Atmospheric Vortex Engine

Präsentation zum Thema: "Atmospheric Vortex Engine"—  Präsentation transkript:

1 Atmospheric Vortex Engine
Das Wirbelsturmkraftwerk Hallo, mein Name ist Andreas Schreiber und ich möchte Ihnen heute das Wirbelsturmkraftwerk präsentieren.

2 Überblick Welche Idee dahinter steckt Das Konzept
Der Luftwirbel im Detail Wie Energie erzeugt werden kann Berechnung an einem Beispiel Anwendungsmöglichkeiten Kostenkalkulation Mögliche Risiken Hier ein kurzer Überblick über das, was uns in den nächsten 15 Minuten erwartet. Zuerst werden wir erfahren, welche Ideen hinter dem Wirbelsturmkraftwerk stecken. Danach werden wir etwas über das Konzept erfahren und uns den Luftwirbel im Detail anschauen. Wie entsteht der Wirbel, was hält ihn am Leben und wie wird er gestoppt? Diese Fragen werden wir ebenso klären wie die Frage, wie die Energie erzeugt werden kann. Anhand eines Beispiels werden wir dann eine Berechnung vornehmen. Seine Anwendungsmöglichkeiten. Zu guter Letzt schauen wir uns die Kosten im Vergleich zu anderen Kraftwerktypen an und bekommen einen Einblick In mögliche Risiken. Doch nun habe ich Sie genug auf die Folter gespannt, fangen wir an. Atmospheric Vortex Engine

3 Welche Idee dahinter steckt
Bereits vor 500 Jahren nutze man warme aufsteigende Luft Um 1500 zeichnete Leonardo da Vinci bereits eine Vorrichtung, die aufsteigende Luft in einem Kamin nutzt, um einen Bratenspieß über dem Feuer sich drehen zu lassen. Hier sehen wir einen Holzschnitt aus dieser Zeit. Zu erkennen ist ein Windrad sowie eine mechanische Übertragung der Energie auf einen Bratenspieß. Atmospheric Vortex Engine

4 Welche Idee dahinter steckt
Jörg Schlaich ist Vorreiter des Aufwindkraftwerkes Fertigstellung in Manzanares (Spanien) 1989 Vorreiter dieser Technik ist Jörg Schlaich. Mit seinem Geschäftspartner Rudolf Bergmann plante und baute er in Spanien das erste Aufwindkraftwerk der Welt und zeigte so, dass diese Technik zuverlässig funktioniert. Hier ist das Kraftwerk in Manzanares (Spanien) aus der Vogelperspektive zu sehen. Fertiggestellt wurde das Projekt im Jahre Danach lief es sieben Jahre und bewies so, dass diese Technik zuverlässig arbeiten kann. Mit diesem Konzept soll in Australien das Projekt EnviroMission gebaut werden. Eine Anlage mit einem Kamin von 1000m Höhe. Atmospheric Vortex Engine

5 Welche Idee dahinter steckt
Eine positive Energiedifferenz bei der Expansion von Gasen Die Natur als Vorbild in Form von Hurrikans, Tornados und Wasserhosen Louis Michaud beobachtete, dass bei der Expansion von warmen Gasen mehr Energie frei gesetzt wird als es benötigt, diese zu komprimieren. Diese Tatsache lässt Hurrikans und Tornados entstehen und hält sie am Leben. Inspiriert von Tornados tüftelte er privat an dem Konzept bis er im Jahr 2001 das erste Patent anmeldete. Hier sehen wir eine Wasserhose über dem Meer. Atmospheric Vortex Engine

