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Dokumentenidentifikation DE102007006512A1 23.08.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Energiespeicherung sowie zur gesteuerten, verlustarmen Wärmeenergieumwandlung
Anmelder Ferse, Falk-Thilo, Dr., 10709 Berlin, DE
Erfinder Ferse, Falk-Thilo, Dr., 10709 Berlin, DE
Vertreter Dr. Volker Vossius, Corinna Vossius, Tilman Vossius, Dr. Georg Schnappauf, 81679 München
DE-Anmeldedatum 09.02.2007
DE-Aktenzeichen 102007006512
Offenlegungstag 23.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.08.2007
IPC-Hauptklasse F24J 1/00(2006.01)A, F, I, 20070209, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F24J 2/00(2006.01)A, L, I, 20070209, B, H, DE   F03G 4/00(2006.01)A, L, I, 20070209, B, H, DE   F02G 1/043(2006.01)A, L, I, 20070209, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft zyklische, emissionsfreie Verfahren und Vorrichtungen zum Speichern von Energie und/oder zur gesteuerten Umwandlung dieser Energie in Arbeit, wobei zur Energiespeicherung ein geeignetes dynamisches Gleichgewichtssystem verwendet wird, deren Komponenten über einen Carnotprozess separierbar sind. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung (10) handelt es sich um ein mehrfach rückgekoppeltes Energiespeichersystem, das einen Energiesammler (12), bestehend aus Wärmekollektor (12a) und Kondensator (12b), einen Energiespeicher (14), einen Reaktor (16) und einen Energiewandler (18) umfasst, wobei der Energiewandler (18) die bei der Umwandlung von Energie in mechanische bzw. elektrische Arbeit anfallende Wärme in den Energiespeicher (14) zurückführt.

Beschreibung[de]
GEGENSTAND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen Verfahren zur Energiespeicherung und zur gesteuerten Wärmeenergieumwandlung sowie Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren. Insbesondere betrifft die Erfindung Verfahren und Vorrichtungen zur Energiespeicherung bei der Gewinnung erneuerbarer Energien, wie z.B. Solar- und Windenergie, um überschüssige Energie zu speichern und bei Bedarf wieder freizugeben, sowie zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische Energie bzw. elektrische Arbeit. Dabei wird Wärmeenergie aus beliebigen Wärmequellen verwendet, wobei auch alternative Energien bzw. Energiequellen zum Einsatz kommen können. Die Temperatur der Wärmequelle kann dabei auch unterhalb des Gefrierpunkts des Wassers liegen, insofern ein weiteres, kälteres Wärmereservoir zur Verfügung steht.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Energie wird heutzutage aus fossilen Brennstoffen (Erdöl, Erdgas, Kohle), aus Kernenergie, Wasserkraft oder auch aus den sogenannten regenerativen Energien (Windenergie, Solarenergie, Biogas, Erdwärme usw.) "gewonnen". Kraftfahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge werden fast ausschließlich mit fossilen Brennstoffen betrieben. Bei der sogenannten regenerativen Energiegewinnung ist eine kontinuierliche Energieentnahme nicht gewährleistet, wie beispielsweise im Fall von Stürmen und Windflauten bei Windkraftwerken oder im Fall von trübem Wetter oder Dunkelheit bei Solaranlagen.

In modernen Wärmekraftwerken wird Wasserdampf mit hoher Temperatur und hohem Druck erzeugt, der sich dann in einer Dampfmaschine oder Dampfturbine entspannt. Dabei wird Arbeit verrichtet und der Dampf kühlt sich ab.

Der Wirkungsgrad &eegr; einer Wärmekraftmaschine lässt sich folgendermaßen bestimmen:

mit
Tk
Temperatur des unteren (kalten) Wärmereservoirs bzw. Wärmebehälters
T&ohgr;
Temperatur des oberen (warmen) Wärmereservoirs bzw. Wärmebehälters.

Mit &THgr;k = Tk – 273 = 10°C und &THgr;&ohgr; = T&ohgr; – 273 = 170°C ergibt sich beispielsweise ein theoretischer Wirkungsgrad von 36 %. Der Rest (64 %) bleibt ungenutzt und fällt als Abwärme an. Bei Vergrößerung der Temperaturdifferenz verbessert sich der Wirkungsgrad; ein Wirkungsgrad von 100% ist jedoch prinzipiell nicht erreichbar. Die eingespeiste Energie E besteht somit aus vollständig umwandelbarer Energie, der sogenannten Exergie EE, und aus nichtumwandelbarer Energie, der sogenannten Anergie EA: E = EE + EA.(Gl. 2)

In der Thermodynamik wird statt des Begriffs Anergie EA die Wärmemenge TdS benutzt, die mit unter auch als Entropieterm bezeichnet wird. Die Entropie S beschreibt die Qualitätsminderung von Energie, das aber wenig anschaulich ist, sodass hier weiterhin von Anergie gesprochen werden wird.

Wie das vorstehende Beispiel zeigt, ist die Energieumwandlung von Wärme in mechanische Arbeit durch Zwangsanfall von Anergie mit einem schlechten Wirkungsgrad behaftet. Darüber hinaus wird die Umwelt durch beträchtliche Mengen an Kohlendioxid, ggf. Schwefeldioxid, und andere Umweltgifte oder radioaktive Stoffe verschmutzt bzw. geschädigt, die bei der Erzeugung anfallen.

Bekannt ist auch die "chemische Speicherung" von elektrischer Energie, wie das z.B. in Akkumulatoren der Fall ist. Der Bleiakkumulator ist wohl der am weitesten verbreitete elektrische Speicher. Die recht komplexen Elektrodenvorgänge lassen sich vereinfacht folgendermaßen darstellen:

Technisch wird das Prinzip so umgesetzt, dass eine Bleielektrode und eine Bleidioxid-Elektrode in Schwefelsäure eintauchen. Beim Schließen des Stromkreises wird elektrische Energie frei, die zum Verrichten von Arbeit nutzbar gemacht werden kann (&Dgr;H0 = –506,2 kJ/mol). Es bildet sich unlösliches Blei-(II)-Sulfat. Zur Wiederaufladung muss an die Elektroden eine äußere Spannung von mehr als 0,3588 + 1,6913 = 2,0501 V angelegt werden, um die chemischen Prozesse gemäß den Gleichungen 3 und 4 umzukehren, sodass insgesamt gemäß Gleichung 5 das Bleisulfat wieder in Blei und Bleidioxid verwandelt wird.

Der Bleiakkumulator erzeugt keine elektrische Energie, d.h. die dem Akkumulator entnommene Energie muss vorher erst als elektrische Energie eingespeist werden. Aufgrund des elektrischen Widerstandes gehen zwangsläufig beträchtliche Mengen an Energie beim Laden und Entladen des Akkumulators verloren.

Mit Ausnahme der Kernenergie sowie der Erdwärme stammt letztendlich jede Energieform, die auf der Erde genutzt wird, unmittelbar oder mittelbar von der Sonne. Jedoch steht die Energie der Sonne nicht kontinuierlich zur Verfügung, denn nachts sowie im Winter muss auf Energiespeichersysteme zurückgegriffen werden.

Ziel der Erfindung ist es, eine bedeutende Lücke zur kontinuierlichen Energieabgabe bei Gewinnung erneuerbarer Energie (wie z.B. Solar- und Windenergie) zu schließen, und zwar durch Speicherung überschüssiger Energie, die bei Bedarf wieder freigeben wird, sowie zur Wärmeenergieumwandlung in mechanische bzw. elektrische Arbeit relativ kalter Wärmequellen, die derzeit nicht genutzt werden können.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße zyklische und emissionsfreie Verfahren zum Speichern von Energie und zur Umwandlung dieser Energie in mechanische bzw. elektrische Energie besteht im wesentlichen darin, durch ein geeignetes dynamisches Gleichgewichtssystem Wärmeenergie zu speichern und/oder in mechanische bzw. elektrische Arbeit umzuwandeln.

Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein emissionsfreies und zyklisches Verfahren zum Speichern von Energie bereitgestellt, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Zuführen einer Wärmeenergie Q von einem ersten beliebigen Wärmereservoir zu einem Wärmekollektor; b) Separieren eines Speichermediums in mindestens zwei Komponenten mittels der zugeführten Wärmeenergie Q; c) Abgabe einer Wärmemenge, enthaltend den Entropieterm, an ein zweites Wärmereservoir, das eine niedrigere Temperatur als das erste Wärmereservoir aufweist; und d) Speichern der übrigen Energie in Form der mindestens zwei separierten Komponenten, im Text auch Arbeitsmedien genannt.

Optional kann das Verfahren ferner die folgenden weiteren Schritte umfassen: e) Aufbau einer Druckdifferenz zwischen den separierten Komponenten, wobei durch Erwärmen über den Siedepunkt einer Komponente sich der Druckunterschied erhöhen lässt; f) Entspannung der verdampften Komponente in einem Energiewandler, vorzugsweise einer Dampfmaschine oder eine Dampfturbine; g) Kondensation der verdampften Komponente in der zweiten Komponente des Speichermediums, wodurch die Kondensationswärme und die Lösungswärme freigesetzt werden; h) Verwendung der Kondensationswärme und der Lösungswärme bei der Erwärmung der zwei separierten Komponenten bei Schritt e); und i) Zurückführung des rekombinierten Speichermediums zum Wärmekollektor bei Schritt a); und j) Nutzung der nach Schritt d) gespeicherten Energie in Form von Wärme durch Zurückführung der separierten Komponenten.

Eine erste erfindungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von Energie und zur Umwandlung dieser Energie in mechanische bzw. elektrische Energie (in Kombination mit einem Generator), mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren umsetzen lässt, umfasst einen Energiesammler (bestehend aus Wärmekollektor und Kondensator), einen Energiespeicher, einen Reaktor und einen Energiewandler. Beim Wärmeübergang vom Wärmekollektor zum Kondensator des Energiesammlers wird die Exergie mit einem Wirkungsgrad gemäß Gl. 1 im Energiespeicher gespeichert.

