DE19921336A1 - Heat-driven power station combines discrete carbon dioxide and ammonia gas circuits to operate at higher conversion efficiency ratio - Google Patents
Heat-driven power station combines discrete carbon dioxide and ammonia gas circuits to operate at higher conversion efficiency ratioInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Kraftwerkstechnik, welche mittels zweier miteinander thermisch gekoppelter Kreisläufe aus Wärmeenergie elektrische Energie (d. h. Strom) gewinnt.The invention relates to a power plant technology, which means two thermally coupled circuits Thermal energy electrical energy (i.e. electricity) wins.
Bekannt sind konventionelle Dampfkraftwerke. Nachteilig ist der geringe Wirkungsgrad und die besonderen Voraussetzungen, die für konventionelle Dampfkraftwerke erforderlich sind.Conventional steam power plants are known. The disadvantage is that low efficiency and the special conditions that are required for conventional steam power plants.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein thermisches Kraftwerk, insbesondere zur Erzeugung elektrischer Energie, zu schaffen mit verbessertem Wirkungsgrad und verbesserten Einsatzmöglichkeiten.The object of the invention is a thermal power plant, especially to generate electrical energy with improved efficiency and improved Possible uses.
Die Lösung erfolgt mit einem thermischen Kraftwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.The solution is a thermal power plant with the Features of claim 1. Advantageous embodiments of the Invention are presented in the subclaims.
Gemäß der Erfindung weist ein thermisches Kraftwerk,
insbesondere zur Erzeugung elektrischer Energie, zwei getrennte
geschlossene Kreisläufe auf, die über Wärmetauscher
zusammenwirken, wobei die getrennten geschlossenen Kreisläufe
jeweils unterschiedliche Medien enthalten, die mindestens eine
Vorrichtung zum Aufheizen, einen Kondensator und einen
Kompressor durchlaufen. Das Medium eines Kreislaufs treibt über
eine Turbine einen elektrischen Generator an. Das
erfindungsgemäße thermische Kraftwerk besteht aus einem
Kondensationskreislauf (dem CO2 Kreislauf) und einem
nachgeschalteten zweiten Kreislauf für die erforderliche
Lieferung der Kälteleistung (bzw. Kühlleistung) für den CO2
Kreislauf und zur "teilweisen" Rückführung der Kondensatabwärme
(aus dem CO2 Kreislauf). Durch diese beiden miteinander
gekoppelten. Kreisläufe ergibt sich ein hoher Wirkungsgrad
hinsichtlich der Ausnutzung der thermischen Energie und zwar
aus folgenden Gründen:
According to the invention, a thermal power plant, in particular for generating electrical energy, has two separate closed circuits which work together via heat exchangers, the separate closed circuits each containing different media which pass through at least one heating device, a condenser and a compressor. The medium of a circuit drives an electrical generator via a turbine. The thermal power plant according to the invention consists of a condensation circuit (the CO 2 circuit) and a downstream second circuit for the necessary delivery of the cooling capacity (or cooling capacity) for the CO 2 circuit and for the "partial" return of the condensate waste heat (from the CO 2 circuit) . Through these two coupled together. Circulations result in a high degree of efficiency with regard to the use of thermal energy, for the following reasons:
- - durch den erweiterten thermischen Arbeitsbereich bis auf 0°C anstelle auf ca. 30°C und- due to the extended thermal working range 0 ° C instead of approx. 30 ° C and
- - durch die Rückführung der Kondensatabwärme in den CO2 Kreislauf. Die Erfindung zielt vor allem auf kleinere bis mittlere Kraftwerkseinheiten (z. B. für Blockheizkraftwerke). Grundsätzlich ist der Aufbau als technische Alternative zum konventionellen Dampfkreislauf geeignet, wobei der Brennstoff in dieser Anordnung zur Erwärmung (Verdampfung) des CO2 benutzt wird. Durch die teilweise Rückführung der Kondensatabwärme und den erweiterten Temperaturbereich des thermischen Prozesses der Erfindung wird ein besserer Wirkungsgrad als bei normalen Dampfkraftwerken erreicht werden. Diese erfindungsgemäße Lösung für die Umformung von Wärmeenergie in elektrische Energie bietet neue Chancen für den gesamten Bereich der thermischen Kraftwerke. Thermische Kraftwerke gemäß der Erfindung sind auch für solarthermische Anlagen in Gebieten mit hohen Solarenergien (wie z. B. Nordafrika) vorteilhaft. Mittels der erfindungsgemäßen Technik sollte es möglich sein mittelfristig einen großen Anteil des Strombedarfs weltweit aus solarthermischen Kraftwerken zu erzeugen. Dadurch würden ebenfalls die CO2 Emissionen stark reduziert.