Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
PROCESS FOR USING ENERGY POTENTIALS, IN PARTICULAR WITH SMALL TEMPERATURE DIFFERENCES
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1991/019139
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a process for using thermal energy potentials, in particular with small temperature differences between each other, or mechanical energy potentials, in particular environmental energy carriers such as sea currents flowing in opposite directions, sea currents and atmospheric air which occur in nature or are produced during secondary and environmental energy carriers produced in industrial processes for conversion and application of energy, and whose temperature differences are sufficient to drive power processes for generating electrical energy. The temperature drop between the energy potentials is used to drive power processes for generating electrical energy. The electrical energy generated is used on site or nearby for electrolysis of liquid or gaseous water and metal oxides. The hydrogen evolved and the metals are combined with each other chemically to form metallic hydrides and then transported as energy carriers, i.e., synthetic fuels, to the site at which the energy is required, where they are burned with industrial oxygen or air in fuel cells, with release of electrical and possibly heat energy, or in special combustion chambers, with release of heat energy, to form metal oxides and water vapour.

Inventors:
WOLF BODO (DE)
MOELLER BURKHARD (DE)
HAMANN DETLEF (DE)
OPPERMANN HEINRICH (DE)
GERBETH GUNTER (DE)
Application Number:
PCT/EP1991/000995
Publication Date:
December 12, 1991
Filing Date:
May 29, 1991
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
UMWELT & ENERGIETECH (DE)
International Classes:
F03G4/00; F03G7/05; F24V50/00; F28D20/00; (IPC1-7): F03G7/05; F24J3/06; F28D20/00
Domestic Patent References:
WO1990011249A11990-10-04
Foreign References:
FR2269039A11975-11-21
GB1491680A1977-11-09
US4187686A1980-02-12
US3312054A1967-04-04
Other References:
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN (C-110), 25. Juni 1982, & JP,A,57042501 (KO ENSEI) 10. März 1982, siehe die Zusammenfassung
G. MILAZZO: "Electrochemistry", 1963, Elsevier Publishing Co., (New York, NY, US), siehe Seiten 601-608
GENIE CHIMIQUE, Band 8, Nr. 2, 31. August 1964, (Rueil-Malmaison, FR), Th. TANGEN: "Production électrolytique du magnésium", Seiten 127-134, siehe Seite 127, linke Spalte, Zeilen 1-5
CHEMICAL ABSTRACTS, Band 92, Nr. 12, 1981, Seite 484, linke Spalte, Zusammenfassung Nr. 101486t, (Columbus, Ohio, US), & JP,A,79152610 (SHIN-ETSU CHEMICAL INDUSTRY CO., LTD) 1 Dezember 1979, siehe die Zusammenfassung
Attorney, Agent or Firm:
ZELLENTIN, Wiger (DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche
1. Verfahren zur Nutzung von thermischen Energiepotentialen, insbesondere mit kleinen Temperaturdifferenzen zueinander oder mechanischen Energiepotentialen, insbesondere von Umweltenergieträgern, wie gegenläufige Meeresströmungen, Meeresströmungen und Umgebungsluft, die naturbedingt oder von Sekundär und Umweltenergieträgern, die in Folge industrieller Prozesse der Energieumwandlung und anwendung entstehen, und deren Temperaturdifferenzen ausreichen für den Antrieb von Kraftprozessen zur Elektroenergieerzeugung sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Tempεraturgefälle zwischen den Energiepotentialen zum Antrieb von Kraftprozesseπ der Elektroenergieerzeugung genutzt uπα die erzeugte Elektroenergie am Ort ihrer Erzeugung oder dessen Nähe verwendet wird zur Elektrolyse von flüssigem oder *• damofförmigεm Wassεr und Metalloxiden, der dabεi entsteheπσs Wasserstoff und die Metalle mitεiπaπαer zu Metallhydriden chemisch verbunden werden und danacn als Energieträger, d. h., synthetische Brennstoffe, zu Orten des Eπergiεoεαarfas transportiert werden, wo diese mit tecnπiscπε Sauεrstoff odεr Luft in Srεnnstcffzsllen untεr Abgaos von Elektro und gegeoenenfalls Wärmeenergie ocer in SDS∑iεlleπ BrennKammern unter Abgabe von Wärmeeπεrgiε zu Mεtalloxideπ und Wassεrcamof verorannt werαεn.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurcn gekeππzεichπe , daß Wasserstoff der Metallhyαridε vor ihrεr Verorennung thermiscn abgespalten und einer 3nαeren Verwendung, z.
3. stofflichen Nutzung, zugeführt wird.
4. 3 Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurcn gekennzeichnet, d3ß die Metalloxide vom Ort der Metallhydridπutzung zum Bstriebsort dar Elektrolysεorozesse zurücktraπsportiert unα erneut der Elektrolyse unterzogen werαen, währeπα αεr πei der Verbreπnunσ der Metallhyαride εntstehenαe Wasseroamof gegebenenfalls nach Nutzung seines technischen Arbeitsver¬ mögens an die Umgebung abgegeben oder nach Kondensation als Wasser genutzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Oxide und Hydride des Calziums, Magnesiums, Kaliums, Natriums oder Aluminiums oder dεren Mischungen zur Reali¬ sierung des Energieträgerkreislaufes verwendet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die für diε Elεktrolyse erfordεrlichε Elektroenergie in magπetohydrodyπamischεπ Generatoren erzeugt wird, die als elektriscπε Leitεr ionisierte wäßrige Lösungen, z. B. Salz¬ lösungen, flüssige Metallε odεr Metallegiεruπgεn, fεstε εlektrische Leiter als Stawb oder Granulat, z. B. Kohlεnstoff oder Mεtallstaub, oder diese enthaltende Suspensionen verwendεn, durch diε εxpandiεrende Arbeits¬ mittel ecπaπischer Kreisprozesse gelεitet werden, diese fluidisieren und damit ihr Arbεitsvermögεn auf diese über treαen .
7. Verfahren, nach Anspruch 1 und 5, dadurch ge εnnzεichπet , daß als Arbeitsmittel im mecnanischen Kreisprozeß Kohlendi¬ oxid verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter während seiner Fluidisierung indirεkt bεhεizt wird und das Arbeitsmittel des mechanischen Kreis¬ prozesses im elektrischen Leiter nahezu isotherm exoandiεrt .
9. Verfahrεn nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß warmes Wasser der Flüsse und Meεrεsströ uπgεn odεr Tharmalenergie dεr Erde direkt oder indirεkt für diε Ver dampfung des Arbeitsmitteis des mechanischen Kreisprozesses genutzt wird, während die Kondensation dieses Arbeitsmit¬ tels durch indirekte Übertragung seiner Koπdeπsationswärme an Umgebuπgsluft, die ein ausreichend niedriges Temperatur¬ niveau hat, und z. B. polaren Ursprungs sein kann, erfolgt.
Description:
Verfahren zur Nutzung von Energiepotentialen, insbesondere mit kleinen Temperaturdifferenzen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von Energie¬ potentialen mit kleinen Temperaturdifferenzen oder von mecha¬ nischen Energiepotentialen, insbesondere von Umweltenergie¬ trägern, wie gegenläufige Meeresströmungen mit unterschied¬ lichem Temperaturniveau oder Meeresströmungen und Atmosphäre, die naturbedingt, oder Sekundär- und Umweltenergieträgern, die in Folge der industriellen Prozesse bei der Energieumwandlung und -anwendung entstehen.

