DE3871538T2 - Kraftanlage mit c02 als arbeitsfluidum. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Anlage zum Erzeugen von Energie, insbesondere elektrischer Energie, welche CO&sub2; als Arbeitsfluid verwendet, und insbesondere auf eine derartige Anlage, welche aufgrund dessen, daß sie ein großes CO&sub2;-Reservior am Tripelpunkt desselben umfaßt, eine große Leistungsfähigkeit aufweist.
• Elektrizitätswerke in den Vereinigten Staaten und in der ganzen Welt machen Anstrengungen, einen besseren Gebrauch von ihren entweder mit Kohle betriebenen, mit Gas oder Öl betriebenen oder Kern- Grundkraftwerken zu machen. Ein Arbeitsverfahren ist es gewesen, ein System vorzusehen, welches während einer Periode mit geringer Nachfrage Elektrizität derart aufnimmt (wodurch das Beibehalten eines effizienten Betriebsniveaus des Grundkraftwerks ermöglicht wird), daß Elektrizität während einer Periode mit großer Nachfrage in das Energienetz zurückgespeist werden kann. Ein System, das verwendet wurde, um dieses gewünschte Ergebnis zu erzielen, ist ein Pumpwasserspeicher, in welchen Wasser während den Stunden mit geringer Nachfrage auf ein höheres vertikales Niveau gepumpt wird, welches Wasser in Zeiten mit hohem Bedarf durch hydraulische Turbinen läuft, um Elektrizität zu erzeugen, die in das Netz eingespeist wird. Obwohl ungefähr 70 % der zum Speisen dieses Systems verwendeten Energie beim Entladen zurückgewonnen wird, ist die Anwendung eines derartigen Systems sehr stark an einen geeigneten geographischen Ort gebunden, und es ist sehr groß, benötigt ein großes Speichervolumen pro Megawattstunde und ist daher teuer, da es auch eine lange Bauzeit benötigt.
• Ein zweites derartiges System verwendet Preßluftspeicher, wobei die zu Zeiten mit geringem Bedarf erzeugte elektrische Energie dazu verwendet wird, Luft zu komprimieren, welche dann in einem geschlossenen Salzstock oder einer Mine oder in einer wasserführenden Schicht gespeichert wird. Während Zeiten mit großem Bedarf wird die komprimierte Luft dazu verwendet, Brennstoff zu verbrennen (z.B. Gas oder Öl), welcher dann durch eine Turbine expandiert wird, um elektrische Energie zu erzeugen, die in das Netz eingespeist wird. Ein derartiges System ist wiederum ortsgebunden, hängt von der Gasintegrität (Dichtigkeit) des Speicherbereichs ab, benötigt ein ziemlich großes Speichervolumen pro Megawattstunde, ist aber ebenso ziemlich teuer pro Megawatt eingerichteter Leistung.
• Als eine Alternative zum Speichern von elektrischer Energie haben die Elektrizitätswerke ebenso die Anwendung von effizienteren Energieerzeugungsanlagen untersucht. Ein wirkungsvollerer Weg, elektrische Energie zu erzeugen, ist es, eine Gas- oder Öl-betriebene Gasturbine als Teil eines Verbundenen-Kreislauf-System anzuwenden. In einem derartigen System wird die durch die höhere Temperatur des Haupt- (Topping-) Kreislaufs abgegebene Wärme dazu verwendet, den Niedertemperaturkreislauf zu betreiben, um zusätzliche Energie zu erzeugen und um bei einem größeren Gesamtwirkungsgrad zu arbeiten, als ihn jeder der einzelnen Kreise selbst erreichen könnte. Der Niedertemperaturkreislauf wird als Grundkreislauf bezeichnet, und im allgemeinen sind alle Grundkreisläufe Rankine-Kreisläufe, welche z.B. mit der durch den Gasturbinenausstoß abgegebenen Wärme betrieben werden. Dampf-Grund-Kreisläufe sind die am meisten verwendeten gewesen. Es hat jedoch einige kleine Demonstrationsanlagen gegeben, welche organische Arbeitsfluide, wie z.B. Pyridin oder Toluol verwendet haben, welche in einer ähnlichen Weise wie der Dampf erhitzt und expandiert werden können. Das U.S.-Patent Nr. 3 257 806 ist ein Beispiel für ein derartiges Kraftwerk, worin vorgeschlagen wird, einen Hauptdampfkreislauf und Verschiedene organischen Materialien, wie z.B. Buten, Butin und Isobutylene als Arbeitsfluid in dem Grund-Kreislauf zu verwenden.
• Das U.S.-Patent 4 186 562 von Tyree offenbart eine Kühlvorrichtung zum Kühlen des Frachtraums eines Lieferfahrzeugs oder dgl., welche ein Kohlendioxidreservior an dessen Tripelpunkt verwendet. Flüssiges CO&sub2; aus dem Reservior wird in mehreren Stufen erwärmt, wobei es in Dampf umwandelt wird, um die Luft innerhalb des Frachtraums zu kühlen, und besondere Wirkungsgrade werden zusammen mit brauchbarer Arbeit erhalten durch das Expandieren des Dampfes derart, daß mit Zirkulationsventilatoren verbundene Gasmotoren und ebenso ein Kompressor angetrieben wird, der den warmen Dampf in das Tripelpunktreservior zurückführt.
• Obwohl diese Systeme in einer speziellen Situation bestimmte Vorteile haben können, haben die elektrische Energie erzeugende Industrie und die Anwender von elektrischer Energie ihre Suche nach wirkungsvolleren Anlagen fortgesetzt.
• Es wurde herausgefunden, daß überraschende Wirkungsgrade erreicht werden können, wenn Kohlendioxid als Arbeitsfluid in einer Energieerzeugungsanlage verwendet wird, in dem ein großes Reservior vorgesehen wird, in welchem Kohlendioxid an seinem Tripelpunkt gespeichert werden kann, und welches auf diese Weise eine große Menge elektrischer Energie während der Tageszeiten mit großem Bedarf, in welchen der Energieverbrauch am größten ist, erzeugen kann, und dann elektrische Energie verwendet, um das Reservior während der Zeiten, zu denen die Elektrizitätswerke überschüssige elektrische Energie zu verkaufen haben, "wieder aufzufüllen". Diese Einrichtung ist tatsächlich ein Rankine-Wärmekraftmaschinen-Betrieb mit geschlossenem Kreislauf mit herabgesetzter Ausstoßtemperatur, in dem es eine thermische Speichereigenschaft gibt, und welcher Kohlendioxid als einziges Arbeitsfluid verwendet. Eine Vielzahl von Wärmequellen kann verwendet werden, die diese Einrichtung aufgrund ihrer Fähigkeit, Wärme von relativ niedrigem Niveau von anderen Kreisläufen mit höherem Wärmeniveau, z.B. den Ausstoß einer Gasturbine, zu verwenden, als einen Abfallwärmetauscher besonders wirkungsvoll machen . Es können jedoch viele andere Wärmequellen, wie z.B. Kohle betriebene Verbrennungsanlagen, umfassend temperaturgesteuerte Wärmeaustauscher in Wirbelbettverbrennern, ebenso wie die Wärme von direkt verbrannten Gas- oder Ölströmen verwendet werden. Erhältliche Kältequellen können ebenso angewendet werden und würden, wenn sie verwendet werden, das gesamte System noch wirkungsvoller machen; zum Beispiel ist in verflüssigtem natürlichem Gas (LNG), das im allgemeinen, bevor es in ein Gasleitungsverteilungssystem eingespeist werden kann, verdampft werden muß, große Kühlungkäpazität vorhanden.
• Zusätzlich zu der gesamt-konzeptionierten Einrichtung sieht die Erfindung ein besonders wirkungsvolles Verfahren ihres Betriebs zusammen mit der Entnahme und dem Zurückführen von Kohlendioxid aus dem Tripelpunktspeicher vor. Insofern das Speichern in äußerst großen Mengen beabsichtigt ist, z.B. kann durchaus eine Kugel mit vielleicht 100 Fuß (ca. 30,48 m) Durchmesser angewandt werden, ist es wichtig, in der Lage zu sein, das Druckgefälle, das der zurückgeführte Dampf überwinden muß, zu minimieren, und um dieses gewünschte Ziel zu erreichen, kann ein isolierter Hilfstank verwendet werden.
