WO2018184612A1 - Verfahren und anlagensystem zur energieumwandlung mittels kohlendioxid - Google Patents

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WO2018184612A1 PCT/DE2018/000074 DE2018000074W WO2018184612A1 WO 2018184612 A1 WO2018184612 A1 WO 2018184612A1 DE 2018000074 W DE2018000074 W DE 2018000074W WO 2018184612 A1 WO2018184612 A1 WO 2018184612A1
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    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F22D1/00—Feed-water heaters, i.e. economisers or like preheaters
    • F22D1/24—Feed-water heaters, i.e. economisers or like preheaters with fire tubes or flue ways traversing feed-water vessels
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E20/00—Combustion technologies with mitigation potential
    • Y02E20/32—Direct CO2 mitigation

Definitions

  • the invention relates to a method and a system for the energy conversion of heat in work with carbon dioxide as the working medium.
  • Carbon dioxide can also be used for energy storage, especially near its triple point CO2 has a smaller volume per MWh compared to the compressed air in empty mines or
  • the present invention In comparison with the known state of the art, where the steady-state flow process is usually carried out continuously by means of working medium, the present invention normally operates transiently and batchwise in the C02 low-temperature range. Thus, common measuring devices, machines and materials can be used as needed for the invention. On the other hand, it is also known that intensive efforts are currently being made to find the cost-effective materials for the production of machines and equipment which can withstand high CO 2 pressure and simultaneously high CO 2 temperature. For example, construction of such a model for heat engines, in which carbon dioxide is high Energy density can relax. As you know, in the distance you are striving as you have since
  • C02-containing gas such as purified flue gas from coal-fired power plants or other incinerators, contains some C02 mass fraction, for example 15%.
  • Heat exchangers and sedimentation plants e.g. used in winter time. In addition to the condensed water and other condensates, it also produces a dried gas, in which the CO 2 content has risen to a desirable level.
  • C02 liquefaction It is preferably winter cold air used to bring the temperature of the above-mentioned step 1) treated flue gas below minus 30 ° C. Then it is to be compressed by a gas compressor to the CO 2 partial pressure in the flue gas well over 15 bar increase. Thus, carbon dioxide will largely separate from the flue gas liquid.
  • the deposited CO 2 liquid is first used for electricity generation and then sent to a CO 2 liquid tank of the plant system. Each such container should be completely filled with CO 2 liquid. The remainder of the flue gas remaining after CO 2 separation is also led to further use or treatment.
  • other CO 2 -containing fluids can also be used here as flue gas for CO 2 separation or liquefaction. And the process of CO 2 liquefaction in the heat engine plant will be described in detail in the following explanation of the drawing 7 and it may be combined with the CO 2 liquefaction present here.
  • Geothermal, solar heat and so other natural heat is heated in the containers fully bottled C02 liquid, the e.g. from the o.g. Step 2) can come out and possibly still be relocated before heating.
  • their temperature rises above the level of 30 ° C, so that their pressure under the isochoric condition reaches a corresponding height of 700 bar or even higher.
  • the temperature of C02 fluids can be further increased during their flow to the Wämekrafbnaschinen, for example by the heat from the solar thermal systems is used and possibly also the heat from combustion of C02 -neutral fuels in a combustion chamber.
  • the heated carbon dioxide with the high pressure from the above step 3) can be expanded in heat engines such as piston engines or turbines, for example, to generate the electricity.
  • heat engines such as piston engines or turbines, for example.
  • the strong CO 2 pressure fluctuations are sufficiently smoothed.
  • the expanded carbon dioxide using the cold from river water, cold air, or other natural coolants to liquefy again, and it may still be to compact.
  • the liquefied carbon dioxide is then filled back into the C02 container.
  • the process goes to the above-mentioned step 3), and an expanding CO 2 cycle can then be formed if necessary with the CO 2 mass flowing in, which can come continuously from the above-mentioned step 2).
  • the plant system contains several of the following five components: heat exchanger plant, sedimentation plant, C02 liquefaction plant, C02 thermal energy plant and C02 fluid storage facility.
  • the C02 fluid storage system called C02 storage facility for short, can in turn consist of two units of the C02 gas storage facility and the C02 fluid storage facility.
  • C02-containing gas eg purified flue gas
  • purified flue gas can come from sources such as coal-fired power plants.
  • the heat exchanger system is used, for example, in winter time. This results in cooled flue gas, which is alienated in the subsequent sedimentation by sedimentation and dried by further cooling, if necessary, it is still to filter through a dust filter.
  • you get a dried and more purified flue gas which is still largely cooled down and adequately compressed in the subsequent C02-Vermentssistorsstrom to separate carbon dioxide in the form of liquid from the flue gas.
  • This separated CO 2 liquid can first be used to generate electricity and then be stored in the tanks of the CO 2 liquid storage system.
  • the stored CO 2 liquid may need to be relocated in the future. In the coming summer time, it is then to be heated by the air heat, solar heat or other natural heat sources, or to heat them up at an earlier time by applicable heat sources such as waste heat, geothermal, combustion heat, etc., for example, the electricity by their relaxation in the Wämekrafmi machinery with generators to produce.
  • This gaseous carbon dioxide can then be stored in the C02 gas storage facility and reliquefied with the help of cold air in the coming winter, or in an earlier time it is by its cooling with the cold from river water or similar natural coolants again convert into the liquid phase.
  • this carbon dioxide is liquefied at a cold place and then transported to the warm place, where it is heated and then relaxed in the heat-Krafrniaschinen. After the relaxation, it is transported back to the cold place.
  • this local bridging may be horizontal or vertical, for example, between the Arctic and the equator it is referred to as a horizontal bridging or between the foot and the summit of the Everest Mountains as a vertical bridging.
  • the temporal and local bridging may be horizontal or vertical, for example, between the Arctic and the equator it is referred to as a horizontal bridging or between the foot and the summit of the Everest Mountains as a vertical bridging.
  • Bridging can also be done in a combined way. Last but not least is the utilization of the temperature gradient between air and river water in one place and in one day.
  • Coal power plants or other incinerators already cleaned and provided with a high temperature Normally, it is released through a tall chimney into the air atmosphere, but now diverted to a heat exchanger of the plant. It flows in fact via the import of gas (1) in the metal line (5) of the heat exchanger.
  • the pipe in a round or flat shape is placed inside a reinforced concrete tank from top to bottom, for example, in a spiral or rectilinear manner.
  • Reinforced concrete container itself is partly on its outer wall, for example, with Thermal insulation material thermally insulated.
  • the flue gas flows from the top down through the export of gas (2) from the plant out.
  • the cold water flows from the top via the import of cold water (3) through a line in the bottom of the container, and then it flows along or cross the pipe outer surface from bottom to top, eventually overflows it as heating water on the export of heating water (4 ) out of the container.
  • the water condensed there also flows to the subsequent sedimentation plant.
  • a heat exchanger system should consist of two such
  • the heat exchanger (10) serves here for the further cooling of the flue gas, e.g. using the winter cold air. As a result, it is largely dried and then flows through the check valve (9) on the export of gas (8) out to the subsequent C02 liquefaction plant. If necessary, it can also be installed by a yet to be installed
  • Gas fan can be fed out of the container, and in front of the check valve (9), if necessary, install a dust filter to filter large and light particles from the flue gas.
  • a sedimentation plant should consist of two such reinforced concrete tanks.
  • Gas compression plant or from the heating water or other usable heat obtained in the heat exchanger system After that they will each have one or more
  • Heat engines with electric generators e.g. Piston engine or turbine, relaxed to the lowest possible pressure.
  • the CO 2 fluid is depressurized, for example, to a pressure of 15 bar and then passed into a container of the CO 2 liquid storage system and stored there.
  • the residual gas is analogous, e.g. to relax it to 1 bar.
  • the relaxed residual gas can then be released into the air atmosphere, or used for other uses, e.g. half of the cold created by relaxation and by the appropriate techniques, e.g. Linde method to separate the oxygen and nitrogen from the residual gas.
  • Heat recovery machines bring back by the relaxation of previously stored in the containers and still to be heated C02 liquid in the coming
  • CO 2 liquid flows through the import for CO 2 liquid (11) through the check valve (13) into the previously evacuated container, which may be an externally insulated heat-insulated reinforced concrete container. It is, if necessary, pumped by pump (12), otherwise it flows through a not shown in the drawing switchable bypass next to the pump (12) to the check valve (13).
  • the container can be internally equipped with a heat exchanger (16) for heat transfer to the outside and has an export for CO 2 liquid (14) with check valve (15), and has at least oneshoreexit not shown in the drawing. It automatically lets C02 liquid flow out of the container if its pressure in the container exceeds a certain level, for example, 70 bar.
  • CO 2 liquid containers there may be several such CO 2 liquid containers that can be connected to each other via valves and all of them together form the CO 2 liquid storage system.
  • the heat exchanger (16) of such containers can be implemented with different levels of heat transfer performance.
  • the heat exchangers of those vessels require very high heat transfer performance, from which CO 2 fluid is delivered directly to CO 2 flow to the heat engines.
  • the other heat exchangers can be provided with low heat transfer performance, especially if their heat transfer is for a long time, e.g. for several months from winter to summer.
  • C02 gas flows via the import of C02 gas (17) through check valve (19) into the previously evacuated container, which is eg a heat-insulated reinforced concrete container on the outside and built in combination with C02 liquid containers can be. It is, if necessary, required by the fan (18), otherwise it flows via a not shown in the drawing switchable bypass next to the fan (18) to the check valve (19).
  • the container may be equipped with a heat exchanger (22) for heat transfer to the outside and has an export of C02 gas (20) with check valve (21), and has at least oneshoreexit not shown in the drawing. It automatically lets C02 gas flow out of the tank if its pressure in the tank exceeds a certain pressure level of, for example, 5 bar.
  • CO 2 gas tanks There may be several such CO 2 gas tanks that can be connected to each other via valves and all of them together form the CO 2 gas storage facility.
  • Operating tank L or R links a container group of L 1, L2, ... Ln or Rl, R2, ..., Rm via their switches.
  • the containers of the two groups of containers are each connected to the heat and cooling source systems also via their but other switches.
  • Also connected are the two operating vessels L and R and the two connected to the heat exchanger with the heat and cooling source systems, but for clarity, the connecting lines and the corresponding switches are not shown in the drawing.
  • All containers are e.g. thermally insulated with thermal insulation material from the outside, inside they are each equipped with heat exchangers for heat transfer to the outside.
  • the service tanks are different from other vessels in that their heat transfer performance is higher and their strength is greater than the others.
  • the right-sided containers are evacuated, but the left side filled with C02-fluid, the has a high pressure and a certain high temperature.
  • the strained C02 fluid in the service tank L flows to the heat engines of the group via the left heat exchanger, where it is reheated. In the heat engines, it relaxes for energy conversion to a lower pressure with an associated lower temperature. These two quantities are referred to below as relaxation pressure or relaxation temperature.
  • the expanded carbon dioxide is cooled to the right via the heat exchanger, and flows on to the right-side operating tank R.
  • the containers LI, L2, ..., Ln will sequentially supply their C02 fluids to the service vessel L, during their delivery time the C02 fluids in the vessels are each heated via their own heat exchangers.
  • This heating process is called as a process of heating to be filled or heated to relax (See claim 1).
  • the container in question is closed, and after its switching is switched its heat exchanger, namely locking the
  • This cooling process ends when it reaches the temperature of a preselected coolant. And it is called a process or process of cooling for filling. (See claim 1). This process of cooling for filling occurs at certain intervals sooner or later for each left side container of LI, L2, Ln.
  • the right-side operating container R receives the expanded carbon dioxide with a cooling process through its heat exchanger.
  • the cooled carbon dioxide then flows further into the tanks R1, R2, ..., Rm in succession or in parallel, where it is further cooled by them for its liquefaction via the respective heat exchanger.
  • the necessary cold comes from the connected cooling sources.
  • CO 2 fluid then flows in the reverse direction, namely from the right side to the left side containers.
  • the CO 2 delivery processes on the right then take place analogously to the previous delivery processes on the left.
  • the left-side containers L, LI, L2, Ln still have residual carbon dioxide, which after cooling already has a lower pressure than the expansion pressure. Because of this, the processes of C02 fillings, cooling and heating take place analogously to the previous processes in the containers on the right. Sooner or later C02 fluids reach the thermodynamic state at the start of the plant.
  • the structure to the left and right of the Wännel Afteiaschinentik looks similar.
  • the C02 flow direction alternates at certain intervals constantly left to right and vice versa.
  • the processes of C02 heating and cooling or C02 deliveries and fillings alternate in the mutual CO 2 containers, which accordingly have to change between two states of open and closed.
  • these processes do not proceed continuously in the individual containers, but in a batch manner with some randomness for batch start and duration. Therefore, the C02 process is not a stationary flow process, but is a transient ping-pong flow process between the left and right sides of the thermal force group. In the following implementation example, this process will be described in detail with concrete numerical values.
  • due to the flexible design of the heating, cooling and storage functions of the C02 container the problem of discrepancy of the slow heat transfer from heat exchangers over the fast operation of heat engines is resolved.
  • Heat engines Piston engines or turbines with electric generators are used in different C02 operating pressure ranges with an upper limit of 700 bar and in the C02 temperature range between minus 70 ° C and plus 150 ° C.
  • the upper limit of 700 bar is determined by the strength of the C02 containers, here C02 liquid can reach a much higher pressure than 700 bar when heated up to 150 ° C in a fully filled container, such as 2000 bar. Therefore, if necessary, it is possible to build an operating tank with harder materials, which can withstand, for example, a higher CO 2 pressure of 1327 bar and at the same time the CO 2 temperature of 80 ° C.
  • the CO 2 depressurization pressure is based on the ambient temperature, e.g. River water temperature, or after the objective for the production of refrigeration or electricity.
  • Heat engines are used in the temperature range between 20 and 150 degrees Celsius so that if possible no fossil fuels need to be used for CO 2 heating and at the same time still a large amount of natural heat energy can be converted into work economically efficient.
