die Natronlauge aufkonzentriert
und damit die Lösungsenthalpie gespeichert.
Die konzentrierte Natronlauge wird dem Kreislauf wieder zugeführt. Um
den geschlossenen Kreislauf zu komplettieren, wird auch das Wasser
zurückgeführt.
Gesamtenergiebilanz: 
- ΔsH
- Lösungsenthalpie
- ΔvapH
- Verdampfungsenthalpie
- Tol
- Toluol
- H2O
- Wasser
Total energy balance:
- Δ s H
- of solution
- Δ vap H
- evaporation
- Tol
- toluene
- H 2 O
- water
Im
Rahmen der bisherigen Beschreibung ist das Wasser sowohl Arbeitsmedium
als auch Reaktionsteilnehmer. Diese beiden Funktionen können von
verschiedenen Substanzen übernommen
werden. Ein Mehrkreislaufsystem, in dem das Wasser nur die Funktion
eines Reaktionsteilnehmers übernimmt,
ist in
Das
Wasser stellt das Arbeitsmedium in dem oberen Kreislauf dar, der
aus einer Verdampfungszone
Der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
Während das
Einkreislaufsystem, d.h. die erfindungsgemäße Vorrichtung in
In
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Beispiel 2: Schwefelsäure/WasserExample 2: sulfuric acid / water
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird jetzt am Beispiel des Systems Schwefelsäure/Wasser erläutert (Speichersystem – Schwefelsäure/Wasser;
Verdünnungsenthalpie
ist exotherm):
Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
dieses Verfahrens ist wiederum die in in
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird der entspannte Wasserdampf über
die Leitungen
Analog
zum Beispiel Natronlauge/Wasser wird auch hier ein Inertgas eingefüllt, um
eine permanente Gasblase in den Leitungen
Damit wird ein Eindringen der Schwefelsäure in den Energiewandler verhindert. Vorzugsweise werden als Inertgas Helium und Wasserstoff eingefüllt.
- Prozess
in der Druckkammer
120 : - Prozess in den Schwefelsäurekammern
116 ,118 :
- ΔvapH
- Verdampfungsenthalpie
- ΔkondH
- Kondensationsenthalpie
- ΔSH
- Verdünnungsenthalpie
- Process in the pressure chamber
120 : - Process in the sulfuric acid chambers
116 .118 :
- Δ vap H
- evaporation
- Δcond H
- condensation enthalpy
- Δ S H
- Verdünnungsenthalpie
Der Energiebetrag von 972 kJ kg–1 wird in Arbeit umgewandelt. Die Verdampfungsenthalpie und die Kondensationsenthalpie sind unter gleichen Bedingungen betragsidentisch mit umgekehrtem Vorzeichen.The energy amount of 972 kJ kg -1 is converted into work. The enthalpy of vaporization and the enthalpy of condensation are identical under the same conditions with the opposite sign.
Die
verdünnte
Schwefelsäure
wird ausgetauscht, wenn deren Siedepunkt unter 170°C sinkt,
denn dann kann kein Wasser mehr in dieser Schwefelsäure kondensieren,
sondern sie beginnt selbst zu sieden. Die heiße verdünnte Schwefelsäure fließt durch
den Wärmetauscher
Analog zum Beispiel 1 (Natronlauge/Wasser) ist mittels Druckänderung und azeotroper Destillation auch der Einsatz kalter Wärmequellen möglich.Analogous for example 1 (caustic soda / water) is by means of pressure change and azeotropic distillation also the use of cold heat sources possible.
Beispiel 3: Ammoniak/WasserExample 3: Ammonia / water
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird jetzt am Beispiel des Systems Ammoniak-Wasser erläutert (Speichersystem – Ammoniak/Wasser;
Lösungsenthalpie
ist exotherm)
Eine
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
dieses Verfahrens ist wiederum die in
Die
konzentrierte Ammoniak-Lösung
wird im Energiesammler
Auch
in diesem Beispiel wird zusätzlich
ein Inertgas eingefüllt,
um eine permanente Gasblase in den Leitungen
- Prozess
in der Druckkammer
120 : - Prozess in der Wasserkammer
116 ,118 : - Mit:
- ΔvapH25
- Verdampfungsenthalpie bei 25°C
- ΔkondH25
- Kondensationsenthalpie bei 25°C
- ΔSolH
- Lösungsenthalpie
- Process in the pressure chamber
120 : - Process in the water chamber
116 .118 : - With:
- Δ vap H 25
- Evaporation enthalpy at 25 ° C
- Δ cond H 25
- Condensation enthalpy at 25 ° C
- Δ Sol H
- of solution
Das
Gleichgewichtssystem Ammoniak/Wasser kann auch mit der in
Der Wirkungsgrad n dieser Wärmekraftmaschine lässt sich analog zu Gl. 1 bestimmen. Mit diesem Verfahren lässt sich keine Energie speichern, sondern nur umwandeln.Of the Efficiency n this heat engine let yourself analogous to Eq. 1 determine. With this method can be do not store energy, just convert.