• Insbesondere sieht ein Gesichtspunkt der Erfindung eine Einrichtung zum Speichern von Energie und dem darauf folgenden Verwenden derartiger gespeicherter Energie mit Wärme zum Erzeugen elektrischer Energie vor. Eine derartige Einrichtung umfaßt einen isolierten Behälter zum Speichern von flüssigem Kohlendioxid an seinem Tripelpunkt, genauer gesagt sieht die Erfindung nach einem ersten Gesichtspunkt eine Einrichtung zum Speichern von Energie und zum Verwenden derartiger gespeicherter Energie und angewandter thermischer Energie vor, um mechanische Energie zu erzeugen, welche Einrichtung umfaßt: Kohlendioxidbehältermittel 11, 39, umfassend einen isolierten Behälter 11 zum Speichern von flüssigem Kohlendioxid an seinem Tripelpunkt, eine Kühleinrichtung zum Erzeugen von Kohlendioxid, das dem Behälter zugeführt wird, und einen Speicher mit flüssigem Kohlendioxid, das ungefähr an seinem Tripelpunkt gehalten wird und einen erheblichen Anteil an festem Kohlendioxid enthält, Mittel 13, 47 zum Abziehen von flüssigem Kohlendioxid von den Behältermitteln 11, 39, Druckerzeugungsmittel 15, 47, um den Druck der abgezogenen Flüssigkeit wesentlich zu erhöhen, Heizungsmittel 17, 19, 21, 48, um das unter höherem Druck stehende flüssige Kohlendioxid zu erhitzen, Expansionsmittel 23, um das Kohlendioxid von den Heizungsmitteln 17, 19, 21, 48 aufzunehmen, um das erhitzte Kohlendioxid zu trockenem Dampf oder Dampf, der etwas mitgeführte Flüssigkeit enthält, zu expandieren, wobei mechanische Energie erzeugt wird, und Mittel 35, 37, um einen Auslaß- Dampf- oder Dampf-Flüssigkeits-Strom von dem Expansionsmittel 23 zu den Behältereinrichtungen 11, 39 zurückzuführen, in welchen Kohlendioxiddampf durch das Schmelzen des festen Kohlendioxids darin kondensiert.
• Selbstverständlich kann das Expansionsmittel eine Turbine sein; in diesem Fall wird Energie als Rotationsenergie erzeugt, und in jedem Fall wird diese in der Praxis dazu verwendet werden, Mittel zur Erzeugung elektrischer Energie anzutreiben.
• Der Auslaßstrom aus dem Expansionsmittel (z.B. Turbine) wird gekühlt und in den gekühlten Behälter zurückgeführt, in welchem Kohlendioxiddampf durch das Schmelzen von festem Kohlendioxid darin kondensiert.
• Nach einem weiteren Gesichtspunkt sieht die Erfindung ein Verfahren zum Speichern von Energie und zum Verwenden derartiger gespeicherter Energie und angewandter thermischer Energie vor, um mechanische Energie zu erzeugen, welches Verfahren umfaßt: das Schaffen eines Reserviors von Kohlendioxid ungefähr an seinem Tripelpunkt, welches einen wesentlichen Anteil an festem Kohlendioxid enthält, das Abziehen eines Stroms von flüssigem Kohlendioxid aus dem Reservior, das wesentliche Erhöhen des Drucks des abzogenen, flüssigen Kohlendioxids, das Erwärmen des unter höherem Druck stehenden, abgezogenen Kohlendioxids, das Expandieren des erwärmten Kohlendioxids zu trockenem Dampf oder zu Dampf, der etwas mitgeführte Flüssigkeit enthält, wodurch mechanische Energie erzeugt wird, und diese mechanische Energie dazu verwendet wird, elektrische Energie zu erzeugen, das Zurückführen eines unter verringertem Druck stehenden ausgelassenen Dampf- oder Dampf-Flüssigkeit-Stroms von der Expansion zu dem Reservior und das Kondensieren von Kohlendioxiddampf des Auslaßstroms durch das Schmelzen von festem Kohlendioxid in dem Speicher. Tabelle 1 Speichertechnologie-Vergleich Technologie Konversion % Abgabe % effektiv % Größe MW Bauzeit Jahre Volumen Cuft/MWH (ca. m³/MWH) Ortsgebunden komprimierte Luft minimal maximal Pumpwasser konventionell unterirdisch SECO Energiekreislauf SECO I GT/SECO II
• Die Vorteile der Erfindung können in Tabelle 1 gesehen werden, welche einen kurzen Vergleich von verschiedenen, momentan erhältlichen Systemen zum Speichern von elektrischer Energie in einer anderen Form darstellt. Sie zeigt die Vielseitigkeit von Systemen, welche ein Kohlendioxid-Tripelpunktspeicherreservoir verwenden, und diese speziellen Vorteile können daraus resultieren, daß eine Gasturbine mit einem CO&sub2;-Grund-Kreislauf angewandt wird, worin die Kosten pro Kilowatt ebenso geringer sind als in vergleichbaren Systemen.
• Einer der wesentlichen Vorteile der Erfindung gegenüber anderen Speichertechnologien ist ihr deutlich verringertes Speichervolumen, das es ermöglicht, daß sie tatsächlich überall angeordnet werden kann. Ein Tausend-Kilowattstunden (1 Megawattstunden)-Speicher in dem Fall eines Pumpwassersystems benötigt typischerweise 220.000 Kubikfuß (ca. 6.160 m³) an hochgepumptem und in einem hoch angeordneten Reservoir gespeichertem Wasser. Das ist ein sehr großes Volumen und ist sehr ortsgebunden und in flachem Land oder in Gegenden, wo es von der Umgebung her unakzeptabel ist, unmöglich. In dem Fall von Preßluftspeichern benötigt das Speichern von einer Megawattstunde Preßluftenergie in einem Stock typischerweise 18.000 Kubikfuß (ca. 540 m³) Preßluftspeicher. Das Speichervolumen in dem Fall einer direkt gefeuerten Kohlendioxid-Speichereinrichtung benötigt nur 1.000 Kubikfuß (ca. 28 m³) pro Megawattstunde, abhängig von sowohl dem prozentualen Anteil an flüssigem CO&sub2; in dem Speichertank, das in festes CO&sub2; umgewandelt wird, und den Wirkungsgraden und den Zuständen der CO&sub2;-Energieerzeugungseinrichtung. Wenn der heiße Ausstoß von einer Gasturbine verwendet wird, benötigt die Kohlendioxid-Speichereinrichtung nur ungefähr 500 Kubikfuß (ca. 14 m³) Speicher pro Megawattstunde Spitzenenergieerzeugung, da ungefähr die Hälfte der elektrischen Spitzenabgabe durch den Gasturbinengenerator vorgesehen ist. Da das Speichervolumen kleiner ist und über der Erde in Druckbehältern, die mit bekannten Technologien hergestellt werden, angeordnet werden kann, liegen die Kosten im Bereich der für das Druckwasserspeichern und das Preßluftspeichern oder sind geringer als diese.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt darin, daß sie auch bei kleineren Größen kosteneffektiver sein kann, als es bei Pumpwasserspeichern oder Preßluftspeichern der Fall ist. Kleine Größen, wie z.B. 10 bis 20 Megawatt wären kosteneffektiv; jedoch haben größere Größen, bis zu 100 Megawatt, den Vorteil bestimmter Wirtschaftlichkeiten der Größe.
• Der Konversionswirkungsgrad, auf den in Tabelle 1 Bezug genommen wird, ist das Verhältnis der elektrischen Abgabe dividiert durch die elektrische (und Brennstoff-, wenn überhaupt) Zufuhr. Dieses Maß des Wirkungsgrads ist sinnvoll in dem Fall von Speichersystemen, welche elektrische Zufuhr verwenden und eine elektrische Abgabe vorsehen; es kann jedoch irreführend werden, wenn es sowohl elektrische als auch Brennstoff-Zufuhren zu dem Speichersystem gibt.
• Der zweite Typ von Wirkungsgrad, auf den Bezug genommen wird, ist der Abgabewirkungsgrad, welcher auf den Primärbrennstoffen beruht, die bei dem Aufladen und Entladen des Systems verwendet werden. Dies gibt einen besseren Vergleich bei einem System, das eine elektrische Zufuhr und eine Brennstoff-Zufuhr aufweist, da der Primärbrennstoff sowohl für die Zufuhr als auch für die Abgabe in Betracht gezogen wird.
• Der dritte Wirkungsgrad stellt die Wirksamkeit der Speicheranlage dar, indem die für diese von der Grundlast-Auflade- Anlage (pro Kilowattstunde) vorgesehene Energie dividiert durch die gesamte in der Speicheranlage verwendete Energie pro Kilowattstunde verwendet wird. Ein derartiger effektiver Wirkungsgrad ist der Abgabewirkungsgrad der Speicheranlage dividiert durch den Wirkungsgrad der Grundlast-Auflade-Anlage. Tabelle 1 vergleicht verschiedene elektrische Speicher- und Erzeugungssysteme, die momentan erhältlich sind, indem sie zu Vergleichszwecken die relativen Größen der Systeme sowie wesentliche Parameter der verschiedenen Systeme darstellt.