  • Gas compression systems for flue gas or C02 gas compressions usually operate in the pressure range with an upper limit of 400 bar or 20 bar, which does not challenge the current technological state of gas compression systems.
  • MMS membrane gas separation
  • PSA pressure swing adsorption
  • Measuring instruments for pressure, temperature, mass flow, etc. are normal devices that do not usually require high precision, i.e. fault tolerance can well be in the range of tenths of units of bar, degrees, cubic meters per minute and so forth. lie.
  • a reinforced concrete channel can be used for C02 gas transport, which has to withstand a pressure of up to 5 bar.
  • a C02 fluid pipeline can be built to withstand C02 pressures up to 30 bar.
  • the site selection for implementation is somewhat limited by the climatic conditions in that no C02 transport system is used between the hot and cold locations.
  • a good location as an example is Haerbin City, the provincial capital of Helongjiang VR. China.
  • the air temperature in winter reaches minus 35 ° C, and in summer it exceeds plus 30 ° C.
  • C02 sources such as coal-fired power plants.
  • carbon dioxide can be separated from flue gas on-site and then transported through a CO 2 liquid pipeline to a remote CO 2 liquid storage facility.
  • the C02 storage facility should be built where possible, where there is little, for example, in the deserts.
  • the construction of such storage facilities can also combat the progressing desertification.
  • the C02 storage facility can be built in modules, from small to large, to a system size that can meet the local energy needs, provided that there is a sufficiently large amount of C02 available stands.
  • C02 Cost of Equivalently priced
  • the city of Haerbin one can now expect a newly available quantity of C02 of approximately 2.58 million tons per year. This requires about 3.30 million cubic meters of the total volume of reinforced concrete tanks for storing C02 fluid, which has a density of 782.6 kilograms per cubic meter. With 17500 cubic meters per container you have to build 189 containers.
  • the city of Haerbin needs as an example about a total electric power of 2 GW from coal power plants for civilian use. There they consume about 6.41 million tonnes of standard coal per year, producing about 20.61 million tonnes of carbon dioxide. With a C02 deposition rate of 75% from the flue gas, approximately 1.46 million tonnes of pure carbon dioxide could be produced each year, but within two months of winter, with the air temperature below minus 30 ° C, only 2.58 million tonnes could be liquefied there. After CO 2 liquefaction, the city of Haerbin must route the C02 fluid to a remote and low-level C02 fluid storage facility.
  • Reinforced concrete tank is very high. And in the following 9 comments, especially the 4th note explains how to reduce this pressure level without reducing the electrical power.
  • the strained C02 fluid flows from the left operating tank L via the left heat exchanger, where it is reheated, and then on to the heat engines of the group, where it relaxes to a pressure of 60 bar.
  • the expanded CO 2 fluid is cooled via the right heat exchanger, and then flows into the right operating tank R.
  • carbon dioxide in the L will receive the heat via its heat exchanger from the heat source plant so that the C02 temperature in the L can rise above the level of 80 ° C.
  • the C02 operating pressure drops there. With the sinking to near 70 bar C02 fluid is then supplied to him from the container LI.
  • a left side C02 cooling process starts in each case in the containers LI, L2, ..., Ln successively or in parallel, as soon as they are each closed and then the respective heat exchangers are switched from heating to cooling.
  • the C02 cooling process in each left side tank ends when the residual carbon dioxide there reaches the coolant temperature, eg 20 ° C.
  • the cold comes here via the respective heat exchanger of the container from the cold source system.
  • the service tank R receives the expanded C02 fluid through a cooling process using its heat exchanger. Subsequently, the cooled CO 2 fluid flows to the container R 1, which begins to receive it also by a cooling process with the aid of its heat exchanger.
  • Rl is automatically closed with a check valve for Rl not shown in the drawing, and thus, at the same time or just before, it begins to fill R2 with carbon dioxide from R. And so continuing, it runs to the last right-side tank Rm.
  • an operating tank consists of two sub-tanks, one for heating and delivery, another for cooling and receiving.
  • the analogous applies to the heat engine group and the two heat exchangers next to it.
  • Refrigeration source systems for the heat exchangers All containers L, LI, L2, ..., Ln and R, Rl, R2, ..., Rm are then under the same control and control of the program.
  • an operating container fixed for C02 deliveries or C02-receiving be recognized, and analogously, this applies to the two heat exchangers next to them for C02 cooling or C02 heating.
  • a heat exchanger fixedly attached to CO 2 cooling can also be combined with the receiving operating tank.
  • this may cause a container, except for the service vessels, to be stopped during its CO 2 delivery process from supplying it with further CO 2 fluids for the CO 2 delivering service vessel, if its heat exchanger is the CO 2 supply Heat to maintain certain C02 temperature level in it, eg 80 ° C in
  • CO 2 fluid is instead supplied from another CO 2 container with appropriate CO 2 temperature and C02 pressure for the CO 2 delivering operation vessel, in the
  • Implementation example means that C02 temperature there is higher or equal to 80 ° C and at the same time CO 2 pressure higher than 70 bar.
  • a single CO 2 tank need not necessarily have sufficient heat transfer capacity for CO 2 heating and CO 2 cooling in the tank except for the service tanks.
  • the implementation example of the city of Haerbin has, as stated above, a C02 mass amount which is sufficient for a 10-day single-sided CO 2 delivery for relaxation in the heat treatment machines.
  • All shortest duration would be 24 hours, then usually there is at least one early morning with the lowest ambient temperature in one day for the purpose of CO2 cooling.
  • Recognizable containers which results in a temporal bridging, namely a time shift thereby realized for the purpose of CO 2 cooling from the CO 2 reception time in the operating vessel at a later time in another C02 container, such. here the coming early morning.
  • a local bridging of the temperature difference between hot and cold places can be achieved by a C02 transport system such as e.g.
  • the C02 gas is either stored and later liquefied, or adequately compressed by a driven with the generated electricity gas compressor and at the same time with the cold from river water or similar natural coolants again converted into the liquid phase.
  • Compaction heat can be reused for CO 2 heating for electricity generation.
  • the operating pressures for example between 342 and 70 bar, are to be homogenized in the implementation example, ie to smooth the operating pressure fluctuations between them, then for the different CO 2 streams with different CO 2 pressure levels before the CO 2 Entering the Waste Machine Group to set up a C02 mixing apparatus consisting mainly of nozzles and diffusers. Or another method for this should be to first adequately divide a large operating pressure range into a plurality of smaller operating pressure ranges, and then use different thermal power machines for these different smaller operating pressure ranges accordingly. Of course it is also possible to use these two methods combined. However, a very different possible method is the use of a backpressure turbine with multi-pressure flows, if the C02 density before the C02 entry into the
  • Heat engines in a suitable subcritical area e.g. less than 60 bar and higher than 80 ° C.
  • the operating temperature of 80 ° C assumed in the implementation example results in that heat of the lower temperature for heating C02 can be used as the first heating stage.
  • the hot ambient air in summer heats carbon dioxide to 30 ° C or even higher. Is however the
  • Enthalpy gradient of about 36 kJ / kg can be achieved. This is much higher than 21 kJ / kg in the example, but it would have to accomplish a temporal or local bridging between plus 30 ° C and minus 30 ° C. In addition, one should use the heat from solar thermal systems, it is sufficient to achieve the
  • the tensioned C02 mass can only be taken from the specific upper part of the usable operating pressure range.
  • the enthalpy gradient can be increased by about 10%.
  • a higher enthalpy gradient can also be achieved.
  • more C02 mass or firmer operating container etc. must be provided for the two options.
  • the city of Haerbin can be eight with the o.g. 9 comments various extensions and modifications. If you increase, for example, the operating temperature of 80 ° C to 100 ° C, the enthalpy gradient of 21 kJ / kg in the example rises to about 42 kJ / kg. Similarly, it rises to about 35 kJ / kg when the
  • Coolant temperature as the river water temperature has a height of 5 ° C instead of the assumed in the example height of 20 ° C. Accordingly, there is a tremendous potential here to increase the enthalpy gradient to about 118 kJ / kg, if the operating temperature can be changed to 150 ° C and the coolant temperature to minus 30 ° C. However, this change is achievable by temporal or local bridging. For example, if one is able to raise the funds for building a large C02 gas storage facility, then a time shift from summer to winter can be realized by bridging the time. This generates much more electricity and more

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Abstract

1. Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid. 2.1 Kohlendioxid hat im Vergleich zu Wasser eine niedrigere Wärmekapazität. In seinem kritischen und energiedichten Bereich müssen aber die verwendeten Materialien hohem Druck und hoher Temperatur standhalten. Wegen seines niedrigen kritischen Punkts lässt es sich doch zur Energieumwandlung von Naturwärme in Arbeit effizient nutzen. 2.2 Dazu wird eine große Menge C02 in Behälter abgefüllt und mit Wärme wie z.B. klimatischer Wärme angeheizt. Damit ist die Grundlage für die C02-Entspannung in Wärmekraftmaschinen geschaffen. Vor der Entspannung werden die C02- Druckschwankungen geglättet und die C02-Fluide während ihrer Zuströmung zu den Wärmekraftmaschinen weiter geheizt. Nach der Entspannung sind sie z.B. durch klimatische Kälte zu verflüssigen. Zur Erlangung klimatischer Kälte oder Wärme braucht man eine örtliche bzw. zeitliche Überbrückung durch ein C02-Transportsystem bzw. eine C02- Speicheranlage. Die C02-Speicheranlage besitzt neben der Speicherfunktion noch Heiz- und KüMfunktionen, die auf die Leistung der Wärmekraftmaschinen abgestimmt sind. Damit ist das Problem langsamer Wärmeübertragung der Wärmeaustauscher gegenüber schnellem Betriebslauf der Wämiekraftmaschinen behoben. Außerdem laufen die C02- Prozesse in den Behältern der C02-Speicheranlage wie etwa Wärmeübertragung nicht kontinuierlich ab sondern batchweise. Deswegen ist der C02-Kreislaufprozess in der C02- Wärmekraftmaschinenanlage ein instationärer Fließprozess. 2.3 Somit löst man wirtschaftlich effizient die Probleme Klimawandel und Energiemangel, ggf. bekämpft man auch die Desertifikationen.

Description

Verfahren und Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Anlagensystem zur Energieumwandlung von Wärme in Arbeit mit Kohlendioxid als Arbeitsmedium. Kohlendioxid kann bekanntermaßen auch zur Energiespeicherung genutzt werden, insbesondere nahe seinem Tripelpunkt hat CO2 ein kleineres Volumen pro MWh im Vergleich zur Pressluft in leeren Minen oder zum
Pumpwasser in einem Speicher. Damit wird die Ortsgebundenheit der mithilfe der Pressluft oder des Pumpwassers ausgeführten Energiespeicherungen vermieden, und die Teillast-Funktion für die elektrischen Stromnetze lässt sich mit C02-gespeicherter Energie fast überall zur Geltung bringen. Es ist weiter bekannt, dass die mit CO2 gespeicherte Energie in einem Behälter zur mechanischen Energieumwandlung und zugleich zur Kälteerzeugung in Bezug der Kraft- /Kältekopplung ausgenutzt werden kann, um den Wirkungsgrad der Kälteerzeugung auch zu erhöhen. Darüber hinaus gibt es selbstverständlich noch weitere Möglichkeiten zur CO2 - Nutzung, und zur CO2 -Gewinnung bestehen erfahrungsgemäß auch vielfältige CO2 - Abscheidungstechniken zur Verfügung, beispielsweise das Kryogenverfahren mit Zyklonstufen, mit dem z.B. Biogas fraktioniert verflüssigt werden kann, dabei werden CO2, CH4, Wasser und andere Stoffe separiert. Bei der vorliegenden Erfindung wird eine große Menge CO2 mit hohem Druck und passender Temperatur benötigt, um die C02-Prozessführungen wie z.B. die
Wärmeübertragungen in den einzelnen Behältern der C02-Wärmekraftmaschinenanlage so zu gestalten, dass sie nicht kontinuierlich stattfinden, sondern in einer Batchweise mit gewisser Zufälligkeit für Batchstart und -dauer. Der damit gebildete Kreislauf in der CO2- Wäimekrafrmaschinenanlage ist daher vielmehr ein instationärer C02-Fließprozess.
Im Vergleich mit dem bekannten Stand der Technik, wo in der Regel mit dem stationären Fließprozess mittels Arbeitsmedium kontinuierlich gearbeitet wird, wird mit der vorliegenden Erfindung normalerweise im C02-Niedertemperaturbereich instationär und batchweise operiert. Somit können gängige Messgeräte, Maschinen und Materialien bei Bedarf für die Erfindung eingesetzt werden. Andererseits ist es auch bekannt, dass man derzeit intensiv versucht, die kostengünstigen Materialien zur Herstellung von Maschinen und Geräten zu finden, welche hohem C02-Druck und gleichzeitig hoher C02-Temperatur standhalten können. Zum Beispiel, Bau eines solchen Modells für die Wärmekraftmaschinen, in denen sich Kohlendioxid mit hoher Energiedichte entspannen kann. Im Weiten strebt man bekanntlich wie seit der
Dampfmaschinenerfindung nach den ständigen Wirkungsgradverbesserungen durch sorgfaltige Maschinengestaltung und optimierte Prozessführung. Vor allem wird dabei nur begrenzte Menge der CCh-Masse für die Energieumwandlungen verwendet. Die vorliegende Erfindung schlägt indes teilweise in eine andere Richtung, nämlich massenhafter Einsatz des
Kohlendioxids als Arbeitsmedium sowie kostengünstige Ausnutzung der natürlichen
Temperaturgefälle zum Heizen und zum Kühlen vom Kohlendioxid für die
Energieumwandlung, und zwar durch eine integrative Anwendung der gängigen Techniken in einem instationären und batchweise operierenden Fließprozess der CCh-Fluide. Somit lässt sich eine große Menge natürlicher Wärmeenergie in Arbeit wirtschaftlich effizient umwandeln. Hierbei sind zwar großflächige Grundstücke zur CCte-Speicherung oder zum CCh-Transport unter Umständen erforderlich, sowie die errechneten Enthalpiegefälle vom Kohlendioxid für die Wä^ekraftmaschinen gegenüber denen vom Wasser in der Regel auch niedrig. Mit der vorliegenden Erfindung löst man aber die Probleme Klimawandel und Energiemangel, ggf. bekämpft man auch die fortschreitenden Desertifikationen.
