WO2008031613A2 - Current generation in the base load region with geothermal energy - Google Patents

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WO2008031613A2
WO2008031613A2 PCT/EP2007/008030 EP2007008030W WO2008031613A2 WO 2008031613 A2 WO2008031613 A2 WO 2008031613A2 EP 2007008030 W EP2007008030 W EP 2007008030W WO 2008031613 A2 WO2008031613 A2 WO 2008031613A2
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ammonia
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01K—STEAM ENGINE PLANTS; STEAM ACCUMULATORS; ENGINE PLANTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; ENGINES USING SPECIAL WORKING FLUIDS OR CYCLES
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    • F01K7/16—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type
    • F01K7/22—Steam engine plants characterised by the use of specific types of engine; Plants or engines characterised by their use of special steam systems, cycles or processes; Control means specially adapted for such systems, cycles or processes; Use of withdrawn or exhaust steam for feed-water heating the engines being only of turbine type the turbines having inter-stage steam heating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01K25/10—Plants or engines characterised by use of special working fluids, not otherwise provided for; Plants operating in closed cycles and not otherwise provided for using special vapours the vapours being cold, e.g. ammonia, carbon dioxide, ether
    • F01K25/106—Ammonia

Definitions

  • the present invention relates to methods and apparatus for converting geothermal energy into electricity through a thermodynamic cycle.
  • thermodynamic cycles The power generation by thermodynamic cycles is known per se in the art. As a theoretical comparison process of such
  • Circular processes serve the Clausius Rankine process.
  • a cycle medium is usually raised by supplying heat energy and / or by increasing the pressure to a higher energy level, wherein the cycle medium from this increased energy level performs work on a power generating device, such as a turbine assembly. After performing work on the power generating device, the cycle medium is again at the energy level at which there is a supply of heat energy and / or an increase in pressure.
  • a phase transition takes place on the cycle medium during the cycle, i.
  • the cycle medium is expanded from a state as (superheated) steam through a turbine assembly, condensed after final passage through the turbine assembly, brought to a high pressure level in the liquid state by a pump, and finally restored to superheated state by the application of heat energy. Steam transferred.
  • Brine inlet temperatures or also referred to as brine inlet temperature
  • brine inlet temperature represents a maximum temperature of the usable heat transfer medium. It forms an upper temperature limit beyond which the cycle medium is not heated can.
  • a heat transfer medium which absorbs underground heat underground and is brought to light, is generally available at not more than 300 ° C. In some areas, such a heat transfer medium is often available only at temperatures around 90 ° C. Particularly in the case of the latter, overheating of the cycle medium in the vapor phase, which is desired for reasons of efficiency, can scarcely be achieved with conventional cycle media.
  • ORC Organic Rankine Cycle
  • Kalina process is known in which a mixture of ammonia and water is used as a cycle process medium.
  • the present object is achieved by a method for converting geothermal energy into electricity by a thermodynamic cycle, with a heat transfer medium to which geothermal energy is transmitted and which subsequently transfers thermal energy to a separate from the heat transfer medium cycle medium , which performs work in the course of the cycle on a power generating device, wherein in Substantially pure ammonia is used as a cycle process medium.
  • a heat transfer medium which may be, for example, water or supercritical CO 2
  • underground heat is absorbed underground and the heated heat transfer medium is brought to light, where it transfers thermal energy to the separate from the heat transfer medium cycle process medium in a heat transfer device. It has been shown that substantially pure ammonia as a cycle medium permits a high useful energy output in the form of electric current in the energies available in geothermal power plants.
  • substantially pure ammonia it should not be ruled out that traces of other substances are contained in the ammonia as the cycle process medium, but it should be excluded that this is a substance mixture in the sense of the Kalina process.
  • the cycle process medium performs work, it is meant that when the power generation device is driven by the cycle medium, it is deprived of energy and, depending on the degree of efficiency, converted into electrical energy.
  • Ammonia as a cycle medium is particularly suitable if the maximum achievable temperature of the cycle medium due to the available geothermal energy not less than 90 0 C and 160 ° C does not exceed. In this temperature range, ammonia can already be passed through turbine stages, at least as wet steam (near the lower limit of approx. 90 ° C), converting enthalpy into electrical energy.
  • an intermediate overheating is advantageously carried out, so that the ammonia, as a cycle medium, is passed through a first power generation device as superheated steam, is reheated after this passage, and subsequently swept is passed as a superheated steam through one of the first separate second power generating device.
  • the ammonia is depressurized during the first passage through the first power generation device to the saturated steam state, so that no ammonia droplets still occur in the first power generation device.
  • the ammonia is heated by the reheat and is again available as superheated steam before the second pass. Due to the material properties of ammonia reheatening can in turn be done with a heat transfer device through the heat transfer medium, which transmits only the underground geothermal heat absorbed to the ammonia.
  • the ammonia can be condensed as a cycle medium at a condensation temperature of 20 ° to 35 ° C.
  • a condensation temperature of about 30 ° C. has proven particularly advantageous.
  • the ammonia can be cooled and condensed by ambient air using conventional equipment, such as hybrid cooling towers.
  • the power generation device is advantageously a turbine arrangement in which a turbine shaft with turbine blades is accommodated in a turbine housing.
  • the turbine blades are non-rotatable with the turbine shaft for rotation about Turbine shaft axis connected.
  • the turbine shaft To operate a generator, the turbine shaft must be led out of the turbine housing.
  • the enforcement point can be structurally provided with a labyrinth seal, which nitrogen is supplied at a higher pressure than this prevails in the turbine housing at the point of enforcement.
  • the object of the present invention mentioned above is also achieved by a device for converting geothermal energy into electricity by a thermodynamic cycle, with a heat transfer medium, which absorbs heat of the earth, with a heat transfer device, in which energy a separate from the heat transfer medium cycle medium is performed, which performs work in the course of the cycle to a power generating device, wherein the cycle medium is substantially pure ammonia.