• Die Figur ist eine diagrammatische Darstellung einer Erzeugungseinrichtung für elektrische Energie, welche Kohlendioxid als das einzige Arbeitsfluid verwendet, die verschiedene Gesichtspunkte der Erfindung enthält.
• Die Figur zeigt eine Einrichtung, welche die einzigartigen und bevorzugten Charakteristiken von Kohlendioxid an seinem Tripelpunkt als Energiespeichermedium verwendet und welche ebenso dessen thermodynamische Eigenschaften als Kühlmittel, als Sole und als Arbeitsfluid in einem Gesamtenergiekreislauf verwendet; es wurde herausgefunden, daß all das sowohl zum Wirkungsgrad als auch zur Kosteneffektivität eines derartigen gesamten elektrischen Energieerzeugungskreislaufs beiträgt. Das Anwenden eines derartigen Kreislaufs mit nur einem Arbeitsfluid, nämlich Kohlendioxid, ermöglicht das Energiespeichern und Energiezurückgewinnen in einer Tripelpunktkammer ohne die potentiellen Kosten und Wirkungsgradeinbußen, die bei Wärmetauschern auftreten, welche nötig wären, wenn zwei oder mehrere verschiedene Fluide angewendet würden.
• Bestimmte Vorteile einer Kohlendioxid-Energiespeicher (SECO)- Einrichtung sind offensichtlich, wenn die in Tabelle 1 gezeigten Darstellungen verglichen werden. Ein wesentlicher Vorteil liegt darin, daß keine Ortsgebundenheit bei dem CO&sub2;-Energiespeichersystem vorliegt, sowie in dem wesentlichen Unterschied im Volumen des zu speichernden Arbeitsfluids. Das letztere gibt Anlaß zu einer geringeren Bauzeit, welche einen Besteller in die Lage versetzt, eine neue Einrichtung relativ schnell in Betrieb zu nehmen, um einen in nächster Zeit bevorstehenden Bedarf an zusätzlicher Leistung zu erfüllen.
• Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform dargestellt ist, welche als SECO II-System bezeichnet ist, sind bestimmte Vorteile der Erfindung ebenso in dem SECO I-System vorhanden, worin ein direkt betriebener Gas- oder Ölbrenner anstelle der dargestellten Gasturbine verwendet wird. Das Konzept der Kühlungsspeicherung am Tripelpunkt von CO&sub2; ist in beiden Systemen gleich und ermöglicht, daß die Zufuhr von Kühlung zu dem System diskontinuierlich ist, d.h. sie kann zu Zeiten, zu denen überschüssige Leistung vorhanden ist, sehr groß sein und kann während Spitzenenergieverbrauchszeiten null sein. Obwohl die Brennstoffzufuhr zu der Turbine einen Kostenpunkt des Betriebs darstellt, ist die Turbine derart ausgelegt, daß durch sie ungefähr die Hälfte der elektrischen Energiekapazität vorgesehen wird, und das Verwenden von CO&sub2; sowohl als Arbeitsfluid in einem Grundkreislauf als auch Medium für die Energiespeichereinrichtung an seinem Tripelpunkt vermeidet die Ineffizienzen von anderen konkurrierenden Einrichtungen.
• In der Figur ist eine Einrichtung dargestellt, welche einen Druckbehälter in der Form einer Kugel 11 umfaßt, welche entsprechend isoliert ist und dazu vorgesehen ist, Kohlendioxid an seinem Tripelpunkt bei -70ºF (ungefähr -56,7ºC) und bei 75 psia (ungefähr 5,17 x 10² kPa) zu speichern, bei welchem es in fester, flüssiger und Dampfform existiert. Flüssiges CO&sub2; wird bevorzugterweise von einem weiter unten liegenden Punkt in der Kugel durch eine Leitung 13 abgezogen, welche zu einer ersten Pumpe 47 führt, welche anfangs den Druck auf ungefähr 800 psia (ungefähr 5,5 x 10³ kPa) erhöht, wobei diese 800 psia-(ungefähr 5,5 x 10³ kPa) Flüssigkeit durch einen Wärmetauscher 17 fließt. Danach läuft sie durch eine Leitung 43 zu einer Hochdruckpumpe 15, welche den Druck auf wenigstens 1000 psia (ungefähr 6,89 x 10³ kPa) erhöht, bevorzugt auf wenigstens ungefähr 2000 psia (ungefähr 1,38 x 10&sup4; kPa) und besonders bevorzugt auf ungefähr 4000 psia (ungefähr 2,76 x 10&sup4; kPa) oder höher. Das Hochdruck-CO&sub2; läuft dann durch einen Wärmetauscher 19, worin seine Temperatur auf zwischen 100ºF (ungefähr 37,7ºC) und 150ºF (ungefähr 65,55ºC) erhöht wird, und dann durch einen Hauptwärmetauscher 21, worin seine Temperatur bevorzugterweise auf wenigstens 500ºF (ungefähr 260ºC) erhöht wird, mehr bevorzugt auf wenigstens 1000ºF (ungefähr 537ºC) und besonders bevorzugt auf ungefähr 1600ºF (ungefähr 871ºC). Der heiße Hochdruck- Kohlendioxidstrom wird dann zu dem Einlaß eines Expansionsmittels 23 geleitet, welches eine Mehrzahl von Expansionsstufen umfassen kann. Das Expansionsmittel 23 ist mechanisch mit einem Generator 25 zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden, welcher ebenso eine Mehrzahl von Generatoreinheiten umfassen kann. Alternativ dazu kann jede Expansionsstufe in geeigneter Weise mit einem einzigen Elektrizitätsgenerator verbunden werden.
• In der in der Figur dargestellten bevorzugten Ausführungsform, welche als SECO II-System bezeichnet ist, ist das Heizungsmittel für den Hauptwärmetauscher 21 das heiße Auslaßgas von einer Gasturbine 27, welche einen Elektrizitätsgenerator 29 und einen Kompressor 31 antreibt. Komprimierte Luft von dem Kompressor 31 wird in einen Brenner 33 zusammen mit einem flüssigen oder gasförmigen Brennstoff eingespeist, um das heiße Gas zu erzeugen, das die Gasturbine 27 antreibt.
• Der aus dem Expansionsmittel 23 ausgelassene CO&sub2;-Dampf wird durch eine Leitung 35 geleitet, welche zu dem Wärmetauscher 19 führt, durch den es in einer wärmeaustauschenden Beziehung mit dem Hochdruck-Kohlendioxid läuft, wobei es etwas seiner Wärme auf dieses überträgt, und läuft dann durch eine Leitung 37, welche durch den Wärmetauscher 17 zu einem isolierten Hilfsbehälter oder Tank 39 führt, der teilweise mit Kohlendioxidschlamm gefüllt ist. Die Temperatur des zurückgeführten Dampfes wird in dem Wärmetauscher 17 auf bevorzugterweise wenigstens -50ºF (ungefähr -45ºC) abgesenkt, bevor er in den Tank eintritt, in welchem er durch das Schmelzen von festem CO&sub2; in dem Matsch in dem Tank 39 kondensiert.
• Die Einrichtung ist in der Lage, in einem Energieerzeugungsmodus betrieben zu werden, indem der einzige wesentliche benötigte Energiebedarf dazu dient, die Pumpe 47 und die Hochdruckpumpe 15 zu betreiben. Dementsprechend kann während Spitzenlastzeiten im wesentlichen die ganze durch den Generator 29 und das Generatormittel 25, welches mit dem Expansionsmittel 23 verbunden ist, dazu verwendet werden, den irgendwo anders in der Anlage benötigten elektrischen Energiebedarf zu decken, oder sie kann in das elektrische Energienetz eines Elektrizitätswerks gespeist werden. Während Zeiten mit geringer Nachfrage nach elektrischer Energie wird die den CO&sub2;-Matsch enthaltende Kugel 11 wieder aufgefüllt, indem die relativ kostengünstige elektrische Energie verwendet wird, die dann in dem Energienetz vorhanden ist. Die mit der Kugel 11 verbundene Einrichtung zum Ausführen dieses Wiederauffüllens wird nachfolgend im Detail beschrieben.
