составляющая часть трубопровода сети энергоснабжения, ее применение, способ транспортировки криогенных энергоносителей посредством трубопровода и пригодные для этого устройства

Формула изобретения

1. Составляющая часть трубопровода сети энергоснабжения, содержащая, по меньшей мере, один первый трубопровод для, по меньшей мере, частично жидкого криогенного энергоносителя и, по меньшей мере, один второй трубопровод для теплопередающей среды, причем упомянутый второй трубопровод проходит параллельно первому трубопроводу, а также теплообменники, расположенные на концах второго трубопровода и находящиеся в тепловом контакте с первым трубопроводом, и предназначенные для нагревания, и/или испарения, или охлаждения, и/или для конденсирования теплопередающей среды во время отбора криогенного носителя из первого трубопровода, или во время его подачи в первый трубопровод, либо на одном конце второго трубопровода расположен теплообменник, который находится в тепловом контакте с первым трубопроводом и предназначен для охлаждения и/или конденсирования теплопередающей среды во время отбора криогенного носителя из первого трубопровода, и на другом конце второго трубопровода расположены элементы для получения работы за счет расширения в результате нагревания теплопередающей среды.

2. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что в качестве первого и/или второго теплообменников предусмотрены микротеплообменники.

3. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что внутренний диаметр первого трубопровода меньше или равен 20 мм, предпочтительно меньше или равен 2,5 мм.

4. Составляющая часть трубопровода по п.3, отличающаяся тем, что внутренний диаметр второго трубопровода меньше или равен 20 мм, предпочтительно меньше или равен 2,5 мм.

5. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что она установлена внутри уже существующей питающей линии.

6. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что первый трубопровод соединен, по меньшей мере, с одним накопителем криогенного энергоносителя и, по меньшей мере, с одним потребителем криогенного энергоносителя, причем накопитель для криогенного энергоносителя подключен, при необходимости, непосредственно перед потребителем.

7. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что первый и второй трубопроводы проходят по всей их длине в теплоизолирующей среде.

8. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что на концах и/или в узловых точках трубопровода расположены криогенные буферные емкости.

9. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что материалом первого и второго трубопроводов является металл или пластмасса.

10. Составляющая часть трубопровода по п.9, отличающаяся тем, что первый и второй трубопроводы выбраны такими, что являются гибкими при комнатной температуре.

11. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что она содержит третий трубопровод, проходящий параллельно первому и второму трубопроводам.

12. Составляющая часть трубопровода по п.11, отличающаяся тем, что третий трубопровод предназначен для транспортирования превратившегося в пар криогенного носителя и соединен с первым трубопроводом.

13. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что первый и/или второй трубопроводы отдельно или совместно окружены оболочкой, в которой создается вакуум после прокладки и за счет охлаждения во время пуска в эксплуатацию, причем в упомянутой оболочке сформировано газонепроницаемое пространство, которое, до создания вакуума, заполнено газом, причем давление паров упомянутого газа резко понижается во время охлаждения, предпочтительно заполнено газом, который во время охлаждения за счет конденсации переходит из газообразного состояния непосредственно в твердое агрегатное состояние.

14. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что содержит первый, второй и, при необходимости, третий трубопроводы, проходящие параллельно друг другу, при этом, по меньшей мере, первый трубопровод, предпочтительно первый и второй трубопроводы покрыты, по меньшей мере, двумя удерживаемыми друг от друга на расстоянии изоляционными пленками, формирующими вакуумируемое пространство, в котором находится материал, предпочтительно диоксид углерода, отверждающийся путем конденсации при низких температурах, и/или газ, удаляемый адсорбцией на газопоглощающем материале, а также газопоглощающий материал, и первый, второй и, при необходимости, третий трубопроводы и изоляционные пленки окружены теплоизолирующей оболочкой.

15. Составляющая часть трубопровода по п.14, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, одна изоляционная пленка покрыта тонким металлическим слоем.

16. Составляющая часть трубопровода по п.14, отличающаяся тем, что первый, второй и, при необходимости, третий трубопроводы имеют дополнительную оболочку в виде слоя теплоизолирующего материала, который предпочтительно является вспененным материалом.

17. Составляющая часть трубопровода по п.14, отличающаяся тем, что вакуумируемое пространство, образованное между изоляционными пленками, содержит, помимо конденсируемого газа, тонкоизмельченный изоляционный материал, в частности порошковую кремниевую кислоту, минеральные волокна или тонкоизмельченные вспененные материалы.

18. Составляющая часть трубопровода по п.14, отличающаяся тем, что первый и, при необходимости, второй и/или третий трубопроводы дополнительно покрыты слоем теплоизолирующего материала, предпочтительно вспененного материала.

19. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что два или более трубопроводов из первого и второго трубопроводов объединены в составную структуру.

20. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что предусмотрен многофункциональный трубопровод, в котором помимо первого и второго трубопроводов предусмотрены дополнительные трубопроводы для транспортирования материала, передачи электрического тока и/или сигналов.

21. Составляющая часть трубопровода по п.19, отличающаяся тем, что помимо первого и второго трубопроводов предусмотрен третий трубопровод для обратного транспортирования газообразной теплопередающей среды из первого теплообменника во второй теплообменник, причем третий трубопровод теплоизолирован от первого и второго трубопроводов.

22. Составляющая часть трубопровода по п.19, отличающаяся тем, что первый и/или второй трубопроводы содержит и/или содержат сверхпроводящий материал и/или предусмотрен дополнительный трубопровод, содержащий сверхпроводящий материал.

23. Составляющая часть трубопровода по п.19, отличающаяся тем, что первый и/или второй трубопроводы выполнены в качестве электропроводных отдельных трубопроводов, имеющих электрическую изоляцию и используемых в качестве проводников для передачи электрического тока и/или сигналов.

24. Составляющая часть трубопровода по п.1, отличающаяся тем, что первый трубопровод в месте второго теплообменника и/или в местах отвода водорода из первого трубопровода в третий трубопровод покрыт катализатором для превращения параводорода в ортоводород.

25. Способ трубопроводного транспортирования криогенных энергоносителей по составляющей части трубопровода, охарактеризованной в п.1, при котором

i) подают газообразный и/или жидкий криогенный энергоноситель в первый трубопровод,

ii) охлаждают или сжижают жидкий криогенный энергоноситель в месте подачи в первый трубопровод за счет передачи тепловой энергии от криогенного энергоносителя в жидкую теплопередающую среду во втором трубопроводе, который соединен с первым теплообменником, за счет чего теплопередающая среда испаряется, и ее выводят из второго трубопровода,

iii) транспортируют жидкий криогенный энергоноситель через первый трубопровод,

iv) транспортируют жидкую теплопередающую среду через второй трубопровод в противотоке по отношению к криогенному энергоносителю,

v) испаряют жидкий криогенный энергоноситель в месте выхода из первого трубопровода путем передачи тепловой энергии от газообразной теплопередающей среды жидкому криогенному энергоносителю в первом трубопроводе, который соединен со вторым теплообменником, за счет чего теплопередающая среда сжижается, и ее подают во второй трубопровод, и

vi) выпускают газообразный криогенный энергоноситель из первого трубопровода.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что газообразную теплопередающую среду вводят из окружающей среды во второй трубопровод в месте второго теплообменника и выпускают в окружающую среду в месте первого теплообменника.

