DE102007062085A1

DE102007062085A1 - Verfahren und Einrichtung zur Stromgewinnung aus Wärme

Info

Publication number: DE102007062085A1
Application number: DE200710062085
Authority: DE
Inventors: Hermann Helmbold; Franz Wimmer
Original assignee: Conpower Energieanlagen GmbH and Co KG
Current assignee: Conpower Energieanlagen GmbH and Co KG
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25
Also published as: EP2443321A2; WO2009083184A2; WO2009083184A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Stromgewinnung aus Wärme, insbesondere bei Rankine Kreisprozessen und ORC-Verfahren, in welchem Niedertemperaturwärme zur Verstromung genutzt wird, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6. Um hierbei zu erreichen, dass eine Wärmenutzung bei Stromerzeugungsverfahren bei der Niedertemperatur weiter optimiert wird, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass direkt in der Rückführungsleitung des Verdampfermediums ein Zusatzwärmetauscher (Z-WT) vorgesehen ist, in welchen Niedertemperatur-Fremdwärme von außerhalb des Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes eingespeist wird und das zum Verdampfer rücklaufende Medium damit vorwärmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Stromgewinnung aus Wärme, insbesondere bei Rankine Kreisprozessen und ORC-Verfahren, in welchem Niedertemperaturwärme zur Verstromung genutzt wird, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
In bekannten Rankine-Kreisprozessen wie das ORC-Verfahren (Organic-Rankine-Cycle) wird in einer Verdampferstufe ein Medium verdampft. Dieser Dampf wird einer Turbine zugeleitet, die damit betrieben wird. Eine mechanische Koppelung mit einem Generator erzeugt aus dieser Bewegungsenergie sodann Strom. Hinter der Turbine hat sich der Dampf somit wieder entspannt und wird einem Kondensator zugeführt, von wo aus über eine Pumpe das Medium wieder zurückgeführt wird.
Bei der Stromgewinnung aus Wärme sind in Kraftwerken Verdampfer im Einsatz, bei welchen vor Eintritt des entspannten, noch Restwärme tragenden Mediums in den Kondensator dasselbe einem Restwärmetauscher zugeführt wird. Diese Restwärme dient dabei zur Vorwärmung des rücklaufenden Mediums zum Verdampfer. Diese Methode nennt man Rekuperation. Eine solche Methode ist aus der EP 0275 121 A3 bekannt.
Dabei wird jedoch lediglich die Restwärme des entspannten Mediums hinter der Turbine genutzt. Eine solche Rekuperation ist in der Anwendung auf ein Niedertemperaturverfahren wie ORC nicht effizient.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiterzuentwickeln, dass eine Wärmenutzung bei Stromerzeugungsverfahren bei der Niedertemperatur weiter optimiert wird.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2–5 angegeben.
Hinsichtlich einer Einrichtung ist die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 6 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Kern der Erfindung ist, dass direkt in der Rückführungsleitung des Verdampfermediums ein Zusatzwärmetauscher (Z-WT) vorgesehen ist, in welchen Niedertemperatur-Fremdwärme von außerhalb des Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes eingespeist wird und das zum Verdampfer rücklaufende Medium damit vorwärmt. Dabei besteht ein wesentlicher Unterschied zur eingangs beschriebenen Rekuperation. Bei der Erfindung wird Fremdwärme mit in die Vorwärmung einbezogen. Bei der Rekuperation wird systemeigene wärme direkt hinter der Entspannung und vor Eingang in den Kondensator zur Zulaufleitung zum Verdampfer zurückgekoppelt. Bei der vorliegenden Erfindung hingegen wird Fremdwärme, die außerhalb des geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Medienkreislaufes erzeugt wird über einen Wärmetauscher (Zusatzwärmetauscher) als „Fremdwärme" mit eingebracht, um die Vorwärmung des Mediums vor Eintritt in den Verdampfer vorzunehmen. Dies führt zu einer weiteren deutlichen Steigerung des Wirkungsgrades bei Anwendung bspw der Kraft-Wärme-Kopplung.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung der Verdampfer des ORC-Verdampfer-Kondensatorkreislaufes direkt aus der Motorkühlung einer Verbrennungsmaschine mit thermischer Energie gespeist wird, und die Niedertemperatur-Fremdwärme zur Speisung des Zusatzwärmetauschers aus einem Ladeluftkühler der Verbrennungsmaschine mittels eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmediums gespeist wird. Mit der Abwärme der Motorkühlung wird die Eingangsseite des Verdampfers gespeist d. h. bei der höheren verfügbaren Temperatur.
