DE102009049338A1

DE102009049338A1 - ORC-Verfahren für die Abwärmenachverstromung bei Biomasseverbrennung, sowie entsprechende Einrichtung

Info

Publication number: DE102009049338A1
Application number: DE200910049338
Authority: DE
Inventors: Franz Wimmer
Original assignee: Conpower Energie GmbH and Co KG
Current assignee: Conpower Energie GmbH and Co KG
Priority date: 2009-10-14
Filing date: 2009-10-14
Publication date: 2011-05-26
Also published as: EP2561276A2; WO2011045047A2; WO2011045047A3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Niedertemperatur-ORC-Verfahren für die Abwärmenachverstromung bei Biomasseverbrennung, sowie entsprechende Einrichtung, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6. Um hierbei zu erreichen, dass der energetische Gesamtwirkungsgrad derart verbessert wird, dass die Effizienz der Biomassenutzung insgesamt steigt, ist erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Verdampfer baulich genau auf die angestrebte Enthalpiedifferenz auf der Siedelinie vor und nach der Verdampfung ausgelegt ist, indem hierfür ein steuerbarer Wärmetauscher dem Verdampfer vorgeschaltet ist, welcher auf die Enthalpiedifferenz zwischen Pumpe und Eintritt in die Siedelinie des Verdampfers gesteuert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Niedertemperatur-ORC-Verfahren für die Abwärmenachverstromung bei Biomasseverbrennung, sowie entsprechende Einrichtung, gemäß Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 6.
Es sind Niedertemperatur-OCR-Anlagen zur Nutzung von Niedertemperaturabwärme bekannt, die mit OCR-Medien arbeiten, deren Siedepunkt deutlich unter 100°C liegt. So kann auch Abwärme genutzt werden, wie diese bspw bei Verbrennungmaschinen anfällt. Diese Niedertemperaturabwärme wird ansonsten gegen Luft gekühlt, und somit ungenutzt belassen.
Bei Energieerzeugungsprozessen mit Nutzung regenerativer Energieträger ist die Wirkungsgradbilanz aber von erheblicher Bedeutung.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass der energetische Gesamtwirkungsgrad derart verbessert wird, dass die Effizienz der Biomassenutzung insgesamt merklich steigt.
Die gestellte Aufgabe ist bei einem Verfahren der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.
Im Hinblick auf eine Einrichtung der gattungsgemäßen Art ist die Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 6 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung bzw sind in den übrigen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Kern der verfahrensgemäßen Erfindung ist, dass der Verdampfer baulich genau auf die thermodynamisch angestrebte Enthalpiedifferenz auf der Siedelinie vor und nach der Verdampfung ausgelegt ist, indem diese vorher exakt bestimmt und dimensioniert wird und hierfür ein steuerbarer Wärmetauscher dem Verdampfer vorgeschaltet ist, welcher auf die Enthalpiedifferenz des Kreislaufmediums zwischen Pumpe und Eintritt in die Siedelinie des Verdampfers gesteuert wird. Dies hat zur Konsequenz, dass durch die nicht mehr notwendige bauliche Überauslegung des Verdampfers die Einrichtung kostengünstiger, aber auch effizienter, da arbeitspunktgenauer wird. Durch die gezielte Steuerung des Prozesses auf die nunmehr fest vorgegebene Verdampferkapazität oder -größe wird der Prozess auch insgesamt wirkungsgradoptimiert. Die anfallende Abwärme aus der zusätzlichen Kühlung kann je nach Größe der Einrichtung entweder an anderer Stelle als Vorwärme genutzt werden, oder bei baulich großen Einrichtungen kann dies in einem zweistufigen Prozess, der aus Hochtemperatur-OCR-Anlage und Niedertemperatur-OCR-Anlage besteht 2-stufig genutzt werden. Dies bedeutet, dass diese erfindungsgemäße Abwärme durch Kühlung, die im Hochtemperatur-Prozess anfällt ggfs sogar als zusätzliche Vorwärme für den kombinierten Niedertemperatur-Prozess genutzt werden kann.
Analog zur Anwendung bei der Verdampfung, kann in vorteilhafter Weise dies auch beim Kondensator angewendet werden, indem nach der Entspannung des OCR-Mediums nach einer Turbine oder Entspannungsmaschine vor Eintritt in den Kondensator ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher die Enthalpiediffererenz zwischen Austritt Turbine/Entspannungsmaschine und zum Sattdampfpunkt auf der Kondensationslinie herunterkühlt. Im Prinzip gilt das oben Beschriebene auch hier.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass bei Einsatz eines Rekuperators, die Leistung des steuerbaren Wärmetauschers so geregelt wird, dass über den Wärmetauscher nur noch die Enthalpiedifferenz zwischen Eintritt auf die Siedelinie des Verdampfers und Austritt am Rekuperator eingestellt/gesteuert werden muss. Dies ist also auch bei der Rekuperation so.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann die Kühlung gegen Außenluft erfolgen, oder alternativ dazu gegen ein Wärmereservoir. Im letztgenannten Fall betrifft dies die oben beschriebene geeignete Rezyklizierung der Wärme in einem komplexen Prozess.