27. Способ по п.25, отличающийся тем, что газообразную теплопередающую среду возвращают в теплоизолированный от первого и второго трубопроводов третий трубопровод, из первого теплообменника во второй теплообменник, и там подают ее в сжиженном виде снова во второй трубопровод.

28. Способ по п.25, отличающийся тем, что используемыми криогенными энергоносителями являются газообразные при комнатной температуре углеводороды и/или водород, в частности метан, этан, пропан, бутан и их смеси, предпочтительно природный газ, наиболее предпочтительно водород.

29. Способ по п.25, отличающийся тем, что используемой теплопередающей средой является азот или, в частности, воздух.

30. Способ по п.25, отличающийся тем, что газообразный энергоноситель, получаемый при испарении криогенного энергоносителя, транспортируют в третьем трубопроводе, идущем параллельно первому и второму трубопроводам.

31. Способ по п.30, отличающийся тем, что газообразный энергоноситель, транспортируемый в третьем трубопроводе, в месте потребителя объединяют с превратившимся в пар энергоносителем, выходящим из первого трубопровода.

32. Способ по п.30, отличающийся тем, что газообразный энергоноситель, транспортируемый в третьем трубопроводе, сжижают в месте подачи криогенного энергоносителя в первый трубопровод и подают вместе с ним в первый трубопровод.

33. Применение составляющей части трубопровода по п.1 для снабжения коммерческих или частных потребителей, в частности заправочных станций, промышленных предприятий, жилых домов, криогенными энергоносителями, в частности природным газом или водородом.

34. Трубопровод для транспортировки криогенных жидкостей, содержащий первый, второй и, при необходимости, третий трубопроводы, проходящие параллельно друг другу, причем, по меньшей мере, первый трубопровод, предпочтительно первый и второй трубопроводы покрыты, по меньшей мере, двумя удерживаемыми друг от друга на расстоянии изоляционными пленками, образующими вакуумируемое пространство, в котором находится материал, предпочтительно диоксид углерода, отверждающийся путем конденсации при низких температурах, и/или газ, удаляемый адсорбцией на газопоглощающем материале, а также газопоглощающий материал, и первый, второй и, при необходимости, третий трубопровод и изоляционные пленки окружены теплоизолирующей оболочкой.

35. Трубопровод по п.34, отличающийся тем, что, по меньшей мере, одна изоляционная пленка покрыта тонким металлическим слоем.

36. Трубопровод по п.34, отличающийся тем, что первый трубопровод полностью или частично покрыт катализатором для превращения параводорода в ортоводород.

37. Трубопровод по п.34, отличающийся тем, что первый, второй и, при необходимости, третий трубопроводы имеют дополнительную оболочку в виде слоя теплоизолирующего материала, предпочтительно вспененного материала.

38. Трубопровод по п.34, отличающийся тем, что вакуумируемое пространство, образованное между изоляционными пленками, содержит, помимо конденсируемого газа, тонкоизмельченный изоляционный материал, в частности порошковую кремниевую кислоту, минеральные волокна или тонкоизмельченные вспененные материалы.

39. Трубопровод по п.34, отличающийся тем, что первый и, при необходимости, второй и/или третий трубопроводы дополнительно покрыты слоем теплоизолирующего материала, предпочтительно вспененного материала.

40. Трубопровод по п.34, отличающийся тем, что предусмотрены дополнительные трубопроводы для транспортирования материала, передачи электрического тока и/или сигналов.

41. Трубопровод по п.34, отличающийся тем, что помимо первого и второго трубопроводов предусмотрен третий трубопровод для транспортирования газообразной теплопередающей среды или превратившегося в пар газообразного криогенного энергоносителя, причем третий трубопровод теплоизолирован от первого и второго трубопроводов.

42. Трубопровод по п.34, отличающийся тем, что первый и/или второй трубопроводы содержат сверхпроводящий материал и/или предусмотрен дополнительный трубопровод, содержащий сверхпроводящий материал.

43. Трубопровод по п.34, отличающийся тем, что первый и/или второй трубопроводы выполнены в качестве электропроводных отдельных трубопроводов, имеющих электрическую изоляцию и используемых в качестве проводников для передачи электрического тока и/или сигналов.

44. Составная структура, содержащая два или более трубопроводов по п.34.

45. Сеть энергоснабжения, содержащая, по меньшей мере, одну составную часть трубопровода по п.1.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к составляющей части трубопровода сети энергоснабжения и способу обеспечения потребителей криогенными энергоносителями, а также к наиболее пригодным для осуществления этого способа устройствам.

Вследствие ограниченных запасов ископаемого топлива и дискуссий о защите природы все чаще прогнозируется необходимый в обозримом будущем переход на экологически переносимые и имеющиеся в распоряжении на долгие годы энергоносители или частичное удовлетворение ими возрастающей потребности в энергии.

Перспективным для такой частичной замены и для перехода от ископаемого топлива в промышленности производства энергии является использование криогенных энергоносителей, например производство экологически чистых энергоносителей на основе водорода.

Водород может получаться из возобновляемых источников, как, например, солнечная энергия, сила ветра, сила воды, а также из биомассы и в неограниченном количестве имеется в распоряжении без оказания нагрузки на окружающую среду или с незначительной нагрузкой на окружающую среду.

Во-первых, этим идеальным представлениям использовать криогенные энергоносители, в частности водород, в качестве энергоносителей противопоставляется то, что свободный водород при нормальных условиях не существует в природе, т.е. должен добываться с применением энергии. Во-вторых, криогенные энергоносители и, в частности водород, очень легки и в высшей степени летучи, так что для использования, транспортировки и хранения необходимы значительные затраты.

В нынешних рыночных условиях экономика применения криогенных энергоносителей и, в частности экономика применения водорода, является еще значительно более дорогой, чем существующая энергетическая экономика с электрическими сетями из централизованных электростанций и централизованных и децентрализованных производителей тепла из твердых, жидких и газообразных при комнатной температуре ископаемых горючих веществ.

Хотя уровень техники получения энергии из возобновляемых источников шагнул далеко вперед, экономический потенциал обсуждается очень остро. Производящим электрический ток возобновляемым источникам энергии (например, солнце, ветер, вода) противостоит то, что они вследствие природных колебаний в производстве энергии не могут покрывать колебания в потреблении и тем самым необходимо параллельное упреждение и поддержание в состоянии готовности производства электрического тока на существующих силовых электростанциях с помощью сетевых систем. За этим скрывается проблематика, связанная с тем, что электрическая энергия не может экономично аккумулироваться в больших количествах и должна потребляться уже в момент производства тока. Таким образом, в настоящее время возобновляемые виды энергии, как правило, не являются альтернативными, а используются в дополнение к обычным системам.

Инвестиции в установки для получения возобновляемых видов энергии приводят еще и к значительно более высоким затратам на киловатт/час, чем стоимость энергии из традиционных систем.

Большая часть ископаемого топлива в настоящее время потребляется для децентрализованного производства тепла (например, частные домашние хозяйства) и для транспортных средств (горючее). Многочисленные разработки имеют целью вводить водород в качестве альтернативного топлива для транспортных средств или в качестве энергоносителей, например, в теплосиловые установки для нагревательных устройств и обеспечения электрическим током в домашних хозяйствах. Эти разработки инициируются, прежде всего, благодаря прогрессу в технологии топливных элементов. С водородом, который можно получать путем газации дешевой биомассы, можно достичь затрат на горючее из расчета на километр пути в порядке величин для традиционных видов топлива (например, бензин).

