DE19742259A1 - Verfahren zur Energieerzeugung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Energieer­ zeugung aus Flüssigkeiten. Ferner betrifft sie eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Ver­ fahrens.

Zu den heute bereits in größerem Umfang genutzten regenerativen Energiequellen zählt neben der Wind- und Sonnenenergie auch die Wasserkraft, bei der die poten­ tielle oder kinetische Energie des Wassers zur Er­ zeugung mechanischer und/oder elektrischer Leistung ausgenutzt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Energieerzeugung anzugeben, bei dem zwar ebenfalls Wasser als nahezu beliebig verfügbare Ressource ausge­ nutzt werden kann, das aber auch dann anwendbar ist, wenn dieses Wasser nicht den hinreichenden Energie­ inhalt in Form von Höhenunterschied oder Fließge­ schwindigkeit aufweist, um hieraus die gewünschte Antriebsleistung zum Betrieb beispielsweise einer Turbine oder eines Wasserrades zu gewinnen. Ferner soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens bereitgestellt werden.

Die Erfindung löst die erste Aufgabe durch ein Ver­ fahren, bei dem eine Lösung höherer Konzentration eines Agens in einem Lösungsmittel durch eine nur für das Lösungsmittel durchlässige Membran von einer Lösung niedrigerer Konzentration getrennt und der sich in der Lösung höherer Konzentration aufbauende osmotische Druck zur Vortriebserzeugung genutzt wird, wobei beide Lösungen kontinuierlich zugeführt werden.

Das Phänomen des osmotischen Drucks, der sich immer dann aufbauen kann, wenn eine halbdurchlässige oder semipermeable Membran zwar die Diffusion eines Lösungs­ mittels, nicht aber eines darin gelösten Stoffes zuläßt, ist seit langem bekannt und kann unter anderem mit Hilfe einer sogenannten Pfefferschen Zelle sichtbar gemacht werden. Es ist in seiner Umkehrung darüber hinaus aus der sogenannten Umkehrosmose bekannt, bei der mittels einer geeigneten semipermeablen Membran und unter dem Einsatz zusätzlicher Energie Trinkwasser aus Meerwasser gewonnen wird. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren ermöglicht es, den osmotischen Druck, der sich beispielsweise zwischen salzhaltigem Meerwasser und Wasser mit geringerem Salzgehalt bzw. praktisch salz­ freiem Fluß oder Frischwasser einstellt, zur Energie­ erzeugung auszunutzen. Dabei resultieren bereits aus geringen Konzentrationsunterschieden hohe Drücke. So ergibt sich allein aus dem Konzentrationsunterschied zwischen Meerwasser mit einem Salzgehalt von etwa 3.5 Prozent und reinem Frischwasser ein Druck von knapp 30 bar.

Die Lösung der weiteren Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 4. Die Vorrichtung nach der Er­ findung weist dabei den Vorteil auf, daß sie sich ins­ besondere für dezentrale Energieerzeugungsanlagen eignet und dabei beispielsweise für Schöpfwerke einge­ setzt werden kann, die im Küstenbereich zur Ent­ wässerung dienen und die bisher erhebliche Mengen an elektrischer Energie verbrauchen. Die Standorte der­ artiger Anlagen sind in besonderem Maße geeignet, um die aus dem Salzgehalt des Meerwassers resultierende Energie durch die Ausnutzung des osmotischen Drucks auszubeuten. Hinzu kommt in diesem Fall ein günstiges zeitliches Zusammentreffen zwischen Energieanforderung und Energieanfall, da hohe Leistungen von derartigen Schöpfwerken immer dann gefordert werden, wenn auch der Wasserstand auf der Seeseite hoch ist. Daneben ist die erfindungsgemäße Vorrichtung selbstverständlich für jede andere Anwendung einsetzbar, bei der Lösungen unterschiedlicher Konzentration in großen Mengen zur Verfügung stehen und bei der eine Trennung mittels Membran möglich ist.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher er­ läutert werden. Die Figur zeigt eine Prinzipskizze einer auch als Osmosemotor zu bezeichnende Vorrichtung nach der Erfindung. Diese Vorrichtung besteht aus einer Pumpe 1, einem mit der Pumpe verbundenen Membrantank 2 sowie einem diesem nachgeschalteten Motor 3, der über eine gemeinsame Antriebswelle 4 direkt mit der Pumpe 1 gekoppelt ist.

Der Membrantank 2 ist in einen Niederdruckbereich 5 und einen Bereich höheren Druckes, im folgenden als Druck­ raum 6 bezeichnet, unterteilt, wobei die beiden Bereiche 5,6 durch eine semipermeable Membran, in der Figur gestrichelt dargestellt, voneinander getrennt sind. Die semipermeable Membran besteht in Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels aus Rohrbündeln 7, deren Wände aus semipermeablen Membranen bestehen und die parallel zueinander angeordnet sind. Zwischen den Rohrbündeln 7 sind im Druckraum 6 Umlenkbleche 8 angeordnet. Neben einem Zu- und Abfluß 9, 10 im Druck­ raum 6 ist der Membrantank 2 in seinem Niederdruck­ bereich 5 mit einem weiteren Zulauf 11 versehen. Ver­ vollständigt wird die Anordnung bei dem hier darge­ stellten Ausführungsbeispiel durch einen Generator 12, der ebenfalls auf der gemeinsamen Welle 4 von Pumpe 1 und Motor 3 angeordnet ist.