- by returning the condensate waste heat to the CO 2 cycle. The invention is primarily aimed at small to medium-sized power plant units (e.g. for combined heat and power plants). Basically, the structure is suitable as a technical alternative to the conventional steam cycle, with the fuel being used in this arrangement to heat (evaporate) the CO 2 . Due to the partial return of the condensate waste heat and the expanded temperature range of the thermal process of the invention, a better efficiency than in normal steam power plants will be achieved. This inventive solution for converting thermal energy into electrical energy offers new opportunities for the entire area of thermal power plants. Thermal power plants according to the invention are also advantageous for solar thermal plants in areas with high solar energy (such as North Africa). By means of the technology according to the invention, it should be possible in the medium term to generate a large proportion of the electricity demand worldwide from solar thermal power plants. This would also significantly reduce CO 2 emissions.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung enthält von den zwei getrennten geschlossenen Kreisläufe je ein geschlossener Kreislauf im wesentlichen CO2 und ein geschlossener Kreislauf im wesentlichen NH3. Der CO2 Kondensationskreislauf geht temperaturmäßig unter die Umgebungstemperatur auf ca. 0°C. Dadurch wird der thermische Arbeitsbereich gegenüber einem konventionellen Dampfkraftwerk erweitert und der Wirkungsgrad verbessert. Die erforderliche Verdichterleistung für den NH3 Kreislauf verschlechtert zwar zunächst den Wirkungsgrad, ermöglicht aber gleichzeitig eine Rücknutzung der Kondensatabwärme im CO2 Kreislauf. Die hierbei für die Verbesserung des Gesamtprozesses genutzte Kondensatabwärme ist erheblich größer (ca. das 3-fache) als die während der Betriebszeit erforderliche Verdichterleistung für die Wärmepumpe. Die Kombination der beiden Kreisläufe liefert bedingt durch die unterschiedlichen Verdampfungswärmen von CO2 und NH3 (die Verdampfungswärme von NH3 ist ca 5-10 mal höher, - abhängig vom jeweiligen Druck) eine relativ große Stoffmenge im CO2 Kreis und gleichzeitig eine minimale Stoffmenge im zweiten Kreislauf. Bedingt durch die unterschiedlichen Temperatur/Druckgradienten der beiden Stoffe erfordert der Wärmepumpenprozess gleichzeitig relativ wenig Energie für den Temperaturhub zum Zwecke der Wärmerückführung in den CO2 Kreislauf. Die hohen Temperaturen und Drücke im CO2 Kreislauf sollten für CO2 keine besonderen Werkstoffe erfordern und der NH3 Kreislauf arbeitet mit rel. niedrigen Temperaturen und Drücken, so daß auch hier keine außergewöhnlichen technischen Probleme zu erwarten sind.According to one embodiment of the invention, one of the two separate closed circuits essentially contains CO 2 and one closed circuit essentially contains NH 3 . The temperature of the CO 2 condensation circuit drops below the ambient temperature to approx. 0 ° C. This extends the thermal working range compared to a conventional steam power plant and improves efficiency. The required compressor capacity for the NH 3 circuit initially worsens the efficiency, but at the same time enables the waste heat of condensate to be reused in the CO 2 circuit. The condensate waste heat used to improve the overall process is considerably larger (approx. 3 times) than the compressor output required for the heat pump during the operating time. The combination of the two circuits, due to the different heat of vaporization of CO 2 and NH 3 (the heat of vaporization of NH 3 is approx. 5-10 times higher, depending on the respective pressure), produces a relatively large amount of substance in the CO 2 circuit and at the same time a minimal amount of substance in the second cycle. Due to the different temperature / pressure gradients of the two substances, the heat pump process also requires relatively little energy for the temperature rise for the purpose of heat recovery in the CO 2 cycle. The high temperatures and pressures in the CO 2 circuit should not require any special materials for CO 2 and the NH 3 circuit works with rel. low temperatures and pressures, so that no extraordinary technical problems are to be expected here either.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Turbine des elektrischen Generators mittels CO2 angetrieben.According to a further embodiment of the invention, the turbine of the electrical generator is driven by means of CO 2 .
