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 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

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