Wien (pts027/28.10.2021/13:10) – Neues, hybrides Druckluft-Wasserkraftwerk erfüllt alle Anforderungen für die Energiespeicherung und Stromproduktion. Das System ist ausgelegt für Druckluftgenerierung, Druckluftspeicherung, Druckluftlagerung, sowie die verlustfreie Konvertierung von dem pneumatischen Medium Luft in das hydraulische Medium Wasser. Bei Energiebedarf Wiederherstellung der gespeicherten Energie in elektrischen Energie mittels Wasserkraftturbinen und Einspeicherung in das Netz. Ausgelegt für Grundlast- und Spitzenstromerzeugung mit einem Wirkungsgrad über 80 %. Zusätzlich min. 30 % Energieeinsparung bei der Druckluftproduktion durch Rückführung von Druckluft in den Druckluftkreislauf, die nach jeden Stromerzeugungszyklus überbleibt, durch ein ausgeklügeltes System.

Es ist gelungen, ein universelles Wasserkraftwerk zu entwickeln, dass mit Druckluft, Wellenkraft oder Dampf mit einem Wirkungsgrad bis zu 80 % betrieben werden kann. Nach 10 Jahren Forschung und unzähligen Versuchen konnte ich ein System für ein Druckluft-Wasserkraftwerk entwickeln, welches bei Stromüberschuss Druckluft einspeichert. Bei Strommangel wird die eingelagerte Druckluft verlustfreien in Druckwasser umgewandelt und einer Wasserturbine zugeführt, welche gegenüber einer Axialexpansionsturbine einen wesentlich höheren Wirkungsgrad besitzt.

Die eingespeicherte Druckluft wird normaler Weise lt. Stand der Technik mittels einer Axialexpansionsturbinen in elektrische Energie umgewandelt. Der Umwandlungsprozess von Druckluft in elektrische Energie bringt bei Verwendung einer Axialturbine große Verluste.

Die allgemein bekannten Probleme bei der Verarbeitung von Druckluft sind mit viel Aufwand verbunden. In vielen Fällen müssen noch zusätzlich Unmengen an Primärenergie eingesetzt werden, um ein Vereisen der Turbine zu verhindern.

Um die Verluste zu verhindern, muss vorher das massearme Medium Luft in das massereiche Medium Wasser umgewandelt werden. Die Konvertierung gewährleistet eine hocheffiziente Energieerzeugung. Mit dieser neuen Konfiguration kann ein Druckluft-Wasserkraftwerk mit wesentlich weniger Verlusten betrieben werden. Außerdem erspart man sich viel Primärenergie, wie z.B. Gas. Das neue System verhindert generell ein Einfrieren der Druckluft.

Dieses Druckluft-Wasserkraftwerk weist gegenüber bekannten Systemen folgende Vorteile auf:

Die Druckluftproduktion wird bei Stromüberschuss mit regenerativen Energie wie z.B. Laufkraftwerke, Windkraft und PV-Anlagen betrieben

* Ausgelegt für Grundlast- und Spitzenstrom mittels paraellen Anordnung von Turbinen * Verlustfreie Umwandlung von Druckluft in elektrische Energie * Lange verlustfreie Lagerung der Druckluft * Der Druckluftspeicher dient auch als Speicher nach einem Blackout und wird damit automatisch Schwarzstartfähig * Das Kraftwerk ist an jeden erdenklichen Standort einsetzbar * Keine langen Leitungsnetze erforderlich, wenn das Kraftwerk in der Nähe von Verbraucher errichtet wird * Es kommt kein bedenkliches oder gefährliches Medium zum Einsatz (z.B. kein brennbares, explosives, toxisches oder strahlendes Medium sowie sonstige Emissionen wie z.B. Co² etc., die die Umwelt schädigen) * Es bedarf keiner topographischen Höhenlage und das Hochpumpen, wie es bei Pumpspeicherkraftwerken erforderlich ist, entfällt zur Gänze, und erspart dadurch Unmengen an Energie aus dem Netz * Durch die Rückführung der verbleibenden Druckluft aus dem Wasserbehälter über den Verdichter zum Druckluftlager werden zusätzlich mindestens 30% Energie eingespart * Dampfkraftwerke werden durch das neue System Schwarzstartfähig

Alle Axialexpansions-Turbinen, die mit Druckluft betrieben werden, haben physikalisch bedingt, einen sehr geringen Wirkungsgrad, da die Druckluft so gut wie keine Masse besitzt, um die Energie verlustfrei zu übertragen.

