Die vorliegende Erfindung betrifft eine modulare Bauart eines Dampfmotors, umsetzbar für den Hoch- und Niederdruckbereich, mit einem Zweikammersystem und ventilgesteuerten Ein- und Auslässen am Zylinderkopf in Kombination mit einem neuartigen Speichersystem. Insbesondere wird gezeigt, wie zweistufig Strom erzeugt werden kann, wobei die Dampfmotoren für die Hoch- und die Niederdruckstufe zu unterschiedlichen Zeiten betrieben werden können. Die Dampfmaschineneinheit umfasst somit zwei Dampfmotoren und einen Zweiphasenspeicher im Zwischendruck. Dies ist als eine Gesamtmaschine zu betrachten. Neu ist sowohl das Speichersystem als auch die Funktion der einzelnen Dampfmotoren. Im Gegensatz zu herkömmlichen Dampfmotoren gibt es keine Auslassöffnungen am unteren Totpunkt der Kolben, wie die zum Beispiel in der Offenbarung WO 2010099941 A1 gezeigt wird. Ein- und Auslasszeitpunkte sowie die Öffnungszeiten sind bei diesen Maschinen an den Kolbenhub gebunden. Unterschiedliche Last kann nur über die Drehzahl oder über einen unterschiedlichen Dampfdruck am Ein- und Auslass abgefahren werden.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist nun, einen verbesserten Dampfmotorprozess zu schaffen, sodass im Teillastbereich Drehzahl sowie Druck und Temperatur der Hochdruckmaschine konstant gehalten werden. So sollen für die Erzeugung des überhitzen Dampfes Solarkollektoren zum Einsatz kommen, die je nach Sonneneinstrahlungsintensität unterschiedlich viel Dampf erzeugen,- die Temperatur jedoch konstant halten (Konzentratortechnologie). Je höher Druck und Temperatur sind, desto effizienter arbeitet der Hochdruckmotor. Dies ist rein aus den thermodynamischen Gesetzmäßigkeiten ableitbar. Die Temperaturkette zieht sich bis zum Zweiphasenspeicher durch. So kann dieser auch bei Teillast auf hohe Temperaturen aufgeladen werden. Die Niederdruckmaschine wird mit Sattdampf aus dem Zweiphasenspeicher gespeist. Je nach Ladezustand hat der Speicher nun eine Temperatur von 100°C bis 150°C. Der entsprechende Dampfdruck liegt bei 1 bis 4,75 bar. Der Niederdruckmotor muss somit ein noch komplexeres Betriebsfeld abfahren. Gefordert ist, bei konstanter Drehzahl eine variable Lastabdeckung für das Netz zu erreichen, - dies bei variierendem Ladezustand des Speichers und somit variierendem Zustand des einströmenden Dampfes. Mit herkömmlichen Dampfmotoren nach dem Stand der Technik kann die Dampfmaschineneinheit bei diesen Anforderungen nicht ausreichend effizient betrieben werden.

Eine entscheidende Rolle im Gesamtsystem spielt der Zweiphasenspeicher. Dampf und Kondensat befinden sich im Sättigungszustand. Der Speicher kann nun ohne nennenswerte Temperaturhysterese Dampf abgeben oder aufnehmen. Das genaue Verhalten wird noch detailliert erklärt. Generell kann die Speicherkapazität erhöht werden, indem der Zweiphasenspeicher zum Beispiel mit Paraffinkugeln gefüllt wird, die bei Wärmezufuhr einen Phasenübergang von fest auf flüssig vollziehen. Das Paraffin ist ummantelt und kann somit nicht in den Dampfkreislauf gelangen. Diese Latentwärmespeicher erreichen bei gegebenem Volumen eine erhöhte Wärmekapazität und können die Temperatur bei der Wärmeentnahme länger hoch halten. Dies führt natürlich zu einer Prozessverbesserung. Diese zusätzliche Maßnahme soll nur das Potential der Zweiphasenspeicher aufzeigen, - wird aber aus dem Stand der Technik nicht als neu betrachtet. Sämtliche nachfolgenden Betrachtungen der Dampfmaschineneinheit beziehen sich auf den Dampf- und Kondensatkreislauf.

Die in dieser Patentschrift gezeigten Ausführungen an Dampfmotoren haben nun ventilgesteuerte Ein- und Auslässe am Zylinderkopf. Während Dampfturbinen nur bei hohen Leistungen und einem weitgehend konstanten Betriebspunkt effizient eingesetzt werden können, ist hier die Möglichkeit geschaffen, Wärmeleistungen unter 1 MW effizient in mechanische Arbeit umzuwandeln. Ein wichtiges Kriterium ist die Lastanpassung über eine große Bandbreite. Der Massenstrom bzw. die Leistung kann über die Ventilsteuerzeiten geregelt werden. An die Dampfmaschinen können eine Vielzahl an Verbrauchern (Pumpe, Klimakompressor, Generator ...) mechanisch gekoppelt werden. Bei der Verstromung ist sinnvoll die Drehzahl konstant auf die Netzfrequenz einzuregeln. Bei 50 Hz könnte der Hochdruckmotor z.B. 1500 U/min drehen und der Niederdruckmotor 3000 U/min. Die Synchronmotoren sind auf die entsprechende Polzahl auszulegen.