Zur detaillierten Formulierung der Erfindung wird im Folgenden angenommen, dass die Lufttemperatur in Winter unter minus 30 °C und in Sommer über plus 30 °C liegt, sowie Flusswasser oder anderes natürliches Kühlmittel höchstens eine Temperaturhöhe von 20 °C hat. Unter dieser Annahme wird die vorliegende Erfindung beschrieben, derer Arbeitsverfahren vier folgende Arbeitsschritte enthalten kann.
C02-Sammeln. C02-haltiges Gas wie das gereinigte Rauchgas aus den Kohlekraftwerken oder anderen Verbrennungsanlagen enthält gewissen C02-Massenanteil, beispielsweise 15%. Um Wärme aus dem Gas zu gewinnen und es noch weiter zu reinigen, werden die
Wärmeaustauscher- und Sedimentationsanlagen z.B. in Winterzeit eingesetzt. Dabei entsteht aus ihm neben dem kondensierten Wasser und anderen Kondensaten auch ein getrocknetes Gas, in dem der C02-Anteil erstrebenswert gestiegen ist.
C02-Verflüssigen. Es wird vorzugsweise winterliche Luftkälte genutzt, um die Temperatur des im o.g. Schritt 1) behandelten Rauchgases unter minus 30 °C zu bringen. Danach ist es durch einen Gaskompressor zu verdichten, um den C02-Partialdruck im Rauchgas weit über 15 bar zu erhöhen. Damit wird Kohlendioxid zum Großenteil aus dem Rauchgas flüssig abscheiden. Die abgeschiedene C02-Flüssigkeit wird erst einmal für die Elektrizitätserzeugung verwendet und dann in einen C02-Flüssigkeitsbehälter des Anlagensystems geleitet. Jeder solche Behälter ist mit C02-Flüssigkeit voll abzufüllen. Das nach der C02-Abscheidung gebliebene Restliche vom Rauchgas wird ebenfalls zu weiterer Nutzung oder Behandlung geführt. Übrigens ist es wichtig zu erwähnen, dass hier auch andere C02 -haltige Fluide als Rauchgas zur C02-Abscheidung bzw. -Verflüssigung angewendet werden können. Und der Prozess vom C02 -Verflüssigen in der Wärmekraftmaschinenanlage wird in der nachfolgenden Erläuterung zur Zeichnung 7 ausfuhrlich beschrieben, und er kann zusammen mit dem hier vorliegenden C02-Verflüssigen kombiniert ablaufen.
C02 -Heizen. Mithilfe sommerlicher Warmluft oder durch Nutzung von Abwärme bzw.
Geotherme, Solarwärme und so andere Naturwärme wird die in den Behältern voll abgefüllten C02-Flüssigkeit geheizt, die z.B. aus dem o.g. Schritt 2) hervorkommen kann und vor dem Heizen eventuell noch umgelagert werden soll. Durch das Heizen steigt ihre Temperatur über die Höhe von 30 °C, damit erreicht ihr Druck unter der isochoren Bedingung eine entsprechende Höhe von 700 bar oder noch höher. Darüber hinaus lässt sich die Temperatur von C02 -Fluiden während ihrer Zuströmung zu den Wämekrafbnaschinen weiter steigern, indem beispielsweise die Wärme aus den Solarthermie- Anlagen dazu verwendet wird und ggf. auch die Wärme aus Verbrennung von C02 -neutralen Brennstoffen in einer Brennkammer.
C02-Energieumwandeln. Das geheizte Kohlendioxid mit dem hohen Druck aus dem o.g. Schritt 3) lässt sich in Wärmekraftmaschinen wie Kolbenkraftmaschinen oder Turbinen expandieren, um z.B. die Elektrizität zu erzeugen. Vor dem C02-Eintritt in die Wärmekraftmaschinen werden die starken C02-Druckschwankungen hinreichend geglättet. Nach dem C02 -Austritt daraus ist das expandierte Kohlendioxid mithilfe der Kälte aus Flusswasser, Kaltluft, oder anderen natürlichen Kühlmitteln erneut zu verflüssigen, wobei es unter Umständen noch zu verdichten ist. Das verflüssigte Kohlendioxid wird dann wieder in die C02-Behälter voll abgefüllt. Somit geht der Prozess zum o.g. Schritt 3) über, und ein expandierender C02 -Kreislauf lässt sich dann bei Bedarf mit hinzufließender C02 -Masse bilden, die fortlaufend aus dem o.g. Schritt 2) stammen kann. Bei jedem von vier o.g. Schritten versucht man lediglich natürliche Kälte oder Wärme auszunutzen, was aber schon daraufhinweist, dass die vorliegende Erfindung zur Erzielung überdurchschnittlicher Wirtschaftlichkeit nur bedingt anwendbar ist, und zwar in den Regionen wo es in Winter bzw. in Sommer eine kalte bzw. eine warme Lufttemperatur herrscht, wie z.B. in Nordchina oder in Ägypten. Am besten wäre es an einem Ort kalt in Winter aber auch heiß in Sommer.
Zeichnungen: Als folgt wird die Erfindung mit sieben Zeichnungen weiter erläutert.
Erläuterung zur Zeichnung 1 : Die erste Zeichnung dient der Darstellung der
Systemübersicht. Wie die Zeichnung zeigt, enthält das Anlagensystem mehrere von fünf folgenden Bestandteilen: Wärmeaustauscheranlage, Sedimentationsanlage, C02- Verflüssigungsanlage, C02-WärmekrafuT aschinenanlage und C02-Fluidspeicheranlage. Die C02-Fluidspeicheranlage, kurz C02-Speicheranlage genannt, kann sich wiederum aus zwei Teilanlagen der C02-Gasspeicheranlage und der C02-Flüssigkeitspeicheranlage
zusammensetzen. Vor der Wärmeaustauscheranlage steht C02-haltiges Gas, z.B. gereinigtes Rauchgas, das aus Quellen wie Kohlekraftwerken hervorkommen kann. Um dies zu kühlen und Wärme daraus zu gewinnen, wird die Wärmeaustauscheranlage zum Beispiel in Winterzeit eingesetzt. Dabei entsteht gekühltes Rauchgas, das in der anschließenden Sedimentationsanlage durch Sedimentation entfremdet und durch weitere Abkühlung abgetrocknet wird, ggf. ist es noch über einen Staubfilter zu filtern. Somit bekommt man ein getrocknetes und noch mehr gereinigtes Rauchgas, das in der nachfolgenden C02-Verfüssigungsanlage noch weitgehend tiefer abgekühlt und adäquat verdichtet wird, um Kohlendioxid in Form der Flüssigkeit aus dem Rauchgas abzuscheiden. Diese abgeschiedene C02-Flüssigkeit lässt sich erst einmal für die Elektrizitätserzeugung verwenden und dann voll in den Behältern der C02- Flüssigkeitspeicheranlage abspeichern. Die abgespeicherte C02-Flüssigkeit braucht sich künftig unter Umständen noch umzulagern. In der kommenden Sommerzeit ist sie dann durch die Luftwärme, Solarwärme oder andere natürliche Wärmequellen anzuheizen, oder sie in einer früheren Zeit durch anwendbare Wärmequellen wie Abwärme, Geotherme, Verbrennungswärme usw. unverzüglich anzuheizen, um z.B. die Elektrizität durch ihre Entspannung in der Wämekrafmiaschinenanlage mit Generatoren zu erzeugen. Dabei gasförmig gewordenes Kohlendioxid kann anschließend in der C02-Gasspeicheranlage aufbewahrt werden und mithilfe der Kaltluft in der kommenden Winterzeit wieder verflüssigt, oder in einer früheren Zeit ist es durch seine Abkühlung mit der Kälte aus Flusswasser oder ähnlichen natürlichen Kühlmitteln erneut in die flüssige Phase umzuwandeln.
Man kann hier leicht erkennen, dass die nützlichen Temperaturgefälle der Luft zwischen Sommer- und Winterzeit durch die C02 -Fluidspeicheranlage zu überbrücken sind. Man bezeichnet dies als zeitliche Überbrückung. Hierbei wird Kohlendioxid in Winterzeit verdichtet und verflüssigt, sowie in Sommerzeit erwärmt und entspannt, dazwischen kann es in der C02- Fluidspeicheranlage aufbewahrt werden. Darüber hinaus steht noch eine örtliche Überbrückung zwischen warmen und kalten Orten mittels eines C02-Transportsystems wie etwa
Fernleitungsröhren oder Kanäle in Betracht. Hierbei wird Kohlendioxid am kalten Ort verflüssigt und dann zum warmen Ort transportiert, dort wird es erwärmt und dann in den Wärmekrafrniaschinen entspannt. Nach der Entspannung wird es wieder zum kalten Ort zurücktransportiert. Darüber hinaus kann diese örtliche Überbrückung in horizontaler oder vertikaler Weise erfolgen, z.B., zwischen der Arktis und dem Erdäquator wird sie als horizontale Überbrückung bzw. zwischen dem Fuß und dem Gipfel vom Everest-Gebirge als vertikale Überbrückung bezeichnet. Selbstverständlich können die zeitlichen und örtlichen
Überbrückungen auch in kombinierter Weise erfolgen. Nicht zuletzt ist doch die Ausnutzung des Temperaturgefälles zwischen Luft und Flusswasser an einem Ort und in einem Tag.
Erläuterung zur Zeichnung 2: Wie allgemein bekannt, ist das Rauchgas aus den
Kohlekraftwerken oder anderen Verbrennungsanlagen schon gereinigt und mit einer hohen Temperatur versehen. Normalerweise ist es über einen hohen Schornstein in die Luftatmosphäre freizulassen, aber jetzt zu einem Wärmeaustauscher der Anlage umgeleitet. Es fließt nämlich über die Einfuhr von Gas (1) in die Metall-Leitung (5) des Wärmeaustauschers herein. Die Leitung in runder oder platter Form wird innerhalb eines Stahlbetonbehälters von oben nach unten beispielsweise in einer spiralförmigen oder geradlinigen Weise gelegt. Der
Stahlbetonbehälter selber wird teilweise an seiner Außenwand z.B. mit Wärmedämmungsmaterial thermisch isoliert. In der Leitung fließt das Rauchgas vom oben nach unten über die Ausfuhr von Gas (2) aus der Anlage heraus. Das Kaltwasser fließt von oben über die Einfuhr von Kaltwasser (3) durch eine Leitung in den untersten Teil des Behälters hinein, und dann strömt es entlang oder kreuz der Leitungsaußenfläche von unten nach oben, schließlich überläuft es als Heizwasser über die Ausfuhr von Heizwasser (4) aus dem Behälter heraus. Innerhalb der Leitung strömt auch das dort kondensierte Wasser zur nachfolgenden Sedimentationsanlage. Übrigens, eine Wärmeaustauscheranlage sollte aus zwei solchen
Wärmeaustauschern bestehen.
Erläuterung zur Zeichnung 3: Einfuhr von Gas (6) ist mit der in Zeichnung 2 gezeigten Ausfuhr vom Gas (2) verbunden. Die Höhe ihrer Lage ist niedriger als die der Ausfuhr von Gas (2), damit die Kondensate aus dem Rauchgas in einen Stahlbetonbehälter der
Sedimentationsanlage leicht einströmen. Sie werden durch das Doppelventil (7) separat gezielt extrahiert, d.h., das kondensierte Wasser mit manchen Fremdstoffen wird nach der
Sedimentation zu einer in Zeichnung 3 nicht gezeigten Wasseranlage abgeleitet, alle festen Sedimente werden nach ihrer Entnahme über das Doppelventil (7) auch adäquat weiter behandelt. Der Wärmeaustauscher (10) dient hier der weiteren Abkühlung des Rauchgases z.B. mithilfe der winterlichen Kaltluft. Dadurch wird es weitgehend abgetrocknet und dann fließt durch das Sperrventil (9) über die Ausfuhr von Gas (8) heraus zur nachfolgenden C02- Verflüssigungsanlage. Bei Bedarf kann es auch durch einen noch zu installierenden
Gasventilator aus dem Behälter herausgefördert werden, und vor dem Sperrventil (9) kann man, wenn nötig, einen Staubfilter installieren, um große und leichte Partikel aus dem Rauchgas zu filtern. Übrigens, eine Sedimentationsanlage sollte aus zwei solchen Stahlbetonbehältern bestehen.
Erläuterung zur Zeichnung 4: Hier wird anhand des getrockneten Rauchgases aus der Sedimentationsanlage der C02-Verflüssigungsprozess beschrieben. Dabei kann man stattdessen auch andere C02 -haltige Gase in analoger Weise zur C02-Verflüssigung benutzen. Das getrocknete Rauchgas aus der Sedimentationsanlage wird hier auf eine Druckhöhe von über 300 bar verdichtet, und zwar durch eine mehrstufige Gasverdichtungsanlage mit
Zwischenkühlungen dank winterlicher Luftkälte. Dabei kann viel Verdichtungswärme mit über 100 °C entstehen, die in zwei Wärmeströmen A und B zu den Wärmeaustauschern 1 und 2 abgeführt wird. Nach der Verdichtung und der Abkühlung befindet sich das Rauchgas auf einem thermodynamischen Zustand von über 300 bar und unter minus 30 °C, was für C02- Verflüssigung ausreicht. Das verdichtete Rauchgas fließt dann weiter in einen zuvor evakuierten Behälter hinein, und dort unter eventuell weiterer Abkühlung trennt es sich in zwei Teile: C02- Flüssigkeit und Sonstiges, genannt als Restgas. Die beiden Teile werden separat aus dem Behälter jeweils durch den C02-Strom D und den Restgas-Strom C abgeführt, ihre
Temperaturen werden alsdann jeweils über Wärmeaustauscher 1 bzw. 2 auf eine Höhe von über 100 °C angehoben. Die dazu nötige Wärme kommt eben von der o.g. mehrstufigen
Gasverdichtungsanlage oder vom in der Wärmeaustauscheranlage gewonnenen Heizwasser oder andere verwendbare Wärme. Danach werden sie jeweils über eine oder mehrere
Wärmekraftmaschinen mit elektrischen Generatoren, z.B. Kolbenkraftmaschine oder Turbine, auf einen möglichst niedrigen Druck entspannt. Das C02-Fluid wird beispielsweise auf einen Druck von 15 bar entspannt und danach in einen Behälter der C02-Flüssigkeitspeicher-anlage geleitet und dort abgespeichert. Für das Restgas gilt es analog, z.B. es auf 1 bar zu entspannen. Das entspannte Restgas lässt sich dann in die Luftatmosphäre freilassen, oder zu weiteren Verwendungen fuhren, z.B. mithälfe der bei Entspannung entstehenden Kälte und durch die geeigneten Techniken wie z.B. Linde- Verfahren die Sauerstoffe und Stickstoffe aus dem Restgas zu trennen.