Hingegen die Abwärme übriger Aggregate (bei niedrigerer Temperatur) wie Ladeluftkühler, Kompressor usw wird dem Zusatzwärmetauscher zur Vorwärmung des in den Verdampfer zurückgeführten Mediums aus dem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes zugeführt. D. h. die Vorwärmung des besagten Mediums im geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf erfolgt im Gegensatz zum eingangs beschriebenen Stand der Technik nicht durch Rekuperation der eigenen Wärme aus dem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf selbst, sondern durch zusätzlich zugeführte Fremdwärme (Fremdwärme ist Wärme, die nicht aus dem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf selbst stammt) aus den Zusatzaggregaten wie Ladeluftkühler Kompressor usw.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Eingangstemperatur zum Zusatzwärmetauscher in einem Bereich zwischen 55°C und 75°C liegt. Damit liegt diese zusätzliche Wärmeenergie bei einer Zustandsgröße d. h. bei einer Temperatur vor, die niedriger ist als die Temperatur, die an der Wärmetauschung am Eingang des Verdampfers liegt. Somit eignet sich diese Wärme zur Vorwärmung, wozu, weil es zusätzlich genutzte Fremdwärme ist, die Gesamtwärmenutzung des Systems deutlich erhöht.
Dies liegt im übrigen bei der im Stand der Technik bekannten und oben beschriebenen Rekuperation NICHT vor, weil bei der bekannten Rekuperation nur die im System des geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes eigene Wärme zur Vorwärmung genutzt wird.
Bei der Erfindung hingegen wird WEITERE Wärme (Fremdwärme) eingebracht und erhöht den Wirkungsgrad des gesamten Systems damit deutlich, weil die Wärmeenergie bei niedrigerer Temperatur, die die Zusatzaggregate des Motors liefern, bei bekannten Verfahren nicht genutzt wird. Nur weil diese niedrigere Temperatur nicht ausreicht um das Medium im Verdampfer zu verdampfen oder den erwünschten Arbeitsdruck zu erreichen, wird sie bei bekannten Verfahren ungenutzt weggekühlt. Bei der Erfindung dient diese aber der besagten Vorwärmung, die den Wirkungsgrad weiter erhöht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist daher angegeben, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung die Niedertemperatur-Fremdwärme aus einem Kompressor einer Kolben-Kraft- oder Verbrennungsmaschine mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium entnommen und dem Zusatzwärmetauscher (Z-WT) zugeführt wird.
Hinsichtlich einer Einrichtung besteht der Kern der Erfindung darin, dass in der Rückführungsleitung ein von Fremdwärme außerhalb des Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes gespeister Zusatzwärmetauscher zur Vorwärmung des Mediums angeordnet ist.
Vorteilhaft ausgestaltet ist dabei, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung die thermische Energie zum Betrieb des Verdampfers entnehmbar ist und die Niedertemperatur-Fremdwärme aus einem Ladeluftkühler einer Kolben-Kraft- oder Verbrennungsmaschine mit einem Kühlmedium entnehmbar und über eine thermisch isolierte Leitung mit dem Zusatzwärmetauscher (Z-WT) verbunden ist.
Weiterhin vorteilhaft ist ausgestaltet, dass ein Temperaturfühler an einem Fremdwärme liefernden Aggregat vorgesehen ist, welcher mit einer Ventileinrichtung der Zuleitung von Fremdwärme zum Zusatzwärmetauscher temperaturgeregelt korrespondiert. So kann der Prozess in den optimalen Arbeitspunkt gesteuert werden.
Vorteilhaft ausgestaltet ist auch, dass die Fremdwärmequelle der Ladeluftkühler einer Verbrennungsmaschine ist.