6 Das Konzept Ein künstlich erzeugter Luftwirbel als Kamin für den Aufwind Keine Kollektorfläche nötig da Meerwasser-wärme ausreicht Ein künstlich erzeugter Wirbelwind ersetzt den Kamin eines Aufwindkraftwerkes. Dieser Luftwirbel ist jedoch anders als ein Tornado am Boden fixiert und kann zudem gesteuert werden. Dazu später mehr. Die warme Luft steigt nun in diesem Luftwirbel auf und mit der nachströmenden Luftmasse kann eine Turbine betrieben werden, welche elektrische Energie erzeugt. Hier ein Bild des 4m hohen Prototypen, gebaut von Michaud. Als Wärmequelle muss für dieses Kraftwerk keine solare Kollektorfläche aufgespannt werden. Die Wärme von z.B. Meerwasser reicht aus um den Wirbel am Leben zu halten. Atmospheric Vortex Engine

7 Der Luftwirbel im Detail
Die Entstehung: Tangential einströmende Luft erzeugt einen Wirbel, der sich selbst am Leben halten kann Die Entstehung: Der Luftwirbel wird gestartet, indem er mit heißer, feuchter Luft angeblasen wird. Wasserdampf wird tangential in eine kreisförmige Kammer geblasen. So wird die einströmende Luft zum wirbeln gezwungen. Durch eine Öffnung in der Mitte der Kammerdecke kann der im Zentrum sehr schnelle Wirbel nach oben austreten und so eine Windsäule aufbauen. Nach ca. 10 Minuten ist der Wirbel stabil und bedarf keiner zusätzlichen Wärmequelle. Der Regelbetrieb fängt an. Nach ca. 30 Minuten hat sich der Wirbel bis zu seiner Endhöhe aufgebaut. Atmospheric Vortex Engine

8 Der Luftwirbel im Detail
Nachströmende Luft bringt neue Energie Kräftegleichgewicht „Wand“ verhindert Vermischen von Luft So hält sich der Wirbel am Leben: Im Zentrum eines Tornados ist relativ zur Umgebung ein sehr niedriger Luftdruck. Von Unten wird durch den herrschenden Druckunterschied weitere warme Luft „angesaugt“. So erhält der Luftwirbel neue Energie. Die Kraft, welche durch den zum Zentrum abnehmenden Druck entsteht, steht im Gleichgewicht mit der Zentrifugalkraft der rotierenden Luftmasse. Die Luft wirbelt um das Zentrum entlang der Isobaren. Durch den Druckunterschied bildet sich eine Wand rund um den Wirbel, so dass sich die Luftmassen im Wirbel nicht mit den umgebenden Luftmassen austauschen können. So kann die warme Luft im Zentrum des Wirbels ungehindert aufsteigen. Atmospheric Vortex Engine

9 Der Luftwirbel im Detail
Die Luft steigt (Auftrieb) Wolken und Niederschlag bilden sich (Kondesation) Ab Tropopause kein weiterer Auftrieb Während die warme Luft aufsteigt kondensiert ein Teil der Feuchtigkeit und zusätzliche Energie wird freigesetzt. Um den Wirbel bilden sich Wolken und Niederschlag. Die Luft wird zunehmend trockener und kühlt ab. Der Auftrieb bleibt jedoch vorhanden, da auch die Temperatur der Umgebungsluft mit zunehmender Höhe abnimmt. An der Grenze zwischen der Troposphäre und der Stratosphäre, der so genannten Tropopause, ändern sich jedoch die Bedingungen für den Tornado, da in der Stratosphäre mit zunehmender Höhe auch die Temperatur wieder zunimmt. So kann die bereits abgekühlte Luft im Wirbel nicht weiter aufsteigen. Die Tropopause ist also eine natürliche Begrenzung für den Luftwirbel. Atmospheric Vortex Engine

10 Der Luftwirbel im Detail
Durch Unterbrechen der Luftzufuhr Am Boden sofort, an der Spitze nach einigen Minuten Das Ende des Wirbels Im Gegensatz zu einem natürlichen Tornados kann der künstlich erzeugte Wirbel gestoppt werden. Durch das Unterbrechen der Luftzufuhr bekommt der Wirbel von Unten keine neue Energie. Der Wirbel löst sich dann von unten nach oben auf. Dies kann bis zur Spitze je nach Höhe des Wirbels einige Minuten dauern. Atmospheric Vortex Engine