Physikalisch betrachtet besitzt

* ein Liter Luft eine Masse von ca. einem Gramm * ein Liter Wasser eine Masse von ca. 1000 Gramm

Das ergibt ein Masseverhältnis von ca. 1:1000

Dieses physikalische Problem kann nur durch die verlustfreie Umwandlung von dem massearmen Medium Luft in das massereiche Medium Wasser gelöst werden.

Laut Impuls und Impulserhaltungssatz ist der Impuls das Produkt von Masse und Geschwindigkeit eines Körpers. Durch die Umwandlung von Luftmasse in Wassermasse wird die Impulsübertragung, dass im Verhältnis 1:1000 steht, wesentlich verstärkt.

Sehen wir uns zum Beispiel Huntorf in Deutschland an. Verwendet man z.B. an Stelle der derzeitig üblichen Axialexpansionsturbinen, eine Pelton-Turbine, erhöht sich der Wirkungsgrad wesentlich. Außerdem erspart man sich das Aufwärmen der Druckluft mittels Gas.

Nur durch die Zusammenführung von Druckluft und Wasser in einem druckfesten Behälter kann eine Wasserkraftturbine das volle Potential ausschöpfen. Wasser ist auf Grund seiner hohen Masse und seiner Trägheit ideal für die Stromerzeugung mit einer Wasserkraftturbine. Die Druckluft sorgt für die notwendige kinetisch Energie, um das Wasser zu beschleunigen. Das Wasser hat, dank seiner hohen Masse die Kraft, um die Energie an die Turbine und in weiterer Folge an den Generator mit einem Wirkungsgrad von über 90 % weiterzugeben. Nur mit dieser Anordnung können Verluste unter 10 % bei der Turbine erzielt werden. Die Verluste, die bei der Drucklufterzeugung entstehen, werden zum größten Teil durch die Masseumwandlung aufgehoben.

Der Wirkungsgrad bei Wasserturbinen liegt derzeitigen Stand der Technik zwischen 92 und 96 % je nachdem, welcher Turbinentyp zum Einsatz kommt.

Eine weitere Effizienzsteigerung wäre z.B. durch Zugabe von Natriumchlorid zu erreichen, da mit der Erhöhung der Masse die Impulskraft erhöht wird.

Ein Beispiel, wie ein Wasserkraftwerk mit Druckluft funktioniert:

Man nimmt einen druckfesten Wasserbehälter, befüllt ihm komplett mit Wasser und leite Druckluft mit z.B. 40 Bar in den Behälter von einem zentralen Druckluftlager oder z.B. aus einer unterirdischen Kaverne. Es baut sich dadurch im Wasserbehälter ein Druck von 40 Bar auf. Die Druckluft wird verlustfrei in Druckwasser umgewandelt.

Durch das Öffnen eines Ventils in der Verbindungsleitung vom Wasserbehälter zur Turbine, wird der im Wasserbehälter vorhandene Druck genutzt, um das Wasser zur schnell fließenden, kinetischen Energie umzuwandeln. Es wird durch den Druck eine Höhenlage simuliert. Das unter 40 Bar stehende Druckwasser wird z.B. durch die Düse zu den Bechern einer Peltonturbine geleitet. Dabei wird Arbeit verrichtet und die kinetische Energie wird in Rotationsenergie umgewandelt. Ein an die Turbine gekoppelte Generator wandelt die Rotationsenergie in elektrische Energie um.

Eine Peltonturbine mit einem Schluckvermögen von 10 m³ per Sekunde und einem Druck von 40 Bar, der einer Fallhöhe von 400 Meter entspricht, erzeugt mit einem Turbinenwirkungsgrad von 92 % 36.078,43 kW el. Energie, also rund 36 Megawatt. Der Generator leistet mit einem Wirkungsgrad von 98 % 35.356,86 kW, also rund 35 Megawatt.

Der Wirkungsgrad einer Peltonturbine beträgt lt. Stand der Technik 92 %.

Und das Geniale dabei, es können nur so viele Kubikmeter Druckluft vom Druckluftlager mit einem konstantem Druck von 40 Bar, – der durch einen Druckluftregler sichergestellt wird – in den druckfesten Wasserbehälter nachfließen, als Wasser nach der Energieabgabe aus der Turbine abfließt. Dadurch entsteht in der Zuleitung kein Druckabfall, damit wird ein Einfrieren der Luft verhindert, im Gegensatz zu Axialexpansionsturbinen mit all den bekannten Problemen. Und außerdem ist Wasser auf Grund seiner Dichte und Masse nicht komprimierbar, und somit ebenso gegen alle Probleme immun.