  • a device for converting geothermal energy into electricity by a thermodynamic cycle with a heat transfer medium, which absorbs heat of the earth, with a heat transfer device, in which energy a separate from the heat transfer medium cycle medium is performed, which performs work in the course of the cycle to a power generating device, wherein the cycle medium is substantially pure ammonia.
  • the object underlying the present invention is also achieved by a method for converting geothermal energy into electricity by a thermodynamic cycle, with a heat transfer medium to which geothermal energy is transmitted and which subsequently thermal energy to a further aspect of the present invention from the heat transfer medium separate circulating medium transfers, which performs work in the course of the cycle on a Stromerzeu- generating device, wherein essentially pure water is used as a cycle process medium.
  • Water as a cycle process medium is known from power plants operating on the basis of fossil or nuclear fuels, but not as a cycle medium in geothermal plants, in which even the highest recoverable temperatures of the cycle medium about 270 K to 300 K below those of power plants with fossil or nuclear fuels.
  • substantially pure water is not intended to exclude traces of other substances in the water as the cycle process medium, but a mixture, ie a two-substance system, as is known from the Kalina process, should be excluded.
  • Water as a cycle process medium is particularly well suited if the maximum temperature of the cycle medium during the cycle does not exceed about 300 ° and does not fall below about 160 ° C. In this temperature range, water can be transferred as a cycle process medium at least in a wet steam phase (near the lower limit of about 160 ° C) or even in the state of slightly superheated steam (near the upper limit of about 305 ° C).
  • the water can be condensed as a cycle process medium with conventional equipment, such as by hybrid cooling towers, at a condensation temperature of 20 ° C to 35 ° C, more preferably of about 33 ° C.
  • the water can be condensed at an absolute condensation pressure of 50 mbar at a temperature of 32.88 ° C.
  • the total efficiency of a geothermal power plant regardless of whether it works in the low temperature range with ammonia as Kreisrindmedium or in the above-mentioned higher temperature range with water as the cycle process medium, can be further advantageously increased by at least part of the cycle medium for heat generation, in particular for district heating extraction, before the end of the working process for power generation is taken from this and condensed.
  • the heat received from the cycle process medium can be supplied as useful heat to buildings to heat them.
  • Such removal of the cycle medium may occur, for example, after passing through a first power generating device when more than one power generating device is used.
  • the object underlying the present invention is also achieved by a device for converting geothermal energy into electricity by a thermodynamic cycle, with a heat transfer medium, which absorbs geothermal heat, with a heat transfer device, in which energy to a heat transfer medium a separate cycle process medium is performed, which performs work in the course of the cycle on a power generating device, wherein the cycle medium is essentially pure water.
  • 1 is a log (p) -h diagram of a thermodynamic cycle of a power generation process in a geothermal power plant with ammonia as a cycle process medium
  • 2 is a TS diagram of a thermodynamic cycle process for generating electricity in a geothermal power plant with water as a cycle process medium
  • FIG. 3 shows a schematic example of a geothermal power plant, which performs the cyclic process according to FIG. 1,
  • Fig. 4 shows an alternative geothermal power plant, which performs the cyclic process of FIG.
  • a cyclic process with ammonia is plotted as a cycle medium in a graph in which the logarithm of the absolute pressure of the cycle medium is plotted against its enthalpy.
  • a curve 10 bounds the two-phase region 12 of ammonia, in which ammonia is liquid to some and gaseous to another part.
  • the ammonia is completely liquid, in the region 16 of higher enthalpy than the two-phase region 12, the ammonia is completely gaseous.
  • the critical point K of ammonia is 113.5 bar absolute pressure and a temperature of 132.35 ° C.
  • Fig. 1 The consideration of the cycle of Fig. 1 begins at a point 18 at an absolute pressure p of 11, 67 bar and a temperature T equal to 30 ° C on the boundary line 10 between the two-phase region 12 and the liquid phase region 14.
  • p absolute pressure
  • T temperature
  • the ammonia is first heated to the point 22 at the boundary between the liquid phase region 14 and the two-phase region 12, further evaporated to the boundary between the two-phase region 12 and the vapor phase region 16 (point 24), and from there to the vapor phase overheated to point 26.
  • the cyclic process with ammonia as the cycle medium shown in Fig. 1 is preferably used in a temperature range in which the temperatures of the ammonia at the points 26 and 32, i. the maximum temperatures do not exceed 165 ° C and do not fall below 90 ° C. At maximum ammonia temperatures of 90 ° C to 110 ° C, the cycle continues without reheating.
  • FIG. 2 an alternative cycle of a geothermal power plant is set forth in a temperature entropy diagram. Corresponding points are marked with corresponding numbers as in FIG. 1, but increased by the number 100.
  • line 110 is the boundary line between single-phase regions and two-phase region 112 of water.
  • the liquid phase region is denoted by 114, the vapor phase region by 116.
  • the critical point K is at an absolute pressure of 220.55 bar and a temperature of 373.98 ° C.
  • the consideration of the cycle of Fig. 2 at the boundary between the Liquid phase region 114 and the two-phase region 112 started at point 118.
  • the water is compressed by a pump to the point 120. From there, the water is heated in three steps to point 122 on the boundary between the liquid phase region 114 and the two-phase region 112, then vaporized to saturated steam at point 124 and finally overheated to point 126.
  • the relaxation point in the two-phase region 112 is denoted by 137. From this point, the water is condensed to the point 118 where all the water in the cycle is condensed.
  • the vapor content at point 137 is about 85%.
  • the cycle with water as a cycle medium shown in FIG. 2 is recommended for geothermal power plants where the temperature at point 126 is not greater than 305 ° C but greater than 160 ° C. In this temperature range, better efficiencies can be achieved with water as a cycle process medium than with ammonia.
  • Fig. 3 a geothermal power plant for power generation is shown schematically. In the following, only the essential components of the system of Fig. 3 will be explained.
  • a heat transfer medium such as water or supercritical CO 2
  • the heat transfer medium has absorbed geothermal energy.
  • the temperature of the soil earth per 100 m hole depth increases by about 3 K.
  • the heat transfer medium is fed via the line 46 to an overheat heat exchanger 48. Also, heat transfer medium is supplied via the line 50 from the distributor 44 to an intermediate superheat heat exchanger 52.