Es ist somit vielversprechend und erstrebenswert, eine vollständige Nutzung vom gereinigten Rauchgas wirtschaftlich zu realisieren, wobei einige wichtigen und neuen Stoffformen entstehen können, z.B. flüssiges Kohlendioxid und Heizwasser. Dazu ist jedoch elektrische Energie beispielsweise für den Antrieb der Gasverdichtungsanlagen aufzuwenden. Durch Nutzung der Verdichtungs- und Heizwasserwärme wird aber elektrische Energie auch in großer Menge erzeugt, so dass nach Bilanz noch ein Überschuss elektrischer Energie ausgewiesen werden kann. Allerdings wird dazu notwendig sein, ein großes Volumen von Behältern zum Speichern der C02-Flüssigkeit bereitzustellen, was folglich eine massive Investition für ihre Errichtung anfordert. Sie lässt sich jedoch über weitere elektrische Stromerzeugung mit
Wärmela-aftmaschinen wieder zurückholen, und zwar durch die Entspannung der zuvor in den Behältern gespeicherten und noch zu heizenden C02-Flüssigkeit in der kommenden
Sommerzeit, oder in einer früheren Zeit an einem warmen Ort bzw. per Ausnutzung der verwendbaren Abwärme, Geotherme und so weiter.
Erläuterung zur Zeichnung 5: C02-Flüssigkeit fließt über die Einfuhr für C02-Flüssigkeit (11) durch Sperrventil (13) in den zuvor evakuierten Behälter hinein, der ein außenseitig geschickt wärmeisolierter Stahlbetonbehälter sein kann. Dabei wird sie, falls nötig, durch Pumpe (12) gefördert, ansonsten fließt sie über einen in der Zeichnung nicht gezeigten schaltbaren Bypass neben der Pumpe (12) zum Sperrventil (13). Der Behälter kann intern mit einem Wärmeaustauscher (16) zur Wärmeübertragung mit Außen ausgestattet werden und hat eine Ausfuhr für C02-Flüssigkeit (14) mit Sperrventil (15), sowie besitzt mindestens einen in der Zeichnung nicht gezeigten Sicherheitsexit. Er lässt C02-Flüssigkeit automatisch aus dem Behälter ausfließen, falls ihr Druck im Behälter über eine bestimmte Höhe zum Beispiel von 70 bar übersteigt.
Es kann mehrere solche C02-Flüssigkeitbehälter geben, die miteinander über Ventile verbunden werden können und alle diese zusammen die C02-Flüssigkeitspeicheranlage bilden. Der Wärmeaustauscher (16) von solchen Behältern kann mit unterschiedlicher Leistungshöhe der Wärmeübertragung implementiert werden. Beispielsweise brauchen die Wärmeaustauscher derjenigen Behälter eine sehr hohe Wärmeübertragungsleistung, von denen C02-Fluid unmittelbar für eine C02-Strömung zu den Wärmekraftmaschinen geliefert wird. Die sonstigen Wärmeaustauscher lassen sich mit niedriger Wärmeübertragungsleistung ausstatten, insbesondere, wenn ihre Wärmeübertragung für eine lange Zeit abläuft, z.B. für mehrere Monate von Winter zu Sommer.
Erläuterung zur Zeichnung 6: C02-Gas fließt über die Einfuhr von C02-Gas (17) durch Sperrventil (19) in den zuvor evakuierten Behälter hinein, der z.B. ein außenseitig eventuell wärmeisolierter Stahlbetonbehälter ist und mit C02 -Flüssigkeitbehältern kombiniert gebaut werden kann. Dabei wird es, falls nötig, durch Ventilator (18) gefordert, ansonsten fließt es über einen in der Zeichnung nicht gezeigten schaltbaren Bypass neben dem Ventilator (18) zum Sperrventil (19). Der Behälter kann mit einem Wärmeaustauscher (22) zur Wärmeübertragung mit Außen ausgestattet werden und hat eine Ausfuhr von C02-Gas (20) mit Sperrventil (21), sowie besitzt mindestens einen in der Zeichnung nicht gezeigten Sicherheitsexit. Er lässt C02- Gas automatisch aus dem Behälter ausfließen, falls sein Druck im Behälter über eine bestimmte Druckhöhe beispielsweise von 5 bar übertrifft.
Es kann mehrere solche C02-Gasbehälter geben, die miteinander über Ventile verbunden werden können und alle diese zusammen die C02-Gasspeicheranlage bilden. Der
Wärmeaustauscher (22), falls installiert, sollte wenige Wärmeübertragungsleistung besitzen, wenn seine Wärmeübertragung für eine lange Zeit abläuft, z.B. für mehrere Monate von
Sommer zu Winter.
Erläuterung zur Zeichnung 7: Die
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hat eine
Wärmelaafm aschmengruppe, die aus den Kolbenkraftmaschinen oder Turbinen mit
elektrischen Generatoren besteht. Links und rechts davon ist jeweils verbunden mit einem Wärmeaustauscher, an dem ein Betriebsbehälter L bzw. R angeschlossen ist. Der
Betriebsbehälter L bzw. R verknüpft eine Behältergruppe von L 1 , L2, ... Ln bzw. Rl , R2, ... , Rm über ihre Schalter. Die Behälter der beiden Behältergruppen sind jeweils verbunden mit den Wärme- und Kältequellenanlagen auch über ihre aber anderen Schalter. Ebenso verbunden sind die beiden Betriebsbehälter L und R sowie die beiden daran angeschlossenen Wärmeaustauscher mit den Wärme- und Kältequellenanlagen, aber Übersichtshalber sind die Verbindungslinien und die entsprechenden Schalter dafür nicht in der Zeichnung dargestellt. Alle Behälter sind z.B. mit Wärmedämmungsmaterial von außen thermisch isoliert, im Inneren sind sie jeweils mit Wärmeaustauschern zur Wärmeübertragung mit Außen ausgestattet. Die Betriebsbehälter unterscheiden sich insofern von anderen Behältern, als ihre Wärmeübertragungsleistung höher und ihre Festigkeit stärker als die anderen ausgelegt sind.
Als Startbedingungen der Anlage sei ohne Einschränkung der Allgemeinheit angenommen: die rechtseitigen Behälter seien evakuiert, die linkseitigen aber mit C02-Fluid voll abgefüllt, das einen hohen Druck und eine bestimmte hohe Temperatur aufweist. Diese beiden
Zustandsgrößen von Druck und Temperatur werden nachfolgend jeweils als Betriebsdruck bzw. Betriebstemperatur bezeichnet. Das gespannte C02-Fluid im Betriebsbehälter L fließt zu den Wärmekraftmaschinen der Gruppe über den linken Wärmeaustauscher, wo es wiederrum erwärmt wird. In den Wärmekraftmaschinen entspannt es sich zur Energieumwandlung auf einen niedrigeren Druck mit einer zugehörigen niedrigeren Temperatur. Diese beiden Größen werden im Folgenden jeweils als Entspannungsdruck bzw. Entspannungstemperatur genannt. Das entspannte Kohlendioxid wird über den Wärmeaustauscher rechts abgekühlt, und fließt weiter zum rechtseitigen Betriebsbehälter R.
Die Behälter LI, L2, ..., Ln werden dem Betriebsbehälter L ihre C02-Fluide nacheinander liefern, während ihrer Lieferzeit werden die C02-Fluide in den Behältern jeweils über ihre eigenen Wärmeaustauscher erwärmt. Dieser Erwärmungsvorgang oder -prozess wird als Vorgang oder Prozess von Heizen zum Füllen oder Heizen zum Entspannen genannt (Siehe den Anspruch 1). Nach jeweiligem C02-Liefer-Ende, das mit einer bestimmten C02-Druckhöhe im betreffenden Behälter gekennzeichnet ist, wird der betreffende Behälter zugemacht, und nach dessen Zumachen wird sein Wärmeaustauscher umgeschaltet, nämlich Zusperren der
Wärmequelle und dann Freischalten der Kältequelle, um das restliche Kohlendioxid im Behälter abzukühlen. Dieser Kühlvorgang endet, wenn es die Temperatur eines vorgewählten Kühlmittels erreicht. Und er wird als Vorgang oder Prozess von Kühlen zum Füllen genannt (Siehe den Anspruch 1). Dieser Prozess von Kühlen zum Füllen erfolgt in gewissen Zeitabständen früher oder später für jeden linkseitigen Behälter von LI, L2, Ln.
Für die rechtseitigen Behälter empfängt zuerst der rechtseitige Betriebsbehälter R das entspannte Kohlendioxid mit einem Kühlvorgang durch seinen Wärmeaustauscher. Das gekühlte Kohlendioxid strömt dann weiter in die Behälter Rl, R2, ..., Rm nacheinander oder parallel, wo es zu seiner Verflüssigung über den jeweiligen Wärmeaustauscher von ihnen weiter abgekühlt wird. Die dazu notwendige Kälte kommt von den angeschlossenen Kältequellen. Nach dem Ende der C02-Vollfüllung in den jeweiligen Behälter von Rl, R2, Rm durch das strömende Kohlendioxid aus dem Betriebsbehälter R wird der betreffende Behälter zugemacht und nach dessen Zumachen wird sein Wärmeaustauscher umgeschaltet, nämlich Zusperren der Kältequelle und dann Freischalten der Wärmequelle, um Kohlendioxid im zugemachten Behälter isochor bis zur anfänglichen linkseitigen Betriebstemperatur zu erwärmen, und somit wird das Kohlendioxid den anfänglichen 4inkseitigen Betriebsdruck im Behälter wieder erlangen. Diese Vorgänge erfolgen für jeden rechtseitigen Behälter von Rl, R2, Rm. Und so erreichen alle ihre C02-Fluide früher oder später den thermodynamischen Zustand beim Starten der Anlage. Dabei wird der Kühlvorgang als Vorgang oder Prozess von Kühlen zum
Verflüssigen genannt (Siehe den Anspruch 1), und der Heizvorgang oder -prozess nach dem Zuschließen der Behälter als Heizen zum Drucksteigen (Siehe den Anspruch 1).
Anschließend oder kurz zuvor fließt C02 -Fluid dann mit der umgekehrten Richtung, nämlich von den rechtseitigen zu den linkseitigen Behältern. Die C02-Liefervorgänge rechts vollziehen sich dann analog zu den vorherigen Liefervorgängen links. Die linkseitigen Behälter L, LI, L2, Ln haben in sich noch restliches Kohlendioxid, das nach seiner Abkühlung schon einen niedrigeren Druck als der Entspannungsdruck aufweist. Deswegen erfolgen dort die Vorgänge von C02 -Füllen, -Kühlen und -Heizen analog zu den vorherigen Vorgängen in den Behältern rechts. Damit erreichen C02-Fluide dort früher oder später wieder den thermodynamischen Zustand beim Start der Anlage.
In der Zeichnung sieht der Aufbau links und rechts der Wännel afteiaschinengruppe ähnlich aus. Im oben beschriebenen Prozess wechselt sich die C02-Strömungsrichtung in gewissen Zeitabständen ständig links zu rechts und umgekehrt. Ebenso wechseln sich die Vorgänge von C02-Heizen und -Kühlen bzw. C02 -Liefern und -Füllen in den beiderseitigen C02-Behältern, die entsprechend zwischen zwei Zuständen von Offen und Geschlossen zu wechseln haben. Außerdem laufen diese Vorgänge in den einzelnen Behältern nicht kontinuierlich ab, sondern in einer Batchweise mit gewisser Zufälligkeit für Batchstart und -dauer. Der C02-Prozess ist daher kein stationärer Fließprozess, vielmehr ist er ein instationärer Pingpong-Fließprozess zwischen den linken und rechten Seiten von der Warmekraftmascrimengruppe. In dem nachfolgenden Implementierungsbeispiel wird dieser Prozess noch zusätzlich mit konkreten Zahlenwerten bis ins Detail beschrieben. Des Weiteren ist hier noch anzumerken, dass aufgrund der flexiblen Auslegung der Heiz-, Kühl- und Speicherfunktionen der C02-Behälter das Problem der Diskrepanz der langsamen Wärmeübertragung von Wärmeaustauschern gegenüber dem schnellen Betriebslauf von Wärmekraftmaschinen behoben ist.
Implementierungsbeispiel: In der vorliegenden Erfindung werden in der Regel die Standards- Techniken und -Equipments integrierend angewendet.