11 Wie Energie erzeugt werden kann
Der Sog des Wirbels zieht von Unten Luft nach Dieser Luftmassestrom fließt durch Turbinen, diese treiben Generatoren an. Wie im Konzept erwähnt orientiert sich das Luftwirbelkraftwerk an dem Aufwindkraftwerk. Nachdem der Luftwirbel gestartet wurde hält sich dieser wie eben gezeigt selbst am Leben. Innerhalb des Wirbels steigt die warme Luft auf und ein Sog zieht aus der Umgebung von Unten Luft an. Da die Basis des Wirbels durch das Gebäude gebildet wird kann nur durch auf diesem Weg Luft zum Wirbel strömen. Die Umgebungstemperatur reicht jedoch nicht aus. Der angesaugten Luft wird daher über einen Wärmetauscher Wärme zugeführt. Die Wärmetauscher können zum Beispiel mit Meerwasser gespeist werden, welches jedoch wärmer als die Umgebungstemperatur sein muss. Die zuströmende Luft wird durch Turbinen gezogen, diese treiben Generatoren an. Atmospheric Vortex Engine

12 Luftwirbel Wärme-tauscher warmes Wasser Turbogenerator warme Luft
Hier sehen wir ein 3D Modell der Basis mit einem Schnitt durch den Wärmetauscher. Zuerst wird der Luftwirbel gestartet. Ist dieser am Laufen zieht er Umgebungsluft durch die Versorgungsschächte an. Da warmes Wasser in den Wärmetauscher fließt wird der Umgebungsluft Wärme zugeführt. Das Resultat ist kaltes Wasser sowie warme Luft, welche dem Luftwirbel tangential zugeführt wird. Durch den Massestrom angetrieben wird der Turbogenerator, der über eine Turbine mechanische Energie zugeführt bekommt und diese in elektrische Energie wandelt. Turbogenerator warme Luft Umgebungsluft kaltes Wasser Atmospheric Vortex Engine

13 Berechnung an einem Beispiel
Nun wollen wir uns eine Beispielrechnung betrachten. Als Grundlage für die Berechnung wurden die Luft- und Klimabedingungen vom 17. Januar 1999 genommen. Diese zeigen den Verlauf von Temperatur-, Luftfeuchtigkeits- sowie Druckverlauf der Stratosphäre der „Willis Islands“ bei Australien dar. Atmospheric Vortex Engine

14 Berechnung an einem Beispiel
Modellgrundlage ist ein Thermodynamik-Prozess 1>2 adiabate Expansion 2>3 isobare Erwärmung 3>4 adiabate Expansion Betrachten wir das Luftwirbelkraftwerk als geschlossenen thermodynamischen Prozess. Wir definieren vier Zustände: 1. Umgebungsbedingungen in Höhe 0 (3) 2. Durch die Turbine wurde das Gas adiabat expandiert (4) 3. Über den Wärmetauscher wird die Wärmemenge q der Luft zugeführt (5) 4. Nach einer adiabaten Expansion erreicht der Druck die Bedingungen der Atmosphäre. Die Atmosphäre selbst komprimiert das Gas. Dies geschieht automatisch beim Abkühlen und durch Gravitation. Die Berechnung ist sehr komplex, da bei jedem Schritt die Luftfeuchtigkeit mit berücksichtigt werden muss. Zudem kann der Prozess nicht analytisch berechnet werden und muss durch Interpolation angenähert werden. Atmospheric Vortex Engine