Для промышленного производства водорода в целях децентрализованного обеспечения теплом, тепловой энергией или топливом, однако, необходима инфраструктура, создание которой связано с высокими расходами. Для того чтобы свести к минимуму объем для хранения в расчете на аккумулированное или транспортируемое количество энергии, следует использовать емкости высокого давления или криогенные емкости и реализовывать уже в частных случаях.

Другая возможность состоит в создании сетей трубопроводов, подобных существующим для природного газа. В промышленности уже применяются отдельные сети трубопроводов для газообразного водорода с протяженностью транспортирования в несколько сотен километров.

Обсуждается также вопрос о том, чтобы при переходе на экономику на базе водорода использовать с соответствующими усовершенствованиями сеть трубопроводов для природного газа. Технически это возможно и соответствует, по существу, эксплуатировавшимся в прежние годы городским газовым сетям. Городской газ содержал по объему примерно 50% водорода. Переналадка имеющейся сети природного газа не может осуществляться молниеносно, а должна бы проводиться в отдельных участках сети. Они должны бы опять-таки иметь такие размеры, чтобы в сумме подключенных отдельных потребителей имелось экономичное потребляемое количество водорода, для которого оправдывается инвестиция в производство водорода по принципу «economie of scale». Все потребители должны были бы переоборудовать свои нагревательные устройства с природного газа на водород к одному моменту времени. С учетом реальности этот путь кажется очень маловероятным и потребовал бы огромных предварительных инвестиций с лишь трудно калькулируемых по времени «Return on Investment».

Идея обеспечения потребителей жидким водородом в качестве энергоносителя, в принципе, известна. Эта идея обсуждается главным образом в области транспортных средств, например, в выкладке ФРГ DE-А-10052856. В этом документе предлагают использовать теплоту испарения криогенной среды для охлаждения и ожижения среды, накапливающей энергию за счет фазового перехода, например воздуха. Благодаря этому можно значительно продлить срок сохранения криогенной среды. При заполнении и отборе криогенной среды из накопительного резервуара используется накапливающая энергию среда, чтобы улучшить энергетический баланс при хранении.

Также уже описано применение многофункциональной сети «производство - накопление энергии - снабжение бытовой техники» систем получения энергии от солнечного тепла/тепла окружающей среды. Пример этого содержится в выкладке DE-A-10031491. В этом документе, однако, лишь очень обобщенно указано на многогранные возможности формирования таких систем.

Публикация DE 69202950 Т2 описывает магистраль для передачи криогенной жидкости. Она содержит термически связанные трубопроводы для транспортировки криогенной жидкости и охлаждающей жидкости, которые обмотаны пленкой, которая с помощью соединительных приспособлений связана с охлаждающим трубопроводом.

Из выкладки DE 19511383 А1 известен способ сжижения природного газа, который скомбинирован со способом испарения криогенных жидкостей. Дальнейшее развитие этого способа описано в патенте DE 19641647 С1.

Публикация ФРГ DE 69519354 Т2 раскрывает выдающее устройство с устройством переохлаждения для криогенной жидкости.

Из заявки США US-A-3743854 известна система, которая позволяет комбинированную передачу петрохимических жидкостей и электрического тока.

Наконец, выкладка DE-A-2013983 раскрывает систему трубопроводов для передачи электрической энергии, производства холода или для транспортировки технических газов, которую можно использовать для создания обширной сети линий с различными функциями.

Все эти известные прежде системы и составляющие части для них нельзя было до настоящего времени осуществить на практике. Причина этого могла состоять в том, что их применение до настоящего времени не было экономичным. Таким образом, все еще существует потребность в системе трубопроводов, которые просто проложить и которые можно ввести в действие чрезвычайно экономично.

Исходя из этого уровня техники, задачей настоящего изобретения является разработать составляющую часть трубопровода сети энергоснабжения и способ эксплуатации этой сети, с помощью которой можно преодолеть технические, экономические и общественные барьеры в постепенном создании экономики, работающей на криогенных энергоносителях, в частности экономики на базе водорода.

Другая задача настоящего изобретения состоит в разработке составляющей части трубопровода сети энергоснабжения и в ее эксплуатации, причем необходимо, чтобы сеть энергоснабжения, исходя из отдельных решений, можно было вмонтировать в распределительную сеть и в которую можно было интегрировать постепенно возобновляемые источники энергии.

Еще одна дальнейшая задача настоящего изобретения состоит в разработке составляющей части трубопровода сети энергоснабжения и в ее эксплуатации, в которую можно интегрировать наряду с функциями транспортировки энергоносителей другие функции сети, как, например, функции передачи информации, определения рабочих параметров сети энергоснабжения или переноса тока, что способствует повышению экономичности сети и раскрывает дальнейшие перспективы на будущее.

Настоящее изобретение относится к составляющей части трубопровода сети энергоснабжения, включающей в себя, по меньшей мере, первую линию для, по меньшей мере, частично жидкого криогенного энергоносителя, предпочтительно для соединения, по меньшей мере, одного накопителя криогенного энергоносителя с, по меньшей мере, одним, пространственно отделенным от него потребителем криогенного энергоносителя, и, по меньшей мере, одну вторую линию для жидкой при температуре жидкого криогенного энергоносителя теплопередающей среды, которая проходит параллельно первой линии, а также с предусмотренными у концов второй линии и находящимися с первым трубопроводом в термическом контакте теплообменниками для испарения или конденсирования теплопередающей среды при отборе или подаче криогенной среды в первый трубопровод.

С помощью настоящего изобретения таким образом предлагается использовать теплоту испарения криогенного энергоносителя для охлаждения и сжижения накапливающей энергию за счет фазового перехода теплопередающей среды, например воздуха, для работы сети криогенных теплоносителей, монтируя теплообменники у потребителя, а также у накопителя криогенного энергоносителя. С помощью предусмотренного у потребителя теплообменника криогенный энергоноситель испаряется и нагревается до температуры окружающей среды. Необходимая термическая энергия через теплообменник отбирается от теплопередающей среды, например из потока воздуха, который благодаря этому охлаждается и, в частности, сжижается. Эта охлажденная и предпочтительно сжиженная теплопередающая среда подается во второй трубопровод и может таким образом транспортироваться в противотоке к месту подачи жидкого криогенного энергоносителя. Там охлажденная и предпочтительно жидкая теплопередающая среда снова оказывается в распоряжении для охлаждения и при необходимости сжижения криогенного энергоносителя. Далее, охлажденная и предпочтительно жидкая теплопередающая среда при прохождении через второй трубопровод действует в качестве теплового экрана для жидкого криогенного энергоносителя, проходящего в первом трубопроводе. Благодаря этому значительно улучшается энергетический баланс системы. Потери определяются в значительной степени лишь потерями давления и отдачей тепла в транспортирующий трубопровод, что можно свести к минимуму с помощью хорошей изоляции, а также потерями на работу при теплообмене, т.е. при сжижении, а также испарении в местах подачи и отбора.

Для того чтобы свести к минимуму потери на работу, предлагается для теплообмена использовать микротеплообменники. Они отличаются очень высоким соотношением между поверхностью и объемом и могут передавать очень большие количества тепла при очень малых конструктивных объемах. Таким образом, можно выбирать очень малые разности температур для имеющегося градиента теплопередачи, что снижает потери на работу. Дополнительные преимущества получаются благодаря очень малым конструктивным объемам и очень высокой надежности («собственная надежность»), что в особенности отличает технологические аппараты микротехники (см. Ehrfeld W.; u.a.: Microreactors. WILEY-VCH Verlag GmbH, Weinheim, 2000).