Eine zweite erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung gespeicherter Energie in mechanische bzw. elektrische Energie (in Kombination mit einem Generator), mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren umsetzen lässt, umfasst eine Druckkammer, einen Energiewandler, eine Konzentrierungskammer und eine Verdünnungskammer, die mit der Druckkammer in thermischen Kontakt steht. Die Komponenten sind derart ausgestaltet, angeordnet und über Leitungen miteinander verbunden, dass ein in der Druckkammer erwärmtes erstes Arbeitsmedium im Energiewandler mechanische bzw. elektrische Energie erzeugt, das entspannte erste Arbeitsmedium anschließend in der Verdünnungskammer ein zweites Arbeitsmedium, das aus der Konzentrierungskammer zugeführt wird, verdünnt und die dabei in der Verdünnungskammer freigesetzte Wärmeenergie von dem ersten Arbeitsmedium in der Druckkammer aufgenommen wird.

Eine dritte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Speichern von Energie und zur Umwandlung dieser Energie in mechanische bzw. elektrische Energie (in Kombination mit einem Generator), mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren umsetzen lässt, umfasst einen ersten Kreislauf, der aus einer Verdampfungszone, einem Energiewandler, einer Kondensationszone und einer Pumpe besteht, die jeweils über Leitungen miteinander in fluider Kommunikation stehen, sowie einen davon getrennten zweiten Kreislauf. Dieser zweite Kreislauf besteht aus einer Kammer, in der ein endothermer Prozess abläuft, einem Kondensator, einem Reservoir für das erste Speichermedium, einem Wärmetauscher, einem Reservoir für das zweite Speichermedium, einer Kammer, in der ein exothermer Prozess abläuft, einem Verdünnungsreservoir sowie mindestens einer Pumpe, die jeweils über Leitungen miteinander in fluider Kommunikation stehen. Der Wärmetauscher und die Kammer des zweiten Kreislaufs, in der der exotherme Prozess abläuft, stehen dabei jeweils in thermischer Verbindung mit der Kondensationszone bzw. der Verdampfungszone des ersten Kreislaufs. Über die Kammer, in der der endotherme Prozess abläuft, wird dem System Energie zugeführt, während der Kondensator mit dem kalten Wärmereservoir in thermischer Verbindung steht.

Eine vierte erfindungsgemäße Vorrichtung zur Umwandlung von Wärmeenergie in mechanische bzw. elektrische Energie, mit der sich das erfindungsgemäße Verfahren umsetzen lässt, umfasst einen mit einem Bypass verbundenen Kreislauf. Der Kreislauf umfasst eine heiße Zone, eine kalte Zone, einen Wärmetauscher und eine Pumpe, die jeweils über Leitungen miteinander in fluider Kommunikation stehen. Außerdem ist die heiße Zone mit der kalten Zone über einen Bypass verbunden. In diesem Bypass befindet sich ein Energiewandler, der optional einen Generator antreibt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

1 zeigt schematisch die Hauptkomponenten einer Carnot-Maschine.

2 zeigt schematisch die Hauptkomponenten der erfindungsgemäßen Vorrichtungen sowie den Energiefluss zwischen diesen Komponenten während des Energieumwandlungsprozesses.

3 zeigt eine Ausgestaltung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umwandlung von Energie.

4 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung und zur Umwandlung von Energie.

5 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Speicherung und zur Umwandlung von Energie.

6 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Umwandlung von Energie.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Kernstück der Erfindung ist ein reversibel arbeitender Energiespeicher. Hierzu eignen sich beispielsweise reversible dynamische Gleichgewichtssysteme bzw. Gleichgewichtsreaktionen, insbesondere mit hoher Wärmetönung. Dem Fachmann ist wohlbekannt, dass bei chemischen Gleichgewichtsreaktionen die Lage des Gleichgewichts durch die Wahl der "Randbedingungen" beeinflusst werden kann.

Bei einer Gleichgewichtsreaktion findet neben einem Stoffumsatz auch ein Energieumsatz statt. Erfindungsgemäß wird ein reversibler Vorgang, der mit ausgeprägter Wärmetönung abläuft, als Energiespeicher bzw. Wärmespeicher benutzt. Die Reaktion läuft bis zur Einstellung des Gleichgewichts gerichtet ab, dabei wird Energie frei oder aufgenommen. Im Fall der Energieabgabe spricht man von einem exothermen und im anderen Fall von einem endothermen Vorgang.

Wird das Gleichgewicht in die endotherme Richtung verlagert, muss von außen Energie zugeführt werden. Wird dagegen keine Energie zugführt, sinkt die Temperatur des Reaktionsraums. Beim Start der Reaktion hat das Reaktionsgefäß die Temperatur des heißen Wärmereservoirs. Bei einer schnellen endothermen Reaktion kühlt sich das Reaktionsgefäß unter die Umgebungstemperatur ab, und die Reaktion käme zum Stillstand, wenn von der Umgebung keine Energie zugeführt wird. Die Umgebung versucht, die entstandene Asymmetrie auszugleichen, und kühlt sich dabei selbst ab, oder anders ausgedrückt, die Energie der Umgebung wird im Gleichgewichtssystem gespeichert. Diese gespeicherte Energie wird bei der Umkehrung des Prozesses wieder vom System abgegeben. Ist der Zeitpunkt dieser Rückreaktion frei wählbar, dann lässt sich überschüssige Energie, z.B. des Sommerhalbjahres mittels dieser Methode speichern und dann im Winterhalbjahr freisetzen. Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet also ein Speichersystem zur Speicherung von Energie, um sie dann bei Bedarf wieder freizugeben. Damit wird eine bedeutende Lücke zur kontinuierlichen Energieversorgung bei der Energiegewinnung durch Sonnen- oder Windkraftwerke geschlossen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10, wie diese in 2 dargestellt ist, besteht aus folgenden Elementen: einem Energiesammler 12 (bestehend aus Wärmekollektor 12a und Kondensator 12b), einem Energiespeicher 14, einem Reaktor 16 und einem Energiewandler 18. Vorzugsweise umfasst sie ferner eine Pumpe (nicht dargestellt) für das Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, und eine Pumpe (nicht dargestellt) für das Speichermedium, beispielsweise Natronlauge. Falls ein Wasserschlepper, beispielsweise Toluol, verwendet werden soll, wird eine weitere Pumpe benötigt. Optional wird zur Erzeugung eines statischen Vakuums eine Vakuumpumpe für die Nutzung von Wärmequellen niedriger Temperatur eingesetzt. Wenn die Energie nur für Heizzwecke gespeichert wird, kann auf den Energiewandler verzichtet werden.

Der Energiesammler 12 steht sowohl mit einer Wärmequelle als auch mit einer Wärmesenke in thermischer Verbindung. Die Wärmequelle bzw. Energiequelle, beispielsweise die Sonne, versorgt den Wärmekollektor 12a vorzugsweise gleichförmig mit Energie. Als Wärmequelle können Sonnenenergie, Erdwärme, Kondensationswärme, Kristallisationswärme, Abwärme (z.B. von Kraftwerken oder chemischen Prozessen und/oder Abwässern usw.), Wärme der Umgebung (z.B. aus Luft, Wasser, z.B. Meer, Flüsse, Seen und/oder Grundwasser, wenn ein kälteres Wärmereservoir zur Verfügung steht) oder andere Energiequellen oder Wärmereservoirs benutzt werden. Darüber hinaus steht der Kondensator 12b mit dem kalten Wärmereservoir (z.B. Luft und Wasser, z.B. Meer, Flüsse, Seen und/oder Grundwasser, wenn ein wärmeres Wärmereservoir zur Verfügung steht) in thermischen Kontakt. Als Wärmekollektor 12a kann jeder handelsübliche Kollektor oder auch nur eine großflächige Kammer, die vorzugsweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, dienen. Ebenso wie beim Wärmekollektor 12a kann als Kondensator 12beine großflächige Kammer, die vorzugsweise mit einer Flüssigkeit gefüllt ist oder auch jeder handelsübliche Kühler, benutzt werden.

Der Wärmekollektor 12a steht im direkten Energieaustausch mit dem warmen Wärmereservoir. Die Trägerflüssigkeit transportiert, wie dies nachstehend detaillierter beschrieben wird, die Wärme vom Wärmekollektor 12a zum Energiespeicher 14, von dem die Energie aufgenommen wird und zum Ablauf eines endothermen Prozesses führt. Als Energiespeicher 14 dient ein geeigneter reversibler Prozess mit möglichst hoher Wärmetönung. Das kann beispielsweise ein chemisches Gleichgewicht, ein Verdünnungs- oder Lösungsgleichgewicht sein, wobei die Anzahl der Prozessteilnehmer nicht beschränkt ist.

Chemisches Gleichgewicht z.B.: A + B → C + Dexergonisch I C + D → A + Bendergonisch II Verdünnungsgleichgewicht z.B.: Akonz + LM → Averd + n kJ

Akonz
konzentrierte Lösung von A
Averd
verdünnte Lösung von A
LM
Lösungsmittel

Beim Energiespeicher 14 handelt es sich um ein dynamisches reversibles Gleichgewichtsystem, bei dem sich vorzugsweise mindestens ein Reaktionspartner einfach durch einen Destillations-, Sublimations- oder Kristallisationsprozess abtrennen lässt. Ebenfalls ist auch jedes andere Trennverfahren möglich, z.B. Extraktion, Fällung, chromatographische Trennung, Dialyse, Diffusion, Filtration, osmotische Verfahren und Adsorption oder auch nur einfache Vorgänge, wie Mischen und Entmischen.