  • an evaporator heat exchanger 56 is supplied.
  • the heat transfer medium draining out of the evaporator heat exchanger 56 again at a lower temperature than in the line 54 via the line 58, becomes a heat exchanger 60 supplied.
  • the heat transfer medium is returned via the line 62 back into the soil, where it receives again geothermal.
  • the lines 42, 46, 50, 54, 58 and 62 thus form a heat transfer medium circuit.
  • ammonia is preheated as circular process media of a separate ammonia cycle from point 20 to point 22 of FIG.
  • the preheated liquid ammonia is collected in a boiler drum 64. From there, the ammonia is fed via line 66 and a blowdown 68 to the evaporative heat exchanger 56 and vaporized therethrough to point 24 of FIG.
  • the ammonia vapor is also collected as a vapor phase in the boiler drum 64 and fed via line 67 to the superheat heat exchanger 48. There, the ammonia vapor is overheated to point 26 of FIG. 1 and fed via line 68 to high-pressure turbine stage 70. From there, the ammonia present at the end of the high-pressure turbine stage 70 at point 30 of FIG.
  • first condenser 72 may either be condensed by a first condenser 72 or / and may be supplied via a line 74 to the reheat heat exchanger 52 where the saturated steam 1 is overheated to point 32 of FIG. 1 and supplied via line 76 to a low pressure turbine stage 78.
  • the ammonia is present as cool saturated steam at point 36 of FIG. 1, the pressure and the temperature of the ammonia being determined by the second condenser or main condenser 80.
  • the ammonia is condensed to the point 18 of Fig. 1 and then raised in the liquid phase via a pump assembly 82, which communicates via line 84 with the condenser 80, to the point 20 of Fig. 1 with elevated pressure level and from the pump assembly 82 is introduced via line 86 into the preheat heat exchanger 60.
  • a geothermal power plant is shown schematically, which executes the cycle shown in Fig. 2 with water as a cycle process medium.
  • the same components as in Fig. 3 are provided with the same reference numerals, but increased by the number 100.
  • Fig. 4 will be described only insofar as it differs from Fig. 3. Otherwise, reference is expressly made to the description of FIG. 3.
  • the plant of Fig. 4 differs from the plant of FIG. 3 only in that only a single turbine stage 170 drives the generator. Accordingly, no reheating heat exchanger is required.

Abstract

A method for converting geothermal energy into current by means of a cyclic process, with a heat transfer medium, to which heat from the ground is transferred and which subsequently transfers thermal energy to a cyclic process medium which is separate from the heat transfer medium (at 48, 32, 56, 60), performs work in the course of the cyclic process using a current generation apparatus (70, 78), wherein substantially pure ammonia is used as the cyclic process medium.

Description

Stromerzeugung im Grundlastbereich mit geothermischer Energie Electricity generation in the base load range with geothermal energy
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und Vorrichtungen zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen thermodynamischen Kreisprozess.The present invention relates to methods and apparatus for converting geothermal energy into electricity through a thermodynamic cycle.
Die Stromerzeugung durch thermodynamische Kreisprozesse ist in der Technik an sich bekannt. Als theoretischer Vergleichsprozess derartigerThe power generation by thermodynamic cycles is known per se in the art. As a theoretical comparison process of such
Kreisprozesse dient der Clausius-Rankine-Prozess. Dabei wird in der Regel ein Kreisprozessmedium durch Zufuhr von Wärmeenergie oder/und durch Druckerhöhung auf ein höheres Energieniveau gehoben, wobei das Kreisprozessmedium ausgehend von diesem erhöhten Energieniveau Arbeit an einer Stromerzeugungsvorrichtung, wie etwa einer Turbinenanordnung verrichtet. Nach der Verrichtung von Arbeit an der Stromerzeugungsvorrichtung befindet sich das Kreisprozessmedium wieder auf dem Energieniveau, auf welchem eine Zufuhr von Wärmeenergie oder/und eine Druckerhöhung erfolgt. In der Regel findet am Kreisprozessmedium während des Kreisprozes- ses ein Phasenübergang statt, d.h. das Kreisprozessmedium wird ausgehend von einem Zustand als (überhitzter) Dampf durch eine Turbinenanordnung entspannt, nach dem endgültigen Durchgang durch die Turbinenanordnung kondensiert, im flüssigen Zustand durch eine Pumpe auf ein erhöhtes Druckniveau gebracht und schließlich durch Zufuhr von Wärmeenergie wieder in den Zustand (überhitzten) Dampfes übergeführt.Circular processes serve the Clausius Rankine process. In this case, a cycle medium is usually raised by supplying heat energy and / or by increasing the pressure to a higher energy level, wherein the cycle medium from this increased energy level performs work on a power generating device, such as a turbine assembly. After performing work on the power generating device, the cycle medium is again at the energy level at which there is a supply of heat energy and / or an increase in pressure. As a rule, a phase transition takes place on the cycle medium during the cycle, i. the cycle medium is expanded from a state as (superheated) steam through a turbine assembly, condensed after final passage through the turbine assembly, brought to a high pressure level in the liquid state by a pump, and finally restored to superheated state by the application of heat energy. Steam transferred.
Ein Problem bei der Nutzung geothermischer Energie zur Stromerzeugung liegt in den verglichen mit Kraftwerken, die auf Grundlage von fossilen oder nuklearen Brennstoffen arbeiten, niedrigen zur Verfügung stehenden soge- nannten „Soleeintrittstemperaturen" (oder auch als Brine-Inlet-Temperature bezeichnet). Die „Soleeintrittstemperatur" stellt eine maximale Temperatur des nutzbaren Wärmeträgermediums dar. Sie bildet eine Temperaturobergrenze, über welche hinaus das Kreisprozessmedium nicht erwärmt werden kann.A problem with the use of geothermal energy for power generation lies in the low available so-called "brine inlet temperatures" (or also referred to as brine inlet temperature) compared to power plants that operate on the basis of fossil or nuclear fuels. Brine inlet temperature "represents a maximum temperature of the usable heat transfer medium. It forms an upper temperature limit beyond which the cycle medium is not heated can.