Im Hinblick auf einer ORC-Einrichtung besteht der Kern der Erfindung darin, dass der Verdampfer baulich genau auf die angestrebte Enthalpiedifferenz auf der Siedelinie vor und nach der Verdampfung ausgelegt ist, indem hierfür ein steuerbarer Wärmetauscher dem Verdampfer vorgeschaltet ist, welcher auf die Enthalpiedifferenz zwischen Pumpe und Eintritt in die Siedelinie des Verdampfers gesteuert wird. Dies ist die einfache bauliche Umsetzung des Verfahrens.
In vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass auf der Entspannungseite einer Turbine oder Entspannungsmaschine vor Eintritt in den Kondensator ein weiterer Wärmetauscher/Rekuperator im ORC-Zyklus angeordnet ist, welcher die Enthalpiediffererenz zwischen Austritt Turbine/Entspannungsmaschine und zum Sattdampfpunkt auf der Kondensationslinie herunterkühlt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Wärmetauscher ein Kühler ist oder mit einem Kühler verbunden ist, welcher gegen Außenluft oder gegen ein Wärmereservoir kühlt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Wärmetauscher/Rekuperator das kondensierte OCR-Medium thermisch anhebt und mit dem Vorerhitzer verbunden ist.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt.
Es zeigt:
1: Darstellung der Erfindung anhand des P über E Diagramms.
2: Komponenten einer OCR-Anlage
1 zeigt das Verfahren anschaulich anhand eines Diagramms Druck über Enthalpie.
Die linke Linie ist die besagte Siedelinie S. Die Linie rechts die Taulinie T. Diese Linien werden im Kreisprozess angefahren. Über den in 2 noch näher beschriebenen Vorerhitzer wird die Anlage mit dem darin enthalten OCR-Medium in Richtung der Siedlinie S gebracht. Von dort durchläuft der Prozess dann den Siedebereich bis zur Taulinie T. Daran schließt sich die Entspannung über die Turbine an. Der Druck fährt dann nach unten, aber landet noch neben der Tauline T. Damit ist bereits der Kondensationsdruck erreicht, aber noch nicht die Kondensationstemperatur. Diese wird dann mittels des in 2 dargestellten Rekuperators erreicht, bis der Prozess wieder über die Taulinie T in den Kondensationsbereich fährt. Nachdem dieser Kondensationsbereich durchfahren ist. Von dort aus wird zunächst der Druck und dann mit dem besagten Vorerhitzer wieder die Siedelinie S angefahren.
In der Vorgehensweise gemäß diesem Diagramm wird eine Effizienzsteigerung im Wirkungsgrad erzielt.
2 zeigt die Einzelkomponenten der Erfindung bei einer OCR-Anlage. Die Anlage wird von einer Niedertemperatur-Wärmequelle gespeist, welche in diesem Beispiel Wasser bei einer Temperatur von 85°C ist. Dies kann bspw Kühlwasser einer Verbrennungskraftmaschine sein. Innerhalb eines Verdampfers wird damit einem OCR-Medium Wärme zugeführt und verdampft. Die Siedelinie wird eingestellt auf 70°C bei einem Druck von 2,9 Bar. Um erfindungsgemäß diese Siedelinie anzufahren, wird über einen zusätzlichen, als Vorerhitzer arbeitenden Wäremtauscher das Wasser wieder bei einer Temperatur von 75°C aus dem Verdampfer herausgeleitet. Das heisst, das in den integrierten Wärmetauscher des Verdampfers eingeleitete Wasser bei 85°C wird bei 75°C gezielt wieder herausgeleitet, um die Siedelinie bei 70°C exakt zu halten. So wird eine bauliche Optimierung des Verdampfers erreicht. Zwischen den Temperaturniveaus von 70°C für das OCR-Medium und den 75°C für das abgeführte Wasser liegt genau die spezifisch benötigte Verdampfungsenthalpie, auf die somit geregelt wird.
Dabei wird die so durch das Wasser herausgeleitete Wärme aus dem Verdampfer an anderer Stelle genutzt. So wird damit ein Vorerhitzer betrieben. Dieser ist in den Kreislauf des dargestellten Rekuperators geschaltet und führt eine Wärme von 70°C und ein Druck von 3 Bar zurück in den Verdampfer.
Das im Verdampfer verdampfte OCR-Medium wird an auf eine Turbine einer Turbine-Generator-Anordnung geleitet und am Ausgang ist das Medium auf 52°C abgekühlt und auf 0,83 Bar entspannt. Der besagte Rekuperator entnimmt weiter Wärme und reduziert das Temperaturniveau des OCR-Mediums auf 31°C bei einem Druck von 0,8 Bar, bevor es in einem Kondensator letztlich wieder kondensiert wird. Dieser wird gezielt an Luft oder eine quasi unendlichen Wärmereservoir gekühlt. Das OCR-Medium wird über eine Pumpe bei 29°C und einem Druck von 0,78 Bar aus dem Kondensator geleitet, welches hinter der Pumpe vor Eintritt in den Rekuperator wieder 3,23 Bar erreicht bei eine Temperatur von nach wie vor 29°C.
Der Rekuperator nutzt nun die von Abströmbereich der Turbine kommende Wärme auf einem Temperaturniveau von 52°C ausund heizt den Rücklauf des OCR-Mediums vom Verdampfer wieder auf ein Temperaturniveau von 47°C bei einem Druck von 3,13 Bar auf. Danach läuft es über den Vorerhitzer, wird auf 70°C angehoben und dann bei 3,0 Bar Druck wieder in den Verdampfer geführt. Der Kreislauf ist damit wieder geschlossen.
Bezugszeichenliste