Wärmekraftmaschinen: Es werden Kolbenkraftmaschinen oder Turbinen mit elektrischen Generatoren eingesetzt, und zwar in verschiedenen C02-Betriebsdruckbereichen mit einer Obergrenze von 700 bar sowie im C02-Temperaturbereich zwischen minus 70 °C und plus 150 °C. Die Obergrenze von 700 bar wird durch die Festigkeit der C02-Behälter bestimmt, hier kann C02-Flüssikeit in einem voll abgefüllten Behälter beim Aufheizen bis zum 150 °C einen viel höheren Druck als 700 bar erreichen, wie etwa 2000 bar. Daher bei Bedarf lässt sich ein Betriebsbehälter mit härteren Materialien bauen, der beispielsweise einem höheren C02-Druck von 1327 bar und gleichzeitig der C02-Temperatur 80 °C standhalten kann. Der C02- Entspannungsdruck orientiert sich nach der Umgebungstemperatur z.B. Flusswasser- Temperatur, oder nach der Zielsetzung für die Kälte- oder Elektrizitätserzeugung. Er ist auch durch das Verhältnis der C02-Dichten vor und nach der C02-Entspannung beeinflusst. Die untere Temperaturgrenze nach der C02-Expansion in Wärmekraftmaschinen ist neben dem Einfluss des C02-Entspannungsdrucks noch durch die C02-Trippelpunkt-Temperatur und die anderen Faktoren wie Entropiehöhe und die Festigkeit der angewendeten Materialien beschränkt. Die obere Grenze der C02 -Temperatur vor der C02-Expansion in den
Wärmekraftmaschinen setzt man im Temperaturbereich zwischen 20 und 150 Grad Celsius so an, dass möglichst keine fossilen Brennstoffe zum C02-Heizen zu verwenden brauchen und gleichzeitig noch eine große Menge natürlicher Wärmeenergie in Arbeit wirtschaftlich effizient umgewandelt werden kann.
Gasverdichtungsanlagen für die Rauchgas- bzw. C02-Gaskompressionen arbeiten hier normalerweise im Druckbereich mit einer Obergrenze von 400 bar bzw. 20 bar, die den heutigen technologischen Stand der Gasverdichtungsanlagen nicht herausfordert. Werden außerdem die Verfahren von Membrane Gas Separation (MGS) oder Druckwechsel Adsorption (PSA) oder andere Verfahren vor der Kompression des Rauchgases für die Steigerung seines C02-Anteils verwendet, so kann die Obergrenze von 400 bar noch viel verringert werden. Ob ein von den beiden Verfahren oder anderen Verfahren dafür eingesetzt oder nicht, hängt ganz allein von der Abwägung der Wirtschaftlichkeit ab.
Messgeräte für Druck, Temperatur, Massenstrom u.a.m. sind normale Geräte, für die keine Hochpräzision in der Regel erforderlich wird, d.h., die Fehlertoleranz kann durchaus im Bereich vom Zehntel der Einheiten von bar, Grad, Kubikmeter pro Minute u.a.m. liegen.
Derzeitige Wämeübertragungstechnik gilt als technisch reif für die anzuwendenden
Wärmeaustauscher im Anlagensystem. Siehe dazu die verschiedenen Firmenprodukte und die entsprechenden in der Literatur der Erfindungsbeschreibung genannten Lehrbücher.
Im Fall vom C02-Ferntransport kann ein Stahlbetonkanal für C02 -Gas-Transport verwendet werden, der eine Druckhöhe bis zum 5 bar aushalten muss. Innerhalb des Kanals oder direkt daneben oder woanders kann eine C02-Flüssigkeit-Fernleitungsröhre gebaut werden, die einem C02-Druck bis zum 30 bar standhalten muss. Diese Anforderungen an die C02- Transportsysteme sind mit den gegenwärtigen Kanal- und Röhre-Technologien ruhig erfüllbar. Siehe dazu die entsprechend aufgelisteten Fachliteraturen in der Beschreibung.
Die Standort- Auswahl für die Implementierung ist von den Klima-Bedingungen etwas eingeschränkt, insofern als kein C02-Transportsystem zwischen den warmen und kalten Orten eingesetzt ist. Ein guter Standort als Beispiel ist Stadt Haerbin, die Provinzhauptstadt von Helongjiang VR. China. Dort erreicht nämlich die Lufttemperatur in Winter minus 35 °C, und in Sommer übersteigt sie plus 30 °C. Außerdem wäre es gut, wenn die Bauplätze der Anlagen nahe von C02-Quellen wie etwa Kohlekraftwerken liegen können. Steht aber kein passendes Grundstück nahe davon zur Verfügung, so kann man Kohlendioxid aus Rauchgas vor Ort flüssig abscheiden, und dann durch eine C02-Flüssigkeit-Fernleitungsröhre nach einer fernliegenden C02-Flüssigkeitspeicheranlage transportieren. Die C02-Speicheranlage sollte möglichst dort gebaut werden, wo wenig angesiedelt ist, beispielsweise in den Wüsten. Weil die C02- Speicheranlage große Flächen bzw. Volumen anfordert, kann man dort mit dem Bau solcher Speicheranlage beispielsweise in Form der Stahlbetonbehälter auch die fortschreitenden Desertifikationen bekämpfen. Darüber hinaus kann die C02-Speicheranlage modulweise gebaut werden, von klein zu groß, bis zu einer Anlagensystemgröße, die den Energiebedarf vor Ort decken kann, vorausgesetzt, dass es dort ausreichend große C02-Massenmenge zur Verfügung steht. Im Beispiel der Stadt Haerbin kann man jetzt mit einer jährlich neu verfügbaren C02- Massenmenge von circa 2,58 Millionen Tonnen rechnen. Dazu benötigt man ungefähr 3,30 Millionen Kubikmeter als das gesamte Volumen von Stahlbetonbehältern zur Speicherung von C02-Flüssigkeit, die eine Dichte von 782,6 Kilogramm pro Kubikmeter hat. Mit 17500 Kubikmeter pro Behälter muss man 189 Behälter dazu aufbauen. Zur Sicherheit baut man 380 Stücke solcher Behälter, so in der Zeichnung 7 werden 190 Behälter jeweils für die linke bzw. rechte Seite von der Wärmekraftmaschinengruppe ausgelegt: 1 Betriebsbehälter und 189 andere Behälter. Man setzt zudem einen durchschnittlichen C02 -Massenstrom von 2000 Kilogramm pro Sekunde für die Wännekraftmaschinengruppe an, so reichen 2,58 Millionen Tonnen der C02-Masse für circa 10 Tage aus, während derer Dauer der C02-Massenstrom von einer nach der anderen Seite der Wärmekrafbnaschmengruppe fließt, bevor er die Fließrichtung wechselt.
Im Sinne der Wirtschaftlichkeit ist die Investition für diese Anlagensystemgröße noch niedrig. Für die Erläuterung dazu geht man davon aus, dass Stadt Haerbin als Beispiel circa eine gesamte elektrische Leistung von 2 GW aus Kohlekraftwerken für den zivilen Gebrauch benötigt. Sie verbrauchen dort ungefähr 6,41 Millionen Tonnen von Standardkohlen pro Jahr, erzeugen damit circa 20,61 Millionen Tonnen von Kohlendioxiden. Mit einer C02- Abscheidungssrate von 75% aus dem Rauchgas könnten jährlich circa 1 ,46 Millionen Tonnen von reinen Kohlendioxiden entstehen, von denen man aber in zweimonatiger Winterzeit mit der Lufttemperatur unter minus 30 °C dort lediglich 2,58 Millionen Tonnen verflüssigen kann. Nach der C02- Verflüssigung muss für Stadt Haerbin die C02-Flüssigkeit zu einer fernliegenden und wenig angesiedelten C02-Flüssigkeitspeicheranlage geleitet werden. So für das Anlagensystem braucht man dort insgesamt eine Investition von circa 900 Millionen Yuan Renminbi exklusive der beiden Kosten für die Grundstücke und den Bau von C02-Fernleitungsröhren. Der größte Kostenanteil fällt hier auf den Bau von C02-Speicheranlage, welche 380 Stücke obengenannter Behälter enthält. Zum C02 -Heizen können in Sommerzeit neben der Warmluft beispielsweise auch Solarthermie-Anlagen und Salzspeicher zur Wärmespeicherung eingesetzt werden, ggf. auch eine Brennkammer zur Verbrennung von C02-neutralen Brennstoffen in anderer Zeit, um eine C02-Betriebstemperatur von 80 °C vor dem Eintritt in die Wärmekraftmaschinen zu erreichen. Der Entspannungsdruck ist gegen 60 bar und abhängig von der Umgebungstemperatur, z.B. von Flusswasser mit 20 °C. Bei den Energieumwandlungen von Wärme in Arbeit setzt man voraus, dass der Wirkungsgrad der Wärmekraftmaschinen 70% beträgt, wobei das C02-Enthalpiegefalle zwischen vor und nach der C02-Expansion dort einen durchschnittlichen Wert von 21 kJ/kg beträgt. Unter günstigeren Bedingungen kann ein höherer Wert von circa 118 kJ/kg erreicht werden. Die Elektrizitätsmengenberechnung erfolgt im Folgenden aber mit dem Wert von 21 kJ/kg, und somit erhält man eine elektrische Leistung von etwa 28 MW. Daraus folgt: a) Produktion der Elektrizität von 244 Millionen kWh im ersten Produktionsjahr, b) Erzeugung von Kälte in Sommer. Derzeit in China hat der Öko-Strom ungefähr einen Preis vom 0,5 Yuan Renminbi pro kWh. Die erzeugte Elektrizität allein hat dann einen Wert in Höhe von 122 Millionen Yuan Renminbi, welcher gegenüber der geschätzten Investition von 900 Millionen Yuan Renminbi wirtschaftlich sehr effizient auftritt.
Als folgt wird der Betriebsprozess für die C02-Wärmekraftmaschinenanlage anhand der Zeichnung 7 mit Stadt Haerbin als Beispiel ausführlich beschrieben. Zuerst würden ohne Einschränkung der Allgemeinheit die folgenden Startbedingungen angenommen: Die rechtseitgien Behälter der Zeichnung 7 seien evakuiert und die linkseitigen aber mit C02-Fluid vollgefüllt, sein thermodynamische Zustand sei 342 bar und 80 °C, daraus folgt seine Dichte 782,6 Kilogramm pro Kubikmeter; das Kühlmittel sei Flusswasser, dessen Temperatur die Höhe von 20 °C nicht übertrifft; die gesamte Wärmeübertragungsleistung aller Wärmeaustauscher von der Anlage entspräche der elektrischen Leistung von 28 MW, dies erfordert etwa 215 MW Wärmeübertragungsleistung zum C02-Heizen und 270 MW zum C02-Kühlen. Bei der Annahme ist hier noch zu erwähnen, dass die Druckhöhe von 342 bar für einen
Stahlbetonbehälter sehr hoch ist. Und in den nachfolgenden 9 Anmerkungen, insbesondere der 4. Anmerkung wird erklärt, wie diese Druckhöhe ohne Senkung der elektrischen Leistung stark zu reduzieren ist.
Zum Beginn des Prozesses fließt das gespannte C02-Fluid aus dem linken Betriebsbehälter L über den linken Wärmeaustauscher, wo es wiederum erwärmt wird, und dann weiter zu den Wärmekraftmaschinen der Gruppe, wo es sich auf eine Druckhöhe von 60 bar entspannt. Das entspannte C02-Fluid wird über den rechten Wärmeaustauscher abgekühlt, und fließt anschließend in den rechten Betriebsbehälter R herein. Während der C02-Lieferzeit vom Betriebsbehälter L wird Kohlendioxid im L die Wärme über seinen Wärmeaustauscher aus der Wärmequellenanlage erhalten, damit die C02-Temperatur im L über die Höhe von 80 °C steigen kann. Gleichzeitig mit dem C02-Ausfluss aus L sinkt dort aber der C02-Betriebsdruck. Mit dem Sinken auf nahe 70 bar wird ihm dann C02-Fluid aus dem Behälter LI zugeliefert. Während der C02-Lieferzeit vom Behälter LI wird Kohlendioxid im LI die Wärme über seinen Wärmeaustauscher aus der Wärmequellenanlage erhalten, um C02-Temperatur dort möglichst auf 80 °C halten zu können. Mit dem C02-Drucksinken auf nahe 70 bar im Behälter LI wird LI zugemacht und kurz zuvor beginnt der Behälter L2 dem Betriebsbehälter L sein C02-Fluid zu liefern, dabei wird Kohlendioxid im L2 die Wärme über seinen Wärmeaustauscher aus der Wärmequellenanlage erhalten, um C02-Temperatur dort möglichst auf 80 °C halten zu können. Mit dem C02-Drucksinken auf nahe 70 bar im L2 wird L2 auch zugemacht. Dieser C02-Liefervorgang durch die linksseitigen Behälter wiederholt sich, bis Kohlendioxid im letzten Behälter Ln den Druck von 70 bar erreicht. Außerdem beginnt ein linkseitiger C02-Kühlvorgang jeweils in den Behältern LI, L2, ..., Ln nacheinander oder parallel, sobald sie jeweils zugemacht und anschließend die entsprechenden Wärmeaustauscher von Heizen auf Kühlen umgeschaltet sind. Der C02-Kühlvorgang in einem jeden linkseitigen Behälter endet, als das restliche Kohlendioxid dort die Kühlmitteltemperatur, z.B. 20 °C, erreicht. Die Kälte kommt hier über die jeweiligen Wärmeaustauscher der Behälter aus der Kältequellenanlage.