Eins der ältesten Formen der Energieversorgung ist die Nutzung der Sonnenenergie direkt und indirekt durch die Nutzung der Wasserkraft auch zur Leistung technischer Arbeit. Die Leistung der Sonneneinstrahlung, die die Erde erreicht, wird von Kirillin in einem Bulletin der Akademie der Wissenschaf en der UdSSR (auszugsweise im Sputnik 10, 1986 abgedruckt) mit 10 11 MW und die des Einsatzes fossiler und nuklearer Brennstoffe mit 2 * 10° MW angegeben. Die direkte oder indirekte Nutzung der Sonnenenergie zur Lösung der Aufgaben der Energieversorgung und der daraus derzeit resultierenden Umweltprobleme ist damit eine natürliche Herausforderung an den Menschen, die von der Menschheit noch nicht voll angenommen wurde. Hauptυrsache dafür sind nicht die verbesserυngswürdigen technischen Lösungen, sondern die Auffassungen, daß Komplexlösungen zur Sonnenenergienυtzung zu teuer sind, obwohl die Nutzung der fossilen, aber auch der nuklearen Brennstoffe die Existenzgrundlage der Menschen in Frage stellt und damit den höchsten Preis hat, denn diese ist auch mit höchster menschlicher Arbeitsleistung nicht reproduzierbar.

