DE4243401A1 - Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in Elektroenergie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1, bei dem Energie, die in nahezu unbegrenztem Umfang zur Verfügung steht mit geringem Aufwand in nutzbare elektrische Energie umgewandelt wird.

Es ist bekannt in Kältemaschinen oder Wärmepumpen, die jeweils prinzipiell den gleichen Aufbau und Funk­ tion haben, insbesondere solchen vom Sorptionstyp dem Prozeß zu Kühl- oder Heizzwecken thermische Energie zuzuführen. Hierbei wird in der Regel die thermische Energie an das Arbeitsmedium direkt übertragen und dann je nach Maschinentyp entweder mit einem Verdamp­ fer zur Kühlung oder mit einem Kondensator zur Erwär­ mung genutzt. Im Falle einer Sorptionskältemaschine oder -wärmepumpe erfolgt die Verdichtung des Arbeitsmediums mit Hilfe eines Adsorptionsmittels. Der normalerweise verwendete Verdichter ist durch eine aus Absorber, Lösungspumpe und Lösungsventil bestehende Apparatekombination ersetzt. Ansonsten unterscheidet sich die Funktionsweise von Kaltdampf­ kältemaschinen oder Kaltgasmaschinen nur unwesentlich und der eigentliche Wärmeaustausch wird mittels Kon­ densator und Verdampfer realisiert. Dem Prozeß ist ständig Energie zuzuführen, im Normalfall ist dies elektrische Energie. Ein Sonderfall hierzu ist jedoch die Kopplung von Kältemaschine mit einer Wärmepumpe in der die Abwärme am Kondensator der Kältemaschine benutzt wird, um diese Energie in der Wärmepumpe zu verwenden.

In allen bekannten Fällen wird lediglich von außen aufwendig zuzuführende Energie oder im begrenzten Maße prozeßeigene Energie zur Wirkungsgradverbesse­ rung eingesetzt.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung auf kostengünstige Weise elektrische Energie zur Verfügung zu stellen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteran­ sprüchen genannten Merkmalen.

Durch den Einsatz von thermischer Energie, die dem Prozeß auf einfache Weise zugeführt werden kann und relativ zu der für den eigentlichen Prozeß aufzuwen­ denden Energie in sehr großer Menge in der Natur (Sonnenenergie bzw. Geowärme) oder in Form von Abwär­ me aus anderen Anlagen oder Betrieben zur Verfügung steht, kann der Prozeß effektiv betrieben werden, da diese Energiemengen kostenlos zur Verfügung stehen und der zusätzliche anlagentechnische Aufwand in re­ lativ kurzer Zeit amortisiert ist.

Diese thermische Energie kann selbstverständlich auch bei allen bereits bei der Beschreibung des bekannten Standes der Technik genannten Arten von Anlagen ver­ wendet werden und verringert die zusätzlich aufzuwen­ dende Energie.

Besonders vorteilhaft ist es außerdem die dem Ar­ beitsmedium innewohnende Energie bei ihrer Expansion mittels einer auf die prozeß- und maschinenspezifi­ schen Parameter angepaßten Arbeitsmaschine in mecha­ nische oder elektrische Energie umzuwandeln. Hierfür kommen beispielsweise Turbinen oder ein Stirlingmotor zur Anwendung. Diese Arbeitsmaschinen müssen beson­ ders für die Nutzung der geringen im Arbeitsmedium gespeicherten Energie ausgelegt sein, um die Verluste in engen Grenzen zu halten.

Um Verluste so gering wie möglich zu halten, erfolgt die Übertragung von der Turbine direkt auf den spe­ ziell angepaßten Generator. Zum Ausgleich eventuell auftretender Prozeßschwankungen ist der Generator elektronisch regelbar, so daß ein relativ gleichmäßi­ ger elektrischer Strom erzeugt wird.

Die Nutzung kann auf eine zweite alternative Art er­ folgen, dabei ist es möglich die rückgewonnene Ener­ gie als mechanische Energie über eine Ankopplung dem Prozeß zur weiteren Verdichtung eines Arbeitsmediums wieder zuzuführen oder die mit einem Kleinstgenerator gewonnene elektrische Energie zum Antrieb bei der Verdichtung eines Arbeitsmediums zu nutzen.

Verwendet man an Stelle der in Kältemaschinen übli­ chen Expansionsventile ein oder mehrere auf die be­ sonderen Bedingungen angepaßte Arbeitsmaschinen wird die gleiche Wirkung erzielt und es kann zusätzlich Energie für eine andere Verwendung freigesetzt wer­ den, was eine zwangsläufige Wirkungsgraderhöhung zur Folge hat. Eine temperaturabhängige Anpassung an den Kühlprozeß kann durch Regelung der abgezweigten Ener­ giemenge, beispielsweise über eine Ansteuerung eines Generators, der mit der Turbine gekoppelt ist, erfol­ gen.