Oben ist der linkseitige Prozess beschrieben, nun wird der rechtseitige Prozess dargestellt. Der Betriebsbehälter R empfangt das entspannte C02-Fluid durch einen Kühlvorgang mithilfe seines Wärmeaustauschers. Anschließend fließt das gekühlte C02-Fluid zum Behälter Rl, der es auch durch einen Kühlvorgang mithilfe seines Wärmeaustauschers zu empfangen beginnt. Wenn Kohlendioxid im Rl den Entspannungsdruck 60 bar wegen des C02 -Füllens aus R erreicht, wird Rl mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Sperrventil für Rl automatisch zugemacht, und damit gleichzeitig oder kurz zuvor beginnt es, R2 mit Kohlendioxid aus R zu füllen. Und so ähnlich fortsetzend läuft es bis zum letzten rechtseitigen Behälter Rm. Während der Zeit des C02-Füllens in den Behälter R2 oder einen anderen rechtseitigen Behälter in der Gruppe mit Nummer größer als 2 wird Kohlendioxid im Rl über seinen Wärmeaustauscher weiter abgekühlt, bis es die Temperatur des Kühlmittels von 20 °C erreicht. Dabei gilt auch, immer wenn C02-Druck im Rl etwas niedriger als 60 bar wird, wird Rl mit Kohlendioxid aus R automatisch nachgefüllt, bis Kohlendioxid da den Entspannungsdruck 60 bar wieder erreicht. Diese Rl -Nachfüllung wiederholt sich in gewissen Zeitspannen, bis Kohlendioxid drin einen stabilen thermodynamischen Zustand von 60 bar und 20 °C aufweist. Daraus ergibt sich im Rl eine C02-Dichte von 782,6 Kilogramm pro Kubikmeter. Anschließend wird Rl zugemacht und dann ist sein Wärmeaustauscher vom Kühlen auf Heizen umzuschalten. Danach beginnt es, Kohlendioxid im Rl über seinen Wärmeaustauscher isochor zu heizen, bis Kohlendioxid dort die Betriebstemperatur von 80 °C erreicht. Daraus folgt ein C02-Druck von 342 bar im Rl. Diese Kühl-, Füll- und Heizvorgänge für Kohlendioxid in Rl wiederholen sich in der analogen Weise für jeden anderen Behälter der rechtseitigen Behältergruppe nacheinander oder parallel. Als gespanntes C02-Fluid im letzten linksseitigen Behälter Ln den Druck 70 bar erreicht, d.h. alle gespannten linkseitigen C02-Fluide für die C02-Entspannung in den
Wärmekraftmaschinen aufgewendet worden sind, befindet sich Kohlendioxid im letzten rechtseitigen Behälter Rm oder einem vorherigen Behälter in der rechtseitigen Behältergruppe schon auf dem stabilen thermodynamischen Zustand von 342 bar und 80 °C. Nun wird der gesamte Prozess in seiner C02-Strömungsrichtung umkehren, nämlich von den rechtseitigen zu den linkseitigen C02-Behältern. Die C02-Liefervorgänge rechts vollziehen sich dann analog zu den vorherigen C02-Liefervorgängen links, das gespannte C02-Fluid fließt nämlich jetzt aus dem Betriebsbehälter R über den rechtseitigen Wärmeaustauscher, wo es wiederum erwärmt wird, und dann weiter zu den Wärmekraftm^chinen der Gruppe, wo es sich auf 60 bar entspannt. Das entspannte Kohlendioxid kühlt sich anschließend über den linkseitigen
Wärmeaustauscher ab, und dann strömt ohne weiteres in den Betriebsbehälter L herein, weil sich das restliche Kohlendioxid in den linkseitigen Behältern nach vorheriger Abkühlung schon auf dem thermodynamischen Zustand von 20 °C und der Dichte 134,1 Kilogramm pro
Kubikmeter befindet, das bedeutet, der C02 -Druck dort beträgt circa 48 bar, er ist kleiner als der Entspannungsdruck 60 bar. Daher wiederholen sich die vorherigen rechtseitigen C02- Vorgänge jetzt bei den Behältern der linksseitigen Gruppe, nämlich Füllen, Kühlen, Heizen und so weiter. Damit werden C02-Fluide dort den thermodynamischen Zustand von 80 °C und 342 bar in gewissen Zeitabständen früher oder später wiedererlangen.
Der C02-Liefervorgang erfolgt also erst von links nach rechts und dann von rechts nach links, und jetzt beginnt er wieder von links nach rechts. So in diesem Zyklus läuft ein Pingpong- Fließprozess zwischen den beiden Seiten der Wännekrafniiascriinengruppe kontinuierlich ab. Allerdings, man wird sich dabei eine Frage stellen, ob die Wärmekraftmaschinen mit ihrem Lauf zwischendurch unterbrechen würden, weil der Umkehrvorgang in den beiden
Betriebsbehältern L und R zwischen Liefern und Empfangen bzw. Heizen und Kühlen nicht so schnell vollgezogen werden könnte. Eine Antwort dafür wird man in nachfolgenden
Anmerkungen finden, vorläufig kann man sich vorstellen, dass ein Betriebsbehälter aus zwei Teilbehältern besteht, ein für Heizen und Liefern, anderer für Kühlen und Empfangen. Das Analoge gilt für die Wärmekraftmaschinengruppe und die beiden Wärmeaustauscher daneben.
Anmerkungen:
1 ) Zum besseren Verständnis ist der Aufbau der C02-Wäimekrafbnaschinenanlage nahezu symmetrisch gezeichnet. Es genügt jedoch ein Steuerungsprogramm für die Anlage aufzustellen, das sich an den Zuständen von ihren Behältern bzw. Wärmeaustauschern mit den entsprechenden C02- Vorgängen bzw. Wärmeübertragungsmodi orientiert. Sie sind zu oder offen, und die C02 -Vorgängen sind Heizen, Kühlen, Halten, Liefern, Füllen, Nachfüllen, Zuschließen und Aufmachen für die Behälter, sowie die
Wärmeübertragungsmodi Ein-, Aus- und Umschalten von Wärme- oder
Kältequellenanlagen für die Wärmeaustauscher. Alle Behälter L, LI, L2, ..., Ln und R, Rl, R2, ..., Rm stehen dann unter derselben Kontrolle und Steuerung des Programms. Somit kann jeweils ein Betriebsbehälter fest für C02-Liefern bzw. C02-Empfangen angesetzt werden, und analog gilt dies den beiden Wärmeaustauschern neben ihnen für C02-Kühlen bzw. C02-Heizen. Im weiten lässt sich so ein fest für C02-Kühlen angesetzter Wärmeaustauscher auch mit dem empfangenden Betriebsbehälter zusammenlegen. Außerdem kann dadurch ein Behälter, bis auf die Betriebsbehälter, während seines C02-Liefervorgangs angehalten werden, aus ihm weitere C02-Fluide für den C02-liefernden Betriebsbehälter zu liefern, falls sein Wärmeaustauscher die Wärme zur Erhaltung gewisser C02-Temperaturhöhe in ihm, z.B. 80 °C im
Implementierungsbeispiel, nicht rechtzeitig zuliefern kann. In diesem Fall wird C02- Fluid stattdessen aus einem anderen C02 -Behälter mit passender C02-Temperatur und geeignetem C02-Druck für den C02-liefernden Betriebsbehälter geliefert, im
Implementierungsbeispiel bedeutet dies, C02-Temperatur dort ist höher oder gleich 80 °C und zugleich C02-Druck dort höher als 70 bar. Demzufolge braucht ein einzelner C02Behälter außer den Betriebsbehältern nicht mehr unbedingt eine ausreichende Wärmeübertragungsleistung zum C02-Heizen und zum C02-Kühlen im Behälter aufzuweisen. Jedoch ist dabei unbedingt zu beachten, dass die gesamte
Wärmeübertragungsleistung der Anlage zum C02-Heizen und zum C02-Kühlen eben der angesetzten elektrischen Leistung entsprechen muss. Im Beispiel der Stadt Haerbin ist die elektrische Leistung von 28 MW, dementsprechend sind die gesamten Heiz- und Kühlleistungen auch wie oben angegeben. Daher aufgrund dieser Kontroll- und
Steuerungsfunktionen des Programms, unabhängig davon, wie es und insbesondere mit welcher Programmiersprache und mit welcher Hardware implementiert wird, lässt sich die genannte Behälteranzahl von 380 Stücken mit dem vorgegebenen Volumen im Implementierungsbeispiel noch viel mehr verkleinern, und somit sinken die
entsprechenden Investitionen. Übrigens ergibt sich aus den genannten Leistungen, dass der gesamte Wirkungsgrad dieser Anlage bezüglich der Heizleistung bzw. der gesamten Wärmeübertragungsleistung circa 13% bzw. 6 % beträgt. Dieser Wirkungsgrad entspricht ungefähr dem von ORC-Anlagen im Niedertemperaturbereich.
) Das Implementierungsbeispiel der Stadt Haerbin verfügt, wie zuvor gesagt, über eine C02-Massenmenge, die für eine 10 tägige einseitige C02-Lieferung zur Entspannung in den Wärmel aftmaschinen ausreicht. Man kann diese Dauer etwas kürzen, zum Beispiel auf 5 Tage, indem der C02 -Massenstrom auf 4000 Kilogramm pro Sekunde verdoppelt wird. Infolgedessen ist circa ein Verzweifachen der elektrischen Leistung, vorausgesetzt jedoch, dass die Wärmeübertragungsleistung und die elektrische Kapazität der Anlage auch entsprechend erhöht werden. Alle kürzeste Dauer würde 24 Stunden, dann besteht in der Regel zumindest noch ein Frühmorgen mit der tiefsten Umgebungstemperatur in einem Tag zum Zweck des C02-Kühlens. Hierbei ist die Speicherfunktion von
Behältern wieder erkennbar, die eine zeitliche Überbrückung nach sich zieht, nämlich eine dadurch zum Zweck des C02 -Kühlens realisierte Zeitverschiebung vom C02- Empfangszeitpunkt im Betriebsbehälter zu einem späteren Zeitpunkt in einem anderen C02 -Behälter, wie z.B. hier dem kommenden Frühmorgen. Man kann dadurch solche Zeitverschiebungen zum C02-Kühlen nicht nur um einen oder mehrere Tage realisieren, sondern auch um mehrere Monate, beispielsweise zwischen Sommer- und Winterzeit. Erfolgt diese Zeitverschiebung durch die zeitliche Überbrückung zwischen Sommer und Winter tatsächlich, so kann der C02-Entspannungsdruck viel niedriger als 60 bar im Beispiel angesetzt werden, um mehr Elektrizität zu erzeugen, aber auch mehr Kälte in Sommer zu produzieren. Allerdings muss man dazu auch mehr C02-Speicherkapazität aufbauen. Andererseits unter der Beibehaltung der elektrischen Leistungshöhe von 28 MW im Beispiel kann man durch die Kürzung der Dauer die C02-Speicherkapazität, also hier die Behälteranzahl 380 mit dem genannten Volumen, deutlich reduzieren. Und infolgedessen lässt sich die genannte Investitionssumme von 900 Millionen Yuan Renminbi für das Anlagensystem drastisch verringern.
) Analog zur zeitlichen Überbrückung zwischen den hohen und niedrigen Temperaturen in den verschiedenen Zeiten kann eine örtliche Überbrückung des Temperaturunterschieds zwischen warmen und kalten Orten durch ein C02 -Transportsystem wie z.B.
Fernleitungsröhren oder Kanäle realisiert werden. Somit erfolgt mehr
Elektrizitätserzeugung durch Untersetzen des C02-Entspannungsdrucks für die
Wärmekraftmaschinen bzw. durch Erhöhen der Betriebstemperatur dafür. Aber dazu muss man die Baukosten für das C02-Transportsystem verkraften. Und zudem ist selbstverständlich auch möglich, die zeitlichen Überbrückungen hier kombiniert einzusetzen.
) Wird die benötigte Wärmeübertragungsleistung auf wenige C02-Behälter konzentriert, so brauchen alle anderen Behälter, bis auf die Betriebsbehälter, keine Wärmeaustauscher mehr in sich zu installieren, sie besitzen demzufolge hauptsächlich eine
Speicherfunktion und eine mögliche außenseitige Wärmeisolierung. Ihre Festigkeitsanforderung kann daher sehr deutlich nachlassen, z.B. C02 -Druck drin auf 70 bar bzw. auf 1 bar für C02-Flüssigkeitbehälter bzw. C02-Gasbehälter zu senken. Somit können die Bau- und Betriebskosten der C02-Behälter noch weiter verringert werden.) Ist die Zielsetzung die Kälteerzeugung statt der Elektrizitätsgewinnung, so unter Acht auf die entsprechenden Entropiehöhen kann der Entspannungsdruck für einige
WärmelaaftmascWnen in der Gruppe etwa auf 1 bar herabgesetzt werden. Dabei entsteht im entspannten C02-Gas die Kälte, welche zielgemäß abzuführen ist. Nach der
Kälteübertragung wird das C02-Gas entweder abgespeichert und später verflüssigt, oder durch einen mit der erzeugten Elektrizität angetriebenen Gaskompressor adäquat verdichtet und zugleich mit der Kälte aus Flusswasser oder ähnlichen natürlichen Kühlmitteln wieder in die flüssige Phase umgewandelt. Die dabei entstandene
Verdichtungswärme lässt sich zum C02-Heizen für die Elektrizitätsgewinnung weiterverwenden.
) Gäbe es überschüssige Elektrizität vom Stromnetz in der Nacht zu nutzen, so reduziert man am Tag möglichst tief den C02-Entspannungsdruck für die Wärmekraftmaschinen unter der Beachtung der entsprechenden Entropiehöhen, um mehr Elektrizität wie auch mehr Kälte zu erzeugen. Das so zu Gas expandierte Kohlendioxid ist dann in der Nacht durch einen mit der genannten überschüssigen Elektrizität angetriebenen Gaskompressor angemessen zu verdichten und zugleich durch seine Abkühlung wieder zu verflüssigen, die mit Hilfe der zuvor am Tag produzierten Kälte und/oder der Kälte aus Flusswasser, Kaltluft oder anderen natürlichen Kühlmitteln erfolgt. Am kommenden Tag steht das verflüssigte Kohlendioxid erneut für die Elektrizitätserzeugung zur Verfügung, wobei die zuvor in der Nacht entstandene Verdichtungswärme auch zum C02-Heizen mitgenutzt werden kann. Die Effizienz dieses ganzen Prozesses ist bemerkenswert hoch, zumal die Teillast-Funktionen der C02-angetriebenen Wärmekrafuriaschinen im
Vergleich zu Wasserdampfkraftwerken viel flexibler sind.