Technische Lösungen zur direkten und indirekten Nutzung der Sonnenenergie sind inzwischen in vielfältiger Form bekannt. Ein Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, deren Ergebnisse bereits industriell genutzt werden, ist die Direktumwandlung von Sonnenenergie in Elektroenergie mit Hilfe von fotoelektrischen Wandlern. Ein weiterer Weg ist die Konzentration der Energiedichte der Sonneneinstrahlung, ihre Umwandlung in Wärmeenergie mit erhöhtem Temperaturniveau und deren Nutzung zur Brauchwasser-, Heiz- und Prozeßwärmeversorguπg und zur Erzeugung von Elektroenergie. Die zur Nutzung von Wind und Meereswelleπ vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen sind letztendlich auch Vorschläge zur indirekten Sonπenenergienutzung. Alle diese Vorschläge haben den entscheidenden Nachteil, daß die gewonnene Energie nicht zeitgleich mit dem Energiebedarf anfällt, so daß entweder Eπergiespeicher oder Anlagen mit gleicher Kapazität zur Nutzung fossiler oder nuklearer Brennstoffe zusätzlich errichtet werden müssen, damit die aus den Jahres-, Tages- und Wetterzyklen resultierenden Schwankungen ausgeglichen werden können. Den durch direkte oder indirekte Sonnenenergienut∑ung erzielbarεn Brεππstoffeinsparungen stehen damit zusätzliche Investitioπs- und Betriebskosten gegenüber, so daß die Su.ume der Aufwendungen die generelle Nutzung der Sonnenenergie selbst an Orten mit guten Wetter- und Klimabedingungen bisher verhindert hat.

Die Nutzung der Wasserkraft, die durch den Zyklus Sonneneinstrahlung - Wasserverdυnstung - WasserdamDf - Kondensation - Regen bei ausreichenden Sammelflächen und geodätischen Höhendifferenzen möglich ist, hat sich gegenüber der Anwendung fossiler und nuklearer Brennstoffe als wettbewerbsfähig erwiesen, insbesondere weil dieser Zyklus die Energiespeicheruπg integriert.

Da die Ozeane rund 70 % der Erdoberfläche bilden, trifft der größte Teil der Sonnenstrahlung auf die Ozeane. Die Ozeane sind deshalb der größte Soππenenergiespeicher und gegenläufige Meeresströmungen mit unterschiedlichem Temperaturniveau, deren

Temperaturdifferenz mehr als 20 K betragen kann, sind die Folge. Die Energiepotentiale dieser Meeresströmungen und damit das daraus resultierende Energiepotential ist praktisch unerschöpflich. Es ist deshalb naheliegend, daß bereits vor 100 Jahren Vorschläge zur Nutzung der Temperaturdifferenzen der Meeresströmungen von Jacques Arsene d'Arsonval unterbreitet wurden.

Die daraus abgeleitete "ocean thermal-energy coπversion - technology" (OTEC) hat die Erzeugung von Elektroenergie zum Ziel.

T. R. Penney und D. Bharathan geben in "Spektrum der Wissenschaft" vom März 1987 (Seite 120 - 126) /l/ an, daß die Nutzung von einem Promille der im tropischen Oberflächenwasser gespeicherten Wärmeenergie ausreicht um 14'10° MW elektrische Leistung zu erzeugen, das ist zwanzig mal mehr als die derzeitige Kapazität aller Kraftwerke der USA. Gleichzeitig könnten mit dieser Technologie Frischwasser aus Meereswasser gewonnen, Kühl- und Klimaanlagen betrieben sowie zusätzliche Fischzuchtgewässer geschaffen werden.

Die gleiche Veröffentlichung gibt auch einen zusammenfassenden Bericht über den Stand der Technik zur Nutzung von Meereswärme. Demnach gehen alle Vorschläge davon aus, daß zur Nutzung der Temperaturdifferenz zwischen den gegenläufigen Meeresströmungen in jedem Falle thermodynamische Kreisprozesse verwendet werden, die zur Umwelt offen oder geschlossen arbeiten. Offen heißt, das durch die Sonne erwärmte Meereswasser siedet in einer Vakuυmkammer. Der dabei entstehende Niederdruckdampf treibt eine spezielle Dampfturbine und wird danach durch direkte Berieselung mit kaltem Tiefenwasser, das zur Meeresoberfläche gefördert wird, kondensiert. Bei einem geschlossenen Prozeß dagegen wird ein Teil der Enthalpie des von der Sonne erwärmten Meereswassers an ein spezielles Arbeitsmittel indirekt übertragen, in dessen Folge dieses verd mpft und eine spezielle Dampfturbine antreibt, bevor es durch indirekte Wärmeübertragung an kaltes Tiefenwasser des Meeres kondensiert. Das Kondensat wird in den Verdampfer zurückgepumpt, wodurch der Kreisprozeß geschlossen

wird .