Ebenso vorteilhaft ist die Platzierung des Zusatzwärmetauschers Z-WT in der Rückführungsleitung zwischen Rückführungspumpe und Eingang zum Verdampfer angeordnet ist. Damit erfolgt eine ortsnahe Vorwärmung.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass die Wärmequelle für den Verdampfer die Hauptabwärme einer Biogaserzeugungsanlage ist, und die Wärmequelle für den Zusatzwärmetauscher die Nachwärme aus dem Fermenter oder aus dem Trockner ist, die mittels eines Kühlmediums dem Zusatzwärmetauscher zuführbar ist.
Die Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher erläutert.
Es zeigt:
1: Ausführungsform der Erfindung mit Zusatzwärmetauscher
2: Stand der Technik
1 zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung. Dargestellt ist eine ORC-Kreislauf, bei welchem in diesem Beispiel die direkte Abwärme aus dem Motorkühler einer Verbrennungsmaschine über einen Wärmetauscher 10 einem Verdampfer 1 zugeführt wird. Die Einspeisetemperatur eines vom Motorhauptkühler kommenden Kühlmittels in den Wärmetauscher 10 liegt bei etwa 75°C bis 105°C. Dieser Verdampfer 1 beinhaltet ein Medium, welches bei einer niedrigen Temperatur (niedriger als 100°C) verdampft. Dieses verdampfte Medium erzeugt dabei einen Dampfdruck, mit welchem eine Turbine 3 angetrieben wird. Die Turbine 3 ist mit einem Generator 4 gekoppelt, welcher aus der über die Turbine umgesetzten kinetischen Energie nun elektrische Energie erzeugt. Nach Entspannung des Mediums in der Turbine 3 wird dieses einem Kondensator 2 zugeführt, in welchem ein Wärmetauscher 20 das Medium abkühlt. Über eine Rückführpumpe 5 wird das Medium wieder dem Verdampfer 1 zurückgeführt.
Das Medium ist im übrigen auch leicht flüchtig, so dass es in einem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf fließt.
Gemäß der Erfindung wird nun ein Zusatzwärmetauscher Z-WT in dem Rückführungsweg des aus dem Kondensator 2 kommenden abgekühlten Mediums angeordnet. Hierbei wird erfindungsgemäß nunmehr wärme nicht aus dem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf selbst entnommen, sondern Fremdwärme, d. h. per Definition „nicht direkt aus dem geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislauf kommende wärme" in das System eingespeist.
Diese kann in diesem Ausführungsbeispiel die Abwärme aus dem Ladeluftkühler 8 und/oder Kompressor der oben erwähnten, hier nicht weiter dargestellten Verbrennungsmaschine sein. Diese Abwärme liegt noch bei einer niedrigeren Temperatur vor als die Wärme der Motorhauptkühlung, mit welcher der Wärmetauscher 10 im Verdampfer betrieben wird, nämlich bei etwa 55°C bis 75°C. Diese Wärme wird dabei mit einem gesonderten Kühlmittel, vom Ladeluftkühler 8 und/oder vom Kompressor kommend dem Zusatzwärmetauscher Z-WT zugeführt.
Diese Wärmezufuhr kann über einen Temperaturfühler 6 am Ladeluftkühler 8, d. h. im Kühlkreislauf desselben angeordnet sein.
Der Temperaturfühler 6 regelt dann über ein Ventil und/oder eine Pumpe 7 die Zufuhr des Ladeluftkühlmittels zum Zusatz-Wämetauscher Z-WT.
Die dabei vorliegenden Wärmeenergie, bzw das Temperaturniveau derselben ist zwar niedriger, aber es dient in geeigneter Weise der Vorwärmung des rückgeführten Mediums in den Verdampfer. Damit wird zusätzliche an der Verbrennungsmaschine ansonsten ungenutzte Abwärme mit eingespeist und der Wirkungsgrad der gesamten wärme-Verstromung wird weiter gesteigert.
Dabei kann die gezeigte Einrichtung auch bei Biogasanlagen verwendet werden, bei welcher aus zusätzlichen im Gär- oder Trockungsprozess anfallenden Wärme, die bei einer Temperatur niedriger als der Verdampfungstemperatur des Mediums vorliegt, bei welcher dann eine Nutzung derselben herbeiführbar ist.
2 zeigt zur Verdeutlichung der Unterschiede nochmals den Stand der Technik. Beim Stand der Technik wird durch die sogenannte Rekuperation die systemeigene Energie, bspw nach Entspannung des Mediums in der Turbine 3 diese einem Rekuperationswärmetauscher R-WT zugeführt, um damit das rücklaufende Medium vorzuwärmen. Dabei wird wie gesagt aber systemeigene Wärme abgezweigt, die vorher dem System insgesamt zugeführt werden muss.