Kondensationsturbinen, die mit elektronisch gesteuer­ ten Generatoren, die eine geringe Verlustleistung besitzen, gekoppelt sind, sind für eine Anwendung besonders geeignet. Hierbei können bei ausreichendem Massenstrom und/oder Druckgefälle mehrere Turbinen- Generatorensätze eine Kaskade bilden, um eine voll­ ständigere Energieausnutzung zu erreichen.

Auf einfachere Weise ist die temperaturabhängige An­ passung an den Prozeß durch eine geregelte Bypasslei­ tung parallel zur Arbeitsmaschine, mit der Druckge­ fälle und Massenstrom einstellbar sind, möglich. Wird als Arbeitsmaschine ein Stirlingmotor einge­ setzt, können sowohl die am Kondensator abzunehmende höhere Temperatur und die niedrigere Temperatur am Verdampf er zu dessen Betrieb verwendet werden. Dieses nutzbare Temperaturgefälle in Verbindung mit der na­ hezu kostenlos zur Verfügung stehenden, zusätzlich zugeführten thermischen Energie sind besonders gün­ stige Voraussetzungen für einen hohen Wirkungsgrad des Motors und der Gesamtanlage.

Der Stirlingmotor kann wie bereits beschrieben eben­ falls mechanisch beispielsweise über ein Getriebe mit dem oder einem zusätzlichen Verdichter der Gesamt­ anlage verbunden sein, so daß die extern zuzuführende Energie und demzufolge die Betriebskosten verringert werden.

Nachfolgend soll die Erfindung an zwei Ausführungs­ beispielen näher beschrieben werden.

Dabei zeigt Fig. 1 eine zweikreisige Anlage zur Elektroenergieumwandlung und

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Kälte­ maschine oder Wärmepumpe.

Bei einer aus zwei Kreisen gebildeten Anlage wird thermische Energie, bevorzugt Solarenergie oder Geo­ wärme, die in nahezu unbegrenzter Menge zur Verfügung steht und mit geringem Aufwand für den Prozeß nutzbar ist, in einem Wärmetauscher 1 an ein Wärmeübertra­ gungsmedium übertragen. Dieses Medium wird im ge­ schlossenen Kreis I geführt und soll eine große Wär­ mekapazität aufweisen. Die Führung dieses Mediums im Kreislauf I kann dabei bei entsprechendem Volumen allein durch Schwerkraft erfolgen oder es wird bei Bedarf eine Pumpe 2 eingesetzt.

Die an dieses Medium übertragene Wärme wird in einem Wärmetauscher 3 an ein im Gegenstrom geführtes Kälte­ mittel (Frigen), oder allgemein ausgedrückt ein nied­ rigsiedendes Mittel gegeben, der Wärmetauscher 3 bil­ det die Verbindung zum zweiten ebenfalls geschlosse­ nen Kreis II. Die Verdampfungstemperatur dieses Käl­ temittels liegt dabei unterhalb der Temperatur des erwärmten Übertragungsmediums. Das Kältemittel geht bei Durchlaufen des Wärmetauschers 3 auf relativ niedrigem Energieniveau in die Dampfphase über und wird im Leitungsstrang des Kreises II zu einer direkt mit einem Generator gekoppelten Turbine 4 geführt.

Der Generator kann Permanentmagnete aufweisen, die keine zusätzliche elektrische Energie erforderlich machen. In diesem Fall ist eine elektronische Rege­ lung, durch beispielsweise Spannungswandler, Wechsel- oder Gleichrichter, für die Beeinflussung des erzeug­ ten elektrischen Stromes vorteilhaft, um eine viel­ seitige Nutzung desselben zu ermöglichen.

Das in der Turbine 4 expandierte Kältemittel bewegt sich je nach Auslegung des Kreises II durch internes Druckgefälle oder ebenfalls durch eine Pumpe 5 in den Leitungen und wird in einem weiteren Wärmetauscher 6 kondensiert.

Durch den zweiten Wärmetauscher 6 kann ein Energie­ gehalt, der evtl. noch im Kältemittel vorhanden ist, an das Übertragungsmedium gegeben und eine gewisse Vorheizung erreicht werden, wenn das Übertragungsme­ dium wiederum bevorzugt im Gegenstrom geführt wird.

Die Anlage kann auch unter Verzicht des Kreises I betrieben werden und die Energie direkt an das Arbeitsmedium übertragen werden.