Die technische Erprobung von OTEC-Techπologien begann 1930 in der Bucht von Matanzas in Cυba nach einem Projekt des Franzosen Georges Claude. Amerikanische und japanische Projekte folgten im Zeitraum 1970 bis Mitte der achtziger Jahre. Die dabei gewonnenen Erkenntnisse wurden nachfolgend genutzt zur Verbesserung der Ausrüstungen und Apparate, insbesondere der Wärmetauscher für die Verdampfung und Kondensation des Arbeitsmittels im Kreisprozeß zur Erzeugung technischer Arbeit. Bekannt ist, daß derzeit an OTEC-Projekten in den USA (Hawai) , in Frankreich (Tahiti) , den Niederlanden (Bali) und Großbritannien gearbeitet wird. Schwierigkeiten bei der Realisierung der Projekte gibt es bei der Finanzierung, da gegenüber konventioneller Kraftwerkstechnik noch keine ausreichende Wettbewerbsfähigkeit nachgewiesen wurde. Bei den geschlossenen Systemen werden riesige Wärmetauscher für die Verdampfung und Kondensation des Kreisprozeßarbeitsmittels benötigt, die bis zu 20 % der Investitionskosten erfordern. Darüber hinaus werden als Arbeitsmittel in geschlossenen OTEC-Prozessen Freon, Ammoniak, Propan, Butan u. a. verwendet, die im Falle einer Havarie die Umwelt und Arbeitssicherheit gefährden-. Bei geschlossenen OTEC-Systemen fällt außerdem kein Frischwasser als Nebenprodukt an. Offene Systeme arbeiten mit Meereswasser und daraus gewonnenem Dampf im Kreisprozeß, d. h. mit natürlichen Produkten, die keine zusätzliche Umweltbelastung verursachen können und bei indirekter Kühlung des Wasserdampfes nach der Dampfturbine kann ein offener OTEC-Prozeß Frischwasser als Nebenprodukt abgeben. Dafür arbeiten offene OTEC-Prozesse mit riesigen dampfförmigen Volυmenströmen, für die es z. Z. keine geeigneten Kraftmaschinen zur Umwandlung der Wärmeenergie in technische Arbeit mit großer Leistung gibt. Selbst beim Einsatz der derzeit größten Niederdruckstufen konventioneller Dampfturbinen ist für die Realisierung des französischen Projektes auf Tahiti mit einer elektrischen Leistung von 20 MW der Einsatz von 4 Dampfturbinen erforderlich. Nach /!/ ist das

Heben von kaltem Tiefenwasser derzeit ein ungelöstes Problem, weil die technischen Lösungen für solche Leitungen ungenügend sind. Setzt man voraus, daß die OTEC-Technologien industrielle Nutzbarkeit erreichen werden, dann haben sie den Mangel, daß sie nur auf oder in der Nähe von Festland errichtet werden können, da die gewonnene Elektroenergie auch zum Ort des Elektroenergiebedarfes transportiert werden muß. OTEC-Stationen, die weit im Meer stationiert werden sollen, müssen das Problem der Elektroenergieübertragung in vielen Fällen anders lösen. In /l/ wird deshalb auf die Herstellung von Methanol, Wasserstoff, Ammoniak oder veredelter Metalle verwiesen. In diesen Fällen wird die aus Meereswärme gewonnene Elektroenergie zur Elektrolyse von Wasser eingesetzt und Wasserstoff erzeugt, der direkt als Energieträger zum Verbraucher transportiert oder als Mittel zur chemischen Reduktion von Metalloxiden bzw. zur Herstellung chemischer Verbindungen in Syntheseprozessen verwendet wird, d. h., die OTEC-Station muß durch ein Stoff- und Energietransportsysteme mit der Zivilisation verbunden werden, deren Effektivität natürlich bedeutenden Einfluß auf die Erschließung der Meereswärme als Beitrag zur Lösung der Weltenergieprobleme hat.

Die Erfindung hat das Ziel, OTEC-Prozesse in ihrer Anwendung weitestgehend unabhängig zu machen von Standortfragen, d. h., sie soll es ermöglichen, natürliche Temperaturdifferenzen zu nutzen, die zwar ergiebig, aber sich lokal weit vom Ort des Energiebedarfes befinden. Darüber. hinaus soll die Erfindung ' einen Beitrag leisten zur Senkung der Investitionskosten für OTEC-Prozesse, Wege erschließen zur Erhöhung der Einheitsleistung der Kreisprozesse und deren Einsatz außer zur Nutzung der Energiepotentiale von Oberflächen- zu Tiefenwasser des Meeres auch für solche zwischen Meereswasser und Umgebungsluft ermöglichen, bei gleichzeitiger Vermeidung des Einsatzes von umweit- und sichεrheitstechnisch bedenklicher

Stoffe.

