| KURZFASSUNG
Die Anwendungsmöglichkeiten entsprechen teils den Anwendungen heutiger Wärmepumpen,
zeichnen sich allerdings durch einen höheren Leistungskoeffizienten
aus. Daneben gibt es weitere spezifische Anwendungen, die sich aus der
höheren Leistungszahl ergeben und die auf dem Grundprinzip aufbauen.
So wäre es zum Biespiel denkbar, durch Abkühlen der Umgebung (Fluss,
Wasserlauf usw.) Energie zu gewinnen, beispielsweise elektrischen Strom,
oder Meerwasser abzukühlen, mit dem Ziel, elektrische Energie und Süßwasser
zu gewinnen. Vorstellbar wäre auch die Herstellung thermoelektrischer
Generatoren, die herkömmliche Stromerzeuger bestens ersetzen würden,
vornehmlich Dieselgeneratoren, aber auch bestimmte Industrie- und Kleinbatterien. - Heizung und Klimaanlangen in Wohnhäusern
und Einfamilienhäusern, Krankenhäusern, Hotelanlagen, Schulen, Aufführungsräumen
und Büros. Wärmeaufbereitungssysteme
(ohne externe Wärmezufuhr von der kalten Quelle) - Trocknen von Häuten, Salzkonserven,
Holz, Papier, Getreide (Mais, Gerste). Vorausgesetzt, im Verfahren kann eine warme Quelle bis
zu 120° erzeugt werden Folgende Anwendungsbereiche wären denkbar: - Erdölraffinerien Anwendung
zur Gewährleistung von mehr Kompaktheit, Einfachheit und Lärmschonung - Tragbare Kleinkühlschränke Beispiel
für Luft/Luft-Wärmetauscher mit Kühlrippen, für Heizung bzw. Kühlung
von Kühlgeräten.
1) System zur Erzeugung von Arbeit durch Umwandlung von Umgebungswärme (thermoelektrischer Wandler mit einer Wärmequelle) Das Funktionsprinzip beruht darauf, eine Wärmepumpe mit einem thermodynamischen
Motor zu kombinieren, mit dem Ziel, dass dieser mehr Arbeitsleistung
erzeugt als die Pumpe verbraucht. Die aus der Umgebung bezogene Wärme
(Grundwasserspiegel, Fluss, Bach, See, Meer, Atmosphäre usw.) liefert
die für die Leistungserzeugung benötigte Energie. Der thermodynamische
Motor funktioniert, indem von der warmen Quelle Wärme zur kalten Quelle
strömt (warme bzw. kalte Rohrleitungen), wobei ein Teil der Wärme in
Arbeit umgewandelt wird, während die Wärmpumpe die Wärme von der kalten
zur warmen Quelle "zurückleitet". Dieses System ist nur dann funktionstüchtig, wenn der COP der Wärmepumpe
über dem Carnot-COP liegt. Solange die Leistungsmerkmale von Wärmepumpen
durch den Leistungskoeffizienten von Carnot beschränkt waren, konnte
das Ergebnis einer derartigen Kombination Pumpe/thermodynamischer Motor
höchstens die gegenseitige Aufhebung der Wirkung sein, da nämlich die
gesamte vom Motor erzeugte Arbeitsleistung von der Pumpe verbraucht
wird (siehe Schema unten links). Der gewünschte Effekt lässt sich nur erreichen, wenn der COP der Pumpe über
der Leistungszahl von Carnot liegt. In dem Fall, dass die Pumpe keine
Arbeitsleistung erfordert, steht die gesamte vom Motor erzeugte Arbeit
zur Verfügung. Sie kann dazu genutzt werden, die Umgebungswärme (siehe
Schema rechts) umzuwandeln. Thermodynamischer Kreisprozess (zufällige Auswahl der Temperaturen) (1) Eine am Verdampfer des Motors entnommene Kalorie. (2) Der Motor wandelt einen Teil dieser Kalorie in Arbeit um (max. 0,16 Kalorien). (3) Der Rest (min. 0,84 Kalorien) wird über den Kondensator an die kalte Quelle
abgeleitet. (4) Um die Temperatur an der kalten Quelle aufrecht zu erhalten, muss die Wärmepumpe
der warmen Quelle wieder die selbe Wärmemenge zuführen. In dem Fall,
dass die Arbeit gleich Null ist, wird die Wärmemenge einfach an die
warme Quelle abgegeben. (5) Das Ergebnis sieht so aus, dass die warme Quelle um 0,16 Kalorien, d.h.
um die in Arbeitsleistung umgewandelte Menge, abkühlt. Der Wärmeausgleich
kann durch Entnahme aus der Umgebung erfolgen, und zwar mittels einer
Hilfswärmepumpe: Die Umgebung ist im beschriebenen Fall im Allgemeinen
kälter als die warme Quelle.
(1) Die Arbeitsflüssigkeit - meist eine verflüssigte Ammoniaklösung - gelangt
in den Verdampfer und nimmt dort von der warmen Quelle Wärme auf. Die
warme Flüssigkeit (in Rot) kühlt dadurch um ein paar Grad ab (die warmen
Platten der Wärmepumpe könnten direkt die Funktion des Verdampfers übernehmen.