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die mindestens eine Vorrichtung zum Aufheizen mit Energie aus fossiler Verbrennung und/oder Energie aus mindestens einer solarthermischen Anlage und/oder mindestens einem Latentwärmespeicher und/oder aus Prozeßwärme beaufschlagt.According to a further embodiment of the invention, the at least one device for heating with energy fossil combustion and / or energy from at least one solar thermal system and / or at least one Latent heat storage and / or from process heat.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist mindestens eine Vorrichtung zum Aufheizen mehrere Stufen, insbesondere drei Stufen, auf. Eine 3-stufige Aufheizung des CO2 Gases empfiehlt sich vor allem für Solaranlagen. Dadurch kann ein Großteil der Wärme aus relativ einfachen und damit auch preisgünstigeren Kollektoren gewonnen werden. Nur ca. 1/4 der Erwärmung erfolgt auf ein Niveau von ca. 350°C. Dadurch sind erhebliche Einsparungen bei den Investitionskosten für Solarkraftwerke möglich und der thermische Wirkungsgrad ist im Vergleich zu herkömmlichen Techniken verbessert.According to a further embodiment of the invention, at least one device for heating up has several stages, in particular three stages. A 3-stage heating of the CO 2 gas is particularly recommended for solar systems. As a result, a large part of the heat can be obtained from relatively simple and therefore also cheaper collectors. Only about 1/4 of the heating takes place to a level of about 350 ° C. This enables considerable savings in the investment costs for solar power plants and the thermal efficiency is improved compared to conventional technologies.
Erfindungsgemäße Anlagen erfordern nur noch für ca. 1/4 Hochtemperaturkollektoren, da ca. 3/4 der Kollektoren relativ einfache Sonnenkollektoren sind (Temperaturbereich bis 200°C).Systems according to the invention only require about 1/4 High temperature collectors, since about 3/4 of the collectors are relative are simple solar collectors (temperature range up to 200 ° C).
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird mindestens ein Kompressor des Kreislaufs mit NH3 gekühlt. Gemäß weiterer Ausgestaltungen der Erfindung wird der gekühlte Kompressor von einem Dieselmotor angetrieben, dessen Abwärme dem CO2 Kreislauf zur Verbesserung des Wirkungsgrads zugeführt wird.According to a further embodiment of the invention, at least one compressor of the circuit is cooled with NH 3 . According to further refinements of the invention, the cooled compressor is driven by a diesel engine, the waste heat of which is fed to the CO 2 circuit in order to improve the efficiency.
Nachdem im normalen Betrieb nur ca. 1/3 der Kondensationsabwärme
in den CO2 Kreislauf rückgeführt werden kann, sind folgende
technische Alternativen möglich:
Since only approx. 1/3 of the condensation waste heat can be returned to the CO 2 circuit during normal operation, the following technical alternatives are possible:
- 1. Die restliche Energie wird an die Umgebung abgegeben (z. B. über einen Luftkühler) oder für sonstige Prozesse genutzt.1. The remaining energy is released to the environment (e.g. via an air cooler) or used for other processes.
- 2. Die NH3 Kompressoranlage wird so gesteuert (z. B. über eine 2-stufige Anlage), daß nur ca. 1/3 der Wärme auf ca. 50°C erwärmt wird und die restliche Wärme nur auf ca. 20-30°C gebracht wird (dadurch verringert sich die Kompressorleistung).2. The NH 3 compressor system is controlled (for example via a 2-stage system) in such a way that only about 1/3 of the heat is heated to approximately 50 ° C. and the remaining heat only to approximately 20-30 ° C (this reduces the compressor output).
- 3. Die restliche Wärmeenergie wird für Heizzwecke benutzt (Niedrigtemperaturheizungen).3. The remaining heat energy is used for heating purposes (Low temperature heaters).
Die Alternative 2 ist vor allem für solarthermische Anlagen vorgesehen.Alternative 2 is primarily for solar thermal systems intended.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die anfallende überschüssige Wärmeenergie für Heizzwecke, insbesondere für Niedrigtemperaturheizungen, verwendet.According to a further embodiment of the invention, the excess heat energy for heating purposes, used especially for low temperature heating.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt. Es zeigt:The invention is based on a Embodiment shown. It shows:
Fig. 1 eine Prinzipskizze für einen Kraftwerksprozess mit kombinierten CO2 und NH3 Kreisläufen gemäß der Erfindung. Fig. 1 is a schematic diagram for a power plant process with combined CO 2 and NH 3 circuits according to the invention.