Der derzeitige technische Stand der OTEC-Prozesse hat den Hangel, daß ihr Einsatz zur Lösung von Energieversorgungsaυfgaben nutzbare natürliche Energiepotentiale in der Nähe des Elektroenergiebedarfes voraussetzt. Ist das nicht gegeben, dann können OTEC-Prozesse zur Energieversorgung nur eingesetzt werden, wenn die damit erzeugte Elektroenergie in nutzbare chemische Enthalpie, wie im Falle der Erzeugung von Wasserstoff, Methanol oder Ammoniak praktiziert, umgewandelt wird.

Die Erfindung geht davon aus, daß die Verwendung der durch die Anwendung von OTEC-Prozessen zur Nutzung natürlicher Temperaturdifferenzen gewonnene Elektroenergie zur Elektrolyse von Wasser und damit zur Erzeugung von Wasserstoff eine den OTEC-Prozessen nachgeschaltete Basistechπologie bleibt. Die Verwendung des Wasserstoffes als Energieträger oder zur Synthese mit Kohlenmonoxid oder Stickstoff zu Methanol oder Ammoniak erscheint jedoch für den Einsatz mit auf die Welteπergiebilanz notwendiger Wirkung nicht geeignet, da ihre Anwendung gegenüber der Umwelt geschlossene Systeme erfordert, denn Ammoniak und Methanol sind bereits bei niedrigen Konzentrationen lebens- und umweltgefährdend. Die bekannten Vorschläge zur Verwendung des Wasserstoffes für die Herstellung von Hydriden auf der Basis von Metallen oder deren Legierungen haben sich nicht durchgesetzt, weil auf Grund der bisherigen Anforderungen an die Hydride Metalle oder Legierungen ausgewählt wurden, die nur in geringem Umfange natürlich vorkommen, schwierig zu gewinnen und damit teuer sind und eine begrenzte Lebensdauer als Wasserstoffträger haben. Außerdem erreichen diese Metallhydride im Vergleich zu fossilen Brennstoffen eine, auf das Volumen oder die Masse bezogen, zu geringe Energiedichtε. Den gleichen Mangel haben Metalle, die mit Hilfe des Wasserstoffes durch chemische Reduktion mit Wasserstoff aus ihren Oxiden gewonnen werden

können, so daß ihre Verwendung als Energieträger bei Nutzung der Enthalpiedifferεnz ihrer Red-/Ox-Zyklen auch nicht die erforderliche Ökonomie erreicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst, indem die mit Hilfe der OTEC-Prozesse gewonnene Elektroenergie verwendet wird für die Elektrolyse von Wasser und Metalloxiden, die Produkte dieser Elektrolyseprozesse, Wasserstoff und Metalle, chemisch zu Metallhydriden gebunden werden, die als Energieträger, d. h., synthetische Brennstoffe, am Ort des Energiebedarfes zu Elektroenergie und/oder Wärmeenergie in Brennstoffzellen oder zu Wärmeenergie durch chemische Reaktion in speziellen Brenn¬ kammern mit technischem Sauerstoff oder Luft verbrannt werden. Es ist εrfindungsgεmäß , daß der dabei entstenande Wassεrda of gegebεnεπ alls nach Nutzung seines Arbeitsvermögens am Ort des Energiebedarfεs an die Umgebung abgegeben oder nach Kondensation als Wasser genutzt wird, während aas Metalloxid zum Betriebsort der Elektrolyse-Prozesse zurücktransportier. und damit der Energiaträgerkreislauf geschlossen wird. Das Ziel der Erfindung, mit dem ein Baitrag für sine die Weltεnεrgiεbilanz bεεinflussende Nutzung der OTEC-Prozesse geleistet werden soll, erfordert den. Einsatz solcher Metalloxide, deren VJeltvorrätε groß sind uπc die mit geringen Aufwendungen in erforderlichem Umfange gefördert werden können. Aus diesem Grunde ist die Verwendung von Oxiden des Calziu s, Magnesiums, Kaliums, Natriums und Aluminiums oder deren Mischungen als Basis des Energiaträgerkreislaufes εrfindungsgεmäß. Der erfindungsgemäße Einsatz der, mit Hilfe niedriger Temper.aturdifferenzen erzeugten, Elektroenergie zum Betreiben von Elektrolyseprozessen zur Reduktion von Wasser und Metalloxiden erfordert Gleichstrom. Es ist deshalb erfindungsgemäß, im OTEC-Prozeß Generatoren für die Elektroenergieεrzεugung einzusεtzen, diε nach αem MHD-Prinzip (magnεto-hydrodynamischen Prinzip) arbeiten und als elektrische Leiter ionisierte wäßrige Lösungen, z. 3. Salzlösungen, flüssige Metalle oder Metallegierungen, feste elektrische Leitεr als Staub odεr Granulat, z. B. Kohlεnstoff- oder Metallstaub oder Suspensionen daraus verwenden, die durch