• Insbesondere wird die isolierte Kugel 11, welche als der CO&sub2;-Hauptspeicherbehälter dient, so ausgelegt werden, daß sie die benötigte Menge von CO&sub2;-Schlamm enthält, um in der Lage sein, in zufriedenstellender Weise z.B. auf Tagesbasis oder möglicherweise eine ganze Woche betrieben zu werden, welche Menge auf der Gesamtzahl der Spitzenlaststunden beruhen würde, welche durch das örtliche elektrische Kraftwerk innerhalb der fraglichen Zeitdauer bestimmt werden. Eine derartige Spitzenlastanordnung würde das Wiederfüllen der Kugel während Stunden mit geringer Belastung durchführen (welche z.B. in den Vereinigten Staaten wenigstens die Zeit von Mitternacht bis 8.00 Uhr morgens umfassen) und an Wochenenden, wenn bei geringer Belastung elektrische Energie vorhanden ist. Die Energieerzeugung und/oder das Wiederauffüllen kann während Perioden zwischen Stunden mit geringer Belastung und den Spitzenbelastungsstunden stattfinden. In jedem Fall könnte der Speicherbehälter 11 eine Kugel mit ungefähr 50 bis 100 Fuß (ungefähr 15,24 bis ungefähr 30,48 m) oder mehr Durchmesser bilden. Der Speicherbehälter sollte aus geeignetem Material hergestellt sein, wie z.B. 9 % Nickelstahl oder rostfreier Stahl, der für die Tripelpunkttemperatur ausreichend ist. Ebenso sollte die Isolierung in der Lage sein, einen annehmbaren Wärmefluß durch dieselbe im Bereich der Umgebungtemperatur bis ungefähr -70ºF (ungefähr -56,67ºC) zu erhalten, z.B. könnte eine 6 Zoll (ca. 15 cm) dicke, im Handel erhältliche Polyurethanschaum-Isolierung verwendet werden.
• Der Speicherbehälter 11 sollte derart aufgebaut sein, daß er in angemessener Weise einem Innendruck von ungefähr 100 psia (ungefähr 6,89 x 10² kPa) standhält und ein geeignetes Druckablaßventil (nicht dargestellt) würde vorgesehen sein, um CO&sub2;-Dampf bei einem derartig ausgelegten Druck abzulassen und somit den Inhalt des Behälters bei ungefähr -58ºF (ungefähr -50ºC) zu halten, bis ein in der Kühleinrichtung aufgetretener Fehler, der dazu geführt hat, daß der Druck über den Tripelpunkt angestiegen ist, korrigiert werden kann. Obwohl eine Kugel die bevorzugte Form für den Speicherkessel ist, können andere geeignete Typen von Speicherkesseln verwendet werden, und können z.B. gut in Einrichtungen mit kleinerer Kapazität verwendet werden, wie z.B. diejenigen, welche dazu ausgelegt sind, ca. 1000 tons (ungefähr 1,02 x 10&sup6;kg) oder weniger CO&sub2; zu enthalten; z.B. könnten kleinere Einrichtungen einen oder mehrere horizontal angeordnete zylindrische Behälter verwenden, wie sie z.B. im allgemeinen in Anlagen verwendet werden, welche relativ große Mengen von flüssigem Stickstoff oder flüssigem Kohlendioxid benötigen, welche Behälter relativ große Oberflächen aufweisen würden. Derartige Tanks würden selbstverständlich in der gleichen Weise isoliert sein, da der Tripelpunktdruck und die Tripelpunkttemperatur darin in gleicher Weise aufrechterhalten würden.
• Aus dem Speicherbehälter 11 fließendes flüssiges CO&sub2; tritt in eine Leitung 13 ein, welche bevorzugterweise an einem unteren Punkt mit der Kugel verbunden ist, und der Eintritt zu der Leitung 43 geht bevorzugterweise über eine Scheiben- oder dgl. Vorrichtung 45, welche innerhalb des Speicherbehälters angeordnet ist und welche nur einen Fluß von flüssigem CO&sub2; ermöglicht und verhindert, daß festes CO&sub2; in die Leitung 13 eintritt. Um sicherzustellen, daß das flüssige CO&sub2; flüssig bleibt wenn es durch den Wärmetauscher 17 fließt, ist eine kleine ZentrIfugalpumpe 47 oder dgl. in die Leitung 13 mit eingeschlossen, welche Pumpe den Druck auf ungefähr 800 psia (ungefähr 5,5 x 10³ kPa) anhebt und die Leitung 43, welche zu der Hochdruckpumpe 15 führt, jederzeit voll flüssigem CO&sub2; hält. Das kalte, ungefähr -70ºF- (ungefähr -56,67ºC) flüssige CO&sub2; durchläuft bevorzugterweise den Wärmetauscher 17, in welchem es Wärme von dem zurückgeführten CO&sub2;-Dampfstrom aufnimmt, wie weiter vorne detaillierter beschrieben.
• Wenn die gesamte Einrichtung eine Gasturbine 27 umfaßt, ist es oft nützlich, die dem Kompressorabschnitt 31 der Turbine zugeführte Luft zu kühlen, insbesondere während der Sommermonate, wenn die Umgebungslufttemperatur und dementsprechend der Spitzenverbrauch von elektrischer Energie am höchsten sind. Ein Wärmetauscher 48 ist zu diesem Zweck vorgesehen, welcher eine ausreichend große Wärmeaustauschfläche aufweist, um mit der gewünschten Umgebungsluftflußrate Umgebungsluft von ungefähr 95ºF (ungefähr 35ºC) auf ungefähr 40ºF (ungefähr 4,4ºC) zu kühlen. Der Wärmetauscher 48 wird bevorzugterweise im Gegenflußzustand betrieben, und kann die Temperatur des flüssigen CO&sub2; in der Leitung 43 auf ungefähr 50ºF (ungefähr 10ºC) erhöhen. Umgebungsluft wird durch ein elektrisch angetriebenes Gebläse 49 dem Wärmetauscher 48 zugeführt und strömt danach durch eine Leitung 51, welche zu dem Kompressor 31 führt. Die Abgabe elektrischer Energie von der Turbine 27 kann durch das Kühlen der Zuführluft um ungefähr 16 % erhöht werden. Selbstverständlich würde es, wenn eine andere Wärmequelle verwendet wird, z.B. eine einfache, mit Brennstoff betriebene Heizung, nicht wünschenswert sein, die Luft, welche zum Verbrennen des Brennstoffs verwendet wird, zu kühlen, um die Temperatur des CO&sub2; zu erhöhen.
• Der leicht erwärmte Strom von flüssigem CO&sub2; aus dem Wärmetauscher 48 wird zu der Hochdruckpumpe 15 geleitet. Die Hochdruckpumpe 15 saugt von dem Auslaß des Wärmetauschers 48 an und erhöht den Druck der Flüssigkeit normalerweise auf zwischen 3000 und 5000 psia (ungefähr 2,06 x 10&sup4; bis ungefähr 3,45 x 10&sup4; kPa); bevorzugterweise wird ein Druck von ungefähr 4000 psia (ungefähr 2,76 x 10&sup4; kPa) erreicht. Wenn die Pumpe einen Auslaßdruck über dem kritischen Druck von CO&sub2; erreicht, d.h. ungefähr 1066 psia (ungefähr 7,34 x 10³ kPa), liegt das CO&sub2; nicht mehr in flüssiger oder dampfförmiger Form vor, sondern wird ein überkritisches Fluid, da die Flüssigkeitsphase und die Dampfphase gleich werden. Für einen derartigen Betrieb geeignete Pumpen sind mehrzylindrige Hochdruckverdrängerpumpen wie diejenigen, die für die Anwendung auf Ölfeldern zum Einspritzen von CO&sub2; entwickelt worden sind, um einen erhöhten Ölaustrag aus unterirdischen Formationen zu erreichen. Die Temperatur der Flüssigkeit wird in der Hochdruckpumpe um ungefähr 20º (ungefähr 6,65ºC) erhöht, so daß diese danach mit einer Temperatur von ungefähr 70ºF (ungefähr 21,1ºC) vorliegt.
• Dieser Hochdruckstrom durchläuft dann den Wärmetauscher 19, in welchem er in Gegenstromwärmeaustauschbeziehung mit expandiertem, heißem, zu der Kugel 11 zurückgeführtem CO&sub2;-Dampf fließt. Es ist vorteilhaft, diesen Wärmeaustauscher zu verwenden, um die Temperatur des Stroms auf ungefähr 150ºF (ungefähr 65,55 ºC) zu erhöhen, wodurch der zurückgeführte CO&sub2;-Dampfstrom, wie nachfolgend beschrieben, gekühlt wird.