) Sind die Betriebsdrücke z.B. zwischen 342 und 70 bar im Implementierungsbeispiel zu homogenisieren, d.h. die Betriebsdruckschwankungen dazwischen zu glätten, so ist für die unterschiedlichen C02-Ströme mit differenzierten C02-Druckhöhen vor dem C02- Eintritt in die Wämekrafnriaschinengruppe ein C02-Mischungsapparat einzurichten, der hauptsächlich aus Düsen und Difrusoren besteht. Oder eine andere Methode dafür sollte darin bestehen, dass man zuerst einen großen Betriebsdruckbereich in mehrere kleinere Betriebsdruckbereiche adäquat aufteilt und dann dementsprechend verschiedene Wärmekrafmiaschinen für diese unterschiedlichen kleineren Betriebsdruckbereiche einsetzt. Es ist natürlich auch möglich, diese beiden Methoden kombiniert anzuwenden. Eine ganz andere mögliche Methode ist jedoch der Einsatz einer Gegendruckturbine mit Mehrdruckströmen, wenn die C02-Dichte vor dem C02-Eintritt in die
Wärmekraftmaschinen in einem geeigneten subkritischen Gebiet liegt, z.B. kleiner als 60 bar und höher als 80 °C.
) Die im Implementierungsbeispiel angenommene Betriebstemperatur in der Höhe von 80 °C hat zur Folge, dass Wärme der niedrigeren Temperatur zum C02 -Anheizen als erste Heizstufe ausgenutzt werden kann. Zum Beispiel, die heiße Umgebungsluft in Sommer erwärmt Kohlendioxid bis zum 30 °C oder noch höher. Ist jedoch die
Betriebstemperatur 80 °C nicht erreichbar, dann ist mit einem niedrigeren
Enthalpiegefälle und daraus folgender kleineren elektrischen Leistung zu rechnen, falls die Entspannungstemperatur nicht entsprechend gesenkt werden kann. Wenn aber die Entspannungstemperatur auch anbei gesenkt ist, so wird es trotz der niedrigeren
Betriebstemperatur sogar möglich, die Enthalpiegefälle zu steigern. Zum Beispiel, für die Betriebstemperatur 30 °C und die Kühlmitteltemperatur minus 30 °C, was eingangs zur Formulierung der vorliegenden Erfindung gerade der angenommenen
Lufttemperatur in Sommer bzw. in Winter entspricht, kann ein entsprechendes
Enthalpiegefälle von circa 36 kJ/kg erreicht werden. Dies ist viel höher als 21 kJ/kg im Beispiel, allerdings müsste man dazu eine zeitliche oder örtliche Überbrückung zwischen plus 30 °C und minus 30 °C bewerkstelligen. Darüber hinaus sollte man die Wärme aus Solarthermie-Anlagen nutzen, sie genügt zum Erreichen der
Betriebstemperatur 80 °C auf jeden Fall in der Sommerzeit. Außerdem lässt sich die C02-Temperatur von 80 °C durch die Übertragung der Wärme leicht übertreffen, die aus der Verbrennung von C02-neutralen Brennstoffen wie Abholze und Stroh hervorgeht. Falls ihr Verbrennungsrauchgas auch gesammelt wird wie es aus Kohlekraftwerken, dann kann diese Art Verbrennung sogar den C02-Treibhauseffekt vermindern.
9) Sind die Enthalpiegefälle, z.B. 21 kJ/kg im Implementierungsbeispiel, zu niedrig für den Antrieb der Wärmekraftmaschinen, dann ist die gespannte C02-Masse nur aus dem bestimmten Oberteil des verwendbaren Betriebsdruckbereichs zu entnehmen. Würde im Implementierungsbeispiel das gespannte Kohlendioxid nur aus dem Intervall [100, 342] bar anstatt [70, 342] bar benutzt, so kann das Enthalpiegefälle circa um 10% erhöht werden. Außerdem mit einer höheren Obergrenze vom Betriebsdruck als 342 bar, z.B. 700 bar, kann ein höheres Enthalpiegefälle ebenfalls erreicht werden. Allerdings zu den beiden Möglichkeiten muss jeweils mehr C02-Masse bzw. festerer Betriebsbehälter etc. bereitgestellt werden.
Ausgehend vom Implementierungsbeispiel der Stadt Haerbin können mit Acht auf die o.g. 9 Anmerkungen verschiedenartige Erweiterungen und Modifikationen durchgeführt werden. Erhöht man z.B. die Betriebstemperatur von 80 °C auf 100 °C, so steigt das Enthalpiegefälle von 21 kJ/kg im Beispiel auf circa 42 kJ/kg. Analog steigt es auf circa 35 kJ/kg, wenn die
Kühlmitteltemperatur wie die Flusswassertemperatur eine Höhe von 5 °C statt der im Beispiel angenommenen Höhe von 20 °C aufweist. Dementsprechend sieht man hier ein enormes Potenzial zur Erhöhung der Enthalpiegefälle auf circa 118 kJ/kg, falls die Betriebstemperatur auf 150 °C und die Kühlmitteltemperatur auf minus 30 °C geändert werden können. Diese Änderung ist aber erreichbar durch zeitliche oder örtliche Überbrückungen. Zum Beispiel, wenn man in der Lage ist, die Mittel für den Bau einer großen C02-Gasspeicheranlage aufzubringen, dann kann eine Zeitverschiebung von Sommer nach Winter durch die zeitliche Überbrückung realisiert werden. Damit wird viel mehr Elektrizität erzeugt, und durch mehrfache
Zwischenüberhitzungen kann das gesamte Enthalpiegefälle sogar einige Hunderte von kJ kg erreichen. Ähnlich dazu erreicht man solche gewaltige Erhöhung der Enthalpiegefälle auch durch eine örtliche Überbrückung mithilfe eines C02-Transportsystems wie etwa
Fernleitungsröhren oder Kanäle. Hierbei kommt es wahrlich auf jeweilige konkrete Situation an, für die eine sorgfältige Planung und Optimierung notwendig wird, um möglichst hohe
Wirtschaftlichkeit zu erzielen. Somit nutzt man C02 zur Energieumwandlung wirtschaftlich hoch effizient und löst die Probleme Klimawandel und Energiemangel, gegebenenfalls bekämpft man auch die fortschreitenden Desertifikationen.
Bezugszeichenliste
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Patente
Patent Publikationsdatum Antragsteller Titel
DE 102009057613A1 16.06.2011 Kipp, Jens- Werner Kraft-/Kältekopplung zur
Energiegewinnung
EP 0 277 777 Bl 10.08.1988 Crawford, John T.; Kraftanlage mit C02 als
Lewis, Oak Brook; Arbeitsfluidum
Fischer, Harry C;
Coers, Donald H.
EP 2 277 614 AI 26.01.2017 LO Solutions Verfahren zum Reinigen
GmbH/Hermeling, und Verflüssigen von
Werner Biogas Literatur
1. Thermodynamik, 6. Auflage, Springer Verlag 2007, Klaus Lucas
2. Thermodynamik, 15. Auflage, Springer Vieweg 2012, Baehr und Kabelac
3. Thermodynamik, Bd. 1, 19. Auflage, Springer Vieweg Verlag 2013, Peter Stephan,
Karlheiz Schaber, Karl Stephan, Franz Mayinger
4. Technische Thermodynamik, 2. Auflage, Springer Vieweg Verlag 2015, Peter von Böckh und Matthias Stripf
5. Thermodynamik, 2. Auflage, Verlag DE Gruyter 2016, Rainer Müller
6. Thermodynamik für Maschinenbauer, 5. Auflage, Springer Vieweg 2015, Wolfgang
Geller
7. VDI- Wärmeatlas, 11. Auflage, Springer Vieweg Verlag 2013
8. Wärmeaustauscher, 5. Auflage, Verlag Vogel Business Media 2015, Walter Wagner
9. Fundamental Equations of State, Shaker Verlag 1998, Reiner Tillner-Roth
10. Multiparameter Equations of State, Springer Verlag 2000, Roland Span
11. Grundlagen der Pneumatik, 3. Auflage, Verlag Hanser 2012, Horst- W. Grollius
12. Taschenbuch der Kältetechnik, 19. Auflage, Verlag C.F. Müller Heidelberg 2008, Walther Pohlmann
13. Strömungsmaschinen, 5. Auflage, Verlag Hanser 2013, Herbert Sigloch
14. Massivbau, 5. Auflage, Springer Vieweg 2015, Peter Bindseil
15. Stahlbetonbau, 9. Auflage, Verlag Springer Vieweg 2013, Stefan Baar, Karsten Ebeling, Gottfried CO. Lohmeyer
16. Thermoökonomische Bewertung der Organic Rankine Cycles bei der Stromerzeugung aus industrieller Abwärme, Verlag Berlin 2014, Thermodynamik Energie-Umwelt- Technik, Band 25, Markus Preißinger
17. CCS-Technologie, Springer Vieweg 2015, Hrsg. Manfred Fischedick, Klaus Görner, Margit Thomeczek
18. Can carbon dioxide replace steam to generate Power? Scientific American™, By Umair Irfan, Climate Wire, on March 3, 2015
Analyse der Entwicklungsstufen des Carbonate Looping Prozesses zur C02- Abscheidung, Verlag Cuvillier Göttingen 2014, Johannes Kremer
Gas2energy.net, 1. Auflage, Deutscher Industrieverlag GmbH 2015, Jens Mischner, Hans-Georg Fasold, Jürgen Heymer, Volker Trenkle
The Gas Engineer's Dictionary, Deutscher Industrieverlag GmbH 2013, Klaus Hofmann, Rainer Reimert, Bernhard Klocke

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid als Arbeitsmedium für die Wärmekraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagensystem die folgenden fünf Anlagen enthält:
1.1 eine Wärmeaustauscheranlage mit folgenden Merkmalen,
1.1.1 mindestens ein Behälter mit einem Volumen von mindestens 27 Kubikmeter und
1.1.2 der teilweise oder vollständig an seiner Außenwand wärmeisoliert ist, und
1.1.3 in dem mindestens eine Metall-Leitung (5) von oben nach unten gelegt ist, innerhalb welcher die Fluide über eine Einfuhr von Gas (1) von oben nach unten fließen, und
1.1.4 in dessen unteren Wandbereich eine Ausfuhr von Gas (2) besteht, aus welcher z.B. das Rauchgas durch die Metall-Leitung ausfließt, und
1.1.5 in dessen unteren Bereich ein Eingang vorhanden ist, durch welchen das Kaltwasser in den Behälter einfließt, und zwar von oben über eine Einfuhr von Kaltwasser (3) durch eine Wasserleitung, der mit dem Eingang verbunden ist, und
1.1.6 an dessen oberen Wandbereich eine Ausfuhr von Heizwasser (4) existiert, aus welcher das in den Behälter eingeflossene Kaltwasser nach der Wärmeübertragung über die Oberfläche der Metall-Leitung (5) als Heizwasser überläuft;
1.2 eine Sedimentationsanlage mit folgenden Merkmalen,
1.2.1 mindestens ein Behälter mit einem Volumen von mindestens 27 Kubikmeter und
1.2.2 der einen schrägen Boden zum Sammeln von Sedimenten aus C02-haltigen Fluiden hat, und
1.2.3 in dessen Wandbereich eine Einfuhr von Gas (6) besteht, und
1.2.4 in dessen tiefsten Bodenbereich ein Doppelventil (7) zur Extraktion der Sedimente aus C02-haltigen Fluiden existiert, und
1.2.5 an dessen Wand ein Ausgang zur Abführung des kondensierten Wassers aus den C02- haltigen Fluiden vorhanden ist, und
1.2.6 in dessen oberen Innenraum möglicherweise ein Wärmeaustauscher (10) zur Abkühlung vom C02-haltigen Gas installiert ist, und
1.2.7 an dessen oberen Teil eine Ausfuhr von Gas (8) zur Gas- Abführung besteht und ein Sperrventil (9) bestehen, und
ein optionaler Ventilator und/oder ein optionaler Staubfilter bei der Ausfuhr von Gas (8) installiert werden können;
eine C02- Verflüssigungsanlage mit folgenden Merkmalen,
mindestens eine Gasverdichtungsanlage mit einem optionalen schaltbaren Bypass, und mindestens ein Behälter zum Empfang von verdichtetem C02-haltigen Fluid wie z.B. Rauchgas aus der Gasverdichtungsanlage, und
eine Gruppe von Wärmeaustauschern zur Übertragung der Wärme wie etwa
Verdichtungswärme aus der Gasverdichtungsanlage oder anderer verwendbarer Wärme, um die Kohlendioxide zu erwärmen, die z.B. aus dem C02-haltigen Gas abgeschieden sind, und/oder das vorhandene restliche C02-haltige Gas nach der C02-Abscheidung zu erwärmen, und
eine Gruppe von Wärmekraftmaschinen für die Entspannung der C02-Fluide, und/oder für die Entspannung des vorhandenen restlichen C02 -haltigen Gases nach der C02- Abscheidung, und
ein Behälter zum Empfang der C02-Fluide, die in Wärmekraftmaschinen entspannt wurden, und
ein optionaler Behälter zum Empfang des vorhandenen entspannten restlichen C02- haltigen Gases nach der C02-Abscheidung, und
eine Gruppe von C02-Flüssigkeitbehältern zum Speichern der C02-Fluide, wobei die C02-Flüssigkeitbehälter bei Bedarf mit Wärmeaustauschern ausgestattet werden können, und
eine optionale Gruppe von Behältern zum Empfangen des vorhandenen entspannten restlichen C02-haltigen Gases nach der C02-Abscheidung, wobei die Behälter mit eventuell benötigten Wärmeaustauschern ausgestattet werden können;
eine C02-Fluidspeicheranlage mit einer oder zwei der folgenden beiden Teilanlagen, eine C02-Flüssigkeitspeicheranlage mit folgenden Merkmalen,
eine Gruppe von Behältern, die über Ventile miteinander verbunden werden können, und jeder Behälter der Gruppe hat: eine Einfuhr für C02-Flüssigkeit (11) mit einem optionalen Sperrventil (13) und einer optionalen Pumpe (12), sowie einen mit der Pumpe (12) korrelierten Bypass, und eine Ausfuhr für C02-Flüssigkeit (14) mit einem optionalen Sperrventil (15), und zumindest einen Sicherheitsexit, und
eventuell einen, mehrere oder auch keinen Wärmeaustauscher (16) im Innenraum, und teilweise oder vollständig an der Außenwand thermisch zu isolieren, und
mindestens dem Druck von 20 bar standzuhalten;
eine C02-Gasspeicheranlage mit folgenden Merkmalen,
eine Gruppe von Behältern, die über Ventile miteinander verbunden sein können, und eder Behälter der Gruppe hat:
eine Einfuhr von C02-Gas (17) mit einem Sperrventil (19) und einem optionalen Ventilator (18), sowie einen mit dem Ventilator (18) korrelierten Bypass, und eine Ausfuhr vom C02-Gas (20) mit einem optionalen Sperrventil (21 ), und zumindest einen Sicherheitsexit, und
einen oder mehrere oder auch keinen Wärmeaustauscher (22) im Innenraum, und teilweise oder vollständige oder auch keine Wärmeisolierung an der Außenwand, und mindestens dem Druck von 1,2 bar standzuhalten;
eine C02-Wämelo-afrmaschinenanlage mit folgenden Merkmalen,
eine Gruppe von Wärmekraftmaschinen mit elektrischen Generatoren, und
eine Wärmequelleanlage, welche Wärme zu allen Wärmeaustauschern der C02- Wärmelaaftmaschinenanlage liefern kann, und
eine Kältequelleanlage, welche Kälte zu allen Wärmeaustauschern der C02- Wärmekraftmaschinenanlage liefern kann, und
mindestens zwei Betriebsbehälter jeweils zum Liefern bzw. zum Empfangen der C02- Fluide zu bzw. von den Wärmel aftmaschinen, wobei die Betriebsbehälter mit Wärmeaustauschern ausgestattet sind, die jeweils wiederum mit den Wärme- und/oder Kältequellenanlagen über Schalter verbunden sind, und
ein oder mehrere oder kein Wärmeaustauscher, der direkt nach dem liefernden Betriebsbehälter installiert und mit den Wärme- und/oder Kältequellenanlagen über Schalter verbunden wird, und
ein oder mehrere oder kein Wärmeaustauscher, der direkt vor dem empfangenden Betriebsbehälter installiert und mit den Wärme- und/oder Kältequellenanlagen über Schalter verbunden wird, und
eine Gruppe von C02-Behältern zum Liefern und/oder zum Empfangen von C02- Fluiden, wobei die C02-Behälter mit oder ohne Wärmeaustauschern ausgestattet werden können, die ihrerseits jeweils mit den Wärme- und/oder Kältequellenanlagen über Schalter verbunden sind;
wobei gilt,
dass eine große Menge, d.h. ab 5000 Tonnen Masse Kohlendioxid, als Arbeitsmedium eingesetzt ist, und
dass zum C02-Heizen die klimatische Wärme und/oder Abwärme und/oder Geotherme, Solarwärme oder andere Naturwärme und oder Wärme aus der Verbrennung von C02- neutralen Brennstoffen genutzt werden, und
dass zum C02-Kühlen die klimatische Kälte und/oder andere Naturkälte aus
Flusswasser, tiefer Erde, tiefem Seewasser und/oder anderen natürlichen Kühlmitteln und/oder die eventuell erzeugte Expansionskälte in den Wärmekraftmaschinen genutzt werden,
dass die im Punkt 1.11 bzw. 1.12 beschriebene Nutzung der klimatischen Wärme bzw. der klimatischen Kälte in mehreren von drei folgenden Weisen erfolgt: vor Ort, mithilfe eines C02-Transportsystems oder mithilfe einer C02-Speicheranlage,
dass der Prozess von C02-Heizen in manchen C02-Behältern batchweise erfolgt, dass der Prozess von C02 -Kühlen in manchen C02-Behältern batchweise erfolgt, dass der Prozess von C02 -Füllen in manche C02 -Behältern batchweise erfolgt, dass der Prozess von C02-Liefern aus manchen C02-Behältern batchweise erfolgt, dass mit mehreren von vier folgenden Verfahrensschritten ein C02-Kreislauf in der C02-Wärmekraftmaschinenanlage gebildet wird, in dem die C02-Masse
möglicherweise auch zunehmen kann:
C02-Sammeln, wobei die Kälte, insbesondere die Naturkälte, zur Abkühlung der C02- haltigen Fluide genutzt wird,
.2 C02-Verflüssigen, wobei der Prozess von Kühlen zum Füllen sowie der Prozess von Kühlen zum Verflüssigen parallel und/oder nacheinander in manchen C02-Behältern laufen,
.3 C02-Heizen, wobei der Prozess von Heizen zum Füllen, der Prozess von Kühlen zum Füllen und der Prozess von Heizen zum Drucksteigen parallel und/oder nacheinander in manchen C02-Behältern laufen,
.4 C02-Energieumwandeln, wobei der Prozess von Heizen zum Entspannen während der C02-Zuströmung zu den Wännekraftmaschinen läuft, und die C02-Druckschwankungen dabei eventuell geglättet werden.
2. Verfahren zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid, welches im Rauchgas aus Kohlekraftwerken oder anderen Verbrennungsanlagen enthalten ist, und nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
2.1 dass C02-haltiges Fluid wie Rauchgas durch die Verwendung der im Punkt 1.1 bzw. 1.2 beschriebenen Wärmeaustauscheranlage bzw. Sedimentationsanlagen sowie mithilfe der klimatischen Kälte und/oder anderer Naturkälte getrocknet, gereinigt und somit der C02- Anteil im Fluid gesteigert wird,
2.2 dass die klimatische Kälte und/oder andere Naturkälte und/oder die verwendbare
Expansionskälte von Gasen zur Abkühlung und/oder zur Zwischenkühlung bei den Gasverdichtungen benutzt wird,
2.3 dass die bei im Punkt 2.1 und/oder im Punkt 2.2 beschriebenen Prozessen gewonnene Wärme aus Fluiden zur Gewinnung der elektrischen Energie genutzt werden kann,
2.4 dass vor der Verdichtung von Gas in der C02- Verflüssigungsanlage ein Verfahren von PSA (Druckwechsel Adsorption) oder MGS (Membrane Gasseparation) oder anderes Verfahren zur Steigerung des C02-Anteils im Gas oder auch keins angewendet wird.
3. Verfahren zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere der drei folgenden Energiearten,
3.1 die Wärme aus Rauchgas oder andere Abwärme,
3.2 die Verdichtungswärme aus den Gasverdichtungsanlagen,
3.3 die bei der C02-Abscheidung benötigte Druckenergie in der C02 -Verflüssigungsanlage, für die elektrische Energiegewinnung durch die Wännelaaftmaschinen verwendet werden, wobei die zugehörige Expansionskälte bei der Entspannung in den
Wärmekraftmaschinen
3.4 für die Abkühlung der zu verdichtenden Gase, und/oder
3.5 für die Zwischenkühlungen der Gasverdichtungsanlagen, und/oder
3.6 für die Gewinnung der reinen Stoffe wie Sauerstoff und Stickstoff aus dem nach der C02-Abscheidung gebliebenen restlichen Gas wie z.B. aus dem Rauchgas, und/oder
3.7 für die Raumklimatisierung und andere Kühlungszwecke und/oder
3.8 für nichts, z.B. in einem extremkalten Winter
verwendet werden kann.
4. Verfahren zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid, wobei die C02 -Eigenschaften Spannung und Massendichte zur Erzeugung von C02-Hochdruck auszunutzen sind, und nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
4.1 dass manche C02-Behälter mit C02 -Fluiden vollgefüllt werden und
4.2 dass sie nach der Vollfüllung jeweils zugeschlossen werden und
4.3 dass die in den Behältern zugeschlossenen C02 -Fluide gegebenenfalls aufzuschließen und in andere C02-Behälter umzulagern sowie wieder zuzuschließen sind, und
4.4 dass die zugeschlossenen C02-Fluide isochor geheizt werden, und zwar vorzugsweise durch Abwärme bzw. klimatische Wärme, Solarwärme, Geotherme oder andere
Naturwärme, und gegebenenfalls durch Wärme aus der Verbrennung von C02-neutralen Brennstoffen, sowie notfalls auch durch Wärme aus der Verbrennung von fossilen Brennstoffen.
5. Verfahren zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach einem der
Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
5.1 dass manche C02-Behälter mit Wärmeaustauschern ausgestattet sind,
5.2 dass die Prozesse von C02 -Heizen bzw. -Kühlen in den mit Wärmeaustauschern
ausgestatteten C02-Behältern batchweise stattfinden und sie parallel und/oder nacheinander laufen können,
5.3 dass die Prozesse von C02-Füllen in die C02-Behälter bzw. von C02-Liefern aus ihnen batchweise stattfinden und sie parallel und/oder nacheinander laufen können,
5.4 dass der C02-Fließprozess in der C02-Wärmekraftmaschinenanlage durch ein
Steuerungsprogramm für die Zustands- und Prozessverwaltung der C02-Fluide in manchen Behältern und manchen Wärmeaustauschern der C02- Wärmekraftmaschinenanlage kontrolliert und gesteuert wird,
5.5 dass die gesamte Heiz- und Kühlleistungen von den C02-Behältern auf die gesamte elektrische Leistung der Wärmekraftmaschinen im System abgestimmt sind.
6. Verfahren zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach mehreren der
Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
6.1 dass die C02-Druckschwankungen vor der C02-Entspannung in den
Wärmekraftmaschinen unter Umständen geglättet werden, und
6.2 dass die C02-Fluide während ihrer Zuströme zu den Wärmekraftmaschinen geheizt werden, und
6.3 dass nach der C02-Entspannung in den Wärmekraftmaschinen die expandierten C02- Fluide mithilfe der klimatischen Kälte und/oder durch Nutzung der Kälte aus
Flusswasser oder anderer Naturkälte und/oder verfügbarer Kälte wie z.B. C02- Expansionskälte verflüssigt werden, und
6.4 dass die expandierten C02 -Fluide gemäß 6.3 gegebenenfalls noch zu verdichten sind.
7. Verfahren zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach einem der
Patentansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
7.1 dass die Schwankungsbreite vom C02-Betriebsdruck vor dem C02 -Eintritt in die
Wärmekraftmaschinen durch kombinierte Verwenduns von Düsen und Diftusoren für die C02-Ströme bei Bedarf reduziert wird, und/oder
7.2 dass unterschiedliche Wärmekraftmaschinen für die verschiedenen und zuvor
Betriebsdruck vor dem CÜ2-Eintritt in die Wärmekraftmaschinen eingesetzt werden
7.3 dass die beiden Methoden in den Punkten 7.1 und 7.2 kombiniert angewandt werden können, und/oder
7.4 dass die Gegendruckturbinen mit Mehrdruckströmen bei Bedarf anzuwenden sind, wenn die C02-Dichte vor dem C02-Eintritt in die Wärmekraftmaschinen in einem
subkritischen Gebiet liegt.
8. Verfahren zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach mehreren der
Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,
8.1 dass die Höhen vom C02-Entspannungsdruck für die Wärmekraforiaschinen zwischen 1 und 70 bar auszulegen sind,
8.2 dass die Höhen vom C02-Entspannungsdruck gemäß 8.1 in der Regel abhängig von der verfügbaren Kühlmitteltemperatur festzulegen sind,
8.3 dass der C02-Entspannungsdruck gemäß 8.1 in der Regel höher liegt als der C02-Druck in einem C02-Behälter der C02- Wärmekraftmaschinenanlage, nachdem C02 dort bei einem Prozess vom C02-Kühlen bis zur gegebenen Kühlmitteltemperatur abgekühlt ist, wobei der Prozess vom C02-Kühlen ab dem Ende der C02-Lieferung aus dem C02- Behälter und nach dem Umschalten von C02 -Heizen auf C02-Kühlen im C02 -Behälter erfolgt, also ein Prozess von Kühlen zum Füllen ist.
9. Verfahren zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach einem der
Patentansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass C02-Transportsysteme wie z.B. Kanäle und/oder Fernleitungsröhren eingerichtet werden, wenn an den C02- Quellenorten wie etwa Kohlekraftwerken kein passendes Grundstück für den Bau der C02-Fluidspeicheranlage verfügbar ist, und/oder wenn örtliche bzw. zeitliche
Überbrückungen benötigt werden und diese Überbrückungen den C02 -Transport erfordern.
10. Verfahren zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach mehreren der
Patentansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
0.1 dass bei Bedarf für die Kälteerzeugung der C02-Entspannungsdruck mancher
Wärmekraftmaschinen möglichst tief zu setzen ist, um die Kälte und mehr Elektrizität zu erzeugen, und
0.2 dass das bei der Kälteerzeugung entstandene C02-Gas durch einen mit der Elektrizität angetriebenen Gaskompressor verdichtet und mithilfe der Naturkälte und/oder anderer verfügbaren Kälte verflüssigt wird, und
0.3 dass die bei der Kompression vom C02-Gas entstandene Verdichtungswärme zum C02- Heizen für die Energieumwandlung benutzt wird.
11. Verfahren zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid nach mehreren der
Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
1.1 dass der C02-Entspannungsdruck für manche Wärmekraftmasclünen am Tag möglichst tief zu setzen ist, um mehr Elektrizität am Tag wie auch mehr Kälte zu produzieren, wenn der überschüssige elektrische Netzstrom in der Nacht verfügbar ist, und
1.2 dass der überschüssige elektrische Netzstrom in der Nacht zum Antrieb eines
Gaskompressors für die Verdichtung bzw. Verflüssigung vom expandierten C02-Gas auszunutzen ist, und/oder,
1.3 dass die bei der Gasverdichtung entstandene C02-Flüssigkeit und/oder die aus dem
Gaskompressor abgeführte Verdichtungswärme am Tag für die elektrische
Energiegewinnung durch die Wärmekraftmaschinen zu verwenden sind.
12. Anlagensystem zur Energieumwandlung mittels Kohlendioxid als Arbeitsmedium,
dadurch gekennzeichnet, dass das Anlagensystem eingerichtet ist zur Energieerzeugung nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 - 11.
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