das Arbeitsmittel des mechanischen Kreisprozesses fluidisiert und damit angetrieben werden. Das Arbeitsvermögen des Arbeitsmittels im MHD Generator kann erfindungsgemäß gesteigert werden, indem der elektrische Leiter im MHD-Prozeß indirekt beheizt wird, so daß das Arbeitsmittel praktisch isotherm expandiert. Das Grundkonzept der Erfindung ist es, nur mit natürlichen, nicht toxischen Stoffen zu arbeiten. Es ist deshalb weiterhin .erfindungsgemäß, wenn als Arbeitsmittel im Kreisprozeß zur Gewinnung mechanischer Arbeit Kohlendioxid eingesetzt wird. Letztlich ist es erfindungsgemäß, Wasser warmer Flüsse, Meeresströmungen oder Thermaleπergie der Erde direkt oder indirekt für die Verdampfung des Arbeitsmittels des Kreisprozesses für mechanische Arbeit zu nutzen, während die Kondensation dieses Arbeitsmittels durch iπdirektε Übertragung seiner Kondensationswärmε an Umgebungsluft, die ein niedrigerεs Temperaturnivεau hat und z. B. polarεn Ursprungs sein kann, erfolgt.

Ausführungsbeispiele

Das erfindungsgamäße Verfahren wird nachfolgend an Ausführungsbeispielεn εschriεbεn.

Das εrsts Beispiεl baschrsibt das Gesamtverfahren, während αie folgendεn Bεispiele diε εrfiπdungsgemäßεn Lösungen zur Verbεsssrung dεr Wεttbewerbsfähigkεit dεs Gesamtsystems durch Komponenten erbesserung beschreiben.

1. Ausführungsbεispiel

Zur Beschreibung dieses Ausführuπgsbeispielεs gehört Figur 1, in der die Prozeßstufen des erfinduπgsgemäßeπ Verfahrens in ihrer Kombination dargestellt sind.

Basis des εrfinduπgsgemäßen Verfahrens in diesem Beispiel ist ein offener OTEC-Prozeß des Standes der Technik /!/.

Die Hauptausrüstungeπ zur Gestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Figur 1 dargestellt und bezeichnet.

Der Prozeßablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens ist folgen¬ der: '

Das warme Oberflächenwasser des Meeres tritt über die Wasser¬ turbine 22 in die Vakuurakammer 1, in der es versprüht wird, zum Teil verdampft und sich abkühlt auf die zum Druck in der Vakuumkaramer gehörende Siedetemperatur. Bei einem Druck in der Vakuumkammer von p^ = 2,94 kPa und einer Warrawasserεintritts- temperatur von ^ = 26,359 °C beträgt die für die Wasserver¬ dampfung zur Verfügung stehende Eπthalpiedifferenz Ah^ = 10,8 MJ/t Meereswasser, d. h., aus einer Tonne Wasser können m^ = 4,415 kg Wasserdampf erzeugt werden, die ein Volumen von 205,5 m einnehmen.

Geht man davon aus, daß Tiefenwasser mit 4 °C zur Verfügung gestellt werden kann, dann kann die Kondensation in der Va¬ kuumkammer des Mischkondensators 5 bei einem Druck von p£= 0,981 kPa, d. h., bei einer Temperatur von t2 = 6,7 °C, er¬ folgen. Der in der Vakuumkammer 1 erzeugte Dampf wird in der Turbine 31 unter Abgabe technischer Arbeit entspannt. Unter diesen Bedingungen und bei einem inneren Wirkungsgrad der Turbine 31 von ^ i = 0,75 kann der Dampf eine technische Arbeit von 474,4 kJ/m , d. h. f 131,8 Wh/m J Meereswasser leisten. Bei einem mechanischen Wirkungsgrad des Turbosatzes 3 von s = 0,95 können rund 0,125 kWh Elektroenergie je m J Meereswesser gewonnen werden. Mit Hilfe des Tυrbosatzes 7, der durch die Wasserturbine 72, die Wasserpumpe 71 und den Hilfsmotor 73 gebildet wird, wird kaltes Tiefenwasser aus dem Meer gefördert, in der Vakuumkammer 5 versprüht und danach aus dieser wieder abgepumpt. Der Motor 73 sichert die Leistungsbilanz des Turbosatzes 7.

Vor der Verdüsung des kalten Tiefenwassers in der Vakuumkam¬ mer 5 wird dieses durch die Kühlflächen 51 geleitet, an denen ein Teil des Dampfes kondensiert. Das auf diese Art gewonnene Frischwasser sammelt sich im Behälter 61, aus dem es mit Hilfe der Pumpe- 62 über das Frischwassergewiπnuπgssystem 6 für die

Nutzung bereitgestellt wird.