Wie gezeigt wird, kann die Last (Massenstrom) bei konstanter Drehzahl ausschließlich über den ventilgesteuerten Einlass geregelt werden. Über die Ventilsteuerung kann die Einlassmenge geregelt werden. Je weniger Dampf eingelassen wird, desto größer wird der Bereich der isentropen Entspannung. Dies bedeutet dass der Druck im Zylinder bei der Abwärtsbewegung des Kolbens bei einem geringen Füllgrad stärker abnimmt als bei einem hohen Füllgrad. Dies führt im Gegensatz zu herkömmlichen Dampfmotoren im Teillastbereich zu einem hohen Wirkungsgrad. Nun ist die Dampfmenge oftmals vorgegeben und sollte, dem Angebot entsprechend abgearbeitet werden (z.B. Solare Dampferzeugung). Es ist möglich, bei geringer Leistung den Druck im Zylinderraum bis auf den Gegendruck am Auslass abzuarbeiten, nicht jedoch bei mittlerer und hoher Leistung. Die hier gezeigten Dampfmotoren zeichnen sich nun durch eine weitere wichtige Eigenschaft aus. Es können unterschiedliche Druckstufen abgefahren werden. Dies, wenngleich der Zylinder rein mechanisch nur ein begrenztes Druckverhältnis isentrop abarbeiten kann. Die Erklärung hierfür ist relativ einfach. Ist der Dampfdruck im Zylinder bei öffnen der Auslassventile höher als der Gegendruck am Auslass, so kann der Dampf weiter entspannen. Beim Öffnen der Auslassventile verringert sich der Druck im Zylinderraum weitgehend auf den Gegendruck im Auslass. Die Ausschubarbeit verringert sich somit bei rechtzeitigem öffnen, was eine Leistungssteigerung bewirkt. Um dem Idealprozess nahe zu kommen muss eine rasche Entspannung auf den Gegendruck am Auslass erfolgen. Mit dem erfindungsgemäßen Zweikammersystem ist es möglich eine Vielzahl an Ventilen vorzusehen, die rasch öffnen und schließen. Mit den großen Ein- und Auslassquerschnitten und den raschen Öffnungszeiten lassen sich Last und Druckgefälle hervorragend regeln.

Dies ist entscheidend für den Einsatz bei variierender Dampfmenge und variierendem Kondensationsgegendruck. Eine variierende Dampfmenge ergibt sich beispielsweise bei einer solaren Dampferzeugung, da die Einstrahlintensität Schwankungen unterliegt oder bei Heizkraftwerken, die an die Heizlast gebunden Dampf erzeugen. In allen Fällen macht es Sinn Pufferspeicher vorzusehen, die über die Kondensationsabwärme aus der Hochdruckstufe gespeist werden. Naturgemäß haben diese Speicher je nach Lastabnahme bzw. Tageszeit unterschiedliche Temperaturen. Um die technische Arbeit der Hochdruckdampfmaschine hoch zu halten sollte die Rückkondensation des Dampfes bei möglichst geringem Gegendruck erfolgen. Dieser ist von der Temperatur im Speicher abhängig und variiert somit. Im Gegensatz zu Turbinen führt eine Absenkung des Auslassdruckes zu einer noch effizienten Abarbeitung des Druckgefälles. Betrachten wir zur Veranschaulichung den Arbeitshub, bei dem der Dampf beispielsweise von 200°C auf 130°C entspannt. Bei 130°C beträgt der Dampfdruck im Zylinder noch 2,7 bar. Ist der Gegendruck am Auslass nun niedriger als 2,7 bar, so gewinnt die Maschine an Leistung, da die Ausschiebearbeit entsprechend abnimmt. Gasdynamische Effekte im Ein-und Auslasssystem der Dampfmaschine können nochmals einen Leistungsgewinn bringen. Nachdem die Maschinen auf eine konstante Drehzahl abgestimmt sind, können die Ein- und Auslasssysteme optimal auf die Resonanzfrequenzen abgestimmt werden.

Entscheidend für die Effizienz der Dampfmaschineneinheit ist somit, einen Speicher vorzusehen, der den Gegendruck zur Hochdruckmaschine so niedrig als möglich hält. Erreicht wird dies dadurch, dass der Speicher zwei Phasen, Kondensat und Sattdampf, beinhaltet. In weiterer Folge wird dieser Speicher als Zweiphasenspeicher bezeichnet. Die Beheizung erfolgt direkt durch Einleitung des Dampfes aus der Hochdruckdampfmaschine. Fährt die Dampfmaschine in den Naßdampfbereich, so wird ein Kondensat/Dampfgemisch in den Zweiphasenspeicher eingeleitet. Dies ist ein offenes System ohne Zwischenschaltung eines Wärmetauschers. Die Temperatur im Speicher sollte möglichst gleichmäßig verteilt sein (keine Schichtung). Der Gegendruck zur Dampfmaschine ist nun der Dampfdruck im Speicher, der rein von der Temperatur abhängt. Die Verbraucher werden mit Sattdampf aus dem Zweiphasenspeicher gespeist. Bei reiner Dampfentnahme ohne Wärmeeintrag in den Speicher senkt sich der Druck ab, was bewirkt, dass sich neuer Dampf aus dem gespeicherten Kondensat ausscheidet, wobei die Temperatur im Speicher absinkt. Der Dampf wird in den Verbrauchern kondensiert. Das Kondensat wird in den Speicher rückgeführt und scheidet bei entsprechendem Druckabfall wiederum neuen Dampf ab.