AB → A + B + n kJ: dynamisches Gleichgewichtssystem (Energiespeicher)

Afl. ⇌ Agasf.: Destillationsprozess

Um beim Beispiel einer Destillation zu bleiben: Dem Speichersystem wird Energie zugeführt, wodurch die Komponente A in die Gasphase übergeht, während die Komponente B in der flüssigen Phase (bestehend aus AB, A und B) zurückbleibt. Weil die Reaktion AB ⇌ A + B eine Gleichgewichtsreaktion ist, wird mit dem Entzug von A das Gleichgewicht gestört, und die Reaktion beginnt bis zur Einstellung neuer Gleichgewichtsbedingungen gerichtet abzulaufen. Mit der Kondensation der Komponente A am Kondensator 12b wird die Kondensationswärme an das kalte Wärmereservoir abgegeben. A wird in einem separaten Gefäß gesammelt. Für die Abtrennung von 1 mol A aus dem Gleichgewichtssystem muss neben der Verdampfungswärme auch die Energie von n kJ aufgebracht werden, um das Gleichgewicht in die gewünschte Richtung zu verschieben. Die Verdampfungswärme wird als Kondensationswärme an das kalte Reservoir abgegeben, doch n kJ/mol bleiben als chemische Energie in Form von A und B gespeichert. Der theoretische Wirkungsgrad der Destillation oder einer jeden anderen Stofftrennung lässt sich nach dem Carnot'scher Kreisprozess gemäß Gl. 1 bestimmen.

Die gespeicherte chemische Energie der beiden separierten Komponenten des Speichersystems wird in einem Wärmewandler, bestehend aus einem Reaktor 16 und einem Energiewandler 18, in mechanische Arbeit umgewandelt. Als Wärmewandler bzw. Energiewandler 18 dienen beispielsweise Dampfmaschinen oder -turbinen oder auch jede andere herkömmliche Wärmekraftmaschine. In diesem Falle wird üblicherweise Wasserdampf als Arbeitsmedium benutzt. Es kann aber auch jedes andere dampfförmige Medium oder eine strömende Flüssigkeit als Arbeitsmedium fungieren. Um Wärmeverluste zu minimieren, wird der Reaktor isoliert. Die Isolation umfasst auch den Energiewandler, denn im Gegensatz zur herkömmenlichen Energieumwandlung ändert sich die Temperatur des Arbeitsmediums nicht. Während im Energiesammler 12 der endotherme Prozess der Gleichgewichtsreaktion des Energiespeichers 14 abläuft, wird im Reaktor 16 die Reaktion in die exotherme Richtung verlagert.

Der Reaktor 16 besteht aus vorzugsweise mindestens zwei Kammern, die einen Wärmeaustausch zulassen und in denen sich die Reaktionspartner befinden. Werden die Reaktionspartner zusammengebracht, wird die im Energiesammler 12 gespeicherte Energie freigegeben. Auf die gespeicherte chemische Energie kann theoretisch ohne Verlust zugegriffen werden, weil die gesamte Maschine, inklusive der Destillation, eine Carnot-Maschine ist. In Kombination mit einem Generator liefern die nachstehend deatillierter beschriebenen erfindungsgemäßen Verrichtungen elektrische Energie. Wird dagegen die Energie nur für Heizzwecke gespeichert, kann auf den Energiewandler 18 verzichtet werden.

Beispiel 1: Natronlauge/Wasser

Das erfindungsgemäße Verfahren wird zunächst am Beispiel Natronlauge erläutert (Speichersystem – Natronlauge/Wasser; Verdünnungsenthalpie ist exotherm): NaOHkonz + H2O → NaOHverd + 44,51 kJ (&Dgr;H = –44,51 kJ/mol) NaOHverd + 44,51 kJ → NaOHkonz + H2O (&Dgr;H = +44,51 kJ/mol) NaOH·H2O + H2O → NaOHverd + 21,41 kJ (&Dgr;H = –21,41 kJ/mol)

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist in 4 dargestellt. Eine detailliertere Darstellung des Reaktors zeigt die 3. In den Konzentrierungskammern 112, 114 befindet sich heiße konzentrierte Natronlauge (Siedepunkt über 170°C) mit einer Temperatur von beispielsweise 170°C und in einer Druckkammer 120 befindet sich Wasser. In den Verdünnungskammern 116, 118 befindet sich verdünnte Natronlauge. Wegen des Wärmeausgleichs zwischen den Kammern wird das Wasser erwärmt und Druck baut sich in der Druckkammer bzw. Wasserkammer 120 auf. Der Wasserdampf entspannt sich in dem Energiewandler 124, z. B. einer Dampfmaschine oder -turbine, und verrichtet dabei Arbeit.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der entspannte Wasserdampf über die Leitungen 126, 128 in die heiße konzentrierte Natronlauge geleitet, die aus den Konzentrierungskammern 112, 114 stammt, um so dann in die Verdünnungskammern 116, 118 zu strömen. Bei diesem Vorgang wird konzentrierte Natronlauge verdünnt. Dabei wird neben der Kondensationswärme auch die Verdünnungsenthalpie der Natronlauge frei, die dazu dient, erneut Wasser in der Druckkammer 120 zu verdampfen. Während der Energieumwandlung bleibt die Temperatur im Reaktor und im Energiewandler konstant.

Der Lösungsvorgang des Wassers in Natronlauge vollzieht sich so schlagartig, dass sich in den Leitungen 126 und 128 sofort ein Vakuum bilden würde, was zur Folge hätte, dass die Natronlauge in den Energiewandler eingezogen wird. Dieser Effekt wird dadurch verhindert, dass die Leitungen 126 und 128 mit einem Gas gefüllt werden, das sich weder in der Natronlauge noch im Wasser löst. Der geringen Löslichkeit und der Reaktionsträgheit wegen sind vorzugsweise Helium, Wasserstoff, Stickstoff, Argon und/oder Luft einsetzbar. Weiterhin sind auch Sauerstoff, Methan, Edelgase und andere Gase oder Gasgemische verwendbar, die unter den gegebenen Bedingungen (Druck und Temperatur) inert und nahezu unlöslich sind. Die von dem Gas erzeugte Blase verhindert ein Rückschlagen der Natronlauge in die Leitungen 126 und 128 oder gar ein Eindringen in den Energiewandler.

Prozesse im Reaktor:

  • Prozess in der Druckkammer 120: H2Ofl → H2Ogasf. &Dgr;vapH = +2260 kJ kg–1
  • Prozess in den Verdünnungskammern 116, 118: H2Ogasf. → H2Ofl. &Dgr;kondH = –2260 kJ kg–1 NaOH·H2O + H2O → NaOHverd. &Dgr;SH = –369 kJ kg–1

Energiebilanz Reaktor:

  • &Dgr;vapH + &Dgr;kondH + &Dgr;SH = –369 kJ kg–1
  • Mit:

&Dgr;vapH
Verdampfungsenthalpie
&Dgr;kondH
Kondensationsenthalpie
&Dgr;sH
Verdünnungsenthalpie

Der Energiebetrag von 369 kJ kg–1 wird in Arbeit umgewandelt. Die Verdampfungsenthalpie und die Kondensationsenthalpie sind unter gleichen Bedingungen betragsidentisch mit umgekehrtem Vorzeichen.

Die verdünnte Natronlauge wird ausgetauscht, wenn ihr Siedepunkt unter 170°C sinkt, denn dann kann kein Wasser mehr in dieser Natronlauge kondensieren, sondern sie beginnt selbst zu sieden. Die heiße verdünnte Natronlauge fließt durch einen Wärmeaustauscher 216 in den Energiesammler 210.

Der verdünnten Natronlauge wird mittels Wärmekollektor 212 Energie, beispielsweise Sonnenlicht oder auch nur Wärme, zugeführt. Das im Reaktor einkondensierte Wasser verdampft und kondensiert am Kondensator 226, der gekühlt wird. Bei diesem Wärmeübergang wird die verdünnte Natronlauge aufkonzentriert und die Lösungsenthalpie der Natronlauge wird in Form von konzentrierter Natronlauge und Wasser gespeichert. Die konzentrierte Natronlauge und das Wasser werden dem Kreislauf wieder zugeführt.

Der Temperaturunterschied zwischen Wärmekollektor und Kondensator gibt nach Gl. 1 den Wirkungsgrad n der Carnot-Maschine an. Beispielsweise erhält man mit &THgr;k = 10°C und &THgr;&ohgr; = 200°C einen theoretischen Wirkungsgrad von ca. 40%.

Weil die Temperatur im Reaktor 220 konstant ist (z.B. 170°C), kann nur dann Wasser in die konzentrierte Natronlauge einkondensieren, wenn der Siedepunkt der Natronlauge über 170°C liegt, d.h. um Energie speichern zu können, muss deshalb die Temperatur im Wärmekollektor 212 höher sein als im Reaktor 220. Liegt sie darunter muss auf die zuvor gespeicherte Energie zurückgegriffen werden. Natronlauge und Wasser werden dafür in zwei separaten Behältern 214 bzw. 228 gelagert.

Zur Nutzung kälterer Wärmequellen gibt es zwei Möglichkeiten, nämlich eine Druckerniedrigung oder die azeotrope Destillation. Selbstverständlich führt die Verwendung kälterer Wärmequellen zu einer Senkung des Wirkungsgrads.

Da es sich um eine geschlossene Apparatur handelt, muss die Wärmeumwandlung nicht zwangsläufig bei Normaldruck (1013 mbar) durchgeführt werden. Durch Druckveränderung lässt sich der Siedepunkt der Natronlauge der Temperatur der Wärmequelle anpassen. Zum Beispiel verschiebt sich der Siedepunkt der Natronlauge von 240°C bei Normaldruck auf ca. 90°C bei 10 mbar. Ebenfalls verschieben sich der Siedepunkt des Wassers (auf ca. 20°C) und die Temperatur im Reaktor 220 (auf ca. 60°C). Mit einer Temperatur von &THgr;k = 10°C für das kalte Wärmereservoir und &THgr;&ohgr; = 90°C für das heiße Reservoir ergibt sich, trotz der dramatischen Senkung der Temperaturdifferenz, immer noch ein theoretischer Wirkungsgrad von ca. 20%.