При составляющей части трубопровода сети энергоснабжения согласно изобретению речь может идти о системе трубопроводов, в которой можно транспортировать водород в жидкой, криогенной форме (например, ниже 21 градуса Кельвина, соответственно -253°С). В жидкой форме водород имеет плотность энергии примерно 2,3 киловатт/часов на литр жидкости. Это явно меньше, чем плотность энергии масла с 10 киловатт/часов на литр, так что транспортировка в цистернах является менее экономичной. При непрерывном протекании через трубопроводы этот недостаток исчезает, и в жидком состоянии на транспортируемую единицу мощности необходим лишь очень небольшой диаметр трубопроводов. Это можно продемонстрировать на примере дома на одну семью.

Считается, что ежегодное потребление энергии для тепла и тока составляет в сумме примерно 30000 кВтч/год. Если в идеале упрощенно принять постоянный отбор энергии, то при длительности использования 8760 часов в год получилась бы необходимая передаваемая мощность 3,42 кВт. С нижним значением теплотворной способности 2,33 кВтч на литр криогенного водорода получается расход 1,47 литра в час. При выбранной скорости протекания между 0,1 до 0,5 метров в секунду является достаточным диаметр трубы лишь 1-2,5 мм. При выбранном диаметре 2 мм соответственно скорости 0,15 м/с потери давления в линии длиной 1 км из-за низкой вязкости составляют примерно меньше, чем 1 бар. Этот пример показывает, что специалисту удается найти оптимальные параметры для большой сети труб с очень малыми поперечными сечениями труб и зависящим от потерь давления экономичным полем эксплуатации. Таким образом, становится возможной очень экономичная и простая прокладка сети трубопроводов, примерно сравнимая с прокладкой электрических кабелей.

Система энергоснабжения согласно изобретению имеет таким образом предпочтительно первый трубопровод, внутренний диаметр которого меньше или равен 20 мм, предпочтительно меньше или равен 10 мм, в частности меньше или равен 5 мм и особенно предпочтительно меньше или равен 2,5 мм. Особенно предпочтительно, чтобы также внутренний диаметр второго трубопровода был меньше или равен 20 мм, предпочтительно меньше или равен 10 мм, в частности меньше или равен 5 мм и особенно предпочтительно меньше или равен 2,5 мм.

Благодаря малым размерам составляющей части сети согласно изобретению ее можно проложить в уже существующих питающих линиях, предпочтительно в линиях природного газа.

В другом предпочтительном варианте выполнения изобретения первый трубопровод составляющей части трубопровода сети энергоснабжения согласно изобретению связан, по меньшей мере, с одним накопителем криогенного энергоносителя, а также, по меньшей мере, с одним потребителем криогенного энергоносителя, причем непосредственно перед потребителем при необходимости подключен накопительный резервуар для криогенного энергоносителя.

В качестве энергоносителя в смысле настоящего описания рассматриваются все жидкие среды, которые при низких температурах (как правило, при температурах ниже 0°) могут транспортироваться через сеть трубопроводов и которые могут использоваться потребителем для получения энергии. Примером криогенных энергоносителей являются газообразные при комнатной температуре углеводороды, такие как метан, этан, пропан, бутан или их смесь, предпочтительно природный газ, а также, в частности, водород. Можно также использовать газообразные при комнатной температуре смеси углеводородов и водорода. Они могут содержать другие инертные газообразные вещества, например азот или благородные газы.

Проводка жидкого криогенного энергоносителя через сеть энергоснабжения может осуществляться в отсутствие давления или под давлением. Напорный трубопровод предпочтителен.

Первый и второй трубопровод составляющей части трубопровода сети энергоснабжения согласно изобретению в зависимости от вида и температуры транспортируемого жидкого криогенного энергоносителя может проходить в термически изолирующей оболочке вдоль всей своей длины. При более высоких температурах транспортировки, например в области -50°С или выше, при необходимости можно отказаться от термической изоляции. При более низких температурах рекомендуется первый и второй трубопровод проводить в термически изолирующей оболочке. Второй трубопровод наряду с функцией транспортировки среды, передающей тепло для регенерации тепловой энергии, имеет функцию теплового экрана для находящейся в первом трубопроводе жидкой криогенной среды.

Предпочтительный вариант выполнения составляющей части трубопровода сети энергоснабжения согласно изобретению включает в себя проходящий параллельно первому и второму трубопроводу третий трубопровод. Он может служить для обратной транспортировки испарившейся, теплопередающей среды ко второму теплообменнику или же для транспортировки превратившейся в пар криогенной среды. Жидкая криогенная среда может частично испаряться, например, в месте подачи в первый трубопровод или во время транспортировки через первый трубопровод (так называемый boil-off Gas). Таким образом, можно также выбрать различные соединения между первым трубопроводом и третьим трубопроводом, или третий трубопровод соединяется с первым и вторым теплообменником для приема газообразной теплопередающей среды.

Сеть энергоснабжения согласно изобретению может содержать наряду с трубопроводами для транспортировки криогенного энергоносителя еще и другие, сами по себе известные элементы. Так, например, наряду с накопительными устройствами и потребителями криогенного энергоносителя могут встраиваться элементы для измерения, контроля, управления и регулирования потоков вещества, в частности для контроля температур и давлений, а также устройства для избегания критических состояний, например для сброса избыточного давления. В местах подачи могут быть предусмотрены такие элементы, как, например, насосы, компрессоры или датчики давления для транспортировки веществ. В зависимости от расстояния транспортировки можно оборудовать промежуточные станции для транспортировки сред в целях компенсации потерь давления.

Сеть энергоснабжения согласно изобретению может включать в себя дополнительные элементы для регенерации и преобразования энергоносителей, а также теплоносителей. У потребителя можно направить энергоноситель к горелке для производства тепла. Предпочтительным вариантом является снабжение топливных элементов для получения электрического тока. Особенно предпочтительным является комбинированное производство тока и тепла.

С помощью специальных устройств можно использовать энергоносители для заполнения топливных баков транспортных средств.

С помощью дополнительных элементов сети энергоснабжения подаваемый воздух в месте подачи или на выходе может частично разлагаться на свои составляющие части, так что будет получен азот и/или кислород высокой концентрации. В месте подачи воздуха можно предусмотреть элементы для сушки воздуха и для удаления выделяемой из воздуха воды.

Сеть энергоснабжения включает в себя далее устройства для сжижения энергоносителя, при которых для повышения коэффициента полезного действия процесса сжижения предпочтительно используются теплоносители. Для этого следует вмонтировать элементы для теплообмена или/и элементы для получения работы расширения путем нагревания теплоносителя.

Расширенный вариант выполнения сети энергоснабжения согласно изобретению включает в себя производство энергоносителя, в частности водорода. Это могут быть риформинговые устройства для получения водорода из углеводородов или предпочтительно электролизные ячейки для расщепления воды. Особенно предпочтительно могут эксплуатироваться в сети энергоснабжения электролизные ячейки, которые снабжаются электрическим током, который, по меньшей мере, частично транспортируется по линиям согласно изобретению.