Die Strömungspfade der zum Betrieb des Osmosemotors benötigten Medien, in diesem Fall Meerwasser und Frischwasser, sind jeweils durch Pfeile gekennzeichnet, wobei die stärkeren Pfeile den Weg des durch die Pumpe 1 geförderten Meerwassers und des den Motor 3 an­ treibenden Mischwassers kennzeichnen, während das zuge­ führte Frischwasser durch dünnere Pfeile symbolisiert ist.

Sowohl die Pumpe 1 als auch der Motor 3 sind als Ver­ drängermaschinen ausgebildet, beispielsweise als Zahn­ radpumpen oder Kolbenmaschinen. Wichtig dabei ist, daß die Pumpe 1 ein geringeres Verdrängungsvolumen aufweist als der Motor 3. Die Pumpe 1 fördert über den Zufluß 9 Salzwasser in den Druckraum 6 des Membrantanks 2. Zugleich strömt über den Zulauf 11 Wasser geringeren Salzgehaltes in den Niederdruckbereich 5 des Membran­ tanks 2. Von hier aus diffundiert dieses Wasser durch die von den semipermeable Membranen gebildeten Wände der Rohrbündel 7 in den Druckraum 6.

Die Umlenkbleche 8 bewirken aufgrund der entstehenden Turbulenzen eine gute Durchmischung der in diesem Raum entstehenden Lösung, deren Salzgehalt geringer als der des kontinuierlich zugeführten Salzwassers ist. Dieses Mischwasser strömt über den Abfluß 10 zum Motor 3, wobei dieser Volumenstrom infolge des osmotischen Effektes der Membranen größer ist als der von der Pumpe 1 in den Druckraum 6 geförderte. Da sich die Pumpe 1 und der Motor 3 auf gleichem Druckniveau befinden, wird durch diesen Effekt an der gemeinsamen Welle 4 Energie freigesetzt, die zum Antrieb des Generators 12 genutzt wird. Da durch die ständige Diffusion des Frischwassers aus dem Niederdruckbereich 5 in den Druckraum 6 in ersterem gegenüber der Umgebung ein Unterdruck ent­ steht, strömt das für die Aufrechterhaltung des Prozesses erforderliche Frischwasser selbsttätig nach, ohne daß hierzu eine eigene Fördereinrichtung erforder­ lich wäre.

Der Wirkungsgrad der vorangehend beschriebenen An­ ordnung ist unter anderem abhängig vom Verhältnis der Hubvolumina von Pumpe 1 und Motor 3. Die sich ein­ stellende Konzentration des Salzes im Druckraum 6 ist diesem Verhältnis proportional, sofern sich das nach­ strömende Meerwasser vollständig durchmischt. Bei einem Hubvolumen des Motors von 180 Litern und einem Hub­ volumenverhältnis Pumpe/Motor von 0.9 läßt sich mit einer derartigen Anordnung ein Wirkungsgrad von etwa 0.5 erreichen. Damit läßt sich aus einem Kubikmeter Frischwasser ein Energiegewinn von 1500 kJ erzielen, wofür 9 Kubikmeter Meerwasser bewegt werden müssen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Energieerzeugung aus Flüssigkeiten, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lösung höherer Konzentration eines Agens in einem Lösungsmittel durch eine nur für das Lösungsmittel durchlässige Membran von einer Lösung niedrigerer Konzentration getrennt und der sich in der Lösung höherer Konzen­ tration aufbauende osmotische Druck zur Vortriebs­ erzeugung genutzt wird, wobei beide Lösungen konti­ nuierlich zugeführt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Agens im wesentlichen aus Salzen in wässriger Lösung und das Lösungsmittel aus Wasser besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösung höherer Konzentration aus Meerwasser und die Lösung niedrigerer Konzentration aus Frischwasser besteht.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Pumpe (1) zur Förderung der Lösung höherer Konzentration, einem über eine gemeinsame Welle (4) mit der Pumpe (1) gekoppelten Motor (3) sowie einem zwischen beiden angeordneten Membrantank (2), in dem ein Niederdruckbereich (5) und ein Bereich höheren Druckes (6) durch eine semipermeable Membran voneinander getrennt sind, wobei der Bereich höheren Druckes (6) mit der Pumpe (1) sowie mit dem Motor (3) verbunden ist und wobei der Niederdruckbereich (5) über einen Zulauf (11) für die Lösung niedrigerer Konzentration verfügt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Niederdruckbereich (5) und der Bereich höheren Druckes (6) durch Rohrbündel (7) vonein­ ander getrennt sind, deren Wände von semipermeablen Membranen gebildet werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Innere der Rohrbündel von der Lösung niedrigerer Konzentration durchströmt wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, da­ durch gekennzeichnet, daß auf der gemeinsamen Welle (4) vom Pumpe (1) und Motor (3) ein Generator (12) angeordnet ist.