Auf Grund geophysikalischer Gegebenheiten steht ein Wärmeträgermedium, welches untertage Erdwärme aufnimmt und zutage gefördert wird, in der Re- gel mit nicht mehr als 300° C zur Verfügung. In manchen Gegenden steht ein derartiges Wärmeträgermedium häufig nur mit Temperaturen um die 90° C zur Verfügung. Insbesondere bei letzteren ist eine aus Wirkungsgradgründen gewünschte Überhitzung des Kreisprozessmediums in der Dampfphase bei herkömmlichen Kreisprozessmedien kaum zu erreichen.On account of geophysical conditions, a heat transfer medium, which absorbs underground heat underground and is brought to light, is generally available at not more than 300 ° C. In some areas, such a heat transfer medium is often available only at temperatures around 90 ° C. Particularly in the case of the latter, overheating of the cycle medium in the vapor phase, which is desired for reasons of efficiency, can scarcely be achieved with conventional cycle media.
Aus dem Stand der Technik ist als Lösung der oben geschilderten Problematik zum einen der sogenannte Organic-Rankine-Cycle (ORC) bekannt, bei welchem organische Stoffe, wie z.B. n-Pentan, Iso-Butan oder auch Silikonöle als Kreisprozessmedien verwendet werden.As a solution to the problem described above, the prior art discloses, on the one hand, the so-called Organic Rankine Cycle (ORC), in which organic substances, such as e.g. n-pentane, isobutane or silicone oils are used as circular process media.
Weiterhin ist der sogenannte Kalina-Prozess bekannt, bei welchem eine Mischung aus Ammoniak und Wasser als Kreisprozessmedium verwendet wird. Hierzu wird verwiesen auf die US 2004 0148935 A1.Furthermore, the so-called Kalina process is known in which a mixture of ammonia and water is used as a cycle process medium. Reference is made to US 2004 0148935 A1.
Diese bekannten Kreisprozesse in geothermischen Kraftanlagen weisen jedoch einen verhältnismäßig schlechten Wirkungsgrad auf.However, these known cycle processes in geothermal power plants have a relatively poor efficiency.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine technische Lehre anzugeben, mit welcher geothermische Energie bei besserem Wirkungsgrad als bisher in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.It is therefore an object of the present invention to provide a technical teaching, with which geothermal energy can be converted with better efficiency than before in electrical power.
Nach einem ersten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird die vorliegende Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Umwandlung von geother- mischer Energie in Strom durch einen thermodynamischen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, an welches Erdwärme übertragen wird und welches nachfolgend thermische Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium überträgt, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung Arbeit verrichtet, wobei im Wesentlichen reiner Ammoniak als Kreisprozessmedium verwendet wird.According to a first aspect of the present invention, the present object is achieved by a method for converting geothermal energy into electricity by a thermodynamic cycle, with a heat transfer medium to which geothermal energy is transmitted and which subsequently transfers thermal energy to a separate from the heat transfer medium cycle medium , which performs work in the course of the cycle on a power generating device, wherein in Substantially pure ammonia is used as a cycle process medium.
Mit einem Wärmeträgermedium, das beispielsweise Wasser oder überkritisches CO2 sein kann, wird untertage Erdwärme aufgenommen und das er- wärmte Wärmeträgermedium zutage gefördert, wo es in einer Wärmeübertragungseinrichtung thermische Energie an das vom Wärmeträgermedium gesonderte Kreisprozessmedium überträgt. Dabei hat sich gezeigt, dass im Wesentlichen reiner Ammoniak als Kreisprozessmedium bei den bei geo- thermischen Kraftanlagen zur Verfügung stehenden Energien eine hohe Nutzenergieausbe.ute in Form von elektrischem Strom gestattet.With a heat transfer medium, which may be, for example, water or supercritical CO 2 , underground heat is absorbed underground and the heated heat transfer medium is brought to light, where it transfers thermal energy to the separate from the heat transfer medium cycle process medium in a heat transfer device. It has been shown that substantially pure ammonia as a cycle medium permits a high useful energy output in the form of electric current in the energies available in geothermal power plants.
Mit „im Wesentlichen reiner Ammoniak" soll nicht ausgeschlossen sein, dass in dem Ammoniak als Kreisprozessmedium Spuren anderer Substanzen enthalten sind. Es soll jedoch ausgeschlossen sein, dass es sich um eine Stoff- mischung im Sinne des Kalina-Prozesses handelt.By "substantially pure ammonia", it should not be ruled out that traces of other substances are contained in the ammonia as the cycle process medium, but it should be excluded that this is a substance mixture in the sense of the Kalina process.
Wenn oben gesagt ist, dass das Kreisprozessmedium Arbeit verrichtet, so ist damit gemeint, dass unter Antrieb der Stromerzeugungsvorrichtung durch das Kreisprozessmedium diesem Energie entzogen und, je nach Wirkungs- grad, in elektrische Energie umgewandelt wird.If it is stated above that the cycle process medium performs work, it is meant that when the power generation device is driven by the cycle medium, it is deprived of energy and, depending on the degree of efficiency, converted into electrical energy.
Ammoniak als Kreisprozessmedium ist dann besonders geeignet, wenn die maximal erreichbare Temperatur des Kreisprozessmediums auf Grund der zur Verfügung stehenden geothermischen Energie ca. 900C nicht unter- schreitet und 160° C nicht übersteigt. In diesem Temperaturbereich kann Ammoniak bereits zumindest als Nassdampf (nahe der Untergrenze von ca. 90° C) durch Turbinenstufen geleitet werden und dabei Enthalpie in elektrische Energie umwandeln.Ammonia as a cycle medium is particularly suitable if the maximum achievable temperature of the cycle medium due to the available geothermal energy not less than 90 0 C and 160 ° C does not exceed. In this temperature range, ammonia can already be passed through turbine stages, at least as wet steam (near the lower limit of approx. 90 ° C), converting enthalpy into electrical energy.