• Der Hochdruckstrom fließt dann durch eine Leitung 53, welche zu dem Haupt-CO&sub2;-Wärmetauscher 21 führt, welcher in der dargestellten Ausführungsform durch den Ausstoß von der Gasturbine 27 erwärmt wird. Es wird angenommen, daß diese Anordnung der am kostengünstigste Weg des Erhitzens des Hochdruck-Kohlendioxids ist, da der gesamte Gasturbinenausstoß eine Wärme im Bereich von 900 bis 1000ºF (ungefähr 482ºC bis ungefähr 534ºC) hat. Der Gegenstromfluß des Hochdruckstroms durch den Hauptwärmetauscher 21 ermöglicht, daß die Temperatur um ungefähr 50ºF (ungefähr 10ºC) über die Turbinenausstoßtemperatur erhöht wird, z.B. auf ungefähr 940ºF (ungefähr 504ºC). Ein sehr wirkungsvoller Wärmetauscher kann dadurch vorgesehen werden, indem stabilisierter, rostfreier Stahl sowie Leitelemente aufweisende Leitungen verwendet werden, durch welche der eingelassene Hochdruck-CO&sub2;-Strom in wärmeaustauschender Beziehung mit den Turbinenausstoßgasen, welche auf der Außenseite davon wären, fließen würde. Die Auslaßtemperatur des heißen Ausstoßgasstroms von der Turbine 27 kann an dem Auslaß des Wärmetauschers 21 auf ungefähr 250ºF (ungefähr 121,1ºC) abgesenkt werden, und an diesem Punkt würde sie in dieser Einrichtung zu Abfallwärme werden. Der Hochdruck-CO&sub2;-Strom, welcher den Hauptwärmetauscher 21 verläßt, wird zu dem Turbinen-Expansionsmittel 23 geführt, welches in der dargestellten Ausführungsform als eine Reihe von vier Stufen dargestellt ist, wobei jede eine Turbinen-Expansionsstufe mit radialem Einlaß ist. Die Anordnung ist so ausgelegt, daß die Energieabgabe eines derartigem Hochdruck- Hochtemperaturstroms maximal ist, indem er in Stufen in Turbinen-Expansionsmitteln expandiert wird, welche einzeln für derartige Druckcharakteristiken ausgelegt sind. Jede der einzelnen Stufen 23a, b, c und d ist so dargestellt, daß sie mechanisch mit einer separaten Generatoreinheit verbunden ist, obwohl sie alle in geeigneter Weise mit einem einzigen Generator 25 für elektrische Energie verbunden sein können, wenn dies gewünscht wird. Alternativ kann ein mehrstufiges, axiales Fluß-Expansionsmittel anstatt der vier separaten radialen Einlaß-Expansionsmittel verwendet werden.
• Wenn der CO&sub2;-Strom das zusammengesetzte Turbinen-Expansionsmittel verläßt, ist er bevorzugterweise zu trockenem Dampf expandiert worden; jedoch, abhängig von den speziellen Betriebsbedingungen, könnte der Dampf eine geringe Menge von darin mitgeführtem flüssigem Kohlendioxid enthalten, welches ungefähr 10 Gew.-% des CO&sub2; nicht überschreiten sollte. Die Temperatur und der Druck des Einlaßstroms beruhen auf der Auslegung der gesamten Einrichtung. Der Druck des expandierten CO&sub2;-Stroms kann z.B. nur ungefähr 80 psia (ungefähr 5,5 x 10² kPa) sein, und der Strom kann eine Temperatur von ungefähr 300ºF (ungefähr 149,9ºC) haben. Der Wirkungsgrad des Turbinen-Expansionsmittels 23 ist eine Funktion des Verhältnisses des Einlaßdrucks zu dem Auslaßdruck und dementsprechend ist, je geringer der Auslaßdruck ist, der Wirkungsgrad umso größer. Nach einem speziellen Gesichtspunkt, der später beschrieben wird, ist die CO&sub2;-Speicheranordnung so ausgelegt, daß der Druck soweit wie durchführbar reduziert wird, d.h. auf einen Punkt, der ungefähr 5 psia (ungefähr 34,5 kPa) über dem Tripelpunktdruck liegt. Wenn der zurückgeführte CO&sub2;-Strom in der Leitung 35 eine Temperatur von ungefähr 300ºF (ungefähr 148,9ºC) hat, kann dessen Temperatur in dem Wärmetauscher 19 auf z.B. ungefähr 95ºF (ungefähr 35ºC) abgesenkt werden.
• Der Auslaßstrom aus dem Wärmetauscher 19 fließt durch die Leitung 37, während eine Abzweigleitung 55 von der Leitung 37, aus einem nachfolgend beschriebenen Grund, wegführt. Die Leitung 37 führt den zurückgeführten Dampf zu dem Wärmetauscher 17, welcher als Gegenstromerwärmer dient, den das zurückgeführte CO&sub2; in wärmeaustauschender Beziehung mit der kalten Tripelpunktflüssigkeit, welche den Speicherbehälter 11 verläßt, durchfließt. Die Wärmeaustauschoberfläche ist bevorzugterweise derart, daß der Gegenflußstrom die Temperatur des zurückgeführten CO&sub2; auf ungefähr -55ºF (ungefähr -48,3ºC) absenkt, und der Dampf mit einem Druck von ungefähr 80 psia (ungefähr 5,5 x 10² kPa) wird in den Hilfstank 39 geblasen.
• Der Hilfstank weist bevorzugterweise eine Einrichtung, wie z.B. eine im allgemeinen horizontal angeordnete Scheibe 57 auf, welche sich durch diesen erstreckt und ihn in einen oberen Abschnitt und einen unteren Abschnitt unterteilt. Die Scheibenanordnung hält den CO&sub2;-Schlamm in dem oberen Abschnitt und läßt in dem unteren Abschnitt nur CO&sub2;-Flüssigkeit zu. Der zurückgeführte CO&sub2;-Dampf wird auf den Tripelpunkt herabgekühlt und kondensiert, wodurch das Schmelzen des festen Teils des CO&sub2;-Schlamms verursacht wird und somit zusätzliches flüssiges CO&sub2; erzeugt wird, beides in Folge der Dampfkondensation und in Folge des Schmelzens des Feststoffs innerhalb des Hilfstanks 39. Um in dem Hilfstank den gewünschten Flüssigkeitspegel beizubehalten, ist bevorzugterweise eine Zirkulationspumpe 59 vorgesehen, um Flüssigkeit von dem unteren Abschnitt des Hilfstanks abzuziehen und sie durch die Leitung 60 zu dem Hauptspeicherbehälter 11 und bevorzugterweise zu einem oberen Bereich darin zu pumpen.
• In der dargestellten Ausführungsform ist der Hilfstank 39 so gezeigt, daß er vertikal unterhalb des Hauptspeicherbehälters 11 angeordnet ist, welche die bevorzugte Anordnung ist, die einen Schwerkraft-Fluß von dichtem CO&sub2;-Schlamm von dem Boden des Hauptbehälters durch ein geeignetes druckresistentes Ventil 60 ermöglicht, um diesen Schlamm in den oberen Abschnitt des Hilfstanks 39 zu leiten. Jedes geeignete Ventil 61, wie z.B. ein im Stand der Technik bekanntes Drehschieberventil, welches das Auslassen aus einer Umgebung mit relativ hohem Druck ermöglicht, kann verwendet werden. Die Anordnung isoliert den Hilfstank von dem relativ hohem Druckgefälle, das in den unteren Bereichen innerhalb einer großen, mit CO&sub2;-Schlamm an seinem Tripelpunkt gefüllten Kugel besteht, z.B. einer Kugel mit einem Durchmesser von 100 Fuß (ungefähr 30,4 m) oder mehr. Es wurde herausgefunden, daß die Anordnung wesentliche Vorteile aufweist, wenn die Tiefe des CO&sub2;-Schlamms ungefähr 15 Fuß (ungefähr 4,57 m) überschreiten würde. Diese Anordnung ermöglicht es, daß CO&sub2;-Dampf aus der gesamten Speichereinrichtung zurückgeführt wird, ohne ein großes Druckgefälle überwinden zu müssen und führt dazu, daß ein überraschend hoher gesamter Wirkungsgrad für die gesamte Einrichtung erreicht wird. Wenn es nicht möglich ist, den Hilfstank 39 vertikal unter dem Hauptspeicherbehälter 11 anzuordnen, kann eine geeignete Transporteinrichtung, wie z.B. ein Schraubenförderer oder dgl. verwendet werden, um den CO&sub2;-Schlamm von dem unteren Bereich in dem Speicherbehälter zu entfernen und ihn zu dem oberen Bereich des Hilfstanks befördern.