Kraftwerksbetrieb 24/7:

Das System kann als Energieerzeugungskraftwerk für Grundlast- und/oder Spitzenstrom ohne Unterbrechung das ganze Jahr betrieben werden. Unabhängig vom Standort oder Höhenlage. Dazu sind mindestens drei druckfeste Wasserbehälter erforderlich, damit das Wasser bei der Stromproduktion jeweils von einem Wasserbehälter in den nächsten befördert werden kann, um damit eine kontinuierliche Stromproduktion zu garantieren.

Ein Hochpumpen des Wasser, wie bei Pumpspeicherkraftwerken notwendig, was eine kontinuierliche Energieerzeugung verhindert, entfällt zur Gänze.

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil ist, dass die Anlage als geschlossenes System betrieben werden kann, dadurch besteht keine Gefahr für die Turbinen durch Geschiebe, Geschwemmsel oder sonst verunreinigten Wasser.

Wenn man bei einem Druckluft-Wasserkraftwerk mindestens drei druckfeste Wasserbehälter verwendet, gibt es einen zusätzlichen Energie-Bonus, den es bisher noch nie gegeben hat.

Denn nach Ablauf eines Stromerzeugungszyklus befindet sich in dem jeweils letzten, vom Wasser entleerten Behälter, Luft mit einem Druck von 40 Bar, die nicht ungenützt in die Umgebung abgelassen wird, sondern im Gegenteil, eine sehr wertvolle, nutzbare Energie darstellt. Diese Druckluft kann mit wesentlich geringeren Energieaufwand mittels Verdichter auf ein höheres Drucklevel (z.B. 50-70 Bar) gebracht werden und so dem Druckluftspeicher wieder zugeführt werden, was zusätzlich mindestens 30 – 40% Energie für die Verdichtung der Druckluft einspart.

Ein Beispiel, wie ein Druckluft-Wasserkraftwerk mit Wellenkraft funktioniert:

Es gab und gibt Versuche, die Wellenkraft vom Meer zu nutzen. Sehen wir uns ein Wellenkraftwerk auf Basis des OWC-Prinzips (Oscillating Water Collum, zu Deutsch: schwingende Wassersäule) an. Jeder Wellenberg drückt das Wasser im pneumatischen Schacht in die Höhe. Dadurch entsteht ein Überdruck bis zu 50 Bar. Beim anschließenden Wellental fällt der Wasserspiegel im pneumatischen Schacht und es entsteht ein Unterdruck, weil das Wasser aus dem pneumatischen Schacht wieder in das Meer hinausströmt. Am oberen Ende des pneumatische Schacht befindet sich eine Wells-Turbine. Durch den sich auf und ab bewegenden Wasserspiegel wird die Luft in dem pneumatischen Schacht abwechselnd bei Überdruck durch die Wells-Turbine hinausgedrückt und bei Unterdruck durch die Wells-Turbine hereingesaugt, und damit Energie erzeugt.

Und hier beginnt das Problem. Die sofortige Energieumwandlung mit der anstehenden Druckluft bis zu 50 Bar, mittels Wells-Turbine, kann nicht funktionieren, da die Druckluft wie schon Anfangs erwähnt, keine Masse besitzt. Wenn anstatt der sofortigen Energiegewinnung mittels Wells-Axialturbine, die anfallende Druckluft in einem Druckluftspeicher eingelagert wird, und anstelle einer Axialturbine mit z.B. einer Wasserturbine in elektrische Energie umgewandelt wird, verbessert sich der Wirkungsgrad wesentlich. Der Vorteil bei einem Wellenkraftwerk ist die kostenlose Nutzung der Wellenkraft für die Druckluftgewinnung. Das OWC-Wellenkraftwerk Mutriku hat einen pneumatischen Schacht mit einer Größe von ca. 8 mal 2 Meter und einem mittleren Wellenhub von 4 Meter ergibt das ca. 64 m³ pro Hub mit einer mittleren Amplitude von ca. 7,5 Sekunden. Hochgerechnet ergibt das in einer Stunde 30.720 m³ Druckluft mit 50 Bar. Hochgerechnet mal 16 pneumatischer Kammern ergibt das insgesamt 491.520 m³ Druckluft in einer Stunde.

Eine Peltonturbine mit einem Schluckvermögen von 10 m³ per Sekunde und einem Druck von 40 Bar erzeugt mit einem Turbinenwirkungsgrad von 92 % 36.078,43 kW, also rund 36 Megawatt.

Der Generator leistet mit einem Wirkungsgrad von 98 % 35.356,86 kW, also rund 35 Megawatt.

Bei einem Druckluftverbrauch von 36.000 m³ in der Stunde für eine Peltonturbine mit 35 Megawatt könnten mit der erzeugten Druckluft rechnerisch ca. 13.6 Turbinen mit insgesamt 476 Megawatt per Stunde generiert werden.