Bei der vorliegenden Erfindung gemäß 1 wird hingegen zusätzliche Wärmeenergie von außerhalb des geschlossenen Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes, d. h. als Fremdwärme zugeführt. Diese liegt bei niedriger Temperatur vor und wird deshalb zur Vorwärmung verwendet.
Dies ist bei der vorliegenden Erfindung gegenüber dem Stand der Technik eine echte externe weitere Energie, die genutzt wird.

1: Verdampfer
2: Kondensator
3: Turbine
4: Generator
5: Rückführpumpe
6: Temperaturfühler
7: Ventil und/oder Pumpe
8: Ladeluftkühler
Z-WT: Zusatzwärmetauscher
R-WT: Rekuperationswärmetauscher
10: Wärmetauscher im Verdampfer
11: Wärmetauscher im Kondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0275121 A3 [0003]

Claims

Verfahren zur Stromgewinnung aus Wärme, insbesondere bei Rankine Kreisprozessen und ORC-Verfahren, in welchem mittels eines Verdampfermediums Niedertemperaturwärme zur Verstromung genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass direkt in der Rückführungsleitung des Verdampfermediums ein Zusatzwärmetauscher (Z-WT) vorgesehen ist, in welchen Niedertemperatur-Fremdwärme von außerhalb des Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes eingespeist wird und das zum Verdampfer rücklaufende Medium damit vorwärmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung der Verdampfer des ORC-Verdampfer-Kondensatorkreislaufes direkt aus der Motorkühlung einer Verbrennungsmaschine mit thermischer Energie gespeist wird, und die Niedertemperatur-Fremdwärme zur Speisung des Zusatzwärmetauschers aus einem Ladeluftkühler der Verbrennungsmaschine mittels eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium gespeist wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangstemperatur zum Zusatzwärmetauscher in einem Bereich zwischen 55°C und 75°C liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung die Niedertemperatur-Fremdwärme aus einem Kompressor einer Kolben-Kraft- oder Verbrennungsmaschine mit einem flüssigen oder gasförmigen Kühlmedium entnommen und dem Zusatzwärmetauscher (Z-WT) zugeführt wird.
Einrichtung zur Stromgewinnung aus Wärme, insbesondere bei Rankine Kreisprozessen und ORC-Verfahren, mit einem Verdampfer, einer Turbine mit einem Generator, einem Kondensator und einer Rückführungsleitung des Mediums mit Rückführungspumpe, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführungsleitung ein von Fremdwärme außerhalb des Verdampfer-Kondensator-Kreislaufes gespeister Zusatzwärmetauscher (Z-WT) zur Vorwärmung des Mediums angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Kraft-Wärme-Kopplung die thermische Energie zum Betrieb des Verdampfers (1) entnehmbar ist und die Niedertemperatur-Fremdwärme aus einem Ladeluftkühler (8) einer Kolben-Kraft- oder Verbrennungsmaschine mit einem Kühlmedium entnehmbar und über eine thermisch isolierte Leitung mit dem Zusatzwärmetauscher (Z-WT) verbunden ist.
Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperaturfühler (6) an einem Fremdwärme liefernden Aggregat (8) vorgesehen ist, welcher mit einer Ventileinrichtung und/oder einer Pumpe (7) mit der Zuleitung von Fremdwärme zum Zusatzwärmetauscher (Z-WT) temperaturgeregelt korrespondiert.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdwärmequelle der Ladeluftkühler (8) einer Verbrennungsmaschine ist.
Einrichtung nach Anspruch 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzwärmetauscher (Z-WT) in der Rückführungsleitung zwischen Rückführungspumpe (5) und Eingang zum Verdampfer (1) angeordnet ist.
Einrichtung nach Anspruch 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle für den Verdampfer (1) die Hauptabwärme einer Biogaserzeugungsanlage ist, und die Wärmequelle für den Zusatzwärmetauscher (Z-WT) die Nachwärme aus dem Fermenter oder Trockner ist, die mittels eines Kühlmediums dem Zusatzwärmetauscher zuführbar ist.