Gleichzeitig könnten die kalten Platten die Kondensatorfunktion übernehmen.) (2) Der Ammoniakdampf gelangt in die Turbine, verbreitet sich dort und erzeugt
dadurch Arbeitsleistung. Deren Wert hängt vom Temperaturunterschied
zwischen warmer und kalter Platte ab. (3) Der Dampf dringt in den Kondensator ein und gibt Wärme an die kalte Quelle
ab. Die kalte Strömung (in Blau) erfährt dadurch eine Erwärmung. Das
verflüssigte Ammoniak wird abgepumpt und unter Druck gesetzt, um schließlich
den Kreislauf von vorne zu beginnen. (4) Um die Temperatur an der kalten Quelle aufrecht zu erhalten, muss die Wärmepumpe
die vom Motor abgeströmte Wärme wieder "zurückführen". Dank
der hohen Leistungszahl kann die Pumpe dies bewerkstelligen, indem sie
einen nur geringen Teil der vom Motor erzeugten Arbeitsleistung verbraucht,
und zwar über einen mit dem Motor verbundenen Generator. Der Pumpenbetrieb
ließe sich allerdings auch über den elektrischen Kreislauf aufrecht
erhalten, wenn die von der Anlage erzeugte Leistung nicht in Elektrizität
umgewandelt wird. (5) Die Rolle der Hilfspumpe besteht darin, der Umgebung Wärme zu entziehen
und diese der heißen Quelle zuzuführen. Diese Energie wird in Arbeitsleistung
umgewandelt. Es wäre auch denkbar, direkt die kalte Quelle aufzuwärmen,
und zwar mittels eines einfachen Wärmeaustauschers (vgl. Konfiguration
Schema 45). Verfügbare Leistung Jede der Umgebung entzogene Kalorie wird in Arbeit umgewandelt. Im Falle
eines flüssigen Umgebungsmediums liefert jedes um 1°C abgekühlte Gramm
Wasser 4,18 Joule (4,18 MW / m3/s). Eine am Rhein eingesetzte
Anlage würde pro 1°C Abkühlung durchschnittlich 9196 MW Leistung erzeugen
(ausgehend von einer durchschnittlichen Fließmenge von 2200 m3/s).
Weitere Werte zum Vergleich: Rhône 7106 MW, Loire 3300 MW , Seine 1567
MW und Garonne 836 MW.
2) System zur Stromerzeugung und
Meerwasser-Entsalzung Das Funktionsprinzip ist das gleiche wie bei der vorherigen Konfiguration,
mit dem Unterschied, dass die im thermodynamischen Motor eingesetzte
Arbeitsströmung hier aus Meerwasser besteht, und dass im Kondensator
entsalztes Wasser erzeugt wird. Diese Variante kam bei Thermischen Meerwasserkraftwerken
bereits zum Einsatz (Verfahren von Georges Claude), allerdings waren
dabei eine warme und eine kalte Quelle erforderlich, wobei letztere
aus dem kalten Wasser aus den Tiefen des tropischen Meers bezogen wurde
(ca. 5°C - vgl. dazu das illustrierte Werk von Philippe Marchand: "L'énergie
Thermique des Mers", Ed. IFREMER), während das Oberflächenwasser
die warme Quelle liefert (20 bis 25°C). Im vorliegenden Fall finden
wir mit dem Oberflächenwasser das Auslangen, und jedes Meer ist zum
Betrieb geeignet. Betrieb: (1) Ein Teil des für die Erwärmung der kalten Quelle bestimmten Wassers wird
von einer Pumpe an die Verdampfungseinheit abgezweigt und dort auf die
Temperatur der warmen Quelle aufgewärmt. (2) Unter der Einwirkung der Wärme und des Druckabfalls (Verdampfer und Kondensator
liegen in 10 m Tiefe unter dem Meeresspiegel) verdampft das Wasser.
Um zu verhindern, dass sich im Verdampfer Salz bildet, wird mehr Wasser
eingespeist, als verdampft; auf diese Wasser wird das Salz mit dem verbleibenden
Wasser ausgespült. (3) Der Wasserdampf gelangt in die Turbine und sorgt für die Erzeugung von Arbeit.
Er wird anschließend in den Kondensator eingespeist und verflüssigt
sich zu Süßwasser, mit der gleichen Temperatur wie die kalte Quelle
(0 bis 5° C - darunter gefriert das Wasser). (4) Wie bei der Konfiguration zur reinen Stromerzeugung ist auch bei diesem
System die Entnahme von Wärme aus der Umgebung erforderlich, damit Arbeit
erzeugt werden kann. Im vorliegenden Fall liegt die Temperatur des Meerwassers
nur unwesentlich über der der warmen Quelle. Dadurch ist es möglich,
die kalte Quelle über einen einfachen Wärmeaustauscher direkt zu erwärmen,
es ist keine Hilfspumpe erforderlich. |