Другими элементами сети энергоснабжения согласно изобретению могут быть устройства для получения электрического тока, в частности, из возобновляемых видов энергии, как, например, ветросиловые установки или фотогальванические установки. С помощью соответствующих элементов ток от этих производителей подается, по меньшей мере, отчасти, в сеть энергоснабжения согласно изобретению. Произведенный этими установками ток может потребляться непосредственно и/или направляется в электролизные ячейки для получения водорода.

Сеть энергоснабжения согласно изобретению можно комбинировать с сетями данных, причем устройства ввода и вывода данных принимают на себя регулирование системы производства энергии и накопления, с одной стороны, и систему потребителя с другой стороны, причем системы сообщаются между собой. Передача данных осуществляется предпочтительно с помощью шин данных и шин сигнализации, которые интегрированы в систему трубопроводов.

Колеблющийся отбор криогенных энергоносителей у потребителя можно в достаточной степени компенсировать с помощью криогенных буферных емкостей на концах трубопроводов или/и в узловых точках сети.

Эксплуатация сети энергоснабжения при очень низких температурах, например ниже 21 Кельвина, требует очень хорошей изоляции трубопроводов, буферных емкостей и прочих устройств, пропускающих через себя криогенные энергоносители.

Из литературы и из промышленной практики известны многообразные способы и устройства для термоизоляции. Примеры этого можно найти в VDI Waermeatlas: Superisolationen. Springer Verlag, 8. Auflage, 1997. Для изолирования охлажденных до низких температур жидкостей известны суперизолирующие пленки. Под суперизоляцией следует понимать теплоизоляцию, общая теплопроницаемость которой значительно меньше, чем таковая неподвижного воздуха. Такие суперизолирующие пленки предлагаются, например, для баллонов для жидкого водорода в грузовых автомобилях (ср. BMW AG: Zukunft Wasserstoff, Magazin, 2003).

Сеть энергоснабжения согласно изобретению можно реализовать с помощью жестких трубопроводов.

Предпочтительно используются, однако, трубопроводы, для которых возможность прокладки по типу прокладки кабеля ограничивается в незначительной степени. При применении тонких и термически изолированных трубопроводов изоляция не должна в значительной степени удорожать трубопроводы, и при прокладке в жестких полевых условиях она должна осуществляться простым способом. Далее производственные издержки, возникающие при глубоком охлаждении, потерях тепла и давления, должны быть сведены к минимуму. Для прокладки по пересеченной местности должна быть обеспечена гибкость. Экономичной форме поставки и технологии прокладки может способствовать то, что трубопроводы большой длины могут наматываться на барабаны. В местах соединений и разветвлений должен быть возможен очень простой монтаж и предварительная изоляция до места монтажа. Издержки на компенсацию расширения или усадки материалов трубопроводов вследствие большой разницы температур должны быть, по возможности, незначительными.

Для этих целей уже имеется в распоряжении ряд решений. Для хорошей изоляции в области низких температур требуется вакуум.

Материалом первого и второго трубопроводов может быть металл или речь может идти о пластмассе. Предпочтительно первый и второй трубопроводы выбирать таким образом, чтобы они при комнатной температуре были гибкими и могли прокладываться простым способом. Гибкость первого и второго трубопроводов может определяться видом материала и/или размерами трубопроводов известным самим по себе образом.

Предпочтительный вариант выполнения сети энергоснабжения согласно изобретению включает в себя первую и вторую линии, которые окружены оболочкой и образуют трубопровод, в котором после прокладки и благодаря охлаждению трубопровода во время пуска в эксплуатацию образуется вакуум. Подобные трубопроводы включают в себя образованное оболочкой газонепроницаемое пространство, которое перед созданием вакуума заполнено газом, давление пара которого сильно понижается при охлаждении. Предпочтительно используется газ, который при охлаждении благодаря конденсации переводится из газообразного непосредственно в твердое агрегатное состояние. Лучше всего для этого подходит двуокись углерода.

Трубопроводы описанного выше типа в принципе известны из европейской заявки EP 0412715 A1. Этот документ описывает частичное вакуумное изолирование благодаря применению конденсированной двуокиси углерода. При этом, однако, пузырьки двуокиси углерода включаются в слой полиуретана, тонким слоем которого покрыта имеющая низкую температуру труба. Между этим покрытием и наружной трубой находится порошковый наполнитель, содержащий инертный газ.

В одном предпочтительном варианте выполнения сети энергоснабжения согласно изобретению используются трубопроводы, которые включают в себя проходящие параллельно друг другу первый, второй и при необходимости третий трубопроводы, причем, по меньшей мере, предпочтительно первый и второй трубопроводы окружены двумя удерживаемыми на расстоянии друг от друга изолирующими пленками, которые образуют вакуумируемое пространство, в котором находится отверждаемый благодаря конденсации при низких температурах материал, предпочтительно двуокись углерода, и/или газ, удаляемый благодаря адсорбции на газопоглощающем материале, а также газопоглощающий материал, и, причем первый, второй, при необходимости третий трубопроводы и изолирующие пленки окружены теплоизолирующей оболочкой.

В качестве комбинации газопоглощающий материал/адсорбируемый газ пригодны, например, гидрид металла/водород.

В одном предпочтительном варианте выполнения, по меньшей мере, одна из изолирующих пленок покрыта тонким слоем металла.

Особенно предпочтительным образом первый, второй и при необходимости третий трубопровод может быть покрыт еще и слоем пенопласта.

Особенно предпочтительным образом образованное между изолирующими пленками вакуумируемое пространство наряду с конденсируемым газом содержит еще тонко распределенный изоляционный материал, в частности порошок кремниевой кислоты, минеральные волокна или тонко распределенные пенопласты.

Трубопроводы этого типа являются новыми и также представляют предмет настоящего изобретения.

Пространство, в котором осуществляется вакуумирование путем конденсации, должно при этом, по существу, сохранять свой исходный объем, чтобы можно было создать пониженное давление. Для создания такого пространства можно использовать известные сами по себе вакуумные изолирующие пленки, которые наматывают вокруг трубопроводов в виде вакуумных лент или вакуумных пленок в виде пластин или экструдируют. При таких изолирующих пленках очень хорошие теплоизоляторы, как, например, пористый порошок кремниевой кислоты или минеральные волокна, вакуум-плотно включают между двумя слоями пленки. Согласно уровню техники вакуумирование проводится во время создания связи с изолирующей пленкой. Благодаря этому образованный пористым материалом наполнитель становится относительно твердым. Обмотка труб становится затруднительной. Могут возникнуть многие перегибы, которые образуют неконтролируемые мостики для тепла. Существует опасность того, что вакуумированные жесткие изолирующие пленки при дальнейшей обработке для обертывания труб, при транспортировке и при прокладке изолированных труб могут повредиться и утратить свои изолирующие свойства.

Эти недостатки преодолеваются, если вакуум изоляции возникает лишь в рабочем состоянии проложенных линий на месте. Для этого пористое пространство между изолирующими пленками во время изготовления наполняется, например, двуокисью углерода, которая в охлажденном до низких температур состоянии имеется в наличии в виде твердого вещества («сухой лед»).