Neben den in den vorstehenden Beispielen angeführten Gleichgewichtssystemen enthält die Tabelle 2 weitere Beispiele für exotherme Gleichgewichtssysteme.Next the equilibrium systems given in the preceding examples contains Table 2 further examples of exothermic equilibrium systems.
Beispiel 4: Lösen von chemischen Verbindungen in Lösungsmitteln mit positiver LösungsenthalpieExample 4: Release of chemical compounds in solvents with positive solution enthalpy
Das
erfindungsgemäße Verfahren
wird jetzt am Beispiel des Lösens
von Kaliumnitrat (KNO3) in Wasser und einem
separaten Arbeitsmedium (z.B. Dichlormethan) erläutert (Speichersystem – Kaliumnitrat-Wasser/Acetonitril;
Lösungsenthalpie
ist endotherm; die Temperaturabhängigkeit
der Löslichkeit
von Kaliumnitrat in Wasser ist in Tabelle 3 wiedergegeben): 
Zur
Durchführung
des Verfahrens lassen sich die in den
Im
oberen Kreislauf befindet sich das Arbeitsmedium, eine leicht verdampfbare
Flüssigkeit,
z.B. Dichlormethan. Der obere Kreislauf ist dadurch gekennzeichnet,
dass er aus der Verdampfungszone
Der
untere Kreislauf besteht aus der Kammer
Durch den Acetonitrilzusatz gelingt es, das Kaliumnitrat aus der wässrigen Lösung zu entfernen und damit die gespeicherte Energie freizusetzen, denn der Lösevorgang von Kaliumnitrat in Wasser ist endotherm, weshalb bei der Reaktionsumkehrung, der Ausfällung des gelösten Salzes, die Lösungsenthalpie wieder frei wird.By The acetonitrile addition succeeds, the potassium nitrate from the aqueous solution to remove and thus release the stored energy, because the dissolution process potassium nitrate in water is endothermic, which is why reaction reversal the precipitate of the solved Salt, the enthalpy of solution becomes free again.
Die
Kammer
Der
erfindungsgemäßen Vorrichtung
Bei weiterer Erwärmung der Kaliumnitratlösung verbessert sich die Löslichkeit des Salzes und damit wird Energie in der Kaliumnitratlösung gespeichert.at further warming the potassium nitrate solution the solubility improves of salt and thus energy is stored in the potassium nitrate solution.
Um
die gespeicherte Energie wieder freizusetzen, wird die konzentrierte
Kaliumnitratlösung
mit dem beim endothermen Prozess anfallenden Acetonitril verdünnt. Dabei
fällt das
Kaliumnitrat schlagartig aus, und es kommt zur Energieabgabe an
die über
die Kammer
Die
kaliumnitratarme Wasser-Acetonitril-Mischung wird im Gegenstrom
zu der Zuleitung mit konzentrierter Kaliumnitrat-Lösung in
die Kammer
Neben dem, in dem vorstehenden Beispiel angeführten Gleichgewichtssystem enthält die Tabelle 4 weitere Beispiele für endotherme Gleichgewichtssysteme.Next the equilibrium system given in the preceding example contains Table 4 further examples of endothermic equilibrium systems.
Durch Ausfällen des Salzes mit einem beliebigen organischen Lösungsmittel, wie z.B. Aceton, Alkohole, Nitroalkane, Tetrahydrofuran, Dioxan usw., wird die gespeicherte Energie der konzentrierten Salzlösungen freigesetzt, wobei die konzentrierte Salzlösung als Lösungsmittel Wasser oder ein anderes Solvents enthält.By precipitate of the salt with any organic solvent, e.g. Acetone, Alcohols, nitroalkanes, tetrahydrofuran, dioxane, etc., will be stored Energy of concentrated salt solutions released, wherein the concentrated salt solution as the solvent water or a contains other solvent.