Unter den vorstehend getroffenen Annahmen ist zu erwarten, daß je kWh im OTEC-Prozeß erzeugter Elektroenergie rund 1 kg Frischwasser gewonnen werden kann. Zur Aufrechterhaltung des Betriebes des OTEC-Prozesses ist es notwendig, die nicht kondensierbaren Bestandteile aus der als Mischkondensator arbeitenden Vakuumkammer 5 abzufordern. Das erfolgt mit Hilfe der Absaugvorrichtung 4. Die in einer OTEC-Vorrichtung gewonnene Elektroenergie ist in der Regel Wechselstrom, der vor seiner Verwendung für die Elektrolyse im Gleichrichter 33 zu Gleichstrom umgeformt werden muß.

Die Aufspaltung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff sowie von Metalloxideπ in Metall und Sauerstoff, z. B. im Schmelzfluß, durch " Elektrolyse und die chemische Verbindung von Metallen mit Wasserstoff s-u Metallhydriden sind Stand der Technik, der bei der praktischen Realisierung des erfindungs¬ gemäßen Verfahrens optimiert, werden muß.

Für die praktische Anwendung der erfindungsgemäßεn Lösung erscheinen die thεrmodynamischen Systeme Ca - H - O2; M - H2 - O2 und Mg - AI - H 2 - O2 entsprechend

CaO + H 2 0 fl> ^=CaH 2 + 0 2 + 745 kJ/mol (= 13,4 MJ/kg CaO)

MgO + H 2 0 fl -**MgH 2 + 0 2 + 812 kJ/mol (= 20,1 MJ/kg MgO)

MgO + A1 2 0 3 + 4 HgO s ^Mg(A1H 4 )2 + °2 + 31 " / mo1

( = 22,5 MJ/kg Metalloxid)

unter Beachtung der für die Prozeßrealisierung erforderlichen Drücke und Temperaturen geeignet.

Synthetische Brennstoffe sind erfindungsgemäß Metallhydride, die mit Sauerstoff zu Metalloxiden und Wasser verbrannt werden. Beim Stand der Technik kann das in Brennstoffzellen unter Abgabe von Elektroenergie oder in thermischen Prozessen unter Abgabe von Wärmeenergie erfolgen. Denkbar ist auch eine Kombination dieser Prozesse wie in Figur 1 dargestellt. Brennstoffzellen erreichen, bezogen auf die chemische

Enthalpie des verwendeten Brennstoffes, Wirkungsgrade von 70 % d.h., 70 % der chemischen Enthalpie des Brennstoffes können als Elektroenergie ausgebracht werden.

Ein auf der Basis des thermodyna ischen Systems Mg-Al-H2~θ2 arbeitender 1000 MW-Kraftwerksblock würde in diesem Falle für seinen Vollastbetrieb 138,7 t, also rund 140 t, synthetischen Brennstoff pro Stunde benötigen und 230 t Metalloxid sowie 115 t Wasser pro Stunde produzieren.

Zum Vergleich, ein Braunkohlenkraftwerk mit gleicher Leistung verbraucht 1200 bis 1300 t Rohbraυnkohle pro Stunde und produziert 1100 bis 1200 t Kohlendioxid, 120 bis 150 t Asche sowie 600 bis 700 t Wasser pro Stunde. Beachtet man, daß ein OTEC-Kraftwerk 50 % seiner Elektroenergieerzeugung als Eigenbedarf verbraucht, dann muß die OTEC-Station bei einem Wirkungsgrad der Elektrolyse und Hydriεrung von 75 + 4 = 0,80 für eine elektrische Leistung von rund 3600 MW ausgelegt werden, um 1000 MW elektrische Leistung am Ort der Elektroenergieverbraucher produzieren zu können.

•5 r>

Dafür müssen je Sekunde 8000 m warmes und rund 8000 m J kaltes Meereswasser durch die Vakuumkammern 1 und 5 der OTEC-Station nach Figur 1 geschleust werden. Bezogεn auf die aus dem Meer entnommene Wärmeenergie beträgt der Gesamtwirkungsgrad des erfindungsgεmäßen Verfahrens dann 1,17 %.