15 Berechnung an einem Beispiel
Zustand P / hPa T / °C U / % s / J·(kg·K)-1 h / J·kg-1 1 1003 29,4 77,5 287 81920 2 746,2 16,14 131 56150 3 30,4 100 531,1 128590 4 50 -62,77 -80630 Hier sehen wir nun eine Tabelle mit den bereits berechneten Modelwerten. Zu sehen ist, dass im Schritt von 2 nach 3 die Wärmemenge q23 hinzugefügt wird. Hier ist eine Tabelle mit der zugeführten Wärme q23 sowie der im Schritt von 1 nach 2 entnommenen Arbeitsleistung w12. Die Werte der Berechnung sind generell spezifisch. In der Umgebung von Willis Island könnte am 17. Januar 1999 also eine Arbeit von J pro kg Luft dem Prozess entnommen werden. q23 72440 J·kg-1 w12 25770 J·kg-1 Atmospheric Vortex Engine

16 Berechnung an einem Beispiel
Theoretischer Wirkungsgrad Manzanares: ca. 0,6% EnviroMission: ca. 3,0% AVE: ca. 25% Ca. 250 MW (bei einem Massestrom von 10 T/s und 30°C) Ca. 400 MW bei 40°C Gehen wir nun von einem konstanten Luftmassestrom von 10T pro Sekunde und den Bedingungen von Willis Island aus so entspricht die entnommene Leistung einem Wert von ca. 250 MW Beträgt die Wassertemperatur 40°C könnte sogar eine theoretische Leistung von ca. 400 MW entnommen werden. Zum Vergleich mit anderen Aufwindkraftwerken hier die theoretischen Wirkungsgrade: Das Kraftwerk in Manzanares besitzt einen theoretischen Wirkungsgrad von ca. 0,6% Bei EnviroMission kalkuliert man mit ca. 3% Und bei unserem Wirbelsturmkraftwerk ist mit den gegebenen Bedingungen ein theoretischer Wirkungsgrad von ca. 25% möglich. Atmospheric Vortex Engine

17 Das Design Typische Werte für die Ausmaße:
Durchmesser (Basis) 50 bis 200 m Höhe (Basis) 30 bis 80 m Wirbeldurchmesser 20 bis 50 m Wirbelhöhe 1 to 20 km Zugeführte Wärme 1000 MW. bei MW Wärmetauschern El. Leistung ca. 200 MW. Bei MW Turbinen Spez. Arbeit 1000 bis J/kg Luftmassestrom 20 bis 100 T/s Wassermassenstr. 40 bis 200 T/s Nachdem wir nun anhand eines Beispiels gesehen haben, wie viel Energie produziert werden kann, wollen wir uns einmal das Design eines Wirbelsturmkraftwerkes anschauen. Dazu betrachten wir die Ausmaße des Kraftwerkes: Bei einem Durchmesser der Basis von 50 bis 200 Metern kann die Höher ebendieser Von 20 bis 80 Metern reichen. Dabei handelt es sich um die Werte der Kammer, in der der Wirbel erzeugt wird. Der Wirbel selbst kann mit einem Durchmesser von bis zu 50 Metern eine Höhe von bis zu 20 km erreichen. Höhere Wirbel sind atmosphärisch bedingt nicht möglich, wie wir bereits erfahren haben. Bei einer Auslegung des Kraftwerkes mit 20 Luftzuführungen kann man davon ausgehen, dass pro Wärmetauscher eine Wärmemenge von 50 MW zugeführt wird, insgesamt also 1000 MW. Dabei kann durch die Turbinen eine elektrische Leistung von ca. 200 MW erzeugt werden, je 10 MW pro Turbine, bzw. Generator. Bei einer spezifischen Arbeit von bis zu 20 kJ pro kg benötigt das Kraftwerk einen Luftmassestrom von bis zu 100 T/s, Was einem Wassermassenstrom von bis zu 200 T/s erfordert. Atmospheric Vortex Engine