Ausqleichsqefäß:

Im abgekühlten Zustand senkt sich das Kondensatvolumen im Speicher auf Grund der Dichteänderung ab, während das Dampfvolumen entsprechend mehr Platz einnimmt.

Ein Ausgleichsgefäß ist deshalb nicht notwendig.

Besonderheit: Die Niederdruckdampfmaschine kann auch als Kompressor eingesetzt werden. Ohne geringste Modifikation an der Maschine kann diese allein über eine veränderte Ventilsteuerung auch im Kompressionsbetrieb gefahren werden. In diesem Fall dient der Generator als Motor. Die elektronische Steuerung macht dies möglich. Wie noch gezeigt wird, gibt es in Kombination mit der Speichertechnologie einen interessanten Einsatz für einen bivalenten Betrieb.

Kernstück der Erfindung ist der Zylinderkopf mit dem speziellen Ein- und Auslasssystem Entscheidend ist die technische Umsetzung des Zweikammersystems, das einen den Einbau einer Vielzahl von Ventileinheiten ermöglicht. Besonderes Augenmerk fällt auf die einfache Bauweise und Fertigung sowie die modulare Bauweise. Bei der reinen Verstromung kommen eine Hoch- und eine Niederdruckmaschine zum Einsatz. Erfindungsgemäß ist ein Speicher zwischengeschaltet, sodass beide Maschinen zeitlich unabhängig voneinander betrieben werden können. Hochdruckmaschine, Zweiphasenspeicher und Niederdruckmaschine bilden eine Einheit, die ab nun als Dampfmaschineneinheit bezeichnet wird.

Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Zylinderkopf ob nun Hoch- oder Niederdruckmaschine aus einer inneren und einer äußeren Kugelkalotte besteht, welche einen Zwischenraum einhüllen. Dieser ist in eine untere und eine obere Kammer unterteilt. Erfindungsgemäß werden durch die innere und die äußere Kugelkalotte Bohrungen fluchtend eingearbeitet in welche Ventileinheiten, bestehend aus Ventil, Ventilsitz, Ventilkanal mit Überströmöffnungen, Ventilführung und Elektro- bzw. Magnetantrieb, abdichtend zur jeweiligen Kammer eingeschoben und/oder eingeschraubt werden können.

Der Dampf strömt über zwei oder mehrere Durchlässe an der äußeren Kalotte in die untere Kammer ein und aus der oberen Kammer aus. Die Ventile steuern den Ein- und Auslass in und aus dem Zylinderraum. Hoch- und Niederdruckmaschine sind nicht direkt in Serie geschaltet, sondern über einen gemeinsamen Speicher gekoppelt, wobei die Niederdruckmaschine auch im Kompressorbetrieb gefahren werden kann. Die Hubkolben der Dampfmaschinen bilden dampfseitig eine Erhöhung, die im oberen Totpunkt weit in den Zylinderraum ragt, so dass die Ventile im geöffneten Zustand nur einen geringen Spalt zum Kolbenboden aufweisen. Dies verringert das Totvolumen erheblich und führt zu einem besseren Wirkungsgrad. Diese Bauweise ermöglicht eine Mehrzahl an Ventilen vorzusehen um einen möglichst hohen Strömungsquerschnitt zu erreichen. Aus Fertigungsgründen macht es Sinn möglichst modular zu bleiben und idente Ventileinheiten für Ein- und Auslass vorzusehen. Aufgrund der Ausdehnung des Dampfes sind für den Auslass in etwa dreimal so viele Ventile wie für den Einlass vorzusehen. Aus der Symmetrie ergibt sich eine sehr einfache Bauweise. Die Ventileinheiten können von außen montiert werden. Für die innere Abdichtung genügt ein passgenauer Führungssitz. Für die Abdichtung nach außen ist eine Dichtung vorzusehen. Für die Zu- und Ableitung des Dampfes werden an der äußeren Kalotte entsprechende Flanschstutzen vorgesehen. Weitere Details werden anhand der Figurenbeschreibung gezeigt.