• Der Hauptspeicherbehälter 11, welcher das flüssige CO&sub2; an seinem Tripelpunkt in der Betriebseinrichtung enthält, wird gewöhnlicherweise zuerst mit flüssigem CO&sub2; gefüllt, und kann einen separaten, damit verbundenen Versorgungstank 63 für flüssiges Hochdruck-CO&sub2; aufweisen. Der Tank 63 kann ein herkömmlicher Speicherbehälter für flüssiges CO&sub2; sein, welcher dazu ausgelegt ist, flüssiges CO&sub2; bei einer Temperatur von ungefähr 0ºF (ungefähr -17,8ºC) und einem Druck von ungefähr 300 psia (ungefähr 2,06 x 10³ kPa) zu halten, was im Stand der Technik bereits bekannt ist. Sollte aus irgend einem Grund die Hochdruckpumpe 15 nicht in der Lage sein, genügend flüssiges CO&sub2; aus dem Hauptspeicherbehälter abzuziehen, ist über eine Leitung 65 ein paralleler Versorgungspfad vorgesehen, welcher von der Unterseite des Versorgungstanks 63 durch eine Stufenpumpe 67, durch einen Wärmetauscher 48 und dann zu der Hochdruckpumpe 15 führt. Ebenso kann der Speicherbehälter 11 mit frischem CO&sub2; über eine Leitung 69 wieder gefüllt werden, welche ein Steuerventil 71 und ein Druckregulationsventil 73 enthält, welches schließt, wenn der Druck stromaufwärts unter einen gewünschten Wert fällt, z.B. 80 psia (ungefähr 5,5 x 10² kPa), und welche zu einem unteren Bereich in dem Hauptspeicherbehälter 11 führt.
• Im allgemeinen verursacht das Entfernen von CO&sub2;-Dampf aus dem Leerraum oder dem obersten Bereich des Speicherbehälters 11 durch eine Leitung 75 das Verdampfen von flüssigem CO&sub2; an der oberen Oberfläche der Flüssigkeit in der Kugel 11 und die Absenkung der Temperatur, welcher Temperaturabfall so lange andauert, bis das Volumen des flüssigen CO&sub2;, mit welchem der Behälter ursprünglich gefüllt war, den Tripelpunkt bei ungefähr 75 psia (ungefähr 5,17 x 10² kPa) und -70ºF (ungefähr 56,76ºC) erreicht. An diesem Punkt bilden sich Kristalle von festem CO&sub2; am Dampf-Flüssigkeits-Übergang und ihre Größe beginnt langsam zu wachsen, wobei ungefähr 1,3 Pounds (ungefähr 5,8 x 10&supmin;¹ kg) von festem CO&sub2; aus jedem Pound (ungefähr 0,45 kg) von flüssigem CO&sub2;, das verdampft, gebildet wird. Da festes CO&sub2; eine höhere Dichte als flüssiges CO&sub2; hat, beginnen die Kristalle auf den Boden des Behälters zu sinken und beginnen das zu bilden, was als CO&sub2;-Schlamm bezeichnet wird, eine Mischung aus festem und flüssigem CO&sub2;. Es wird als ausführbar erachtet, in einer derartigen Kugel ungefähr 55 bis ungefähr 75 % des Gesamtgewichts des darin enthaltenen CO&sub2; in der Form von festem CO&sub2; zu halten. Das feste CO&sub2; in der Form von CO&sub2;-Schlamm wird aus dem Boden des Speicherbehälters 11 durch das Ventil 61 abgezogen und dem oberen Abschnitt des Tanks 39 über der Scheibe 57 zugeführt. Eine Druckausgleichsleitung 77 ist bevorzugterweise vorgesehen, um den Leerraum des Speicherbehälters 11 und den des Hilfstanks 39 zu verbinden, so daß in den beiden oberen Bereichen beider Tanks die Dampfdrücke im wesentlichen gleich gehalten werden.
• Der durch die Leitung 75 abgeleitete CO&sub2;-Dampf wird mittels einer relativ herkömmlichen, mechanischen Kühleinrichtung behandelt, um ihn zu flüssigem CO&sub2; zu kondensieren und letztlich durch die Leitung 69 und das Druckregulationsventil 73 in den Speicherbehälter 11 zurückzuführen. Insbesondere führt die Leitung 75 zu dem Einlaß eines durch einen geeigneten Elektromotor angetriebenen CO&sub2;-Kompressors, welcher Kompressor entweder ein Zentrifugalkompressor oder ein Schraubenkompressor sein kann. Bevorzugterweise ist an dem Auslaß des Kompressors 79 ein sehr guter Ölabscheider vorgesehen, um eine Ansammlung von Öl in der Kugel 11 zu vermeiden. Der Auslaßdruck von dem Kompressor 79 kann zwischen ungefähr 300 und 375 psia (ungefähr 2,07 x 10³ bis ungefähr 2,58 x 10³ kPa) liegen. Der Auslaßstrom von dem Kompressor 79 fließt durch eine Leitung 81 zu einem Kondensor 83, worin er zur Rückführung zu der Kugel durch die Leitung 69 zu flüssigem CO&sub2; kondensiert . Der Kondensor 83 kann durch das Verdampfen eines geeigneten Kühlmittels, wie z.B. Ammoniak oder Fluorkohlenstoff R&sub2;&sub2;, gekühlt werden, welches durch die Röhrenseite eines Röhren- und Schalenkondensors fließt, wobei das CO&sub2; auf der Schalenseite davon ist. Ein derartiges mechanisches Kühlsystem kann als Gesamtes angeschafft werden und umfaßt normalerweise einen motorgetriebenen Kompressor 85, welcher das verdampfende Kühlmittel in dem Kondensor 83 ansaugt, dessen Druck in geeigneter Weise erhöht und dann das Hochdruckkühlmittel zu einem verdampfungs- oder luftgekühlten Kondensor 87 ausläßt, welcher bevorzugterweise von dem Wasserverdampfungstyp ist, der ein geeignetes Luftgebläse verwendet. Das unter hohem Druck stehende, kondensierte Kühlmittel wird dann durch ein Expansionsventil 89 auf die Verdampferseite des Kondensors 83 expandiert.
• Das flüssige CO&sub2; von dem Kondensor 83 fließt durch eine Leitung 90, welche bevorzugterweise einen durch ein Schwimmerventil gesteuerten Ansaugtank 90a enthält, welcher sicherstellt, daß der stromabwärts gelegene Bereich der Leitung 69 im wesentlichen mit flüssigem CO&sub2; gefüllt bleibt, indem das Ventil 73 geschlossen wird, wenn der Flüssigkeitspegel in dem Ansaugtank unter einen vorbestimmten Pegel fällt.
• Die vorher erwähnte Abzweigleitung 55 ist optional; sie führt zu einem Hilfskompressor 91, welcher durch einen geeigneten Motor angetrieben wird und so ausgelegt ist, daß er den Druck des CO&sub2; auf über 300 psia (ungefähr 2,07 x 10² kPa) anhebt, welche Verdichtung zu einer Dampftemperaturerhöhung auf ungefähr 190ºF (ungefähr 87,8ºC) führen kann. Ein geeigneter Kühler 93 ist vorgesehen, um die Dampftemperatur auf ungefähr 100ºF (ungefähr 37,78ºC) abzusenken, bevor dieser sich mit dem Dampf vereinigt, welcher in der Leitung 81, die zu dem Kondensor 83 führt, strömt.
• Wie bereits vorher angezeigt, wird die gesamte Einrichtung am wirkungsvollsten betrieben, indem der Speicherbehälter 11 so ausgelegt wird, daß die Kompressoren 79, 85 und 91 während der Zeiten mit elektrischem Spitzenenergieverbrauch nicht betrieben werden müssen, so daß nur eine minimale Energiemenge aufgewendet werden muß, um die Pumpen 15 und 47 anzutreiben, wodurch die Erzeugung elektrischer Energie während dieser Perioden, wenn die Energieerzeugung am kritischsten ist, maximal wird. Der größte Wirkungsgrad wird erreicht, wenn diese Kompressoren nur während Zeiten mit geringerem Energieverbrauch betrieben werden, und bevorzugterweise nur, wenn elektrische Energie am billigsten ist, da das Elektrizitätswerk überschüssige Energie zur Verfügung hat, die nicht anderweitig verwendet werden würde. Während Zwischenzeiten mit mittelerem Verbrauch elektrischer Energie, wenn die Kosten der Energie irgendwo zwischen den Spitzenkosten und den Kosten bei geringer Nachfrage sind, jedoch normalerweise näher bei den Kosten bei geringer Nachfrage, kann der Hauptkompressor 79 abgeschaltet werden und der Kompressor 91 dazu verwendet werden, im wesentlichen den ganzen zurückgeführten Dampf direkt zu dem Kondensor 83 zu leiten und die Kühleinrichtung, umfassend den Kompressor 85, zum Kondensieren des zurückgeführten Dampfes zu betreiben. Ein derartiger Betrieb kann als Grundlastbetrieb bezeichnet werden und weist ungefähr die gleiche Abgabe auf, wie eine Gasturbine mit einem Dampf-Grundkreislauf. Obwohl die Energieabgabe nicht so hoch ist wie sie im Spitzenabgabebetrieb wäre, ist sie höher als wenn der Hauptkompressor 85 mit voller Belastung betrieben wird.