Aus Fig. 2 geht ein Blockschaltbild einer Kältema­ schine oder Wärmepumpe hervor, der zusätzlich thermi­ sche Energie in der Verdichtungsphase des Ar­ beitsmediums zugeführt wird. Dies kann je nach zur Verfügung stehender Energieform und Platzverhältnis­ sen mit einem entsprechend angepaßten Wärmetauscher 11, beispielsweise einem direkt gekoppelten Sonnen­ kollektor erreicht werden.

Die so an das Arbeitsmedium übertragene Energie, kann nach Abkühlung in einem Kondensator 12 und Umwandlung in eine speicherbare Energieform (z. B. potentielle Energie), entweder zeitlichen Anforderungen oder ei­ ner gewünschten Kapazität entsprechend in einer die­ sem Kondensator 12 nachgeschalteten Arbeitsmaschine 13 in mechanische und ggf. mit einem gekoppelten Ge­ nerator 14 in elektrische Energie umgewandelt werden.

Das aus der Arbeitsmaschine 13 austretende, expandie­ rende, dadurch kalte Arbeitsmedium nimmt mittels ei­ nes Verdampfers 15 Wärme aus der Umgebung auf, die entsprechend abgekühlt wird. Anschließend wird das Arbeitsmedium im Kreislauf zum Verdichter 16 geführt und durchläuft den Prozeß erneut. Im Falle der Ver­ wendung einer Sorptionskältemaschine oder -wärmepumpe erfolgt eine ausschließlich thermische Verdichtung des Arbeitsmediums.

In der Fig. 2 ist zusätzlich eine Verbindung 17 zwischen Arbeitsmaschine 13 und Verdichter 16 dargestellt, die mechanische oder elektrische Energie mittels des Verdichters 16 auf das Arbeitsmedium überträgt. Diese Energie kann aber auch extern, d. h. außerhalb des Prozesses genutzt werden.

Außerdem ist es möglich mit einer nicht dargestell­ ten Steuerschaltung, beispielsweise unter Benutzung der Temperatur am bzw. im Verdampfer 15 die dem Arbeitsmedium zu entnehmende Energiemenge zu steuern. Das mit einem Temperatursensor gemessene Signal wird in der Steuerschaltung verarbeitet und der Generator 14 so gesteuert, daß die Arbeitsmaschine 13 ent­ sprechend beeinflußt wird.

Ist an Stelle der Regelung des Generators 14 eine die Arbeitsmaschine 13 umgehende Bypassleitung, ebenfalls nicht dargestellt, vorhanden, wird ein in dieser Lei­ tung zwischengeschaltetes Ventil angesteuert und die Menge des durch die Arbeitsmaschine 13 geführten Ar­ beitsmediums beeinflußt.

Als Arbeitsmaschine 13 können Turbinen, besonders ge­ eignet sind Expansionsturbinen, oder ein Stirlingmo­ tor verwendet werden, die in ihren Parametern auf die Temperatur, den Druck und den im Prozeß geführten Massenstrom des Arbeitsmediums abgestimmt sind, so daß die Verlustleistung so gering wie möglich gehal­ ten werden kann.

Claims (12)

1. Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie, dadurch gekennzeichnet daß der Umwelt mit geringem Aufwand zu entneh­ mende thermische Energie, die in nahezu unbe­ grenzter Menge zur Verfügung steht, dem Prozeß zur Verdampfung eines Mediums zugeführt und an­ schließend die dem Arbeitsmedium innewohnende Energie in einer den prozeß- und maschinenspezi­ fischen Parametern (Druck, Temperatur, Massen­ strom) angepaßten Arbeitsmaschine in kinetische und/oder elektrische Energie umgewandelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium eine niedrigsiedende Flüssigkeit verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmedium ein Kältemittel (Frigen) verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Solarenergie zuge­ führt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Geowärme zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Abwärme einer extern vom eigentlichen Prozeß vorhandenen Industrie­ anlage oder Arbeitsmaschine zugeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmaschine eine Expansionsturbine verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Turbine umgewandelte Energie mit einem direkt verbunde­ nen Generator in Elektroenergie umgewandelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator in Abhängigkeit von der erreichten Prozeßtemperatur und/oder des Prozeßdruckes angesteuert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche von 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Arbeitsmaschine ein abgestimmter Stirlingmotor verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die kinetische bzw. elektrische Energie dem Prozeß wieder zugeführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3 und einem der Ansprüche von 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in einem vorgeschal­ teten Kreis ein Wärmeübertragungsmedium mit der thermischen Energie erwärmt und diese Wärme durch Wärmeaustausch an ein in einem zweiten Kreis geführtes Kältemittel übertragen wird.