При температурах окружающей среды изолирующие пленки, которые, например, наполнены порошком кремниевой кислоты, а также окруженные этими изолирующими пленками трубопроводы таким образом могут прокладываться мягко и хорошо. Такие трубопроводы могут наматываться на барабаны и тем самым являются «пригодными для наматывания на барабан». Лишь в том случае, когда трубопроводы проложены и введены в эксплуатацию, образуется вакуум, с помощью которого изоляция становится жесткой. На местах монтажа места соединений и разветвлений можно обмотать такими полосами пленки, что очень упрощает монтаж и, тем не менее, обеспечивает хороший эффект изоляции при эксплуатации трубопроводов и устройств. Для защиты от повреждений и для поддержания герметичности специалисту предоставляются в распоряжение многообразные возможности, чтобы обеспечить длительный срок службы проложенных трубопроводов. Это могут быть защитные оболочки из металла, подобно тем, как они используются при передающих тепло на большие расстояния трубопроводах, или оболочки из пластмассы.

Многослойные покрытия и другие известные мероприятия, как, например, тепловые экраны и покрытия пленок металлами, могут значительно повысить эффект и наряду с теплоизоляцией также обеспечить электрическую изоляцию и изоляцию от излучения.

Недостатком транспортировки жидких криогенных энергоносителей через трубопроводы являются дополнительные энергетические издержки для сжижения. С учетом теплотворной способности водорода для сжижения требуется примерно 30-40% затрат энергии. Этот недостаток можно значительно снизить с помощью описанных выше мероприятий. Очень малые диаметры трубопроводов и описанные выше методы гибкой изоляции позволяют объединять два или больше тонких трубопроводов в составную структуру.

Такие комбинированные сети в виде гибких многотрубных трубопроводов известны из глубоководной добычи нефти и описаны, например, в заявке США US А-6102077. Известные ранее системы трубопроводов в таком выполнении, разумеется, непригодны для применения в линии низких температур. Еще одну магистраль, пригодную для применения в энергетической сети согласно изобретению при транспортировании криогенных жидких сред, описывает заявка ФРГ DE А-19906876. В ней используют две отдельные, термически изолированные друг от друга трубы, которые вместе окружены оболочкой, предпочтительно металлической трубой. Внутренний объем выполненной в виде трубы оболочки вакуумирован, и используется материал внутренних труб с малыми термическими коэффициентами расширения.

В сети энергоснабжения согласно изобретению не следует отказываться от компенсации расширения. Благодаря гибкой прокладке можно предусмотреть без значительных издержек естественные участки растяжения, которые известны при обычной прокладке труб.

Применение тонких трубопроводов для транспортировки криогенных жидкостей, простая изоляция с помощью вакуумирования на месте, гибкая прокладка и объединение нескольких труб в многотрубный трубопровод делают преодолимым недостаток, связанный с издержками на сжижение.

Согласно изобретению предлагается, по меньшей мере, два трубопровода объединить в одну трассу, по которой один трубопровод транспортирует жидкий криогенный энергоноситель, предпочтительно водород, а в противотоке во втором трубопроводе транспортируется другая криогенная жидкость в качестве среды, передающей тепло. Предпочтительно эта вторая криогенная жидкость является азотом или, в частности, воздух.

Теплопередающая среда предпочтительно в месте отбора криогенного энергоносителя через теплообменник подается от накопителя или из окружающей среды при, по меньшей мере, частичном сжижении во второй трубопровод, протекает через второй трубопровод в противотоке относительно находящегося в первом трубопроводе криогенного энергоносителя и в месте подачи криогенного энергоносителя в первый трубопровод через теплообменник при испарении выдается из второго трубопровода в накопитель или в окружающую среду. В качестве альтернативы теплопередающая среда может от теплообменника в месте подачи криогенного энергоносителя в первый трубопровод по третьему трубопроводу, который термически изолирован от первого и второго трубопровода, возвращаться к теплообменнику в месте отбора криогенного энергоносителя из первого трубопровода и там снова подаваться во второй трубопровод.

В особенно предпочтительном варианте выполнения предусмотрен третий трубопровод, в котором транспортируется газообразный криогенный энергоноситель, так называемый boil-off газ. Этот вариант выполнения еще раз значительно улучшает энергетический баланс составляющей части трубопровода согласно изобретению.

Другой особенно предпочтительный вариант выполнения изобретения относится к транспортировке жидкого водорода в качестве криогенного энергоносителя; при этом водород в месте второго теплообменника или в местах отвода из первого в третий трубопровод направляется через катализатор, который ускоряет превращение параводорода в ортоводород. Превращение пара-водорода в орто-водород является эндотермическим. За счет целенаправленного местного поглощения энергии превращения можно еще раз повысить коэффициент полезного действия системы.

Изобретение относится также к способу транспортировки через трубопровод криогенных энергоносителей, включающему следующие этапы:

i) подают газообразный и/или жидкий криогенный энергоноситель в первый трубопровод,

ii) сжижают или охлаждают жидкий криогенный энергоноситель в месте подачи в первый трубопровод путем передачи термической энергии от криогенного энергоносителя жидкой теплопередающей среде во втором трубопроводе, который связан с первым теплообменником, благодаря чему теплопередающая среда испаряется и ее выпускают из второго трубопровода,

iii) транспортируют жидкий энергоноситель через первый трубопровод,

iv) транспортируют теплопередающую жидкую среду через второй трубопровод в противотоке относительно криогенного энергоносителя,

v) осуществляют испарение жидкого криогенного энергоносителя на месте выхода из первого трубопровода путем передачи термической энергии от газообразной теплопередающей среды на жидкий криогенный энергоноситель в первом трубопроводе, который находится в контакте со вторым теплообменником, за счет чего теплопередающая среда сжижается и ее подают во второй трубопровод, и

vi) выпускают газообразный криогенный энергоноситель из первого трубопровода.

В предпочтительном примере выполнения способа газообразную теплопередающую среду в месте второго теплообменника вводят во второй трубопровод из окружающей среды и в месте первого теплообменника выпускают в окружающую среду.

В другом предпочтительном примере выполнения способа газообразную теплопередающую среду в третьем трубопроводе, который термически изолирован от первого и второго трубопровода, возвращают от первого теплообменника ко второму теплообменнику и там в жидкой форме снова вводят во второй трубопровод.

В еще одном предпочтительном варианте выполнения способа в проходящем параллельно первому и второму трубопроводам третьем трубопроводе транспортируют газообразный энергоноситель, который получают при испарении криогенного энергоносителя. Подачу газообразного энергоносителя можно осуществлять в одном или нескольких любых местах сети трубопроводов, например в месте подачи криогенного энергоносителя в первый трубопровод, или можно в одном или нескольких местах первого трубопровода предусмотреть соединение с третьим трубопроводом, с помощью которого превращенный в пар энергоноситель подают в третий трубопровод. Газообразный энергоноситель в третьем трубопроводе можно выгружать на обоих концах этого трубопровода, чтобы в месте потребителя использовать, например, с выпущенным из первого трубопровода и превращенным в пар энергоносителем, или в месте подачи криогенного энергоносителя подвергнуть сжижению и подать в первый трубопровод.

С помощью описанной системы регенерации энергии получают дополнительные возможности для экономики на базе водорода. Сжижение воздуха у потребителя можно, например, использовать для того, чтобы разделить азот и кислород воздуха. Концентрированный кислород можно, например, использовать в топливном элементе, что делает топливный элемент более эффективным. В этом случае возвращается к месту сжижения водорода только жидкий азот или воздух с пониженным содержанием кислорода. Является также возможным собирать и разлагать жидкий воздух в централизованном месте и оттуда направлять кислород и азот для других применений или на продажу.