• Ein weiterer Vorteil der SECO-Einrichtung ist, daß der Energieerzeugungs- (Speicherauslaß) Kreislauf in einer von zwei Arten ausgeführt werden kann. Die erste Art ist die Erzeugung von Energie während der zu dem Speichertank zurückgeführte Dampf festes CO&sub2; schmilzt, um flüssiges CO&sub2; zu bilden, ohne daß CO&sub2; an die Atmosphäre verloren geht; mit anderen Worten umfaßt die erste Art, welche vorstehend beschrieben wurde, ein geschlossenes System, aus welchem kein CO&sub2; in die Atmosphäre ausgelassen wird. Die zweite Betriebsart umfaßt Störungssituationen, nachdem das feste CO&sub2; vollkommen geschmolzen ist. Zu dieser Zeit kann die Einrichtung einen Notablaß durchführen, und Energie mit einer Rate von 120 % der für den geschlossenen Kreislauf ausgelegten Rate erzeugen; wodurch eine 40 Megawattanlage, in einem Notablaßbetrieb betrieben, 48 Megawatt erzeugen könnte. Jedoch wird während eines derartigen Notablasses CO&sub2;-Dampf in die Atmosphäre abgelassen und muß darauf folgend wieder nachgefüllt werden, bevor die Einrichtung zum normalen Betrieb zurückkehren kann. Da bei vielen Spitzen-Betrieben nur drei oder vier Spitzen-Betriebsstunden pro Tag benötigt werden, würde eine Ausdehnung der Ablaßperiode auf einige zusätzliche Stunden in einer Notablaß-Betriebsart es noch ermöglichen, daß die Einrichtung für einen normalen Betrieb am nächsten Tag wenigstens teilweise wieder aufgefüllt werden kann. Diese Möglichkeit für einen erweiterten Gebrauch des Speichers (Notablaß) ist ein Gesichtspunkt von SECO, welcher bei anderen Speichertechnologien, wie z.B. Pumpwasser oder Preßluft, nicht erhalten werden kann.
• Wie schon erwähnt, ist ein wesentlicher Vorteil der SECO- Einrichtung, besonders im Vergleich zu Preßluftspeichern und Pumpwasser, seine kurze Bauzeit. Da die meisten benötigten Einrichtungskomponenten laufend hergestellt werden und der Speicherbehälter am Ort in weniger als 18 Monaten errichtet werden kann, ist eine kurze Bauzeit für die gesamte Anlage möglich. Dies minimiert den Geldbetrag, der während des Anlagenbaus festgelegt ist, was ein wichtiger Faktor ist, wenn konkurrierende Anlagen 4 bis 10 Jahre zum Aufbau benötigen. Eine typische 40 MW SECO-Anlage könnte auf einer Grundfläche von ungefähr 4050 m² (1 acre) angeordnet sein, und bei ihr würden nur wenige der Schwierigkeiten und Verzögerungen auftreten, welche mit dem Erfüllen der technischen und Umgebungs-Belange von wesentlich größeren Pumpwasser- oder Preßlufteinrichtungen verbunden sind.
• Obwohl die dargestellte Ausführungsform die bevorzugte Verwendung eines heißen Ausstosses aus einer Gasturbine darstellt, um die Wärme zum Verdampfen des Hochdruck-CO&sub2;-Stroms vorzusehen, sind andere Heizungsanordnungen möglich, und wenn genügend Abfallwärme vorhanden sein sollte, könnte das Verwenden einer derartigen kostengünstigen Wärmequelle ebenso einen hervorragenden gesamten Wirkungsgrad aufweisen. Andererseits können Gas oder Öl-betriebene Heizungen, die dazu geeignet sind, Wärme auf einen Hochdruck-CO&sub2;-Strom zu übertragen, verwendet werden, und eine derartige Einrichtung, welche in Tabelle 1 mit SECO I bezeichnet ist, kann ebenso wirkungsvoller gemacht werden, indem die heißen Gase wiederverwendet werden, um das CO&sub2; zwischen den Expansionsstufen in einem mehrkomponentigen Turbinen-Expansionsmittel 23 wieder zu erwärmen. Ein größerer Wirkungsgrad einer Turbinen-Expansionsanordnung, welche das Konzept des Wärmeumwälzens verwendet, ist unglücklicherweise thermodynamisch nicht zu erhalten, wenn mit dem heißen Ausstoß von einer Gasturbine gearbeitet wird.
• Alternativ dazu kann ein Wirbelbettkohlenbrenner, speziell einer, welcher geeignete "im Bett-" Wärmetauscher aufweist, oder sogar ein Abfall-Verbrenner als Gas-Wiedererwärmer verwendet werden, um einen ähnlichen Effekt zu erreichen. Desweiteren kann selbst Solarenergie verwendet werden, um einen Hochdruck-CO&sub2;-Strom zu erwärmen, unter Verwendung der aufkommenden Technologie, die in den Vereinigten Staaten effizientere Solarheizungen entwickelt; dieses Konzept ist insbesondere deshalb anwendbar, da die Perioden mit Spitzenenergieverbrauch normalerweise mit den heißesten Tageszeiten übereinstimmen. Weitere in Aussicht stehende Wärmequellen umfassen geothermische und bei industriellen Prozessen anfallende Abfallwärme und die Verwendung von Fackelgas von einem petrochemischen- oder einem Müllgruben-Betrieb. Ein weiteres, besonders praktisches System, das verwendet werden könnte, ist eine Sauerstoffdonator-CO&sub2;-Produktions-Verbrennungseinheit, wie z.B. die in den U.S.-Patenten Nr. 4 309 198, 4 431 622 und 4 517 162 offenbarten, auf deren Offenbarung hiermit Bezug genommen wird.