Durch Zugabe eines inerten, mit Wasser nicht mischbaren Lösungsmittels werden ebenfalls kalte Wärmequellen nutzbar. Toluol ist ein solches Lösungsmittel. Wasser und Toluol bilden zwei Phasen, wobei nur ca. 0,1% Wasser in der Toluolphase und ebenfalls nur ca. 0,1% Toluol in der Wasserphase löslich sind. Das Toluol-Wasser-Azeotrop siedet mit 85°C und besteht aus 79.8% Toluol und 20,2% Wasser. Dieses Azeotrop kondensiert am Kondensator, es bilden sich schnell zwei Phasen. Während das Toluol zur verdünnten Natronlauge in den Wärmekollektor zurückgeführt wird, wird das Wasser in einem separaten Behälter gesammelt oder in die Verdampfungskammer (Reaktor) geleitet.

Die Kombination eines Vakuums und der azeotropen Destillation ermöglicht die Nutzung von Wärmequellen mit einer Temperatur von nur 40°C. Der theoretische Wirkungsgrad sinkt hier auf 9% (mit &THgr;k = 10°C), jedoch stehen viel mehr Wärmereservoire mit dieser Temperatur zur Verfügung als mit 200°C und höher.

Darüber hinaus wird primär die Energie in Form von Natronlauge und Wasser gespeichert, das bedeutet, dass die Destillation oder besser nur die Energiespeicherung mit dem theoretischen Wirkungsgrad von 9% behaftet ist. Bei der folgenden Umwandlung der gespeicherten Energie in mechanische bzw. elektrische Arbeit ist der theoretische Wirkungsgrad 100% (praktisch wird der Wirkungsgrad durch die verwendeten Pumpen und durch Reibung ein wenig geschmälert). Denn die gesamte erfindungsgemäße Verrichtung ist eine Carnot-Maschine, deren Wirkungsgrad sich nach Gl. 1 bestimmt. Beide Wärmereservoire befinden Sie im Energiesammler 210, d.h. nur die Stofftrennung ist mit einem niedrigen Wirkungsgrad behaftet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich daher selbst solche kleinen Wärmeübergänge kostengünstig nutzen.

Energiebilanz Energiesammler Azeotrope Destillation:

  • Energiebilanz Wärmekollektor:
  • Energiebilanz Kondensator:
  • Energiebilanz Energiesammler: QAufnahme = &Dgr;sH + QAbgabe QSpeicherung = &Dgr;sH
  • Mit:
    &Dgr;vapH
    Verdampfungsenthalpie
    &Dgr;kondH
    Kondensationsenthalpie
    &Dgr;sH
    Verdünnungsenthalpie
    Q
    Wärme

Der Energiebetrag

wird an das kalte Wärmereservoir abgegeben.

Mit der Abtrennung des Wassers wird die Natronlauge aufkonzentriert und damit die Lösungsenthalpie gespeichert. Die konzentrierte Natronlauge wird dem Kreislauf wieder zugeführt. Um den geschlossenen Kreislauf zu komplettieren, wird auch das Wasser zurückgeführt.

Gesamtenergiebilanz:

&Dgr;sH
Lösungsenthalpie
&Dgr;vapH
Verdampfungsenthalpie
Tol
Toluol
H2O
Wasser

Im Rahmen der bisherigen Beschreibung ist das Wasser sowohl Arbeitsmedium als auch Reaktionsteilnehmer. Diese beiden Funktionen können von verschiedenen Substanzen übernommen werden. Ein Mehrkreislaufsystem, in dem das Wasser nur die Funktion eines Reaktionsteilnehmers übernimmt, ist in 5 dargestellt. Das Arbeitsmedium, das verschieden von Wasser sein kann, bleibt dabei räumlich von den anderen Prozessen getrennt.

Das Wasser stellt das Arbeitsmedium in dem oberen Kreislauf dar, der aus einer Verdampfungszone 326, einem Energiewandler 328, einer Kondensationszone 330 und möglicherweise einer Pumpe 332 besteht, die jeweils über Leitungen in fluider Kommunikation miteinander stehen. Das Wasser wird in der Verdampfungszone 326 verdampft, verrichtet im Energiewandler 328 Arbeit und kühlt sich in der Kondensationszone 330 weiter ab. Mittels einer Pumpe 332 oder auch nur durch Schwerkraft wird das kondensierte Wasser wiederum der Verdampfungszone zugeführt. Der untere Kreislauf besteht aus einer Kammer 310, in welcher der endotherme Prozess abläuft, einem Reservoir mit konzentrierter Natronlauge 312, einem Kondensator 322, einer Kammer mit Wasser als Reaktionsteilnehmer 320, einem Wärmetauscher 318, einer Kammer 314, in welcher der exotherme Prozess abläuft, einem Reservoir verdünnter Natronlauge 324 sowie mindestens einer Pumpe 316 (nur eine dargestellt), wobei diese Elemente, wie in 5 dargestellt, in fluider Kommunikation miteinander stehen. Der Wärmetauscher 318 und die Kammer 314, in welcher der exotherme Prozess abläuft, stehen jeweils in thermischer Verbindung mit der Kondensationszone 330 bzw. der Verdampfungszone 326 des ersten Kreislaufs.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 wird über die Kammer 310, in welcher der endotherme Prozess abläuft, Energie, beispielsweise Sonnenlicht, zugeführt. Diese Energie sorgt dafür, dass sich das dynamische Gleichgewicht in die endotherme Richtung verschiebt. In der in 5 dargestellten Ausführungsform bedeutet dies, dass aus der verdünnten Natronlauge (Reservoir 324) das Wasser entzogen wird und am Kondensator 322 kondensiert. Der Wirkungsgrad der Stofftrennung lässt sich aus der Temperatur der Kammer 310 und der Temperatur des Kondensators 322 berechnen. Die bei der Stofftrennung entstehenden Produkte, konzentrierte Natronlauge und Wasser, werden über die Reservoire 312 bzw. 320 und die Wärmetauscher 313 bzw. 318 der Kammer 314 zugeführt, in welcher der exotherme Prozess abläuft, wodurch die Natronlauge wieder verdünnt wird. Dabei kommt es zu einer Energieabgabe, die über die thermische Verbindung der Kammer 314 mit der Verdampfungszone 326 des ersten Kreislaufs an das sich dort befindende Arbeitsmedium, beispielsweise Wasser, kommuniziert, wodurch das Wasser erwärmt und verdampft wird. Die verdünnte Natronlauge wird im Gegenstromverfahren über den Wärmetauscher 313 dem Reservoir 324 zugeführt, das wiederum mit der Kammer 310 verbunden ist, in welcher der endotherme Prozess abläuft.

Während das Einkreislaufsystem, d.h. die erfindungsgemäße Vorrichtung in 4, nur eine Carnot-Maschine ist, stellt das Mehrkreislaufsystem in 5 zwei gekoppelte Carnot-Maschinen dar. Der Wirkungsgrad des Wärmewandlers des oberen Kreislaufs ist abhängig vom Temperaturunterschied zwischen der Verdampfungszone 326 und der Kondensationszone 330, jedoch ist der Wirkungsgrad schon im ersten Kreislauf der Energiespeicherung wegen geschmälert worden. Mit der Rückkopplung von der Kondensationszone 330 zum Wärmetauscher 318 wird die nicht umgewandelte Wärme wieder dem Umwandlungsprozess zugeführt. Eine vollständige Nutzung der gespeicherten Energie wie im Einkreislaufsystem ist nur bei 100%igem Wärmedurchgang zu erreichen.

In der erfindungsgemäßen Vorrichtung 400 von 6 dient ein in einer Flüssigkeit gelöstes Gas als Arbeitsmedium, z.B. das System Kohlendioxid gelöst in Aceton bzw. das System Methan gelöst in n-Pentan oder das Gleichgwichtssystem Distickstofftetroxid/Stickstoffdioxid gelöst in Nitroethan. Hierbei wird die temperaturabhängige Löslichkeit von Gasen in Flüssigkeiten ausgenutzt. Im Folgenden wird nur der obere Kreislauf von 6 beschrieben, bestehend aus der heißen Zone 410, einem Wärmetauscher 412, einer Pumpe 414, der kalten Zone 416 und einem Energiewandler 418. Diese Elemente stehen jeweils über Leitungen in fluider Kommunikation miteinander. Wegen des Temperaturunterschieds ist die Konzentration des gelösten Gases in der heißen Zone 410 und in der kalten Zone 416 unterschiedlich. Gase lösen sich am Siedepunkt einer Flüssigkeit schlechter als nahe des Festpunkts. Deshalb befindet sich in der kalten Zone eine gasreiche und in der heißen Zone eine gasarme Lösung. Mit der Pumpe 414 wird die Flüssigkeit über den Wärmetauscher 412 im Gegenstromverfahren umgewälzt, wodurch die gasreiche Lösung in die heiße Zone 410 und die gasarme Lösung in die kalte Zone 416 gelangt. Das gelöste Gas wird in der heißen Zone 410 aus der Lösung vertrieben und verrichtet im Energiewandler 418 Arbeit und löst sich anschließend in der kalten Zone 416. Analog zur Vorrichtung 100 wird auch bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 400 zusätzlich ein Inertgas eingefüllt, um einen übermäßigen Anstieg der Flüssigkeit in der Leitung 420 oder gar ein Eindringen in den Energiewandler zu verhindern. Vorzugsweise wird dafür Helium und/oder Wasserstoff verwendet. Über den oben beschriebenen zweiten Kreislauf erfolgt die Energiezufuhr, und zwar in energiereicher Zeit über alternative Energiequellen oder auch jede andere Wärmequelle.