Aus Wirkungskraftgründen besonders vorteilhaft wird eine Zwischenüberhit- zung durchgeführt, so dass der Ammoniak als Kreisprozessmedium als überhitzter Dampf durch eine erste Stromerzeugungsvorrichtung hindurch geleitet wird, nach diesem Durchgang zwischenüberhitzt wird und anschlie- ßend als zwischenüberhitzter Dampf durch eine von der ersten gesonderte zweite Stromerzeugungsvorrichtung geleitet wird.For reasons of effectiveness, an intermediate overheating is advantageously carried out, so that the ammonia, as a cycle medium, is passed through a first power generation device as superheated steam, is reheated after this passage, and subsequently ßend is passed as a superheated steam through one of the first separate second power generating device.
Weiterhin ist denkbar, Ammoniak nach dem Durchgang durch die oben ge- nannte ersten Stromerzeugungsvorrichtung vom Kreisprozess abzuzweigen und für eine Kraft-Wärme-Kopplung zu nutzen, d.h. die im Ammoniak enthaltene thermische Energie als Fernwärme zum Beheizen von Gebäuden zu nutzen, die nahe der geothermischen Kraftanlage gelegen sind, in der das oben bezeichnete Verfahren durchgeführt wird.Furthermore, it is conceivable to divert ammonia from the cycle after passing through the above-mentioned first power generating device and to use it for cogeneration, i. to use the thermal energy contained in the ammonia as district heating for heating buildings, located near the geothermal power plant, in which the above-mentioned method is performed.
Vorteilhafterweise wird der Ammoniak während des ersten Durchgangs durch die erste Stromerzeugungsvorrichtung bis zum Sattdampfzustand entspannt, so dass in der ersten Stromerzeugungsvorrichtung noch keine Ammoniaktröpfchen auftreten. Von diesem Sattdampfzustand ausgehend wird der Ammoniak durch die Zwischenüberhitzung erwärmt und steht vor dem zweiten Durchgang erneut als überhitzter Dampf zur Verfügung. Auf Grund der Materialeigenschaften von Ammoniak kann die Zwischenüberhitzung wiederum mit einer Wärmeübertragungseinrichtung durch das Wärmeträgermedium erfolgen, welches lediglich die untertage aufgenommene Erdwärme an den Ammoniak überträgt.Advantageously, the ammonia is depressurized during the first passage through the first power generation device to the saturated steam state, so that no ammonia droplets still occur in the first power generation device. Starting from this saturated steam state, the ammonia is heated by the reheat and is again available as superheated steam before the second pass. Due to the material properties of ammonia reheatening can in turn be done with a heat transfer device through the heat transfer medium, which transmits only the underground geothermal heat absorbed to the ammonia.
Bei herkömmlichen stets zur Verfügung stehenden Kühlmedien, wie etwa der Umgebungsluft, kann der Ammoniak als Kreisprozessmedium bei einer Kondensationstemperatur von 20° bis 35° C kondensiert werden. Als beson- ders vorteilhaft hat sich eine Kondensationstemperatur von etwa 30° C erwiesen. Bei dieser Temperatur kann der Ammoniak mit herkömmlichem apparativen Aufwand, etwa durch Hybridkühltürme, durch Umgebungsluft gekühlt und kondensiert werden.In conventional always available cooling media, such as the ambient air, the ammonia can be condensed as a cycle medium at a condensation temperature of 20 ° to 35 ° C. A condensation temperature of about 30 ° C. has proven particularly advantageous. At this temperature, the ammonia can be cooled and condensed by ambient air using conventional equipment, such as hybrid cooling towers.
Wie oben bereits angedeutet wurde, ist die Stromerzeugungsvorrichtung vorteilhafterweise eine Turbinenanordnung, bei welcher eine Turbinenwelle mit Turbinenschaufeln in einem Turbinengehäuse aufgenommen ist. Die Turbinenschaufeln sind drehfest mit der Turbinenwelle zur Drehung um die Turbinenwellenachse verbunden. Zum Betrieb eines Generators muss die Turbinenwelle aus dem Turbinengehäuse herausgeführt sein. An der Durchsetzungsstelle, an welcher die Turbinenwelle das Turbinengehäuse durchsetzt, besteht die Gefahr, dass Ammoniakdampf in die Umgebung austritt. Dies kann in vorteilhafter Weise dadurch verhindert werden, dass Stickstoff der Durchsetzungsstelle als Sperrgas zugeführt wird. Hierzu kann konstruktiv die Durchsetzungsstelle mit einer Labyrinthdichtung versehen sein, welcher Stickstoff mit einem höheren Druck zugeführt wird als dieser im Turbinengehäuse an der Durchsetzungsstelle herrscht.As already indicated above, the power generation device is advantageously a turbine arrangement in which a turbine shaft with turbine blades is accommodated in a turbine housing. The turbine blades are non-rotatable with the turbine shaft for rotation about Turbine shaft axis connected. To operate a generator, the turbine shaft must be led out of the turbine housing. At the point of enforcement, where the turbine shaft passes through the turbine housing, there is a danger that ammonia vapor will escape into the environment. This can be advantageously prevented by supplying nitrogen to the enforcement site as a barrier gas. For this purpose, the enforcement point can be structurally provided with a labyrinth seal, which nitrogen is supplied at a higher pressure than this prevails in the turbine housing at the point of enforcement.
Entsprechend dem oben bezeichneten Verfahren wird die eingangs genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung auch gelöst durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen thermo- dynamischen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, welches Erd- wärme aufnimmt, mit einer Wärmeübertragungseinrichtung, in welcher Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium übertragen wird, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung Arbeit verrichtet, wobei das Kreisprozessmedium im Wesentlichen reiner Ammoniak ist. Zu den Vorteilen einer derartigen Vorrich- tung sei auf die oben im Zusammenhang mit dem entsprechenden Verfahren genannten Vorteile verwiesen.According to the above-mentioned method, the object of the present invention mentioned above is also achieved by a device for converting geothermal energy into electricity by a thermodynamic cycle, with a heat transfer medium, which absorbs heat of the earth, with a heat transfer device, in which energy a separate from the heat transfer medium cycle medium is performed, which performs work in the course of the cycle to a power generating device, wherein the cycle medium is substantially pure ammonia. For the advantages of such a device reference is made to the advantages mentioned above in connection with the corresponding method.