Криогенное транспортирование жидкости и объединение двух или нескольких трубопроводов открывает возможность оснастить систему трубопроводов дополнительными функциями передачи, которые еще больше повышают рентабельность.

Известны многофункциональные трубопроводы, так называемые Umbilical-Pipes, которые объединяют линии для массопередачи, электрические линии и сигнальные линии. По такому же принципу могут развиваться описанные криогенные линии. В простейшем случае отдельные электропроводящие линии при условии взаимной изоляции могут использоваться в качестве электрических проводов для передачи тока и сигналов, так что не требуется никаких дополнительных кабелей.

Особый вариант выполнения многофункциональных трубопроводов («Umbilical») в комбинации с массопередачей криогенных жидких энергоносителей называется в дальнейшем «Kryumbilical». Вариант выполнения с параллельными линиями для массопередачи, тока и сигналов показывает фиг.2. В качестве сигнальных линий можно рассматривать электрические провода или также стекловолокна.

В качестве особенно предпочтительного варианта выполнения Kryumbilicals предлагается и уже используемые для транспортировки водорода низкие температуры до ниже 21 К одновременно использовать для сверхпроводящих линий электропередачи и передачи сигналов. Известны высокотемпературные сверхпроводящие линии электропередачи, которые уже при -135°С теряют свое электрическое сопротивление.

Уже достаточно материалов, которые эффективны выше температуры жидкого воздуха, например, при 80 К. Чем ниже температура, тем больше таких материалов имеется в распоряжении. Такие сверхпроводники могут устанавливаться параллельно в тепловом контакте с имеющими низкую температуру трубопроводами, например, путем обмотки или покрытия трубопроводов этими материалами, или в качестве отдельных кабелей.

Известно, что с помощью сверхпроводящих линий электропередачи значительно повышается производительность передачи высокочастотной энергии и сильно снижаются потери. Известны демонстрации с большим успехом сверхпроводящих компонентов для электрических сетей. Так, например, в Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 5. Edition, Vol. A 25, S.734 представлен трехфазный высокотемпературный сверхпроводящий кабель, в котором для охлаждения используется жидкий азот.

Недостатком этих разработок является то, что необходимые низкие температуры вызывают дополнительные технические и экономические издержки.

Из выкладки DE 19501332 А1 известно, что в качестве сверхпроводящего высокочастотного кабеля используют коаксиальные системы труб, причем для охлаждения во внутренней трубе коаксиальной системы используют протекающий жидкий азот.

В противоположность этому с помощью системы энергоснабжения согласно изобретению экономически возможно широкое поле применения и обеспечения любых потребителей, как, например, частное домашнее хозяйство. В предложенном здесь предпочтительном варианте выполнения - в одновременном применении линий для криогенных энергоносителей и для передачи электрического тока и сигналов - этот недостаток преодолевается, так как можно провести разделение затрат.

Комбинация передаточных функций предоставляет дальнейшие преимущества для сети трубопроводов для криогенных энергоносителей. В любом месте сети трубопроводов имеется в распоряжении в многофункциональном выполнении возможность передачи электрической энергии и сигналов в целях измерений, управления и регулирования. Таким образом можно создать, например, функции, которые еще больше повышают надежность работы и функционирование линий и сети. Это могут быть, например, клапанные распределения в местах разветвления или контроль таких рабочих параметров, как, например, давление, температура или герметичность. Так как нельзя полностью исключить прохождение тепла через изоляцию, то также возможно через периодические интервалы времени включать холодильные машины. В качестве специального варианта выполнения рекомендуются производители холода, которые работают по принципу Gifford-McMahon. Они отличаются высокой надежностью и длительным сроком службы и поэтому используются среди прочего в космонавтике.

В специальном варианте выполнения составляющей части трубопровода согласно изобретению в качестве теплообменника используется импульсная трубка, называемая также охладитель с помощью импульсной трубки. Очень предпочтительное применение и выполнение охладителей с помощью импульсной трубки получается в комбинации с описанным выше трубопроводом Kryumbilical.

На чертежах изобретение поясняется более подробно. Ограничения этим не предусматривается.

На чертежах показаны:

фиг.1 - принципиальный эскиз сети энергоснабжения согласно изобретению;

фиг.2 - вариант выполнения трубопровода Kryumbilical с параллельными линиями массопередачи, электрического тока и сигналов, в поперечном сечении;

фиг.3 - другой вариант выполнения трубопровода Kryumbilical с параллельными линиями массопередачи, а также линией для boil-off газа, в поперечном сечении;

фиг.4 - вариант выполнения другого трубопровода Kryumbilical с параллельными линиями массопередачи, электрического тока и сигналов, а также с линией для boil-off газа, в поперечном сечении;

фиг.5 - вариант выполнения для интеграции двойной импульсной трубки в трубопровод Kryumbilical, в продольном разрезе.

На фиг.1 показан очень упрощенно вариант системы, при котором газообразный водород подается через загрузочное устройство (10) для газообразного водорода, с помощью применения теплообменника (11) сжижается в устройстве (12) конденсатора/испарителя и через систему (15) трубопроводов направляется потребителю/потребителям. В противотоке через устройство для подачи воздуха направляется газообразный воздух (20) через теплообменник (18), находящийся в конденсаторе/испарителе (17), там сжижается, возвращается в систему (15) трубопроводов и через теплообменник (11) используется при сжижении водорода для поглощения тепла и в виде газообразного воздуха (24) выводится из системы. В конденсаторе/испарителе (17) параллельно процессу сжижения воздуха осуществляется испарение жидкого водорода, который направляется потребителю в виде газообразного водорода (19).

На фиг.1 показана, далее, буферная емкость (13, 16, 21, 23) для водорода или воздуха, а также насосы (14, 22). Система (15) трубопроводов содержит, кроме того, еще и ответвления (25) к другим потребителям.

На фиг.2 показан пример трубопровода Kryumbilical в поперечном сечении. Представлен трубопровод для криогенного водорода (первая линия; (1)), трубопровод для криогенного воздуха (вторая линия; (2)), пленочная изоляция с включением СО₂ (3), наружная оболочка (4), изолирующий материал (5), электрические кабели (6), электрическая изоляция (7), а также сигнальные линии (8).

На фиг.3 показан другой пример трубопровода Kryumbilical в поперечном сечении. Представлены трубопровод для криогенного водорода (первая линия (1)), трубопровод для криогенного теплоносителя, например воздуха или азота (вторая линия; (2)), трубопровод для газообразного энергоносителя, например boil-off газа (третья линия; (103)); пленочная изоляция с включением СО₂ (3); тепловой экран (105) из теплопроводного материала, например медной фольги; суперизоляция (106) теплонесущих линий; газонепроницаемые промежуточные оболочки (107); изоляция (5); другая газонепроницаемая промежуточная оболочка (109); изолирующая наружная оболочка (110); и наружное защитное покрытие (111).