Beispiel 2: Schwefelsäure/Wasser

Das erfindungsgemäße Verfahren wird jetzt am Beispiel des Systems Schwefelsäure/Wasser erläutert (Speichersystem – Schwefelsäure/Wasser; Verdünnungsenthalpie ist exotherm): H2SO4konz + H2O → H2SO4verd + 95,33 kJ (&Dgr;H = –95,33 kJ/mol) H2SO4konz + 95,33 kJ → H2SO4verd + H2O (&Dgr;H = +95,33 kJ/mol) MG = 98,072 g mol-1 → 0,972 kJ/g → 0,972 MJ/kg (MG = molare Masse)

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist wiederum die in in 4 dargestellte Vorrichtung. Eine detailliertere Darstellung eines möglichen Reaktors zeigt wiederum die 3. In den Konzentrierungskammern 112, 114 befindet sich heiße konzentrierte Schwefelsäure (Siedepunkt über 170°C) mit einer Temperatur von beispielsweise 170°C und in einer Druckkammer 120 befindet sich Wasser. In den Verdünnungskammern 116, 118 befindet sich verdünnte Schwefelsäure. Wegen des Wärmeausgleichs zwischen den Kammern wird das Wasser erwärmt und Druck baut sich in der Druckkammer bzw. Wasserkammer 120 auf. Der Wasserdampf entspannt sich im Energiewandler 124 (z.B. einer Dampfmaschine oder -turbine) und verrichtet dabei Arbeit.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der entspannte Wasserdampf über die Leitungen 126, 128 in die heiße konzentrierte Schwefelsäure geleitet, die aus den Konzentrierungskammern 112, 114 stammt, um dann in die Verdünnungskammern 116, 118 zu strömen. Bei diesem Vorgang wird konzentrierte Schwefelsäure verdünnt. Dabei wird neben der Kondensationswärme auch die Verdünnungsenthalpie der Schwefelsäure frei, die dazu dient, erneut Wasser in der Druckkammer 120 zu verdampfen. Während der Energieumwandlung bleibt die Temperatur im Reaktor und im Energiewandler konstant.

Analog zum Beispiel Natronlauge/Wasser wird auch hier ein Inertgas eingefüllt, um eine permanente Gasblase in den Leitungen 126 und 128 aufrecht zu erhalten.

Damit wird ein Eindringen der Schwefelsäure in den Energiewandler verhindert. Vorzugsweise werden als Inertgas Helium und Wasserstoff eingefüllt.

  • Prozess in der Druckkammer 120: H2Ofl → H2Ogasf. &Dgr;vapH = +2260 kJ kg–1
  • Prozess in den Schwefelsäurekammern 116, 118: H2Ogasf.→ H2Ofl. &Dgr;kondH = –2260 kJ kg–1 H2SO4konz + H2O → H2SO4verd. &Dgr;sH = –972 kJ kg–1
&Dgr;vapH + &Dgr;kondH + &Dgr;SH = –972 kJ kg–1 Mit:
&Dgr;vapH
Verdampfungsenthalpie
&Dgr;kondH
Kondensationsenthalpie
&Dgr;SH
Verdünnungsenthalpie

Der Energiebetrag von 972 kJ kg–1 wird in Arbeit umgewandelt. Die Verdampfungsenthalpie und die Kondensationsenthalpie sind unter gleichen Bedingungen betragsidentisch mit umgekehrtem Vorzeichen.

Die verdünnte Schwefelsäure wird ausgetauscht, wenn deren Siedepunkt unter 170°C sinkt, denn dann kann kein Wasser mehr in dieser Schwefelsäure kondensieren, sondern sie beginnt selbst zu sieden. Die heiße verdünnte Schwefelsäure fließt durch den Wärmetauscher 216 in den Energiesammler 210. Der verdünnten Schwefelsäure wird mittels Wärmekollektor 212 Energie, z.B. Sonnenlicht, zugeführt. Das im Reaktor einkondensierte Wasser verdampft und kondensiert am Kondensator 226, der gekühlt wird. Bei diesem Wärmeübergang wird die verdünnte Schwefelsäure aufkonzentriert, und die Lösungsenthalpie der Schwefelsäure wird in Form von konzentrierter Schwefelsäure und Wasser gespeichert. Die konzentrierte Schwefelsäure und das Wasser werden dem Kreislauf wieder zugeführt.

Analog zum Beispiel 1 (Natronlauge/Wasser) ist mittels Druckänderung und azeotroper Destillation auch der Einsatz kalter Wärmequellen möglich.

Beispiel 3: Ammoniak/Wasser

Das erfindungsgemäße Verfahren wird jetzt am Beispiel des Systems Ammoniak-Wasser erläutert (Speichersystem – Ammoniak/Wasser; Lösungsenthalpie ist exotherm) NH3gasf. + H2O → NH3aq + 30,50 kJ (&Dgr;H = –30,50 kJ/mol) NH3aq + 30,50 kJ → NH3gast. + H2O (&Dgr;H = +30,50 kJ/mol) MG NH3 = 17,031 g mol–1 → 1,791 kJ/g → 1,791 MJ/kg (MG NH3 = molare Masse)

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens ist wiederum die in 4 dargestellte Vorrichtung. Eine detailliertere Darstellung eines möglichen Reaktors zeigt wiederum die 3. Ammoniak ist unter Normalbedingungen ein Gas, das sich durch Druckerhöhung verflüssigen lässt und sich mit starker Wärmetönung außerordentlich leicht in Wasser löst (siehe Tabelle 1). Im Gegensatz zu den ersten beiden Beispielen (Natronlauge/Wasser und Schwefelsäure/Wasser) ist beim Beispiel Wasser/Ammoniak der Ammoniak das Arbeitsmedium und nicht das Wasser. Um Ammoniak am Kondensator kondensieren zu können, steht die Anlage unter Druck. Der Überdruck ist abhängig von der Temperatur des kalten Reservoirs und wird in der Regel über 5 bar gehalten.

Tabelle 1: Physikalisch-chemische Daten von Ammoniak

Die konzentrierte Ammoniak-Lösung wird im Energiesammler 210 in flüssigen Ammoniak und ammoniakarmes Wasser getrennt. Das geschieht durch Energiezufuhr am Wärmekollektor 212, z.B. Sonnenenergie, und durch Kühlung des Kondensators 226. Am Kondensator scheidet sich flüssiger Ammoniak ab. Mit der Stofftrennung wird die Lösungswärme des Ammoniaks in Wasser gespeichert. Die beiden getrennten Flüssigkeiten gelangen über die Reservoire 214 (für Wasser) und 228 (für Ammoniak) sowie den Wärmetauscher 218 in den Reaktor 220. Der Ammoniak entspannt sich im Energiewandler 222 (z.B. einer Dampfmaschine oder -turbine) und löst sich anschließend im ammoniakarmen Wasser. Für diesen Prozess wird einerseits die Verdampfungswärme des Ammoniaks benötigt und andererseits wird die gespeicherte Lösungswärme und die Kondensationswärme frei. Die Kondensations- und die Verdampfungswärme sind betragsidentisch nur mit umgekehrten Vorzeichen. Somit wird die Lösungsenthalpie in Arbeit umgewandelt. Die ammoniakreiche Lösung gelangt wieder über den Wärmetauscher 218 und das Reservoir 224 in die Kammer 212, in der der endotherme Prozess abläuft.

Auch in diesem Beispiel wird zusätzlich ein Inertgas eingefüllt, um eine permanente Gasblase in den Leitungen 126 und 128 aufrecht zu erhalten, damit ein Rückschlagen des Wassers in den Energiewandler verhindert wird. Vorzugsweise werden als Inertgas Helium und Wasserstoff benutzt.

  • Prozess in der Druckkammer 120: NH3n → NH3gasf. &Dgr;vapH25 = +19,86 kJ mol–1 → 1166 kJ/kg
  • Prozess in der Wasserkammer 116, 118: NH3gasf. → NH3n. &Dgr;kondH25= –19,86 kJ mol–1 → –1166 kJ/kg NH3gasf. + H2O → (NH3)aq. &Dgr;SolH= –30,50 kJ mol–1 → –1790 kJ/kg &Dgr;vapH + &Dgr;kondH + &Dgr;SH = –1790 kJ kg–1
  • Mit:
    &Dgr;vapH25
    Verdampfungsenthalpie bei 25°C
    &Dgr;kondH25
    Kondensationsenthalpie bei 25°C
    &Dgr;SolH
    Lösungsenthalpie

Das Gleichgewichtssystem Ammoniak/Wasser kann auch mit der in 6 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtung verwendet werden. Dabei wird über die heiße Zone 410, in der sich eine ammoniakreiche Lösung befindet, dem System Energie, z.B. Sonnenenergie, zugeführt. Weil es sich um eine Gleichgewichtsreaktion handelt, verschiebt sich das Gleichgewicht in Richtung Ammoniak (Gas) und Wasser. Druck baut sich auf. In der kalten Zone 416, die mit dem kalten Wärmereservoir im thermischen Kontakt steht, befindet sich eine kalte ammoniakarme Lösung. Hier wird das Gleichgewicht in exotherme Richtung verschoben (Lösen von NH3 in Wasser). Die heiße Zone 410 und die kalte Zone 416 sind über die Wärmekraftmaschine 418 und den Wärmetauscher 412 verbunden. Die gesamte Apparatur ist geschlossen und lässt keinen Stoffaustausch mit der Umgebung zu. Aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen beiden Wärmereservoiren verrichtet das Arbeitsmedium (in diesem Fall Ammoniak) über die Wärmekraftmaschine 418 Arbeit. Das Arbeitsmedium (Ammoniak) löst sich im Wasser, das anschließend weggeleitet wird, um zu verhindern, dass sich im System ein Gleichgewicht einstellen kann. Die ammoniakreiche Lösung aus der kalten Zone 416 wird durch einen Wärmetauscher zur heißen Zone 410 zurückgeleitet, dabei wird sie im Gegenstromverfahren von heißer ammoniakarmer Lösung auf die Temperatur des warmen Wärmereservoirs gebracht. Im Gegensatz dazu kühlt sich die ammoniakarme Lösung im Wärmetauscher auf die Temperatur des kalten Reservoirs ab. Um ein übermäßiges Eindringen des Wassers in die Leitung 420 zu vermeiden, wird vorzugsweise Helium oder Wasserstoff als Inertgas eingefüllt.