In Kombination mit der Speichertechnologie ergeben sich drei Kernanwendungen:

1. Reine Stromerzeugung

2. Stromerzeugung mit Wärmeauskopplung

3. Solare Meerwasserentsalzung nach einem mehrstufigen Destillationsprozess

1. Reine Stromerzeugung

Als interessantes Beispiel wird eine Solaranlage betrachtet, die in einer ersten Stufe Sattdampf mit 200°C erzeugt und diesen in einer zweiten Stufe auf 300°C überhitzt. Naturgemäß ist der Wärmeeintrag an die momentane Einstrahlung gebunden und somit variierend. Die Hochdruckmaschine ist auf einen Einlassdruck von 20 bar ausgelegt. Sie kann sich an die variierende Wärmeleistung optimal anpassen und arbeitet die erzeugte Dampfmenge ab. Der Abdampf wird in den Zweiphasenspeicher eingeleitet. Der Speicher hat je nach Aufladungszustand 100°C bis 140°C. Die verwertbare gespeicherte Energie für die Niederdruckmaschine resultiert somit aus der Temperaturdifferenz von 40°C. Die Leistung der Dampfmaschine variiert nun je nach Dampfmenge und Gegendruck. Entscheidend ist der thermische Wrkungsgrad. Dieser hängt maßgeblich vom Ladezustand des Speichers und dem damit verbundenem Gegendruck ab. Das folgende Durchrechnungsbeispiel soll die Prozesscharakteristik veranschaulichen. Um den Realprozess zu simulieren werden folgende Abminderungsfaktoren in der Berechnung berücksichtigt:

• Isentroper Wirkungsgrad: 90%

• Mechanische Verluste: 5%

• Elektrische Verluste: 5%

Bei 140°C Speichertemperatur bzw. einem Gegendruck von 3,6 bar ergibt sich für die Hochdruckmaschine ein thermischer Wirkungsgrad von 13,1% EL für die Stromgewinnung.

Bei 100°C Speichertemperatur bzw. einem Gegendruck von 1 bar ergibt sich ein thermischer Wirkungsgrad von 16,9% EL für die Stromgewinnung.

Die Niederdruckmaschine ist auf einen maximalen Einlassdruckruck von 5 bar ausgelegt. Je höher der Druck im Zweiphasenspeicher ist und je niedriger der Gegendruck für die Kondensation ist, desto höher ist der thermische Wirkungsgrad. Setzt man die gleichen Abminderungsfaktoren wie bei der Hochdruckanlage an, so ergibt sich bei einer Dampfentnahme mit 140°C und einer Rückkondensationstemperatur von 75°C ein thermischer Wirkungsgrad von 11,6% EL. Erfolgt die Dampfentnahme bei 100°C und einer Rückkondensationstemperatur von 50°C, so ergibt sich ein thermischer Wirkungsgrad von 10,3% EL. Addiert man die durchschnittlichen thermischen Wirkungsgrade der Hoch- und der Niederdruckmaschine, so liegt der thermische Gesamtwirkungsgrad etwa bei 26% EL.

Hat man ein Kühlreservoir (Schwimmbad, Gewässer, Grundwasser, Permafrost ...) dann kann man eine Rückkondensationstemperatur von 35°C ansetzen. Unter dieser Voraussetzung erhöht sich der thermische Gesamtwirkungsgrad auf zirka 28%, da die Niederdruckmaschine mehr Leistung bringt. Setzt man für zweiachsig nachgeführte spiegelkonzentrierende Solarkollektoren einen Wirkungsgrad von 85% an, so erreicht man je nach Rückkühltemperatur einen Gesamtwirkungsgrad von 22% EL bis 23,5% EL in Bezug zum solaren Einfang. Fotovoltaikzellen höchster Güte können dies im Feldbetrieb aufgrund der Abminderung durch Erwärmung nach dem jetzigen Stand der Technik nicht erreichen.

Vom Stand der Technik aus ist es möglich höhere Temperaturen aus der Solaranlage zu bekommen. So kann bei anderen Systemparametern (Sattdampftemperatur 233°C, Überhitzungstemperatur 385°C, Speichertemperatur 150°C) über beide Dampfmotoren gemessen am solaren Einfang ein Gesamtwirkungsgrad von 26% EL erreicht werden. Die Solaranlage arbeitet bei 30 bar.

Die Wirkungsgradbilanz in Bezug zu den Kosten ist allerdings nicht das einzige Kriterium für die Bewertung einer Technologie. Genauso wichtig wie die Erzeugung ist die Speicherung der Energie. Der Vorteil der Dampfmaschineneinheit ist, dass Lastspitzen abgedeckt werden können und bei solarem Ausfall über den Zweiphasenspeicher auch während der Nacht Strom über die Niederdruckmaschine erzeugt werden kann. Dadurch dass die Außentemperatur in der Nacht abfällt, kann die Wärmeabfuhr für die Kondensation des Niedertemperaturdampfes bei niedriger Temperatur erfolgen. Dies hebt den Wirkungsgrad des Dampfmotors im Niederdruckbereich.

Es ist auch möglich, einen weiteren Zweiphasenspeicher für die Kondensationsabwärme der Niederdruckmaschine vorzusehen. Neben 26% an elektrischer Energie hat man immerhin noch 74% an Wärme die zwischen 50°C und 75°C aus dem zweiten Zweiphasenspeicher entnommen werden kann.