• Obwohl die Erfindung in Betracht der bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist, ist es selbstverständlich, daß verschiedene Änderungen und Modifikationen, die für den Fachmann offensichtlich sind, durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die beiliegenden Ansprüche festgelegt ist. Z.B. könnte man, wenn sich die Möglichkeit ergibt, Vorteil aus dem potentiellen Kühlwert von kaltem CO&sub2; ziehen, indem ein Wärmetauscher 98 in die Leitung 43 eingesetzt wird, welcher zum Einfrieren von Lebensmitteln, für Klimaanlagen etc. verwendet werden könnte.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Speicherung von Energie und Verwendung derartig gespeicherter Energie und angewandter thermischer Energie zur Erzeugung mechanischer Energie, wobei die Vorrichtung Kohlendioxid-Aufnahmemittel (11,39) mit einem isolierten Behälter (11) zur Speicherung von flüssigem Kohlendioxid bei seinem Triple-Punkt, Kühlmittel zur Herstellung eines Vorrats von flüssigem Kohlendioxid aus dem dem Behälter zugeführten Kohlendioxid in dem Behälter, wobei dieses ungefähr bei seinem Triple-Punkt gehalten ist und einen wesentlichen Anteil von festem Kohlendioxid enthält, Mittel (13,47) zum Anziehen von flüssigem Kohlendioxid aus den Aufnahmemitteln (11,39), Druckmittel (15,47) für eine sehr erhebliche Vergrößerung des Druckes der abgezogenen Flüssigkeit, Heizungsmittel (17,19, 21,48) zum Aufheizen des flüssigen Kohlendioxids unter höherem Druck, Expansionsmittel (23) zur Aufnahme von Kohlendioxid aus den Heizungsmitteln (17,19,21,48) zum Expandieren des aufgeheizten Kohlendioxid in Trockendampf oder mitgenommene Flüssigkeit enthaltenden Dampf, wobei mechanische Energie erzeugt wird, und Mittel (35,37) zum Rückführen von ausgebrachtem Dampf oder Dampf-Flüssigkeit-Strom aus den Expansionsmitteln (23) in die Aufnahmemittel (11,39) umfaßt, wobei Kohlendioxid-Dampf desselben dadurch verdampft wird, daß das feste Kohlendioxid darin geschmolzen wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Mittel zum Abziehen von flüssigem Kohlendioxid eine Pumpe (47) umfassen, welche ein Vergrößerung des Kohlendioxid-Druckes auf wenigstens 1000 psia (ungefähr 6,89 x 10³ kPa) ermöglicht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Heizungsmittel (17,19,21,48) mit einer Wärmequelle über Umgebungstemperatur verbunden sind und wobei ein erster Wärmetauscher (19) einer Vielzahl von Tauschern (17,19,21,48), welcher Teil der Heizungsmittel (17,19,21,48) bildet, zur Kühlung des rückgeführten ausgebrachten Stromes aus den Expansionsmitteln (23) angeordnet ist, wobei flüssiges Kohlendioxid unter höherem Druck durch den ersten Wärmetauscher (19) im Wärmeaustausch mit dem ausgebrachten Strom hindurchgeführt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Druckaufbaumittel (47,15) Druckmittel (15) umfassen und der erste Wärmetauscher (19) zur Aufnahme von flüssigem Kohlendioxid unter Druck aus den Druckmitteln (15) angeordnet ist, wobei die Vorrichtung erste und zweite rotierende Mittel (29,25) zur Erzeugung von elektrischer Energie, wobei die zweiten Generatormittel (25) mit den Expansionsmitteln (23) verbunden sind, und die Heizungsmittel (17,19,21,48) umfaßt, welche den ersten Wärmetauscher (19), eine brennstoffgespeiste Gasturbine (27), welche mit den ersten rotierenden Mitteln (29) zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist, einen zweiten Wärmetauscher (21), welcher für einen Wärmeaustausch zwischen den heißen Austrittsgasen aus der Turbine (27) und dem flüssigen Kohlendioxid unter höherem Druck vom ersten Wärmetauscher (19) verbunden ist, einen dritten Wärmetauscher (48), welcher stromaufwärts der Druckmittel (15) für einen Wärmeaustausch zwischen dem flüssigen Kohlendioxid unter höherem Druck und einer Luftstromzufuhr zur Turbine (27) verbunden ist, und einen vierten Wärmetauscher (17) umfassen, welcher stromabwärts des Reservoirs für flüssiges Kohlendioxid und stromaufwärts des dritten Wärmetauschers (48) verbunden ist und so angeordnet ist, daß Hitze aus dem ausgebrachten Strom in diesem auf den flüssigen Strom übertragen wird, welcher von dem isolierten Behälter (11) abgezogen wird und bei Verwendung der Vorrichtung zum dritten Wärmetsuscher (48) und den Druckmitteln (15) strömt.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kohlendioxid-Aufnahmemittel (11,39) ein isoliertes Hauptgehäuse (11) und ein getrenntes Hilfsgehäuse (39) umfassen, wobei der rückgeführte, ausgebrachte Strom aus den Expansionsmitteln (23) zum Hilfsgehäuse (39) rückgeführt wird, worin eine Pumpe (59) für einen Transport des flüssigen Kohlendioxids vom Hilfsgehäuse (39) zum Hauptgehäuse (11) vorgesehen ist und wobei Mittel (61) für einen Transport des festen Kohlendioxids aus dem Hauptgehäuse (11) zum Hilfsgehäuse (39) vorgesehen sind.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Kohlendioxid-Aufnahmemittel (11,39) ein isoliertes Hauptgehäuse (11) zur Aufnahme von Kohledioxidschlamm bis auf eine innere Höhe von wenigstens 15 Fuß (ungefähr 4,57 m), ein Hilfsgehäuse (39) zum Schmelzen von festem Kohlendioxid, Mittel (61) zum Transport von Kohlendioxidschlamm vom Hauptgehäuse (11) zum Hilfsgehäuse (39), Mittel (35,37), zum Rückführen des ausgebrachten Stromes von den Expansionsmitteln (23) in das Hilfsgehäuse (39) und Mittel (59,60) zum Transport von flüssigem Kohlendioxid aus dem Hilfsgehäuse (39) in das Hauptgehäuse (11) umfassen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Hilfsgehäuse (39) auf einer tieferen vertikalen Höhe als das Hauptgehäuse (11) angeordnet ist und der Transport von Kohlendioxidschlamm durch Schwerkraft unterstützt ist, wobei Separationsmittel (57), durch welche flüssiges CO&sub2;, jedoch nicht festes CO&sub2; hindurchtritt, das Hilfsgehäuse (39) in einen oberen Bereich und einen unteren Bereich trennt, aus welch letzterem Bereich flüssiges CO&sub2; in das Hauptgehäuse (11) bei Verwendung der Vorrichtung transportiert wird, wobei eine Hochdruck-Verdrängerpumpe (15) zum Unterdrucksetzen des aus den Aufnahmemitteln abgezogenen flüssigen Kohlendioxids vorgesehen ist und rotierende Expansionsmittel (23) zum Expandieren des aufgeheizten Kohlendioxids vorgesehen sind, wobei Abgase aus einer Verbrennungseinheit (33) zur Erzeugung von elektrischer Energie zum Heizen des Kohlendioxids unter Druck, welches durch ein Unterdrucksetzen des aus den Aufnahmemitteln abgezogenen flüssigen Kohlendioxids hergestellt ist, vorgesehen sind, wobei elektrische Generatormittel (25) mit den rotierenden Kohlendioxid-Expansionsmitteln (23) zur Verwendung der erzeugten Energie gekoppelt sind.

8. Verfahren zur Speicherung von Energie und Verwendung derartig gespeicherter Energie und angewandter thermischer Energie zur Erzeugung mechanischer Energie, wobei das Verfahren die Schaffung eines Reservoirs an flüssigem Kohlendioxid bei ungefähr seinem Triple-Punkt, welches einen wesentlichen Anteil von festem Kohlendioxid enthält, Abziehen eines Stromes von flüssigem Kohlendioxid aus dem Reservoir, beträchtliches Vergrößern des Druckes des abgezogenen flüssigen Kohlendioxids, Aufheizen des abgezogenen flüssigen Kohlendioxids höheren Druckes, Expandieren des aufgeheizten Kohlendioxids in Trockendampf oder mitgenommene Flüssigkeit enthaltenden Dampf, wobei mechanische Energie erzeugt wird, Verwendung der mechanischen Energie zur Erzeugung elektrischer Energie, Rückführung eines ausgebrachten Dampfes oder Dampf- Flüssigkeits-Stromes geringeren Druckes aus der Expansion in das Reservoir und Kondensation des Kohlendioxiddampfes des ausgebrachten Stromes durch Schmelzen des festen Kohlendioxids des Reservoirs umfaßt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Druckerhöhungsschritt so durchgeführt wird, daß der Druck des aus dem Reservoir abgezogenen Kohlendioxids auf wenigstens 1000 psia (ungefähr 6,89 x 10³ kPa) angehoben wird, wobei der Heizschritt derart durchgeführt wird, daß das Kohlendioxid erhöhten Druckes auf wenigstens 500ºF (ungefähr 260ºC) vor dem Expansionsschritt aufgeheizt wird, und wobei der aus dem Expansionsschritt ausgebrachte Strom reduzierten Druckes auf ungefähr -50ºF (ungefähr -45,5ºC) oder darunter vor einem Rückführen in das Reservoir abgekühlt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, wobei eine erste Reservoirzone eingerichtet wird, welche Kohlendioxidschlamm bei seinem Triple-Punkt bis zu einer Tiefe von wengistens 15 Fuß (ungefähr 4,57 m) enthält, wobei der Abzugsschritt das Abziehen von flüssigem Kohlendioxid aus der ersten Reservoirzone umfaßt, das derartig abgezogene flüssige Kohlendioxid aufgeheizt, wird und nach dem Druckerhöhungsschritt zur Erzeugung von Kohlendioxiddampf und zur Verrichtung von Arbeit expandiert wird, ein Teil des Kohlendioxidschlammes von der ersten Reservoirzone zu einer zweiten getrennten Reservoirzone übergeführt wird, der beim vorangegangenen Heizen und Expandieren erzeugte Kohlendioxiddampf in die zweite Reservoirzone eingebracht wird, so daß er zu Flüssigkeit durch Schmelzen von festem Kohlendioxid kondensiert, und flüssiges Kohlendioxid von der zweiten Reservoirzone zur ersten Reservoirzone übergeführt wird.

11. Vefahren nach Anspruch 10, wobei der Transport von Kohlendioxidschlamm durch Schwerkraft erfolgt und wobei der Heizschritt ein Heizen umfaßt, welches durch einen Wärmeaustausch zwischen dem rückgeführten Kohlendioxid nach der Druckerhöhung und dem ausgebrachten Strom reduzierten Druckes erfolgt, worauf eine Druckerhöhung auf wenigstens 1000 psia (ungefähr 6,89 x 10³ kPa) und nachfolgend ein weiteres Heizen auf wenigstens 500ºF (ungefähr 200ºC) erfolgt.