Der Wirkungsgrad n dieser Wärmekraftmaschine lässt sich analog zu Gl. 1 bestimmen. Mit diesem Verfahren lässt sich keine Energie speichern, sondern nur umwandeln.

Neben den in den vorstehenden Beispielen angeführten Gleichgewichtssystemen enthält die Tabelle 2 weitere Beispiele für exotherme Gleichgewichtssysteme.

Tabelle 2: Exotherme Gleichgewichtssysteme

Beispiel 4: Lösen von chemischen Verbindungen in Lösungsmitteln mit positiver Lösungsenthalpie

Das erfindungsgemäße Verfahren wird jetzt am Beispiel des Lösens von Kaliumnitrat (KNO3) in Wasser und einem separaten Arbeitsmedium (z.B. Dichlormethan) erläutert (Speichersystem – Kaliumnitrat-Wasser/Acetonitril; Lösungsenthalpie ist endotherm; die Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit von Kaliumnitrat in Wasser ist in Tabelle 3 wiedergegeben): KNO3fest + H2O + 34,89 kJ → KNO3aq (&Dgr;H = +34,89 kJ/mol) KNO3aq → KNO3fest + H2O + 30,50 kJ (&Dgr;H = –34,89 kJ/mol) MG KNO3 = 101,102 g mol–1 → 0,345 kJ/g → 0,345 MJ/kg (MG KNO3 = molare Masse)

Tabelle 3: Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit von Kaliumnitrat in Wasser

Zur Durchführung des Verfahrens lassen sich die in den 4 und 5 dargestellten erfindungsgemäßen Vorrichtungen benutzen. Das Verfahren wird anhand der erfindungsgemäßen Vorrichtung von 5 erklärt.

Im oberen Kreislauf befindet sich das Arbeitsmedium, eine leicht verdampfbare Flüssigkeit, z.B. Dichlormethan. Der obere Kreislauf ist dadurch gekennzeichnet, dass er aus der Verdampfungszone 326, dem Energiewandler 328, der Kondensationszone 330 und der Pumpe 332 besteht, wobei die Elemente jeweils über Leitungen in fluider Kommunikation miteinander stehen. Das Dichlormethan wird in der Verdampfungszone 326 verdampft, verrichtet im Energiewandler 328 Arbeit und kühlt sich in der Kondensationszone 330 weiter ab. Mittels der Pumpe 332 wird das kondensierte Dichlormethan wiederum der Verdampfungszone 326 zugeführt.

Der untere Kreislauf besteht aus der Kammer 310, in welcher der endotherme Prozess abläuft, dem Reservoir mit konzentrierter Kaliumnitratlösung bei Umgebungstemperatur 312, dem Wärmetauscher 313, der Kammer 314, in welcher der exotherme Prozess abläuft, dem Reservoir für eine Acetonitril-Wasser-Mischung mit niedriger Kaliumnitratkonzentration 324, dem Reservoir für Acetonitril 320, dem Kondensator 322, dem Wärmetauscher 318 sowie der mindestens einen Pumpe 316 (nur eine dargestellt), wobei diese Elemente, wie in 5 dargestellt, in fluider Kommunikation miteinander stehen.

Durch den Acetonitrilzusatz gelingt es, das Kaliumnitrat aus der wässrigen Lösung zu entfernen und damit die gespeicherte Energie freizusetzen, denn der Lösevorgang von Kaliumnitrat in Wasser ist endotherm, weshalb bei der Reaktionsumkehrung, der Ausfällung des gelösten Salzes, die Lösungsenthalpie wieder frei wird.

Die Kammer 314, in welcher der exotherme Prozess abläuft, steht in thermischer Verbindung mit der Verdampfungszone 326 des ersten Kreislaufs.

Der erfindungsgemäßen Vorrichtung 300 wird über die Kammer 310, in welcher der endotherme Prozess abläuft, Energie, beispielsweise Sonnenlicht oder auch nur Wärme, zugeführt. Diese Energie sorgt dafür, dass sich das Gleichgewicht in die endotherme Richtung verschiebt. In der in 5 dargestellten Ausführungsform bedeutet dies, dass Acetonitril aus dem Acetonitril-Wassergemisch aus dem Reservoir 324 entfernt wird. Das Acetonitril (Wasser und Acetonitril sieden azeotrop, deshalb ist es eigentlich ein Gemisch) kondensiert am Kondensator 322 und wird in einem separaten Behälter 320 gesammelt. Das in der Kammer 310 zurückbleibende Wasser ist jetzt aber in der Lage, Kaliumnitrat zu lösen. Der Lösevorgang ist ebenfalls endotherm.

Bei weiterer Erwärmung der Kaliumnitratlösung verbessert sich die Löslichkeit des Salzes und damit wird Energie in der Kaliumnitratlösung gespeichert.

Um die gespeicherte Energie wieder freizusetzen, wird die konzentrierte Kaliumnitratlösung mit dem beim endothermen Prozess anfallenden Acetonitril verdünnt. Dabei fällt das Kaliumnitrat schlagartig aus, und es kommt zur Energieabgabe an die über die Kammer 314 in thermischer Verbindung stehende Verdampfungszone 326 des ersten Kreislaufs. Das Arbeitsmedium, z.B. Dichlormethan, wird erwärmt, verdampft und verrichtet Arbeit.

Die kaliumnitratarme Wasser-Acetonitril-Mischung wird im Gegenstrom zu der Zuleitung mit konzentrierter Kaliumnitrat-Lösung in die Kammer 324 geführt, die wiederum mit der Kammer 310 verbunden ist, in welcher der endotherme Prozess abläuft.

Neben dem, in dem vorstehenden Beispiel angeführten Gleichgewichtssystem enthält die Tabelle 4 weitere Beispiele für endotherme Gleichgewichtssysteme.

Durch Ausfällen des Salzes mit einem beliebigen organischen Lösungsmittel, wie z.B. Aceton, Alkohole, Nitroalkane, Tetrahydrofuran, Dioxan usw., wird die gespeicherte Energie der konzentrierten Salzlösungen freigesetzt, wobei die konzentrierte Salzlösung als Lösungsmittel Wasser oder ein anderes Solvents enthält.

Tabelle 4: Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit von Salzen in Wasser (endotherme Systeme)

Beispiel 5: In einer Flüssigkeit gelöstes Gas als Arbeitsmedium

Zur Durchführung dieses Beispiels lässt sich die in der 6 dargestellte erfindungsgemäßen Vorrichtung benutzen.

Der untere Kreislauf ist ausführlich hinsichtlich der Beispiele 1 und 4 vorstehend erläutert worden. Im oberen Kreislauf befindet sich das Arbeitsmedium, ein in einer Flüssigkeit gelöstes Gas, z.B. das System Kohlendioxid gelöst in Aceton bzw. das System Methan gelöst in n-Pentan oder das Gleichgewichtssystem Distickstofftetroxid/Stickstoffdioxid gelöst in Nitroethan. Am Siedepunkt des Lösungsmittels (Aceton, n-Pentan, Nitroethan) sind die Gase (Kohlendioxid, Methan, Stickstoffdioxid) schlecht löslich. Bei Abkühlung verbessert sich die Löslichkeit der Gase in der Flüssigkeit. Nahe am Festpunkt der Flüssigkeit lösen sich Gase am besten.

Der obere Kreislauf ist dadurch gekennzeichnet, dass er aus der heißen Zone 410, dem Energiewandler 418, der kalten Zone 416, dem Wärmetauscher 412 und der Pumpe 414 besteht, wobei die Elemente jeweils über Leitungen in fluider Kommunikation miteinander stehen. Das gelöste Gas wird in der heißen Zone 410 bei hoher Temperatur aus der Flüssigkeit vertrieben. Das Gas verrichtet im Energiewandler 418 Arbeit. In der kalten Zone 416 befindet sich bei niedriger Temperatur das gasarme Lösungsmittel, weshalb sich nach verrichteter Arbeit das Gas erneut im Lösungsmittel löst. Mittels der Pumpe 414 wird diese gasreiche Lösung durch den Wärmetauscher 412 in die heiße Zone 410 zurückgeleitet. Das geschieht im Gegenstrom, d.h. die heiße gasarme Flüssigkeit (z.B. Aceton, n-Pentan, Nitroethan) aus der heißen Zone 410 erwärmt kalte gasreiche Lösung aus der kalten Zone 416. Um ein Eindringen der Flüssigkeit in die Leitung 420 zu vermeiden, befindet sich dort eine Blase von Inertgas, vorzugsweise Helium oder Wasserstoff.

Von den beschriebenen Systemen stellt das Gleichgewichtssystem Distickstofftetroxid/Stickstoffdioxid eine Besonderheit dar: N2O4 ⇌ 2 NO2

Im flüssigen und im festen Aggregatzustand liegt praktisch nur Distickstofftetroxid (Fp: –9,3°C Kp: 21.15°C) vor, das in die doppelte Anzahl Mole Stickstoffdioxid thermisch dissoziiert (über 21.15°C bei Normaldruck) und dadurch eine besonders vorteilhafte Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht. Dieser Vorgang ist vollständig umkehrbar, so dass in der heißen Zone 410 Stickstoffdioxid entsteht und in der kalten Zone 416 zu Distickstofftetroxid reagiert, das dann mittels des Lösungsmittels Nitroethan, wie beschrieben, wieder in die heiße Zone 410 geführt wird.

Weil die Wärmetönung der Gleichgewichtssysteme Methan/Pentan, Kohlendioxid/Aceton und Distickstofftetroxid/Stickstoffdioxid/Nitroethan im Vergleich zu den anderen beschriebenen Gleichgewichtssystemen (z.B. Ammoniak/Wasser) gering ist, ist man bei deren Anwendung auf eine kontinuierliche Energiezufuhr oder einen externen erfindungsgemäßen Energiespeicher angewiesen. Der entscheidende Vorteil dieser Gleichgewichtssysteme ist jedoch der niedrige Festpunkt der Lösungsmittel Aceton (Fp: –94,7°C Kp: 56.05°C), Pentan (–129,67°C Kp:36.06°C) und Nitroethan (Fp: –89,5°C Kp: 114.0°C). Dadurch lassen sich Energiespeichersysteme, deren Temperatur unter dem Gefrierpunkt des Wassers liegt, mit gutem Wirkungsgrad nutzen.