Fig. 1 ein thermisches Kraftwerk 1 besteht aus zwei gekoppelten Kreisläufen 2, 3, dem CO2 Kondensationskreislauf 2 und dem NH3 Kreislauf 3 (Wärmepumpenkreislauf) für die Kältelieferung und für den Temperaturhub zur Rückführung der Kondensatabwärme aus dem CO2 Kreislauf 2. Fig. 1 a thermal power plant 1 consists of two coupled loops 2, 3, the CO 2 condensation circuit 2 and the NH 3 circuit 3 (heat pump cycle) for the refrigerant supply and for the temperature lift for returning the condensate waste heat from the CO 2 circuit 2.
Der CO2-Kreislauf 2 weist eine in der Regel 3-stufige Vorrichtung zum Aufheizen 4 von CO2 auf, nämlich einen Verdampfer 5 und zwei nachgeschaltete Heizstufen 6, 7, in denen flüssiges CO2 von ca. 0°C mittels Wärmezufuhr zunächst verdampft wird und anschließend das Gas auf eine Temperatur von ca. 300°C bei einem Druck von ca. 350-400 bar gebracht wird.The CO 2 circuit 2 has a generally 3-stage device for heating 4 CO 2 , namely an evaporator 5 and two downstream heating stages 6 , 7 , in which liquid CO 2 of approximately 0 ° C. initially evaporates by means of heat supply and then the gas is brought to a temperature of about 300 ° C at a pressure of about 350-400 bar.
In einer Turbine 8 wird der Druck des CO2 Gases wieder auf ca. 35 bar reduziert. Die Turbine 8 treibt hierbei einen elektrischen Generator 9 an, der die gewonnene elektrische Energie ins Netz (nicht dargestellt) einspeist. Durch die Entspannung des Gases kühlt sich das CO2 auf ca. 0°C ab.In a turbine 8 , the pressure of the CO 2 gas is reduced again to approximately 35 bar. The turbine 8 drives an electrical generator 9 , which feeds the electrical energy obtained into the network (not shown). As the gas expands, the CO 2 cools down to approx. 0 ° C.
Das CO2 Gas wird in einem nachfolgenden Kondensator 10 bei ca. 0°C wieder verflüssigt. Die erforderliche Kälteleistung wird hierbei aus dem NH3 Kreislauf 3 bezogen. Der Kondensator 10 des CO2 Kreislaufs 2 liefert damit aber auch die notwendige Verdampfungswärme für das NH3 im NH3-Kreislauf 3.The CO 2 gas is liquefied again in a subsequent condenser 10 at approx. 0 ° C. The required cooling capacity is obtained from the NH 3 circuit 3 . The condenser 10 of the CO 2 circuit 2 thus also provides the necessary heat of vaporization for the NH 3 in the NH 3 circuit 3 .
Das flüssige CO2 wird mittels einer Hochdruckpumpe 12 in den CO2-Verdampfer 5 gepumpt. Damit ist Kreislauf 2 geschlossen. Der NH3 Kreislauf 3 beginnt mit einer Vorrichtung zum Aufheizen 4, dem Verdampfer 15, in dem das NH3 verdampft und dabei die Wärme aus dem CO2 Kondensator 10 bezogen wird. Das NH3 Gas hat nach dem Verdampfer 15 einen Druck von ca. 4,5 bar und eine Temperatur von ca. 0°C. Dieses Gas wird nun über einen gekühlten Kompressor 16 auf ca. 20 bar verdichtet. Der Antrieb des Kompressors 16 ist hierbei vorzugsweise ein Dieselmotor 17, dessen Abwärme (Kühlwasser und Abgaswärme) wieder für den CO2 Kreislauf 2 genutzt wird. The liquid CO 2 is pumped into the CO 2 evaporator 5 by means of a high pressure pump 12 . Circuit 2 is now closed. The NH 3 circuit 3 begins with a device for heating 4 , the evaporator 15 , in which the NH 3 evaporates and the heat is drawn from the CO 2 condenser 10 . The NH 3 gas has a pressure of approximately 4.5 bar and a temperature of approximately 0 ° C. after the evaporator 15 . This gas is then compressed to about 20 bar via a cooled compressor 16 . The drive of the compressor 16 is preferably a diesel engine 17 , the waste heat (cooling water and exhaust gas heat) is used again for the CO 2 circuit 2 .