Sollte keine Nutzungsmöglichkeit der Niedertemperaturwärme gegeben sein, so kann der Speicher trotzallem sinnvoll sein. Anstatt an die Außentemperatur gebunden zu kühlen kann die Speichertemperatur in der Nacht bei kühlen Außentemperaturen auf Vorrat für den Tag in vielen Gegenden weit unter die Tagestemperatur abgesenkt werden. Somit kann die Niederdruckmaschine den Abdampf auch bei hohen Außentemperaturen in einen kühlen Speicher mit geringem Gegendruck einbringen.

Sollte es passieren, dass die Leistung der Hochdruckmaschine keine ausreichende Abnahme im Netz findet, so kann die Niederdruckmaschine im Kompressorbetrieb gefahren werden. Hierbei wird Sattdampf vom Niederdruckspeicher in den Mitteldruckspeicher gefördert. Der erzeugte Strom aus der Hochdruckmaschine wird im eigenen Kreislauf verbraucht um Energie für Spitzenstrom zu speichern. Definitiv ist eine Lösung für eine solarbetriebene Energieversorgung gefunden, die keine teuren Stromspeicher benötigt.

Wie man sieht kann im Zusammenspiel beider Dampfmotoren und dem Zweiphasenspeicher bei ausreichender Solareinstrahlung eine tagesfüllende Lastabdeckung mit Lastspitzen erfolgen. Der Hochdruckdampfmotor kann die solar erzeugte Wärme just in time abarbeiten. Der Niederdruckdampfmotor kann Lastspitzen abdecken da der Dampf aus dem Speicher entnommen wird. Die Ventilsteuerung beider Motoren ermöglicht einen optimalen Betrieb, - dies sogar mit Wirkungsgradsteigerung im Teillastbereich.

Anbei ein Auslegungsbeispiel:

Die Dampfmaschinen im Hoch- und Niederdruck sind auf eine jeweilige Spitzenleistung von 40 kWp-EL ausgelegt. Der dazugehörende solare Wärmeeintrag sollte in etwa 320 kWp betragen. Mithilfe der Speichertechnologie kann lastoptimiert in große elektrische Netze eingespeist werden. Eine rein solargetriebene Stromversorgung für kleine dezentrale Netze wird vielerorts möglich. Details zur Verschaltung sind in der Figurenbeschreibung.

2. Stromerzeugung mit Wärmeauskopplunq für Nah-und Fernwärme

Im Vordergrund steht die Wärmeversorgung, die Stromerzeugung ist ein Nebennutzen.

Strom wird in Abhängigkeit von der Heizleistung erzeugt. Die Hochdruckmaschine ist an einen Zweiphasenspeicher angebunden. An den Speicher ist eine Wärmeübergabestation angeschlossen. Die Wärmeübergabestation ist im Grunde ein Kondensatwärmetauscher, der primärseitig mit Naßdampf aus dem Pufferspeicher gespeist wird. Diese Wärmetauscher haben einen hervorragenden Wärmeübergang, kleine Baugrößen und sind kostengünstig. Der Zweiphasenspeicher ist zweckmäßiger Weise auf eine maximale Temperatur von 130°C ausgelegt. Die Wärmeschiene wird nun mit einer Temperatur von 65°C bis 115°C betrieben. Der Speicher kann bis auf 75°C abgefahren werden. In etwa 55°C Temperaturdifferenz wird für die Speicherung nutzbar. In dem folgenden Durchrechnungsbeispiel wird eine Solaranlage betrachtet, die in einer ersten Stufe Sattdampf mit 200°C erzeugt und diesen in einer zweiten Stufe auf 300°C überhitzt. Bei 120°C Speichertemperatur bzw. einem Gegendruck von 2 bar ergibt sich ein thermischer Wirkungsgrad von 15,7% EL für die Stromgewinnung. Bei 75°C Speichertemperatur bzw. einem Gegendruck von 0,4 bar ergibt sich ein thermischer Wirkungsgrad von 17,2% EL für die Stromgewinnung. Berücksichtigt man 85% Wirkungsgrad der Solaranlage für die Dampferzeugung, so ergibt sich ein durchschnittlicher thermischer Wirkungsgrad von 14%. Dies entspricht in etwa dem Wirkungsgrad von zurzeit handelsüblichen Fotovoltaikzellen im Feldbetrieb. Da der Speicher bei 130°C nach außen gerade einmal eine Druckdifferenz von 1,7 bar aufweist kann dieser kostengünstig gefertigt werden. Dies ermöglicht große Speicher vorzusehen, die über mehrere Tage die Wärmeversorgung sicherstellen. Es macht Sinn Heizanlagen auf Dampferzeugung umzustellen, um neben der Wärme effizient Strom zu erzeugen. Wärmenetze können nun auch im Sommer bei geringem Wärmebedarf und abgesenkter Vorlauftemperatur wirtschaftlich weiterbetrieben werden, da die Stromerzeugung einen zusätzlichen Nutzen bringt. Bei entsprechender Auslegung der Solaranlage und des Speichers kann die Heizanlage saisonbedingt sogar ausgeschaltet werden. Details zur Verschaltung sind in der Figurenbeschreibung.