Beispiel 5: In einer Flüssigkeit gelöstes Gas als ArbeitsmediumExample 5: In a liquid dissolved Gas as a working medium
Zur
Durchführung
dieses Beispiels lässt
sich die in der
Der untere Kreislauf ist ausführlich hinsichtlich der Beispiele 1 und 4 vorstehend erläutert worden. Im oberen Kreislauf befindet sich das Arbeitsmedium, ein in einer Flüssigkeit gelöstes Gas, z.B. das System Kohlendioxid gelöst in Aceton bzw. das System Methan gelöst in n-Pentan oder das Gleichgewichtssystem Distickstofftetroxid/Stickstoffdioxid gelöst in Nitroethan. Am Siedepunkt des Lösungsmittels (Aceton, n-Pentan, Nitroethan) sind die Gase (Kohlendioxid, Methan, Stickstoffdioxid) schlecht löslich. Bei Abkühlung verbessert sich die Löslichkeit der Gase in der Flüssigkeit. Nahe am Festpunkt der Flüssigkeit lösen sich Gase am besten.Of the lower circuit is detailed with regard to Examples 1 and 4 have been explained above. In the upper circuit is the working medium, one in one liquid dissolved Gas, e.g. the system dissolved carbon dioxide in acetone or the system Methane dissolved in n-pentane or the equilibrium dinitrogen tetroxide / nitrogen dioxide system solved in nitroethane. At the boiling point of the solvent (acetone, n-pentane, Nitroethane) are the gases (carbon dioxide, methane, nitrogen dioxide) poorly soluble. When cooled the solubility improves gases in the liquid. Close to the fixed point of the liquid dissolve Gases best.
Der
obere Kreislauf ist dadurch gekennzeichnet, dass er aus der heißen Zone
Von
den beschriebenen Systemen stellt das Gleichgewichtssystem Distickstofftetroxid/Stickstoffdioxid eine
Besonderheit dar:
Im
flüssigen
und im festen Aggregatzustand liegt praktisch nur Distickstofftetroxid
(Fp: –9,3°C Kp: 21.15°C) vor, das
in die doppelte Anzahl Mole Stickstoffdioxid thermisch dissoziiert
(über 21.15°C bei Normaldruck)
und dadurch eine besonders vorteilhafte Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren
ermöglicht. Dieser
Vorgang ist vollständig
umkehrbar, so dass in der heißen
Zone
Weil die Wärmetönung der Gleichgewichtssysteme Methan/Pentan, Kohlendioxid/Aceton und Distickstofftetroxid/Stickstoffdioxid/Nitroethan im Vergleich zu den anderen beschriebenen Gleichgewichtssystemen (z.B. Ammoniak/Wasser) gering ist, ist man bei deren Anwendung auf eine kontinuierliche Energiezufuhr oder einen externen erfindungsgemäßen Energiespeicher angewiesen. Der entscheidende Vorteil dieser Gleichgewichtssysteme ist jedoch der niedrige Festpunkt der Lösungsmittel Aceton (Fp: –94,7°C Kp: 56.05°C), Pentan (–129,67°C Kp:36.06°C) und Nitroethan (Fp: –89,5°C Kp: 114.0°C). Dadurch lassen sich Energiespeichersysteme, deren Temperatur unter dem Gefrierpunkt des Wassers liegt, mit gutem Wirkungsgrad nutzen.Because the heat of the Equilibrium systems methane / pentane, carbon dioxide / acetone and dinitrogen tetroxide / nitrogen dioxide / nitroethane in comparison to the other described equilibrium systems (e.g. Ammonia / water) is low, one is in their application to a continuous energy supply or an external energy storage device according to the invention reliant. The key advantage of these balance systems However, the low fixed point of the solvent acetone (mp: -94.7 ° C b.p .: 56.05 ° C), pentane (-129.67 ° C b.p .: 36.06 ° C) and nitroethane (Mp: -89.5 ° C bp: 114.0 ° C). Thereby can energy storage systems whose temperature is below freezing of water, use with good efficiency.
In
den kalten Regionen der Erde stehen zugefrorene Meere, Seen oder
auch Grundwasser mit einer Temperatur um den Gefrierpunkt des Wassers
als „warme" Wärmereservoire
zur Verfügung.
Die Außentemperatur
liegt häufig
weit darunter. Dieser Wärmeübergang
ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
gemäß
Nachstehend wird die Energiespeicherkapazität der Gleichgewichtssysteme Natronlauge/Wasser (Beispiel 1) und Wasser/Ammoniak (Beispiel 3) betrachtet. In energiearmer Zeit, z.B. im Winter, nachts oder auch bei Windflauten, kann Energie, die in der konzentrierten Natronlauge bzw. im flüssigen Ammoniak gespeichert ist, durch Verdünnen mit Wasser entnommen werden.