Die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird nach einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung jedoch auch gelöst durch ein Verfahren zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen thermodynamischen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, an welches Erdwärme übertragen wird und welches nachfolgend thermische Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium überträgt, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeu- gungsvorrichtung Arbeit verrichtet, wobei im Wesentlichen reines Wasser als Kreisprozessmedium verwendet wird.However, the object underlying the present invention is also achieved by a method for converting geothermal energy into electricity by a thermodynamic cycle, with a heat transfer medium to which geothermal energy is transmitted and which subsequently thermal energy to a further aspect of the present invention from the heat transfer medium separate circulating medium transfers, which performs work in the course of the cycle on a Stromerzeu- generating device, wherein essentially pure water is used as a cycle process medium.
Im Gegensatz zu dem bekannten Kalina-Prozess wird wiederum ein einziger Stoff, nämlich Wasser als Kreisprozessmedium verwendet. Wasser als Kreisprozessmedium ist aus Kraftanlagen, die auf Grundlage von fossilen oder nuklearen Brennstoffen arbeiten, bekannt, nicht jedoch als Kreisprozessmedium in geothermischen Anlagen, bei welchen selbst die höchsten erzielbaren Temperaturen des Kreisprozessmediums ca. 270 K bis 300 K unter jenen von Kraftanlagen mit fossilen oder nuklearen Brennstoffen liegen.In contrast to the well-known Kalina process becomes again a single Substance, namely water used as a cycle process medium. Water as a cycle process medium is known from power plants operating on the basis of fossil or nuclear fuels, but not as a cycle medium in geothermal plants, in which even the highest recoverable temperatures of the cycle medium about 270 K to 300 K below those of power plants with fossil or nuclear fuels.
Mit der Bezeichnung „im Wesentlichen reines Wasser" soll wiederum nicht ausgeschlossen sein, dass in dem Wasser als Kreisprozessmedium Spuren anderer Substanzen enthalten sind. Jedoch soll eine Mischung, also ein Zweistoffsystem, wie es aus dem Kalina-Prozess bekannt ist, ausgeschlossen sein.Again, the term "substantially pure water" is not intended to exclude traces of other substances in the water as the cycle process medium, but a mixture, ie a two-substance system, as is known from the Kalina process, should be excluded.
Wasser als Kreisprozessmedium eignet sich besonders gut dann, wenn die maximale Temperatur des Kreisprozessmediums während des Kreisprozesses ca. 300° nicht übersteigt und ca. 160° C nicht unterschreitet. In diesem Temperaturbereich kann Wasser als Kreisprozessmedium zumindest in eine Nassdampfphase (nahe der Untergrenze von ca. 160° C) oder sogar in den Zustand schwach überhitzten Dampfes (nahe der Obergrenze von ca. 305° C) überführt werden.Water as a cycle process medium is particularly well suited if the maximum temperature of the cycle medium during the cycle does not exceed about 300 ° and does not fall below about 160 ° C. In this temperature range, water can be transferred as a cycle process medium at least in a wet steam phase (near the lower limit of about 160 ° C) or even in the state of slightly superheated steam (near the upper limit of about 305 ° C).
Bei üblicherweise verfügbaren Umgebungstemperaturen kann das Wasser als Kreisprozessmedium mit herkömmlichem apparativen Aufwand, etwa durch Hybridkühltürme, bei einer Kondensationstemperatur von 20° C bis 35° C, besonders bevorzugt von ca. 33° C kondensiert werden. Beispielsweise kann das Wasser bei einem absoluten Kondensationsdruck von 50 mbar bei einer Temperatur von 32,88° C kondensiert werden.At usually available ambient temperatures, the water can be condensed as a cycle process medium with conventional equipment, such as by hybrid cooling towers, at a condensation temperature of 20 ° C to 35 ° C, more preferably of about 33 ° C. For example, the water can be condensed at an absolute condensation pressure of 50 mbar at a temperature of 32.88 ° C.
Auf Grund der Materialeigenschaften von Wasser liegt dieses als Kreisprozessmedium nach dem Durchgang durch die Stromerzeugungsvorrichtung und vor dem Kondensationsvorgang im Nassdampfzustand vor. Dabei sollte der Dampfanteil von 85 % nicht unterschritten werden, um die mechanische Belastung der Stromerzeugungsvorrichtung, insbesondere einer Turbinenanordnung, durch Tröpfchenbildung im vertretbaren Rahmen zu halten.Due to the material properties of water, this is present as a cycle process medium after passing through the power generation device and before the condensation process in the wet steam state. The steam content of 85% should not be undercut to the mechanical Load of the power generating device, in particular a turbine assembly to keep within reasonable limits by droplet formation.
Der gesamte Wirkungsgrad einer geothermischen Kraftanlage, unabhängig davon, ob sie in dem niedrigen Temperaturbereich mit Ammoniak als Kreisprozessmedium oder in dem oben bezeichneten höheren Temperaturbereich mit Wasser als Kreisprozessmedium arbeitet, kann weiter vorteilhaft dadurch erhöht werden, dass wenigstens ein Teil des Kreisprozessmediums zur Wärmeerzeugung, insbesondere zur Fernwärmeauskopplung, vor Ende des Arbeitsprozesses zur Stromerzeugung aus diesem entnommen wird und kondensiert wird. In diesem Falle kann die vom Kreisprozessmedium erhaltene Wärme als Nutzwärme Gebäuden zugeführt werden, um diese zu heizen. Eine derartige Entnahme des Kreisprozessmediums kann beispielsweise nach Durchgang durch eine erste Stromerzeugungsvorrichtung erfolgen, wenn mehr als eine Stromerzeugungsvorrichtung verwendet wird.The total efficiency of a geothermal power plant, regardless of whether it works in the low temperature range with ammonia as Kreisprozessmedium or in the above-mentioned higher temperature range with water as the cycle process medium, can be further advantageously increased by at least part of the cycle medium for heat generation, in particular for district heating extraction, before the end of the working process for power generation is taken from this and condensed. In this case, the heat received from the cycle process medium can be supplied as useful heat to buildings to heat them. Such removal of the cycle medium may occur, for example, after passing through a first power generating device when more than one power generating device is used.