Представленный на фиг.3 трубопровод Kryumbilical имеет три линии для массопередачи. По первой линии (1) направляется криогенный водород. Эта линия окружена пленочной изоляцией (3). Вторая линия (2) проводит криогенный воздух и вместе с изолированной первой линией окружена теплопроводным материалом (105), который действует как тепловой экран. Тепло, которое проникает снаружи и попадает на тепловой экран, по меньшей мере, частично направляется через теплопроводный материал (105) ко второму трубопроводу (2). Среда теплоносителя (например, жидкий воздух) во втором трубопроводе поглощает это тепло и отводит это тепло. При этом тепло может поглощаться благодаря частичному испарению воздуха. Превращенный в пар воздух через некоторые интервалы вдоль трубопровода удаляется из системы (здесь не показано). Тепловой экран (105) также упаковывается в суперизоляцию (106), которая закрыта газонепроницаемой оболочкой (107). Третья линия (103) в этом варианте выполнения поглощает газообразный водород, который удаляется из первой линии вдоль пути транспортирования (здесь не показано). Представлены другие изоляционные материалы (110), еще одна газонепроницаемая оболочка (109) и наружное защитное покрытие или наружная оболочка (111).

Показанный на фиг.4 трубопровод Kryumbilical имеет так же три линии для массопередачи. В отличие от примера по фиг.3 линия (2) для криогенного теплоносителя и линия (103) для газообразного энергоносителя поменялись местами. Еще один тепловой экран (108) окружает внутренние изолированные линии жидкого энергоносителя (1) и газообразного энергоносителя (103). Наружный тепловой экран окружен суперизоляцией (106) и газонепроницаемой оболочкой (109). Линия (103) принимает газообразный водород, который удаляется из первого трубопровода (1) вдоль пути транспортирования или который в месте отбора жидкого энергоносителя подается в линию для газообразного энергоносителя и возвращается обратно. В этом варианте выполнения устанавливается температура газообразного энергоносителя, которая лежит между температурой жидкого энергоносителя в линии (1) и теплоносителя в линии (2).

На фиг.5 представлен вариант выполнения для интеграции двойной импульсной трубки в трубопровод Kryumbilical в продольном разрезе.

На фиг.5 показана линия (30) для криогенного водорода, линия (31) для жидкого воздуха, компрессор-цилиндр (32), компрессор-поршень (33), электромагнит (34), регенераторы (35, 40), охладители (36, 41), импульсные трубки (37, 42), устройства (38, 43) выделения теплоты, буферы (39, 44), изоляция (обозначена позицией 45), а также наружная оболочка (46).

Вариант выполнения охладителя с импульсными трубками состоит из компрессора, регенератора, импульсной трубки и при необходимости накопителя. В качестве хладагента используется предпочтительно газообразный гелий. Компрессия гелия может проводиться также на большом удалении. В этом случае необходимы, однако, клапаны на входе и выходе регенератора, которые тактами впускают сжатый газ и удаляют декомпрессированный газ. В варианте выполнения, представленном на фиг.5, компрессор находится в непосредственной близости с импульсной трубкой. Если компрессор работает как осциллирующий поршневой компрессор, то не нужны никакие клапаны. Недостатком все же является то, что между цилиндром и поршнем могут возникнуть утечки. Из-за потерь гелия теряется эффект откачки тепла. Этот недостаток преодолевается за счет выполнения охладителя с импульсной трубкой в зеркальном варианте с компрессором (32, 33) и двумя импульсными трубками (37, 42), включая два регенератора (35, 40). Осцилляция поршня (33) производится с помощью приложенного снаружи переменного в отношении силового воздействия электрического магнитного поля (34). Управление этим приводом не показано на фиг.5. Видно, что наполненное гелием пространство замкнуто, и не может возникнуть никаких утечек из общей системы. Можно допустить небольшие внутренние утечки между поршнем и цилиндром. Это позволяют достаточно большие допуски между поршнем и цилиндром. Изготовление становится проще и надежность функционирования («заедание поршня») повышается. Подобный вариант выполнения описан в выкладке DE 4220640 А1. В этом примере предлагается также общий детандер в системе поршень - цилиндр двойного действия. Интеграция в выделяющую тепло и поглощающую тепло окружающую среду не описывается.

Из представленного на фиг.5 варианта выполнения для интеграции двойной импульсной трубки в трубопровод Kryumbilical становится ясно, что в этой комбинации систему откачки тепла можно выполнить с очень малыми радиальными размерами. Объем и тем самым мощность системы позволяет растягиваться в осевом направлении. Многоступенчатые варианты выполнения можно располагать по оси друг за другом.

В комбинации с трубопроводом Kryumbilical, при которой наряду с линией (30) водорода имеется, по меньшей мере, второй трубопровод (31), который работает на низком температурном уровне, например, благодаря транспортировке жидкого азота или жидкого воздуха, используемый тепловой насос должен преодолеть лишь небольшую разность температур, отдавая поглощенное из линии водорода тепло (36, 41) второй линии на более высокий уровень (38, 43). Протекающее во второй линии вещество, например азот, отводит это тепло. Система откачки тепла благодаря этому может работать в одну или несколько ступеней с малой разностью температур и становится благодаря этому очень эффективной.

Выше было предложено, например, в точках разветвления и в узловых точках сети трубопровода Kryumbilical использовать буферные накопительные устройства. Предпочтительно эти буферные накопительные устройства можно оснастить теплообменниками так, чтобы также в этих местах можно было вмонтировать тепловые насосы.

Способ и устройства для транспортировки жидкого водорода можно, в принципе, использовать также для транспортировки жидкого природного газа. Природный газ закипает примерно при 115 К, так что сверхпроводящая линия электропередачи ограниченно возможна лишь в том случае, если материалы находятся в этом диапазоне температур. Тем не менее, также и в этом случае возможно поведение тока в трубопроводе Kryumbilical через металлические трубопроводы или через параллельные кабели. Прокладка трубопровода Kryumbilical для транспортировки жидкого природного газа может быть привлекательным промежуточным решением для упомянутого выше перехода к экономике на основе водорода. Так, например, домашние хозяйства уже имеют сети трубопроводов Kryumbilical, и газовые системы отопления могут эксплуатироваться в соответствии с этим уровнем техники.

Обобщая, предлагается топливные материалы, в частности водород, транспортировать на большие расстояния в криогенной форме по трубопроводам, совмещая транспортировку горючего вещества с процессом откачки тепла. При этом преодолеваются очень длинные дистанции между местом отбора горючего материала и местом загрузки. Циркуляционный контур процесса откачки тепла разделен в отношении материалов, причем регенерация энергии осуществляется за счет смены фаз жидкая - газообразная и газообразная - жидкая транспортируемых криогенных материалов.

Предлагается для нагревания и испарения или для охлаждения и конденсации предпочтительно использовать микротеплообменники.

Далее предлагается имеющие низкую температуру линии снабдить теплоизоляцией, при которой изолирующее вакуумирование возникает лишь при пуске в работу на месте, причем газонепроницаемое полое пространство изолирования в условиях окружающей среды заполняется газом, который при низких температурах, по меньшей мере, отчасти замерзает в твердое вещество. Предпочтительно используется конденсирующаяся двуокись углерода.

Далее предлагается, по меньшей мере, два трубопровода объединить в общую трассу и сами трубопроводы использовать для передачи электрической энергии или/и информирующих сигналов, и/или в трассу интегрировать дополнительные кабели для передачи электрического тока или сигналов. Далее предлагается использовать низкотемпературное состояние топливных трубопроводов, чтобы для передачи электрической энергии и/или сигналов применять сверхпроводящие материалы.

Многофункциональное выполнение топливных трубопроводов позволяет вдоль проведения трассы эксплуатировать холодильные машины, которые компенсируют потери холода. Далее могут быть интегрированы измерительные, регулирующие и управляющие функции.