3. Solare Meerwasserentsalzung nach einem mehrstufigen Destillationsprozess

Auch hier kommen sinnvollerweise Hochtemperaturkollektoren zum Einsatz. Es gibt zwei interessante Szenarien. • Thermisches Entsalzungsverfahren getrieben durch Beheizung, kombiniert mit Stromerzeugung

• Thermisches Entsalzungsverfahren getrieben durch Beheizung und Mechanische Arbeit

3.1 Thermisches Entsalzungsverfahren getrieben durch Beheizung, kombiniert mit Stromerzeugung

Es wird davon ausgegangen, dass die Heizenergie für die Entsalzungsanlage rein solar bereitgestellt wird. Die Hochdruckdampfmaschine treibt einen Generator zur Stromerzeugung. Der Abdampf wird in einen Zweiphasenspeicher eingeleitet. Die Meerwasserentsalzung funktioniert nach einem thermischen Verfahren, dem Multi Stage Flash Prinzip, das einen mehrstufigen Destillationsprozess vorsieht. Aus dem Zweiphasenspeicher wird Sattdampf in die Heizeinrichtung der Destillationskolonne geleitet. Dies ist die oberste (höchste Temperatur) der Wärmerückgewinnungskolonne. Bei der Wärmeübergabe kondensiert der Sattdampf aus dem Speicher. Das Kondensat wird in den Speicher rückgeführt. Dampfmaschine, Zweiphasenspeicher, Heizeinrichtung der Destillationskolonne und Solaranlage bilden einen geschlossenen Kreislauf.

Das System funktioniert prinzipiell gleich wie bei der Nah- und Fernwärmeanbindung, allerdings mit einer Besonderheit. Der Verbraucher, in diesem Fall die Meerwasserentsalzungsanlage, hat eine hohe Rücklauftemperatur bzw. ein schmales Temperaturband für die Beheizung. Die Beheizung mit Sattdampf ist die einzig vernünftige Methode um dies zu bewerkstelligen. Über den Speicher kann die Entsalzungsanlage durchgehend 24h/Tag betrieben werden. Während Zeiten hohen Solareintrags darf nur ein Teil des Abdampfes aus der Hochdruckdampfmaschine zur Beheizung genutzt werden, da ein Teil der Abwärme gespeichert werden muss. Details zur Verschaltung sind in der Figurenbeschreibung.

3.2 Thermisches Entsalzungsverfahren betrieben durch Beheizung und mechanische Arbeit

Aufgabe der Anlage ist ausschließlich die Wassergewinnung. Die oberste Stufe der Wärmerückgewinnungskolonne wird wie bei der rein thermischen Entsalzungsmethode mit Dampf aus dem Speicher beheizt. Nun wird aus einer mittleren Stufe der Entsalzungsanlage Dampf entnommen, komprimiert und in die oberste Stufe zur Wärmerückgewinnung (vorletzte Stufe) eingebracht. Für die Kompression bietet sich die Niederdruckmaschine als Kompressor an. Denkbar ist, die Hochdruckmaschine mit der Niederdruckmaschine mechanisch starr zu koppeln. Die direkte Kopplung hat den Vorteil der Kosteneinsparung (Kein Generator, kein Motor) und bringt in etwa 10% mehr Leistung aufgrund des Wegfalls der elektrischen Verluste. Die Niederdruckmaschine ist genau auf die Last aus der Hochdruckmaschine einzuregeln. Diese Aufgabe kann über die regelbaren Ventile (beliebiger Öffnungs- und Schließzeitpunkt, bei hydraulischer Unterstützung auch Änderung von Hub möglich) hervorragend bewältigt werden. Die Entsalzungsanlage arbeitet in einem Mischbetrieb aus Kompression und Beheizung. Mithilfe des Speichers kann die Anlage durchgehend 24h/Tag betrieben werden. Dies ist wichtig, da ein rasches Hoch- und Niederfahren der Entsalzungsanlage nicht möglich ist und die Wechselbelastung der Wärmetauscher möglichst (Wärmedehnungen) gering gehalten werden soll. Nachdem die Anlage am Tag zu Zeiten hohen Solareintrags vorwiegend über den Kompressor arbeitet, kann der Großteil der Abwärme aus der Hochdruckdampfmaschine gespeichert werden. Im Vergleich zu Variante 3.1 kann der Ertrag der Entsalzungsanlage (gewonnene Wassermenge) um etwa 70% gesteigert werden. Einen Ertrag aus Stromgewinnung hingegen gibt es nicht. Details zur Verschaltung sind in der Figurenbeschreibung.

Ob nun Variante 3.1 oder 3.2 verwendet wird, hängt von den örtlichen Gegebenheiten ab, die die wirtschaftlichen Verhältnisse der jeweiligen Anlage bestimmen. In vielen Küstengegenden ist kein Netz vorhanden um Strom einzuspeisen, was die Variante 3.2 bevorzugt. Generell können die Hoch- und Niederdruckmaschine Mehrzylindermaschinen sein, die das erfindungsgemäße Merkmal des Zylinderkopfes aufweisen.