Entsprechend dem gerade geschilderten Verfahren wird die der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe ebenfalls gelöst durch eine Vorrichtung zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen thermodynamischen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, welches Erdwärme aufnimmt, mit einer Wärmeübertragungseinrichtung, in welcher Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium übertragen wird, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung Arbeit verrichtet, wobei das Kreisprozessmedium im We- sentlichen reines Wasser ist.According to the method just described, the object underlying the present invention is also achieved by a device for converting geothermal energy into electricity by a thermodynamic cycle, with a heat transfer medium, which absorbs geothermal heat, with a heat transfer device, in which energy to a heat transfer medium a separate cycle process medium is performed, which performs work in the course of the cycle on a power generating device, wherein the cycle medium is essentially pure water.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert werden. Es stellt dar:The present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 ein log(p)-h-Diagramm eines thermodynamischen Kreisprozesses eines Stromerzeugungsverfahrens in einer geothermischen Kraftanlage mit Ammoniak als Kreisprozessmedium, Fig. 2 ein T-S-Diagramm eines thermodynamischen Kreisprozesses zur Stromerzeugung in einer geothermischen Kraftanlage mit Wasser als Kreisprozessmedium,1 is a log (p) -h diagram of a thermodynamic cycle of a power generation process in a geothermal power plant with ammonia as a cycle process medium, 2 is a TS diagram of a thermodynamic cycle process for generating electricity in a geothermal power plant with water as a cycle process medium,
Fig. 3 ein schematisches Beispiel einer geothermischen Kraftanlage, welche den Kreisprozess gemäß Fig. 1 durchführt,3 shows a schematic example of a geothermal power plant, which performs the cyclic process according to FIG. 1,
Fig. 4 eine alternative geothermische Kraftanlage, welche den Kreisprozess gemäß Fig. 2 durchführt.Fig. 4 shows an alternative geothermal power plant, which performs the cyclic process of FIG.
In Fig. 1 ist ein Kreisprozess mit Ammoniak als Kreisprozessmedium in einem Diagramm aufgetragen, in welchem der Logarithmus des Absolutdrucks des Kreisprozessmediums gegenüber seiner Enthalpie aufgetragen ist. Eine Kurve 10 begrenzt das Zweiphasengebiet 12 von Ammoniak, in welchem Ammoniak zu einem Teil flüssig und zu einem anderen Teil gasförmig vorliegt. Im Bereich 14 kleinerer Enthalpie als das Zweiphasengebiet 12 ist der Ammoniak vollständig flüssig, im Bereich 16 höherer Enthalpie als das Zweiphasengebiet 12 ist der Ammoniak vollständig gasförmig. Der kritische Punkt K von Ammoniak liegt bei 113,5 bar Absolutdruck und einer Tempera- tur von 132,35° C.In Fig. 1, a cyclic process with ammonia is plotted as a cycle medium in a graph in which the logarithm of the absolute pressure of the cycle medium is plotted against its enthalpy. A curve 10 bounds the two-phase region 12 of ammonia, in which ammonia is liquid to some and gaseous to another part. In the region 14 of smaller enthalpy than the two-phase region 12, the ammonia is completely liquid, in the region 16 of higher enthalpy than the two-phase region 12, the ammonia is completely gaseous. The critical point K of ammonia is 113.5 bar absolute pressure and a temperature of 132.35 ° C.
Die Betrachtung des Kreisprozesses von Fig. 1 beginnt bei einem Punkt 18 bei einem Absolutdruck p von 11 ,67 bar und einer Temperatur T gleich 30° C auf der Grenzlinie 10 zwischen dem Zweiphasengebiet 12 und dem Flüssigphasengebiet 14. Ausgehend von diesem Punkt 18 wird durch eine Pumpe der flüssige Ammoniak unter Erhöhung seiner Enthalpie h auf ein höheres Druckniveau zu dem Punkt 20 im log(p)-h-Diagramm gebracht. Dann wird durch Wärmezufuhr in drei Schritten der Ammoniak zunächst bis zum Punkt 22 an der Grenze zwischen dem Flüssigphasengebiet 14 und Zweiphasengebiet 12 erwärmt, weiter bis zur Grenze zwischen dem Zweiphasengebiet 12 und dem Dampfphasengebiet 16 verdampft (Punkt 24) und von dort aus in die Dampfphase zu Punkt 26 überhitzt. Mit der am Punkt 26 vorhandenen Enthalpie h und bei dem dort herrschenden Druck p wird der Ammoniak längs der Linie 28 bis zur Sattdampfgrenze bei Punkt 30 in einer ersten Turbinenstufe entspannt. Nachfolgend wird der Ammoniak durch Wärmeübertragung erneut in das Dampfphasengebiet 16 zu Punkt 32 zwischenüberhitzt und von dort erneut längs der Linie 34 bis zum Sattdampf- punkt 36 in einer zweiten Turbinenstufe entspannt. Schließlich wird der Ammoniak in einem Kondensator von Punkt 36 zu Punkt 18 kondensiert, von wo aus der Kreisprozess erneut durchlaufen wird.The consideration of the cycle of Fig. 1 begins at a point 18 at an absolute pressure p of 11, 67 bar and a temperature T equal to 30 ° C on the boundary line 10 between the two-phase region 12 and the liquid phase region 14. Starting from this point 18 by a pump, the liquid ammonia with increasing its enthalpy h to a higher pressure level to the point 20 in the log (p) -h diagram brought. Then, by supplying heat in three steps, the ammonia is first heated to the point 22 at the boundary between the liquid phase region 14 and the two-phase region 12, further evaporated to the boundary between the two-phase region 12 and the vapor phase region 16 (point 24), and from there to the vapor phase overheated to point 26. With the enthalpy h existing at point 26 and at the pressure p prevailing there, the Relaxed ammonia along line 28 to the saturated steam limit at point 30 in a first turbine stage. Subsequently, the ammonia is reheated by heat transfer in the vapor phase region 16 to point 32 and then relaxed again along the line 34 to the saturated steam point 36 in a second turbine stage. Finally, the ammonia is condensed in a condenser from point 36 to point 18, from where the cycle is run again.