18 Anwendungsmöglichkeiten
Als Kombination mit einem Wärmekraftwerk Mit warmem Meerwasser gespeist Mit einem geo-thermischen Kraftwerk Die Anwendungsmöglichkeiten eines Luftwirbelkraftwerkes sind zahlreich. Das augenscheinlichste ist wohl die Ergänzung eines herkömmlichen Wärme-Kraftwerk. Die Abwärme des Kraftwerkes würde man dann dazu nutzen, den Luftwirbel zu betreiben und so den Nutzungsgrad des z.B. fossilen Brennstoffs zu erhöhen. Wie in unserem Beispiel bereits erwähnt kann das Kraftwerk auch mit Meerwasser gespeist werden. Dazu muss jedoch die Wassertemperatur höher als die der Umgebung sein. Das ist nur an bestimmten Orten und nicht überall verfügbar, daher ist es auch denkbar, Das Luftwirbelkraftwerk über ein geothermisches Kraftwerk zu speisen. Jede Art von überschüssiger Wärme kann zum Betreiben des Luftwirbelkraftwerkes genutzt werden. Atmospheric Vortex Engine

19 Anwendungsmöglichkeiten
Beispiel: Ein Kohlekraftwerk mit einer Eingangsleistung von 1500 MW Elektrische Ausgangsleistung 500 MW  Wirkungsgrad = 33,3 % 1000 MW Wärmeleistung bei Wirkungsgrad von 25%  AVE = 200 MW el. Ausgangsleistung Wirkungsgrad  46,7% (Gesamt) Gehen wir von einem Kohlekraftwerk mit Primärleistung von 1500 MW aus. In der Regel haben wir dann eine Elektrische Ausgangsleistung von 500 MW. Das entspricht einem Wirkungsgrad von 33,3%. 1000 MW gehen als Wärmeleistung aus dem Kraftwerk und würden normalerweise nicht genutzt (Ausnahme KWK). Ist das Kraftwerk anstelle eines normalen Kühlturms mit einem Wirbelsturmkraftwerk ausgestattet, so führen wir diesem eine Leistung von 1000 MW zu. Bei einem Wirkungsgrad von 25% und Turbinen- bzw. Generatorverlusten könnten so ca. 200 MW zusätzlich an elektrischer Leistung. Diese 200 MW und die 500 MW des Kraftwerks ergeben zusammen einen Wirkungsgrad von 46,7%. Somit könnte man die Rohstoffe effizienter nutzen. Atmospheric Vortex Engine

20 Kostenkalkulation Investitionskosten (2008) in €/kW
Rohstoffkosten (2008) in ct/kWh Betriebskosten (2008) in €/kW AKW 2500 0,3 50 Wasser 3000 10 Kohle 800 3,3 32 Wind 900 15,3 AVE 300 Um einen Eindruck der Kosten zu bekommen, welche bei der Erzeugung von Strom mittels eines Luftwirbelkraftwerks entstehen sehen wir hier die gängigen Kraftwerktypen im Vergleich. Deutlich zu sehen sind die niedrigen Investitionskosten. Auch die Betriebskosten sind in etwa so niedrig wie bei der Erzeugung mittels Wasserkraftwerken. Bei herkömmlichen Kraftwerken haben wir einem durchschnittlichen Stromgestehungspreis von ca. 5 ct/kWh. (1) Mit dem Wirbelsturmkraftwerk ist ein Stromgestehungspreis von 2 ct/kWh möglich. Die Stromgestehungskosten liegen bei ca. 2 ct/kWh Atmospheric Vortex Engine