Vergleicht man mein Konzept mit dem bestehenden OWC-Wellenkraftwerk Mutriku, eine Anlage mit 16 Wells-Turbinen und einer Gesamtnennleistung von 300 kW, erübrigt sich jede weitere Diskussion. Ein wesentlicher Vorteile bei diesem Konzept ist, das die Stürme im Winter keine Beschädigung der Wasserkraftturbinen – im Gegenteil zu Wells Turbinen – verursachen können, da sie durch den vorgelagerten Druckluftspeicher geschützt sind. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist, dass durch den zwischengeschalteten Druckluftspeicher eine gleichmäßige, konstante Stromerzeugung garantiert wird, im Gegensatz zu einer Wells-Turbine, die wegen der andauernden Richtungsumkehr der Luftströmung die dadurch unregelmäßige anfallende Druckluft nicht kompensieren kann, und dadurch der Strom vor der Einspeisung in das Netz aufwendig geregelt werden muss. Außerdem ist bei Einsatz einer Wells-Turbine die Speicherung der anfallenden Wellenenergie in Form von Druckluft nicht möglich. Ein Schwarzstart nach einem Blackout ist ebenfalls nicht möglich, da eine Wells-turbine bei Stillstand mit der Luftströmung nicht gestartet werden kann. Es bedarf elektrischer Energie zum Starten der Wells-Turbine.

Ein Beispiel, wie ein Wasserkraftwerk mit Dampfkraft funktioniert:

Alle, derzeit bestehende Dampfkraftwerke, die mit Dampf eine Axialexpansionsturbine betreiben,

weisen einen ebenso schlechten Wirkungsgrad auf, weil der Dampf ebenfalls so wie die Druckluft so gut wie keine Masse besitzt. Nimmt man, so wie bei der Druckluft, einen druckfesten Wasserbehälter, befülle diesen komplett mit Wasser und beaufschlage ihm mit einem Dampfdruck von 40 Bar. Der Dampfdruck wird ebenso wie bei der Druckluft in das Wasser übertragen.

Eine Peltonturbine mit einem Schluckvermögen von 10 m³ per Sekunde und einem Druck von 40 Bar erzeugt mit einem Turbinenwirkungsgrad von 92 % 36.078,43 kW, also rund 36 Megawatt.

Der Generator leistet mit einem Wirkungsgrad von 98 % 35.356,86 kW, also rund 35 Megawatt.

Hier kann genauso wie bei der Druckluft, nur so viel Dampf mit 40 Bar zufließen, als Wasser bei der Peltonturbine nach Verrichtung der Arbeit abfließt.

Mit dieser Konfiguration könnte gegenüber konventionellen Dampfkraftwerken Unmengen an Primär-Energie bei der Dampferzeugung eingespart werden. Weiters wäre das Problem der Beschädigung der Axialexpansionsturbinen, die mit Temperaturen unter 373 Grad betrieben werden, beseitigt. Natürlich ist die Stromproduktion mit Gas wegen der Co² Emission nur als Übergangslösung gedacht, bis reine Druckluft-Wasserkraftwerke flächendeckend ausgebaut sind. Außerdem würde dieses Kraftwerk durch die Verwendung von Wasserkraftturbinen schwarzstartfähig.

Da es sich bei dieser innovativen Speicherform und Energieerzeugung um bereits auf dem Markt vorkommend Maschinen und Techniken handelt, kann das neue System ohne lange Entwicklungszeit und deren Kosten sofort umgesetzt werden.

Patente wurden eingereicht.

Als Beweis, dass die verlustfreie Umwandlung der Luftdruck in Wasserdruck funktioniert, wurde ein kleines Druckluft-Wasserkraftwerk errichtet, das meine Theorie bestätigt, womit die Druckluft mit einem Boge-Kolbenverdichter mit 6,3 kW. Leistungsaufnahme, 10 L/s Druckluft mit 10 Bar generiert wird.

Mit einer Peltonturbine, mit einem Schluckvermögen von 12 L/s und 10 Bar, werden damit ca. 5 kW generiert und in das Netz eingespeist. Das bedeutet, das von der Druckluftgenerierung (6,3 kW) bis zur Wiederherstellung in elektrischen Energie (5 kW) nurca. 20% Verluste auftreten. So ein Ergebnis kann mit einer Axialexpansionsturbine nicht einmal annähernd erreicht werden.

Es wird ein Partner/Lizenznehmer gesucht, der die nötigen Mittel und Erfahrung in der Energiebranche hat, um diese innovative Projekte zeitnah umzusetzen.

Ansprechpartner:

Johann Tauscher

Josef Kainzmayergasse 12

1220 Wien

E-Mail: johann@tauscher.at (mailto:johann@tauscher.at)

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