Bei diesem Druck wird das Gas in einem NH3 Kondensator 18 verflüssigt, wobei die Wärmeabgabe bei einem Temperaturniveau von ca. 50°C erfolgt. Die Wärmemenge entspricht hierbei der abgegebenen Wärmemenge aus dem CO2 Kreislauf 2 plus der zusätzlich hineingesteckten Wärme aus dem Verdichten. Die bei der Kondensation anfallende Wärmemenge auf niedrigem Temperaturniveau wird teilweise (ca. 1/3) für die Verdampfung des CO2 in der ersten Heizstufe 5 verwendet.At this pressure, the gas is liquefied in an NH 3 condenser 18 , the heat being given off at a temperature level of approximately 50 ° C. The amount of heat corresponds to the amount of heat given off from the CO 2 circuit 2 plus the additional heat that is inserted from the compression. The amount of heat generated during the condensation at a low temperature level is partially (approx. 1/3) used for the evaporation of the CO 2 in the first heating stage 5 .
Das flüssige NH3 Gas wird nun entspannt, d. h. der Druck wird reduziert. Im nachfolgenden Verdampfer 15 wird das Gas bei einem Druck von ca. 4,5 bar verdampft. Das NH3 nimmt beim Verdampfen sehr viel Energie auf und liefert damit die Kühlung für den CO2 Kreislauf 2. Damit ist der Kreislauf 3 geschlossen.The liquid NH 3 gas is now expanded, ie the pressure is reduced. In the following evaporator 15 , the gas is evaporated at a pressure of approximately 4.5 bar. The NH 3 absorbs a lot of energy during evaporation and thus provides cooling for the CO 2 circuit 2 . The circuit 3 is thus closed.
Der NH3 Kreislauf 3 wird nur ca. 1/3 der Zeit als Kühlkreislauf benutzt. Die während dieser Zeit anfallende überschüssige Wärmeenergie wird in einem geeigneten Speicher 20, z. B. einem Latentwärmespeicher mit Natriumacetat, gesammelt und während der restlichen Betriebszeit des Kraftwerkes (ca. 2/3 des Betriebs an einem Tag erfolgt ohne NH3 Kühlkreislauf) für die erste Heizstufe 5 oder für Heizzwecke benutzt in Niedrigtemperaturheizungen (nicht dargestellt).The NH 3 circuit 3 is used only about 1/3 of the time as a cooling circuit. The excess heat energy generated during this time is stored in a suitable storage 20 , e.g. B. a latent heat storage with sodium acetate, collected and used during the remaining operating time of the power plant (about 2/3 of the operation in one day without NH 3 cooling circuit) for the first heating level 5 or for heating purposes in low-temperature heating (not shown).
Die thermischen Kraftwerke gemäß der Erfindung sind für den Betrieb auf Basis fossiler Brennstoffe oder Biomasse, jedoch vorzugweise für kleinere und mittlere Anlagen vorteilhaft einschließlich Kraftwerken (evtl. auch kleinere Anlagen) zur Nutzung von anfallender Prozesswärme auf relativ niedrigem Temperaturniveau, wie z. B Mülldeponien oder Kompostierungsanlagen etc. Bis auf die hohe Temperaturstufe 7 könnte die Wärme für die ersten beiden Aufheizstufen 5, 6 aus derartigen Anlagen kommen.The thermal power plants according to the invention are advantageous for operation based on fossil fuels or biomass, but preferably for smaller and medium-sized plants, including power plants (possibly also smaller plants) for the use of process heat at a relatively low temperature level, such as, for example, B landfills or composting plants etc. Except for the high temperature level 7 , the heat for the first two heating stages 5 , 6 could come from such systems.
Claims (10)
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1999121336 DE19921336A1 (en) | 1999-05-08 | 1999-05-08 | Heat-driven power station combines discrete carbon dioxide and ammonia gas circuits to operate at higher conversion efficiency ratio |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE1999121336 DE19921336A1 (en) | 1999-05-08 | 1999-05-08 | Heat-driven power station combines discrete carbon dioxide and ammonia gas circuits to operate at higher conversion efficiency ratio |
Publications (1)
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DE19921336A1 true DE19921336A1 (en) | 2000-12-07 |
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ID=7907472
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1999121336 Withdrawn DE19921336A1 (en) | 1999-05-08 | 1999-05-08 | Heat-driven power station combines discrete carbon dioxide and ammonia gas circuits to operate at higher conversion efficiency ratio |
Country Status (1)
Country | Link |
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DE (1) | DE19921336A1 (en) |
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1999
- 1999-05-08 DE DE1999121336 patent/DE19921336A1/en not_active Withdrawn
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