21 Mögliche Risiken Flugzeuge können gefährdet sein
Regengebiet um den Wirbel Für Vögel geht keine Gefahr aus Für Menschen ungefährlich Der Luftwirbel kann nicht zum Tornado werden Der Luftwirbel kann nicht zum Hurrikan werden Nachdem wir nun einen Überblick über die Funktionsweise und die Anwendungsmöglichkeiten bekommen haben schauen wir uns eventuelle Risiken des Wirbelsturmkraftwerkes an. Da es sich um einen bis zu 20 km hohen Luftwirbel mit einem Durchmesser von ca. 50 m an der Basis handelt ist dies für ein Flugzeug ein Hindernis. Würde ein Flugzeug direkt in, bzw. durch den Wirbel fliegen würde es ins Trudeln geraten und eventuell stark beschädigt werden. (Innerhalb des Wirbels treten Geschwindigkeiten von bis zu 360 km/h auf) Eine Lösung ist natürlich eine Flugverbotszone um das Kraftwerk herum. Um den Wirbel herum wird es zu starken Regenfällen kommen. Das Wetter wird somit stark beeinflusst. Ebenfalls beeinflusst das Wetter den Wirbel. Bei starken Winden müsste der Wirbel gedrosselt werden. Betrachten wir nun die Auswirkung auf Tiere, speziell auf Vögel: Ein Vogel hat nicht genug Masse um in den Wirbel zu geraten. Die Kräfte sind an den Rändern des Wirbels so stark, dass es einen großen Impuls bedarf, die Wand zu durchbrechen. Auch würden Vögel von den Strömungen im Umfeld des Wirbels abgeschreckt. Dieses Verhalten ist bei natürlichen Tornados zu sehen. Ebenfalls ist es für den Menschen ungefährlich, da auch dieser nicht in Berührung mit dem Luftwirbel kommen kann. (Es sei denn, er klettert durch eine Luke in das Zentrum der Basis, dort würde er in die Luft gerissen und fortgetragen) Eine berechtigte Einwende ist, dass sich der Wirbel selbstständig macht und zu einem gefährlichen Tornado mutiert, ja sogar zu einem Hurrikan. Diese Gefahr besteht jedoch nicht, da der Wirbelsturm an der Basis haftet. Dort ist die Quelle seiner Energie, würde er z.B. durch einen starken Seitenwind davon geblasen hätte er keine Energie mehr und löste sich auf. Genau mit diesem Prinzip lässt sich der Wirbel steuern, wie wir bereits am Anfang gesehen haben. Atmospheric Vortex Engine

22 Zusammenfassung Gleiches Prinzip wie bei Aufwindkraftwerken
Künstlicher Wirbel als Kamin Fast immer Verfügbare Bedingungen Günstige Erzeugung von Strom Ungefährlich für den Menschen und für Tiere Kein CO2 Ausstoß Wir haben nun also gesehen, dass das Wirbelsturmkraftwerk trotz des futuristischen Namens eigentlich auf erprobten Prinzipien beruht. Das Aufwindkraftwerk hat in der Vergangenheit gezeigt, dass diese Funktionsweise zuverlässig arbeitet. Anders als bei diesem Kraftwerkstypen ist bei einem Wirbelsturmkraftwerk Der Kamin durch einen künstlich erzeugten Wirbelsturm (Tornado) ersetzt. Wir haben ebenfalls gesehen, dass es eine große Zahl an Möglichkeiten für den Einsatz eines Wirbelsturmkraftwerkes gibt. Durch die Anwendung als Kühlturm kann der Wirkungsgrad eines herkömmlichen Kraftwerks erhöht werden, Wobei die Kosten für die elektrische Leistung bei einem Wirbelsturmkraftwerk sehr niedrig sind. Für den Menschen und für Tiere unbedenklich kann so CO2 neutraler Strom produziert werden und herkömmliche Kraftwerke können effizienter genutzt werden. Atmospheric Vortex Engine

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit
Quellen: U.a. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Ich hoffe Ihnen einen Einblick in die Funktionsweise von Wirbelsturmkraftwerken möglich gemacht zu haben. Zu meinen Quellen zählen: Die Hauptseite der Vortex Engine ( Wikipedia Und andere. Abschließen möchte ich diesen Vortrag mit einem kurzen Filmen. Der erste zeigt einen Prototypen mit Luftwirbel. Atmospheric Vortex Engine