Die Größe einer Anlage zeichnet sich nicht dadurch aus, dass die Dampfmaschinen größer werden. Sinnvoll ist, eine Einheitsgröße vorzusehen (z.B. 40 kWp) und den Solareintrag sowie die Speichergröße und die Leistung der Entsalzungsanlage daraufhin abzustimmen. Größer werden die Anlagen durch Installation von mehreren Leistungsblöcken. Ab 20 Leistungsblöcken (6,4 MWp Solarthermisch) macht es Sinn, einen weiteren Leistungsblock rein für die Stromgewinnung wie oben beschrieben vorzusehen, um die Eigenversorgung sicherzustellen.

Figurenbeschreibung

Besondere Ausführungsmerkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Dabei zeigt:

Fig. 1 zwei Einzylindermotoren in modularer Bauweise;

Fig. 2 eine Schnittzeichnung zum Hochdruckmotor;

Fig. 3 eine Schnittzeichnung zum Niederdruckmotor; Fig. 4 Details zum Aufbau und zur Bearbeitung des Zylinderkopfes des Hochdruckteils;

Fig. 5 die Ventilsteuerung für den Dampfmotor;

Fig. 6 das Leistungsverhalten bei Nachexpansion in den Auslass;

Fig. 7 zeigt die hydraulische Verschaltung für die reine Stromgewinnung;

Fig. 8 zeigt einen einstufigen Prozess für die Stromgewinnung mit Wärmeauskopplung;

Fig. 9 eine Meerwasserentsalzung in einem Mischbetrieb.

Fig. 1 zeigt zwei Einzylindermotoren in modularer Bauweise. Die Motoren unterscheiden sich grundlegend nur am Zylinderkopf 1. Dieser bildet mit dem Zylinder eine Einheit. Der Zylinder wird über einen Flansch dichtend (Fußdichtung) am Kurbelgehäuse 10 verschraubt. Der linke Motor ist für Hochdruck ausgelegt, der rechte für Niederdruck. Die maximale Leistung beider Motoren ist in etwa gleich hoch, der Unterschied liegt im Hubvolumen und den Ein- und Auslassquerschnitten. Bei gleichem Hub können gleiche Kurbelgehäuse 8 verwendet werden. Die Kurbelwellen haben unterschiedliche Wuchtgewichte, sind aber ansonsten baugleich. Zur besseren Visualisierung ist das Kurbelgehäuse (8) transparent gehalten. Die große Schwungscheibe (11) dient der Laufruhe.

Fig. 2 zeigt eine Schnittzeichnung zum Hochdruckmotor. Der Kolben 12 hat Laschen nach unten um den Kolbenbolzen 13 möglichst tief zu lagern. Der Zylinder hat unten Ausnehmungen 16. Diese Maßnahme ist erforderlich, um eine Kollision des Pleuels zu verhindern, da der Motor extrem langhubig ist. Der Hubkolben 12 bildet dampfseitig eine Erhöhung 14 die im oberen Totpunkt weit in den Zylinderraum ragt, so dass die Ventile im geöffneten Zustand nur einen geringen Spait zum Kolbenboden aufweisen. Im Halbschnitt ist die Abtrennung 15 der unteren Kammer 4 zur oberen Kammer 5 sowie der Einlass 8 und der Auslass 9 zu gut sehen. Die Ventileinheiten 7 können von außen abdichtend zu den Kammern 4, 5 eingeschraubt werden. Im Horizontalschnitt sieht man die drei Ventileinheiten 7 für den Einlass und die 6 Ventileinheiten 7 für den Auslass.

Fig. 3 zeigt eine Schnittzeichnung zum Niederdruckmotor. Der Motor unterscheidet sich lediglich durch eine andere Dimensionierung von Kolbendurchmesser, Zylinderdurchmesser, größeren Ein/Auslässen sowie mehr und größeren Ventilen. Der Ventilauslass ist maximiert. Im geöffneten Zustand ist man nahe an der Kollisionsgrenze.

Fig. 4 zeigt Details zum Aufbau und zur Bearbeitung des Zylinderkopfes des Hochdruckteils. Dampfmaschine, dadurch zeichnet, dass der Zylinderkopf 1 aus einer inneren Kalotte 2 und einer äußeren Kalotte 3 besteht, welche einen Zwischenraum einhüllen. Dieser ist in eine untere Kammer 4 und eine obere Kammer 5 unterteilt. Erfindungsgemäß werden durch die innere und die äußere Kugelkalotte 2, 3 Bohrungen 6 fluchtend eingearbeitet in welche die Ventileinheiten 7, bestehend aus Ventil, Ventilsitz, Ventilkanal mit Überströmöffnungen, Ventilführung und Elektro- bzw. Magnetantrieb, abdichtend zur jeweiligen Kammer 4, 5 eingeschoben und/oder eingeschraubt werden. Der Dampf strömt über eine Zuströmöffnung 8 an der äußeren Kalotte 3 in die untere Kammer 4 ein und über eine Abströmöffnungen 9 aus der oberen Kammer 5 aus. Aufgrund der Rotationssymmetrie ist die mechanische Bearbeitung des Zylinderkopfes 1 sehr einfach. Der Rohling kann eine Schweiß- oder Gusskonstruktion sein.