In den kalten Regionen der Erde stehen zugefrorene Meere, Seen oder auch Grundwasser mit einer Temperatur um den Gefrierpunkt des Wassers als „warme" Wärmereservoire zur Verfügung. Die Außentemperatur liegt häufig weit darunter. Dieser Wärmeübergang ist mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 6 sehr gut zu nutzen. Mit Temperaturen von &THgr;W = 0°C und &THgr;k = –40°C beträgt der theoretische Wirkungsgrad ca. 15 %.

Nachstehend wird die Energiespeicherkapazität der Gleichgewichtssysteme Natronlauge/Wasser (Beispiel 1) und Wasser/Ammoniak (Beispiel 3) betrachtet. In energiearmer Zeit, z.B. im Winter, nachts oder auch bei Windflauten, kann Energie, die in der konzentrierten Natronlauge bzw. im flüssigen Ammoniak gespeichert ist, durch Verdünnen mit Wasser entnommen werden.

  • Verdünnungsenthalpie

    &Dgr;sHNaOH·H2O = –21,41 kJ/mol

    MG = 58,012 g/mol → 0,369 kJ/g → 369MJ/t
  • Verdünnungsenthalpie

    &Dgr;HNH3 = –30,50 kJ/mol

    MG NH3 = 17,031 g mol–1 → 1,791 kJ/g → 1791 MJ/t
  • Mit
MG
Molare Masse

Klassische Energieträger: Brennwert Braunkohle: 8,5MJ/kg Vergaserkraftstoff: 47 MJ/kg

Tabelle 5: Verhältnis der Energieinhalte

Natürlich sind die Speicherkapazitäten von Natronlauge und Ammoniak im Vergleich zu klassischen Energieträgern geringer (siehe tabelle 5). Es bedarf der 23-fachen Menge Natronlauge bzw. 4,7-fachen Menge Ammoniak, um den Energieinhalt von Braunkohle zu speichern. Für Vergaserkraftstoff liegt das Verhältnis bei 127:1 (Natronlauge) bzw. 26:1 (Ammoniak). Jedoch sind die Verbrennungsprozesse klassischer Energieträger nicht umkehrbar. Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass die Vorgänge reversibel sind. Im Gegensatz zu einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, das an der Ampel mit laufendem Motor Kraftstoff verbraucht, füllt ein Fahrzeug mit einem "Natronlaugemotor" den Energiespeicher, z.B. durch Sonnenenergie, auf. Es sei hier erwähnt, dass Personenkraftwagen statistisch gesehen im zeitlichen Mittel nur 1 Stunde täglich bewegt werden. Auch während deren Standzeit steht die Fläche dieser Fahrzeuge zur Aufnahme von Energie, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahrens speicherbar ist, zur Verfügung.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass Energie des "Natronlaugemotors" ständig zur Verfügung steht, sie muss nicht extra aus Bergwerken oder auf Ölfeldern gefördert werden. Außerdem bedarf es keiner weiteren Aufbereitungsprozesse, wie Extraktion, Destillation oder Stoffumwandlungen; die Energie fällt direkt als mechanische Arbeit bzw. in Kombination mit einem Generator als elektrische Energie an. Hier sei betont, dass der "Natronlaugemotor" von vornherein ein emissionsfreier Motor ist. Er speichert anfallende Wärme in Form eines umkehrbaren Gleichgewichtssystems und wandelt anschließend diese abgespeicherte Energie in mechanische bzw. elektrische Energie um. Es sind alle Energiequellen nutzbar, auch Energiereservoirs niedriger Temperatur. Prinzipiell ist jedes reversible dynamische Gleichgewicht mit einer von Null verschiedenen Wärmetönung als Energiespeicher verwendbar, d.h. man ist auch nicht an das Lösungsmittel und/oder den Reaktionsteilnehmer Wasser gebunden.

Die Vorliegende Erfindung betrifft ein System zur Erzeugung mechanischer bzw. elektrischer Energie, das aus einer Kombination folgender Komponenten besteht: Wärmekollektor, Kondensator, Wärmetauscher und einem Speichersystem für Energie, dessen Aufgabe von einem geeigneten reversiblen dynamischen Gleichgewichtsvorgang erfüllt wird, sowie einem Energiewandler, einer Dampfmaschine oder Dampfturbine zur Umwandlung der gespeicherten Energie in Arbeit, wobei die neben der Arbeit anfallende Wärme (Lösungs- und Kondensationswärme) wieder in das Speichersystem zurückgeführt wird.


Anspruch[de]
Emissionsfreies und zyklisches Verfahren zum Speichern von Energie,

dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Zuführen einer Wärmeenergie Q von einem ersten beliebigen Wärmereservoir zu einem Wärmekollektor;

b) Separieren eines Speichermediums in mindestens zwei Komponenten mittels der zugeführten Wärmeenergie Q;

c) Abgabe einer Wärmemenge, enthaltend den Entropieterm an ein zweites Wärmereservoir, das eine niedrigere Temperatur als das erste Wärmereservoir aufweist; und

d) Speichern der übrigen Energie in Form der mindestens zwei separierten Komponenten bzw. Arbeitsmedien.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfasst:

e) Aufbau einer Druckdifferenz zwischen den separierten Komponenten, wobei durch Erwärmen über den Siedepunkt einer Komponente sich der Druckunterschied erhöhen lässt;

f) Entspannung der verdampften Komponente in einem Energiewandler, vorzugsweise einer Dampfmaschine oder einer Dampfturbine;

g) Kondensation der verdampften Komponente in der zweiten Komponente des Speichermediums, wodurch die Kondensationswärme und die Lösungswärme freigesetzt werden;

h) Verwendung der Kondensationswärme und der Lösungswärme bei der Erwärmung der zwei separierten Komponenten bei Schritt e); und

i) Zurückführung des rekombinierten Speichermediums zum Wärmekollektor bei Schritt a);