2. Ausführungsbeispiel

Genutzt als Antrieb für die erfinduπgsgemäße Lösung sollen werden die Ausläufer warmer Meeresströmungen im Polargebiet und die kalte Umgebungsluft des Polargebietes, z. B. auf Spitzbergen. Die Temperatur der Ausläufer des Golfstromes sollen 5 °C betragen, während die Lufttemperatur im Beispiel mit -25 °C angenommen wird. Verwendet wird Kohlendioxid in einem geschlossenen Kreisprozeß, das bei 0,0 °C und 3,49 MPa siedet und dessen Dampf bei 1,97 MPa und -20 °C kondensieren soll. Die Beschreibung des Prozesses erfolgt mit Hilfe dεr Figur 2. Das Meereswasser durchströmt einεn z. B. Plattenrekuperator

2.1., der in flüssiges C0 2 eingetaucht ist und dieses zum Sieden bringt. Wird das Meereswasser im Rekuperator 2.1 von 5 auf 2 °C abgekühlt, dann können 4000 m 3 Wasser rund 215 t C0 2 verdampfen. 215 t Cθ2~Da pf können bei einer Entspannung von 3,49 MPa auf 1,97 MPa in einer Sattdampfturbineπanlage 2.2 mit einem Gesamtwirkungsgrad von ^ Ts = 0,825 1 MWh Elektroenergie erzeugen. Bei einer Zykluszeit im geschlossenen Kreisprozeß von 20 Sekunden beträgt die C0 2 -Füllung einer •Krεisprozeßanlage nach Figur 2 rund 1200 t, wenn sie eine Leistung von 1000 MW erreichen soll. Der entspanntε Cθ2"Dampf kondensiert an den Kühlflächen, z. B. des Plattenrekuperators 2.3., der die Kondensationswärme an kalte Luft überträgt und diese z. B. von -25 °C auf -21 °C aufwärmt. Der Eigenverbrauch des OTEC-Kraftwerkes des Ausführungsbei¬ spieles 2 soll 40 % betragen. Wird dieses Kraftwerk für den Betrieb des erfindungsgemäßen Verfahrens eingesetzt, dann muß das Kraftwerk am Ort dεr Umwelteπergienutzung für einε Leistung von rund 3000 MW ausgelegt werden, wenn am Ort des Energiebedarfes 1000 MW Elektroεπergie εrzεugt wεrdεn sollen.

3. Ausführuπgsbeispiel

Die Erläuterung dieses Ausführuπgsbeispiεlεs erfolgt mit Hilfe von Figur 3.

Als Arbeitsmittel im geschlossenen Kreisprozeß wird einε ionisierte wäßrige Lösung verwendet, z. B. eine Salzlösung. Diese wird durch indirekte Übertragung von Wärmeenergie aus dem Meereswasse zum Sieden gebracht in der Siedesäule 3.1. des Kreisprozesses. Der dadurch entstehende Dampf wird in der Vakuumkaramer 3.2. durch indirekte Kühlung mit kaltem Tiefen¬ wasser kondensiert, wodurch der Siededruck in dεr Siedesäule 3.1. bestimmt wird. Die ionisierte wäßrige Lösung und das Kondensat des Dampfes durchströmen den MHD-Generator 3.3., treiben den Kreislauf auf Grund ihrer, gegenüber der siedenden Lösung höheren Dichte an wobei die ionisierte Lösung im Magnetfeld induziert wird und über die elektrischen Pole des MHD-Generators Elektroenergie entsprechend dem aus dem

Dichteunterschied resultierenden. Arbeitsvermögen abgibt.

Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen

1 Vakuumkammer zur Wasservεrdampfung durch Druckabsεπkung (Verdampfer)

2 Turbosatz zur Aufrechterhaltung des Vakuums im Verdampfer mit

21 Wasserpurape

22 Wasserturbine

23 Hilfsmotor

3 Niederdruckdampfturbineπ-Turoosatz mit

31 Niederdruckturbine

32 Generator zur Umwandlung von mechanischer Arbeit in Elektroenergiε

33 Elεktroεnergiegleichrichter

4 Absaugung nichtkondensierbarsr Gase

5 Vakuumkammεr zur Wasserdampf ondensation (Kondensator) mit

51 Kühlflächen

6 Frischwassergewiππung mit

61 Frischwassεrsammelbehälter

62 Wassεrpumpε

7 Turbosatz zur Aufrechterhaltung des Vakuums im Konden¬ sator mit

71 Wasserpumpe

72 Wasserturbine

73 Hilfsmotor

8 Meeresoberfläche

9 Elektrolyse und Hydrierung mit

91 Wasserelektrolyse

92 Metallhydrierung

93 Metallelektrolyse

10 Umwandlung der chemischen Enthalpie der Metallhydride in Elektro- und Wärmeenergie mit 01 Brennstoffzelle 02 Elektroenεrgieuraforraer 03 Dampfturbinenturbosatz zur Elektroenεrgieerzeugυng 04 Abdampfkondensator 05 Elektroenergiefortleitung 06 Wärmesenkε