Fig. 5 zeigt die Ventilsteuerung für den Dampfmotor über den Kurbelwinkel. Die Drehrichtung erfolgt im Uhrzeigersinn. Im Grunde ist es ein Zweitaktmotor der bei jeder Umdrehung einen Arbeitshub macht. Am oberen Totpunkt sollen die Einlassventile voll geöffnet sein. Die Last bzw. Leistung lässt sich über den Schließwinkel sehr gut steuern. Die Auslassventile sollen am unteren Totpunkt voll offen sein, um den Gasdruck im Zylinder vor dem Aufwärtshub auf den äußeren Kondensationsdruck abzusenken. Eine Optimierung der Öffnungszeiten kann im Versuch erreicht werden. Gasdynamische Effekte können genutzt werden.

Fig. 6 zeigt das Leistungsverhalten bei Nachexpansion in den Auslass. Die Hochdruckmaschine expandiert den überhitzten Dampf von 300°C auf 140°C Sättigungszustand. Das Diagramm zeigt das Vollastverhalten. Der Druck wird beim Arbeitshub isentrop auf den Sattdampfdruck von 3,6 bar abgebaut. Die Ausschiebearbeit richtet sich nun nach dem Gegendruck. Wie man sieht, steigt die Leistung bei abnehmendem Gegendruck bzw. abnehmender Dampfdrucktemperatur im Auslass. Die gestrichelte Linie zeigt die theoretische Leistung bei weiterer isentroper Ausdehnung in den Naßdampfbereich von 140°C bis auf den Gegendruck (Idealprozess). Bei 1 bar am Auslass (100°C Sattdampf) müsste schon auf das 15-fache geometrisch expandiert werden. Dies kann der Kolben natürlich nicht. Wie man sieht ist der Leistungsabfall des Realprozesses in Bezug zum Idealprozess nur gering.

Fig. 7 zeigt die hydraulische Verschaltung für die reine Stromgewinnung. Der Dampf aus der Solaranlage 21 wird in der Hochdruckmaschine 17 entspannt. Der Abdampf wird in den Zweiphasenspeicher 18 geleitet. Aus diesem Speicher wird Dampf für die Niederdruckmaschine 19 entnommen. Der Abdampf aus der Niederdruckmaschine 19 wird in einen weiteren Zweiphasenspeicher 20 für Niederdruck eingeleitet. Bei entsprechendem Volumen kann die Rückkondensation zeitverschoben erfolgen. Die Rückkondensation erfolgt über einen Wärmetauscher 22, der als Kondensatwärmetauscher ausgeführt ist. Das Kondensat wird über den Mischregler 23 in die Kollektoranlage 21 rückgeführt. Dies ist ein geschlossener Kreislauf. Um zu verhindern dass Luft in das System gelangt sollte zumindest die Dampfmaschine 19 im Niederdruck eine Unterdruckabsaugung für das Kurbelgehäuse vorsehen, da der Dampfdruck im Zylinderraum unter den Außendruck absinkt und die Kolbenringe nicht absolut dichthalten können.

Zur Vollständigkeit wird auch der Massenfluss im Kompressorbetrieb gezeigt (gestrichelt). Dabei wird aus dem Niederdruckspeicher 20 Dampf entnommen und in den Speicher 18 bei Mitteldruck eingeleitet. Der Massenfluss wird über die Verzweigungen 24, 25 in die verkehrte Richtung geleitet.

Fig. 8 zeigt einen einstufigen Prozess für die Stromgewinnung mit Wärmeauskopplung. Der Dampf aus der Solaranlage 21 wird in der Hochdruckmaschine 17 entspannt. Der Abdampf wird in den Zweiphasenspeicher 18 geleitet. Aus diesem Speicher wird Dampf an diverse Verbraucher mit Kondensatwärmetauscher 26 (z.B. Meerwasserentsalzung) geleitet und als Kondensat rückgeführt. Der Wärmetauscher 30 kann auch direkt in die Dampfzone des Zweiphasenspeichers 18 eingeschoben werden. Das Kondensat kann im Speicher abtropfen.

Fig. 9 zeigt eine Meerwasserentsalzung in einem Mischbetrieb durch Beheizung und Kompression. Idealerweise sind die Hochdruckmaschine 17 und der Kompressor 19 wie hier dargestellt mechanisch gekoppelt. Die Solaranlage 21, die Hochdruckmaschine 17, der Zweiphasenspeicher 18 und der Kondensatwärmetauscher 26 bilden einen geschlossenen Kreislauf. Dies ist wichtig, da kein Sauerstoff in das aufbereitete Wasser eindringen darf. Für alle Komponenten können kostengünstige Standardmaterialien verwendet werden. Die Entsalzungsanlage ist rein schematisch dargestellt. Die oberste Stufe zur Nacherwärmung ist der Kondensatwärmetauscher 26. Die Erwärmung des zufließenden Meerwassers 28 bis zum Kondensatwärmetauscher 26 erfolgt über ein stufenweises Destillationsverfahren. Ausgeschieden wird reines Destillat für die Trink- und Brauchwasseraufbereitung 27 und Meerwasser 29 mit konzentriertem Salzgehalt.