j) Nutzung der nach Schritt d) gespeicherten Energie in Form von Wärme durch Zurückführung der separierten Komponenten.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Speichermedium ein geeignetes dynamisches Gleichgewichtssystem verwendet wird. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als dynamisches Gleichgewichtssystem die Löslichkeit und die temperaturabhängige Löslichkeit von Gasen, Salzen, Säuren, Basen oder anderen chemischen Verbindungen und Gemischen daraus mit negativer oder positiver Wärmetönung in Wasser oder einem anderen Lösungsmittel genutzt wird. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als dynamisches Gleichgewichtssystem ein chemisches Reaktionsgleichgewicht genutzt wird. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass als dynamisches Gleichgewichtssystem eine Kombination eingesetzt wird, die ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus: Natronlauge und Wasser; Schwefelsäure und Wasser; Kalilauge und Wasser; Lithiumhydroxid und Wasser; Rubidiumhydroxid und Wasser; Cäsiumhydroxid und Wasser; Chlorwasserstoff und Wasser; Bromwasserstoff und Wasser; Jodwasserstoff und Wasser; Florwasserstoff und Wasser; Schwefeldioxid und Wasser; Lithiumchlorid und Wasser oder ein analoges Lösungsmittel; Lithiumbromid und Wasser oder ein analoges Lösungsmittel; Lithiumjodid und Wasser oder ein analoges Lösungsmittel; Ammoniak und Wasser; Schwefeltrioxid und Schwefelsäure; Kaliumnitrat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Ammoniumchlorid/Wasser oder ein analoges Lösungsmittel und ein organisches Lösungsmittel; Ammoniumperchlorat/Wasser oder ein analoges Lösungsmittel und ein organisches Lösungsmittel; Ammoniumbromid/Wasser oder ein analoges Lösungsmittel und ein organisches Lösungsmittel; Ammoniumnitrat/Wasser oder ein analoges Lösungsmittel und ein organisches Lösungsmittel; Lithiumperchlorat/Wasser oder ein analoges Lösungsmittel und ein organisches Lösungsmittel; Natriumchlorat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Natriumperchlorat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Kalziumchloridhexahydrat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Magnesiumchlorid/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Natriumbromat/ Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Natriumbromid/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Natriumnitrat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Natriumnitrit/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Natriumacetat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Kaliumchlorat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Kaliumperchlorat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Kaliumbromid/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Kaliumchlorid/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Kaliumbromat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Kaliumjodid/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Kaliumjodat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Kaliumnitrit/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Kaliumnitrat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Kaliumpermanganat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Cäsiumnitrat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Cäsiumperchlorat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Rubidiumnitrat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Rubidiumchlorat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Rubidiumbromat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Cäsiumjodid/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Rubidiumjodid/Wasser und ein organisches Lösungsmittel; Cäsiumbromat/Wasser und ein organisches Lösungsmittel. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gespeicherte Energie dadurch frei gesetzt wird, dass mit einem organischen Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch das gelöste Salz ausgefällt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Wasser zumindest teilweise mischbares organisches Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch zum Ausfällen verwendet wird, umfassend Acetonitril, Aceton, Tetrahydrofuran, Dioxan, Methanol, Ethanol, n-Propanol, iso-Propanol, n-Butanol, 2-Butanol, tert-Butanol, Pentanol, Allylalkohol, Benzylalkohol, Polyethylenglykol, Glykol, Amine, Amide, Nitroalkane oder dergleichen. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als dynamisches Gleichgewichtssystem eine Kombination aus Löslichkeit und temperaturabhängiger Löslichkeit in Verbindung mit einem chemischen Reaktionsgleichgewicht benutzt wird. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als chemisches Gleichgewicht, z.B. die Esterbildung, die Lactonspaltung, Reaktionen mit Protonenübergang oder dergleichen benutzt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein geeignetes Arbeitsmedium in einer Wärmekraftmaschine zur mechanischen Arbeitsverrichtung eingesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium ein leicht verdampfbarer Stoff oder ein leicht verdampfbares Stoffgemisch, das vom Speichermedium getrennt vorliegt, wie z.B. Alkohole, fluorierte und halogenierte Kohlenwasserstoffe, Alkane und Cycloalkane, Ether, Ester, Amine und aromatische Kohlenwasserstoffe oder dergleichen, eingesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium ein leicht zu verflüssigendes Gas oder ein leicht zu verflüssigendes Gasgemisch, das vom Speichermedium getrennt vorliegt, wie z.B. Schwefeltioxid, Schwefelhexafluorid, Schwefelkohlenstoff, niedere Alkane und Cycloalkane, Amine, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, eingesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium Gase, die sich temperaturabhängig in Flüssigkeiten lösen, wie z.B. Methan, Ethan, niedere Alkane und Cycloalkane, Amine, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid, eingesetzt werden. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeit, in der sich die Gase temperaturabhängig lösen, ein organisches Lösungsmittel mit niedrigem Festpunkt ist, wie z.B. Alkane (Propan, Butan, Pentan, Hexan, Heptan), Aceton, Alkohole (Methanol, Ethanol, Propanol, iso-Propanol, Butanol) und/oder Halogenkohlenwasserstoffe (Dichlormethan, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff usw.) und/oder Nitroalkane (Nitromethan, Nitroethan). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Arbeitsmedium ein Stoff eingesetzt wird, der gleichzeitig Reaktionsmedium ist, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Ammoniak, Chlorwasserstoff; Bromwasserstoff; Jodwasserstoff, Florwasserstoff, Schwefeldioxid, Schwefeltrioxid, Wasser, Methanol, Ethanol, Acetonitril, iso-Propanol, n-Propanol, Amine oder dergleichen. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlepper zur Entfernung des Arbeitsmediums dient, mit dem das Arbeitsmedium azeotrop siedet. Verfahren nach Anspruch 17 dadurch gekennzeichnet, dass als Schlepper ein Wasserschlepper zugesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass als Wasserschlepper ein mit Wasser begrenzt mischbares Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, wie z.B. aromatische Kohlenwasserstoffe, Ether, Ester, Alkohole, Amine und dergleichen, zugesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass als Wasserschlepper ein mit Wasser unbegrenzt mischbares Lösungsmittel oder Lösungsmittelgemisch, wie z.B. Aceton, Acetonitril, Tetrahydrofuran, Dioxan, Amine, Alkohole, Nitroalkane usw., zugesetzt wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiequelle ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Wärme und Abwärme aus chemischen Reaktionen; Sonnenenergie; Erdwärme; Windenergie; Biogas; Kernenergie; Fusionsenergie; fossile Rohstoffe; nachwachsende Rohstoffe; Grund- und Oberflächenwasser; Umgebungswärme oder andere Energiequellen. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das kalte Wärmereservoir ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Grund- und Oberflächenwasser oder Umgebungsluft. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasblase aus Inertgas die beiden Arbeitsmedien trennt. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass als Inertgas ein Gas aus der Gruppe ausgewählt wird: Wasserstoff, Edelgase, Oxide, z.B. Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickoxide, Sauerstoff, Stickstoff, Schwefelhexafluorid. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stofftrennung nach an sich bekannten Verfahren, wie z.B. Destillation, Extraktion, Kristallisation, Sublimation, Fällung, chromatographische Trennung, Dialyse, Diffusion, Filtration, osmotische Verfahren, Adsorption und Entmischen, als Carnot'scher Prozess erfolgt und zur Energiespeicherung genutzt wird. Vorrichtung (10) zum Speichern von Energie und zur Umwandlung dieser Energie in mechanische bzw. elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) einen Energiesammler (12), bestehend aus Wärmekollektor (12a) und Kondensator (12b), einen Energiespeicher (14), einen Reaktor (16) und einen Energiewandler (18) umfasst, wobei die nach der Energieumwandlung freiwerdende Kondensations- und Lösungswärme zum Energiespeicher (14) zurückgeführt wird. Vorrichtung (100) zum Speichern von Energie und zur Umwandlung dieser Energie in mechanische bzw. elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (100) eine Druckkammer (120), einen Energiewandler (124), eine Konzentrierungskammer (112, 114) und eine Verdünnungskammer (116, 118), die mit der Druckkammer in thermischem Kontakt steht, aufweist, wobei diese Komponenten derart ausgestaltet, angeordnet und über Leitungen miteinander verbunden sind, dass ein in der Druckkammer (120) erwärmtes erstes Arbeitsmedium in dem Energiewandler (124) mechanische bzw. elektrische Arbeit verrichtet, das entspannte erste Arbeitsmedium anschließend in der Verdünnungskammer (116, 118) ein zweites Arbeitsmedium, das aus der Konzentrierungskammer (112, 114) zugeführt wird, verdünnt und die dabei in der Verdünnungskammer (116, 118) freigesetzte Energie von dem ersten Arbeitsmedium in der Druckkammer (120) aufgenommen wird. Vorrichtung (200) zum Speichern von Energie und zur Umwandlung dieser Energie in mechanische bzw. elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (200) einen Energiesammler (210), bestehend aus Wärmekollektor (212) und Kondensator (226), ein Reservoir für ein erstes Arbeitsmedium (228), ein Reservoir für ein zweites Arbeitsmedium (214), ein Reservoir für das Reaktionsmedium (224), eine Pumpe (216), einen Wärmetauscher (218), einen Reaktor (220) und einen Energiewandler (222) sowie einen Generator (nicht dargestellt) beinhaltet, die jeweils über Leitungen miteinander in fluider Kommunikation stehen und dass der Wärmekollektor (212) und der Kondensator (226) mit jeweils einem warmen und kalten Wärmereservoir in thermischem Kontakt stehen, wodurch sich ein Reaktionsmedium in zwei Arbeitsmedien trennt und dadurch Energie speichert, die dann über die getrennten Arbeitsmedien über zwei separate, aber in thermischem Kontakt stehende Leitungen durch einen Wärmetauscher (218) zum Reaktor (220) transportiert wird, wobei ein Arbeitsmedium im Reaktor (220) verdampft, in dem Energiewandler (222) Arbeit verrichtet, anschließend im zweiten Arbeitmedium kondensiert und dabei neben der Kondensationswärme die gespeicherte Energie in Form vom Reaktionswärme, Mischungsenthalpie oder anderen Wärmemengen freisetzt und diese Energie an das erste Arbeitsmedium zurückführt. Vorrichtung (300) zum Speichern von Energie und zur Umwandlung dieser Energie in mechanische bzw. elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (300) umfasst:

einen ersten Kreislauf, der aus einer Verdampfungszone (326), einem Energiewandler (328), einer Kondensationszone (330) und einer Pumpe (332) besteht, die jeweils über Leitungen miteinander in fluider Kommunikation stehen, sowie

einen getrennten zweiten Kreislauf, der aus einer Kammer (310) besteht, in der ein endothermer Prozess abläuft, einer Konzentrierungskammer (312), einer Kammer (314), in der ein exothermer Prozess abläuft, einem Verdünnungsreservoir (324), mindestens einer Pumpe (316), einem Wärmetauscher (318), einem Reservoir für das Arbeitsmedium (320) sowie einem Kondensator (322), die jeweils über Leitungen miteinander in fluider Kommunikation stehen,

wobei der Wärmetauscher (318) und die Kammer 314 des zweiten Kreislaufs, in der der exotherme Prozess abläuft, in thermischer Verbindung mit der Kondensationszone (330) bzw. mit der Verdampfungszone (326) des ersten Kreislaufs stehen.
Vorrichtung (400) zum Umwandlung vom Wärme in mechanische bzw. elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (400) aus einem Kreislauf mit einer heißen Zone (410), einem Wärmetauscher (412), einer Pumpe (414) und einer kalten Zone sowie einem Bypass, der die heiße Zone (410) und die kalte Zone (416) mit einem Energiewandler (418) verbindet, besteht, wobei in der heißen Zone (410) ein Gas durch Wärmezufuhr aus einer Flüssigkeit vertrieben wird und in den Bypass strömt, im Energiewandler (418) Arbeit verrichtet, während die heiße gasarme Flüssigkeit durch den Wärmetauscher (412) in die kalte Zone (416) gepumpt wird, um dort das aus der Wärmekraftmaschine strömende Gas wieder zu lösen, um dann als gasreiche Flüssigkeit durch den Wärmetauscher (412) in die heiße Zone (410) zu gelangen. Vorrichtung (200) zum Speichern von Energie und zur Freisetzung dieser Energie als Wärme, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (200) einen Energiesammler (210), bestehend aus Wärmekollektor (212) und Kondensator (226), ein Reservoir für ein erstes Arbeitsmedium (228), ein Reservoir für ein zweites Arbeitsmedium (214), ein Reservoir für das Reaktionsmedium (224), eine Pumpe (216) und einen Reaktor (220) beinhaltet, die jeweils über Leitungen miteinander in fluider Kommunikation stehen, und dass der Wärmekollektor (212) und der Kondensator (226) mit jeweils einem warmen und kalten Wärmereservoir in thermischem Kontakt stehen, wodurch sich ein Reaktionsmedium in zwei Arbeitsmedien trennt und dadurch Energie speichert, die dann über die getrennten Arbeitsmedien über zwei separate, aber in thermischem Kontakt stehende Leitungen zum Reaktor (220) transportiert wird, wo beide Arbeitsmedien rekombiniert werden und die gespeicherte Energie in Form vom Reaktionswärme, Mischungsenthalpie oder anderen Wärmemengen freisetzen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass als Energiewandler bzw. Wärmekraftmaschine eine Dampfmaschine, eine Turbine oder Stirlingmaschine verwendet wird. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 26 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung beispielsweise einen Generator, eine Wärmepumpe, Land- und Wasserfahrzeuge, Schienenfahrzeuge oder spezielle Luftschiffe (z.B. Zeppeline) antreibt.






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