- Verdünnungsenthalpie ΔsHNaOH·H2O = –21,41 kJ/mol MG = 58,012 g/mol → 0,369 kJ/g → 369MJ/t
- Verdünnungsenthalpie ΔHNH3 = –30,50 kJ/mol MG NH3 = 17,031 g mol–1 → 1,791 kJ/g → 1791 MJ/t
- Mit
- MG
- Molare Masse
- Dilution enthalpy Δ s H NaOH · H 2 O = -21.41 kJ / mol M G = 58.012 g / mol → 0.369 kJ / g → 369 MJ / t
- Verdünnungsenthalpie AH NH3 = -30.50 kJ / mol M w = 17.031 g NH3 mol -1 → 1,791 kJ / g → 1791 MJ / t
- With
- M G
- Molar mass
Klassische
Energieträger: 
Natürlich sind die Speicherkapazitäten von Natronlauge und Ammoniak im Vergleich zu klassischen Energieträgern geringer (siehe tabelle 5). Es bedarf der 23-fachen Menge Natronlauge bzw. 4,7-fachen Menge Ammoniak, um den Energieinhalt von Braunkohle zu speichern. Für Vergaserkraftstoff liegt das Verhältnis bei 127:1 (Natronlauge) bzw. 26:1 (Ammoniak). Jedoch sind die Verbrennungsprozesse klassischer Energieträger nicht umkehrbar. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die Vorgänge reversibel sind. Im Gegensatz zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, das an der Ampel mit laufendem Motor Kraftstoff verbraucht, füllt ein Fahrzeug mit einem "Natronlaugemotor" den Energiespeicher, z.B. durch Sonnenenergie, auf. Es sei hier erwähnt, dass Personenkraftwagen statistisch gesehen im zeitlichen Mittel nur 1 Stunde täglich bewegt werden. Auch während deren Standzeit steht die Fläche dieser Fahrzeuge zur Aufnahme von Energie, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens speicherbar ist, zur Verfügung.Of course they are the storage capacities of caustic soda and ammonia lower compared to traditional energy sources (see table 5). It requires 23 times the amount of sodium hydroxide or 4.7 times Amount of ammonia to store the energy content of lignite. For carburetor fuel is the ratio at 127: 1 (caustic soda) or 26: 1 (ammonia). However, the combustion processes are classic energy source not reversible. A particular advantage of the method according to the invention lies in the fact that the operations are reversible. Unlike a vehicle with an internal combustion engine, that consumes fuel at the traffic light with the engine running fills Vehicle with a "soda lye engine" the energy storage, e.g. through solar energy, up. It should be mentioned here that passenger cars statistically, on average only 1 hour a day become. Even while their life is the area of these vehicles for receiving energy, according to the method of the invention is storable, available.
Vorteilhaft ist weiterhin, dass Energie des "Natronlaugemotors" ständig zur Verfügung steht, sie muss nicht extra aus Bergwerken oder auf Ölfeldern gefördert werden. Außerdem bedarf es keiner weiteren Aufbereitungsprozesse, wie Extraktion, Destillation oder Stoffumwandlungen; die Energie fällt direkt als mechanische Arbeit bzw. in Kombination mit einem Generator als elektrische Energie an. Hier sei betont, dass der "Natronlaugemotor" von vornherein ein emissionsfreier Motor ist. Er speichert anfallende Wärme in Form eines umkehrbaren Gleichgewichtssystems und wandelt anschließend diese abgespeicherte Energie in mechanische bzw. elektrische Energie um. Es sind alle Energiequellen nutzbar, auch Energiereservoirs niedriger Temperatur. Prinzipiell ist jedes reversible dynamische Gleichgewicht mit einer von Null verschiedenen Wärmetönung als Energiespeicher verwendbar, d.h. man ist auch nicht an das Lösungsmittel und/oder den Reaktionsteilnehmer Wasser gebunden.Advantageous is further that energy of the "soda lye engine" constantly to disposal It does not have to be extra from mines or on oilfields promoted become. Furthermore There is no need for further processing, such as extraction, Distillation or conversion; the energy falls directly as mechanical work or in combination with a generator as electrical energy. Here it should be emphasized that the "sodium hydroxide engine" from the outset emission-free engine is. It stores accumulating heat in the form a reversible equilibrium system and then converts this stored energy into mechanical or electrical energy. All energy sources are usable, also energy reservoirs lower Temperature. In principle, every reversible dynamic equilibrium usable as an energy store with a non-zero heat of reaction, i.e. it is not the solvent and / or the reactant bound to water.
Die Vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie, das aus einer Kombination folgender Komponenten besteht: Wärmekollektor, Kondensator, Wärmetauscher und einem Speichersystem für Energie, dessen Aufgabe von einem geeigneten reversiblen dynamischen Gleichgewichtsvorgang erfüllt wird, sowie einem Energiewandler, einer Dampfmaschine oder Dampfturbine zur Umwandlung der gespeicherten Energie in Arbeit, wobei die neben der Arbeit anfallende Wärme (Lösungs- und Kondensationswärme) wieder in das Speichersystem zurückgeführt wird.The The present invention relates to a system for producing mechanical or electrical energy that consists of a combination of the following components consists of: heat collector, Condenser, heat exchanger and a storage system for Energy, whose task is a suitable reversible dynamic equilibrium process Fulfills is, as well as an energy converter, a steam engine or steam turbine for Conversion of stored energy to work, with the next the heat generated by the work (Solution and Condensation heat) is returned to the storage system.
Claims (33)
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