1: Verdampfer
2: Kondensator
3: Vorerhitzer
4: Rekuperator/Wärmetauscher
5: Pumpe
6: Turbine/Generator-Baugruppe
S: Siedelinie
T: Taulinie

Claims

OCR-Verfahren für die Abwärmenachverstromung bei Biomasse- oder Biotreibstoffverbrennung, bei welchem die Abwärme aus der primären Direkt-Energieerzeugung aus Biomasse oder Biotreibstoff einem Verdampfer eines OCR-Mediums einer Niedertemperatur-OCR-Anlage zugeführt wird, und das verdampfte OCR-Medium einer Turbine oder einer Entspannungsmaschine zugeführt wird, die mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer baulich genau auf die thermodynamisch angestrebte Enthalpiedifferenz auf der Siedelinie vor und nach der Verdampfung ausgelegt ist, indem diese vorher exakt bestimmt und dimensioniert wird und hierfür ein steuerbarer Wärmetauscher dem Verdampfer vorgeschaltet ist, welcher auf die Enthalpiedifferenz des Kreislaufmediums zwischen Pumpe und Eintritt in die Siedelinie des Verdampfers gesteuert wird.
OCR-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Entspannung des OCR-Mediums nach einer Turbine oder Entspannungsmaschine vor Eintritt in den Kondensator ein weiterer Wärmetauscher vorgesehen ist, welcher die Enthalpiediffererenz zwischen Austritt Turbine/Entspannungsmaschine und zum Sattdampfpunkt auf der Kondensationslinie herunterkühlt.
OCR-Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Einsatz eines Rekuperators, die Leistung des steuerbaren Wärmetauschers so geregelt wird, dass über den Wärmetauscher nur noch die Enthalpiedifferenz zwischen Eintritt auf die Siedelinie des Verdampfers und Austritt am Rekuperator eingestellt/gesteuert werden muss.
OCR-Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung gegen Außenluft erfolgt.
OCR-Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung gegen ein Wärmereservoir erfolgt.
OCR-Einrichtung für die Abwärmenachverstromung bei Biomasse- oder Biotreibstoffverbrennung, bei welchem die Abwärme aus der primären Direkt-Energieerzeugung aus Biomasse oder Biotreibstoff einem Verdampfer eines OCR-Mediums einer Niedertemperatur-OCR-Anlage zugeführt wird, und das verdampfte OCR-Medium einer Turbine oder einer Entspannungsmaschine zugeführt wird, die mit einem Generator zur Erzeugung elektrischer Energie verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) baulich genau auf die angestrebte Enthalpiedifferenz auf der Siedelinie vor und nach der Verdampfung ausgelegt ist, indem hierfür ein steuerbarer Wärmetauscher als Vorerhitzer (3) dem Verdampfer vorgeschaltet ist, welcher auf die Enthalpiedifferenz zwischen Pumpe (5) und Eintritt in die Siedelinie des Verdampfers (1) gesteuert wird.
OCR-Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Entspannungseite der Turbine oder Entspannungsmaschine (6) vor Eintritt in den Kondensator (2) ein weiterer Wärmetauscher/Rekuperator (4) im OCR-Zyklus angeordnet ist, welcher die Enthalpiediffererenz zwischen Austritt Turbine/Entspannungsmaschine und zum Sattdampfpunkt auf der Kondensationslinie herunterkühlt.
OCR-Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher/Rekuperator (4) ein Kühler ist oder mit einem Kühler verbunden ist, welcher gegen Außenluft oder gegen ein Wärmereservoir kühlt.
OCR-Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher/Rekuperator (4) das kondensierte ORC-Medium thermisch anhebt und mit dem Vorerhitzer (3) verbunden ist.