Der in Fig. 1 gezeigte Kreisprozess mit Ammoniak als Kreisprozessmedium wird vorzugsweise in einem Temperaturbereich verwendet, bei welchem die Temperaturen des Ammoniaks bei den Punkten 26 bzw. 32, d.h. die Maximaltemperaturen, 165° C nicht überschreiten und 90° C nicht unterschreiten. Bei Ammoniak-Maximaltemperaturen von 90° C bis 110° C läuft der Kreisprozess ohne Zwischenüberhitzung ab.The cyclic process with ammonia as the cycle medium shown in Fig. 1 is preferably used in a temperature range in which the temperatures of the ammonia at the points 26 and 32, i. the maximum temperatures do not exceed 165 ° C and do not fall below 90 ° C. At maximum ammonia temperatures of 90 ° C to 110 ° C, the cycle continues without reheating.
In Fig. 2 ist ein alternativer Kreisprozess einer geothermischen Kraftanlage in einem Temperatur-Entropie-Diagramm dargelegt. Entsprechende Punkte sind mit entsprechenden Zahlen wie in Fig. 1 gekennzeichnet, jedoch erhöht um die Zahl 100.In Fig. 2, an alternative cycle of a geothermal power plant is set forth in a temperature entropy diagram. Corresponding points are marked with corresponding numbers as in FIG. 1, but increased by the number 100.
In Fig. 2 ist die Linie 110 die Grenzlinie zwischen Einphasengebieten und dem Zweiphasengebiet 112 von Wasser. Das Flüssigphasengebiet ist mit 114 bezeichnet, das Dampfphasengebiet mit 116. Der kritische Punkt K liegt bei einem Absolutdruck von 220,55 bar und einer Temperatur von 373,98° C. Wiederum wird die Betrachtung des Kreisprozesses von Fig. 2 an der Grenze zwischen dem Flüssigphasengebiet 114 und dem Zweiphasengebiet 112 bei Punkt 118 begonnen. Ausgehend von diesem Punkt 118 wird das Wasser mit einer Pumpe zum Punkt 120 verdichtet. Von dort wird das Wasser in drei Schritten zum Punkt 122 auf der Grenzlinie zwischen dem Flüssigphasengebiet 114 und dem Zweiphasengebiet 112 erwärmt, dann bis zum Sattdampf bei Punkt 124 verdampft und schließlich bis zum Punkt 126 überhitzt. Ausgehend vom überhitzten Zustand des Punktes 126 wird der dort vorliegende Wasserdampf in einer Turbine in das Nassdampf- gebiet bzw. Zweiphasengebiet 112 entspannt. Der Entspannungspunkt im Zweiphasengebiet 112 ist mit 137 bezeichnet. Ausgehend von diesem Punkt wird das Wasser kondensiert bis zum Punkt 118, in welchem das gesamte Wasser des Kreisprozesses kondensiert ist. Der Dampfanteil bei Punkt 137 liegt bei ca. 85 %.In Fig. 2, line 110 is the boundary line between single-phase regions and two-phase region 112 of water. The liquid phase region is denoted by 114, the vapor phase region by 116. The critical point K is at an absolute pressure of 220.55 bar and a temperature of 373.98 ° C. Again, the consideration of the cycle of Fig. 2 at the boundary between the Liquid phase region 114 and the two-phase region 112 started at point 118. Starting from this point 118, the water is compressed by a pump to the point 120. From there, the water is heated in three steps to point 122 on the boundary between the liquid phase region 114 and the two-phase region 112, then vaporized to saturated steam at point 124 and finally overheated to point 126. Starting from the overheated state of the point 126, the water vapor present there is in a turbine in the wet steam area or two-phase area 112 relaxes. The relaxation point in the two-phase region 112 is denoted by 137. From this point, the water is condensed to the point 118 where all the water in the cycle is condensed. The vapor content at point 137 is about 85%.
Der in Fig. 2 gezeigte Kreisprozess mit Wasser als Kreisprozessmedium wird für geothermische Kraftanlagen empfohlen, bei welchen die Temperatur am Punkt 126 nicht größer als 305° C jedoch größer als 160° C ist. In die- sem Temperaturbereich können mit Wasser als Kreisprozessmedium bessere Wirkungsgrade erzielt werden als mit Ammoniak.The cycle with water as a cycle medium shown in FIG. 2 is recommended for geothermal power plants where the temperature at point 126 is not greater than 305 ° C but greater than 160 ° C. In this temperature range, better efficiencies can be achieved with water as a cycle process medium than with ammonia.
In Fig. 3 ist schematisch eine geothermische Kraftanlage zur Stromerzeugung dargestellt. Im Folgenden werden lediglich die wesentlichen Bauteile der Anlage von Fig. 3 erläutert.In Fig. 3, a geothermal power plant for power generation is shown schematically. In the following, only the essential components of the system of Fig. 3 will be explained.
Mit einer Pumpe 40 wird in der Leitung 42 ein Wärmeträgermedium, etwa Wasser oder überkritisches CO2, aus einer Tiefenbohrung zu einem Verteiler 44 gefördert. In der Tiefenbohrung hat das Wärmeträgermedium Erdwär- me aufgenommen. Als Faustregel gilt, dass die Temperatur des Erdeichs pro 100 m Bohrungstiefe um ca. 3 K zunimmt.With a pump 40, a heat transfer medium, such as water or supercritical CO 2 , is conveyed in the line 42 from a deep hole to a manifold 44. In the deep well, the heat transfer medium has absorbed geothermal energy. As a rule of thumb, the temperature of the soil earth per 100 m hole depth increases by about 3 K.
Ausgehend von dem Verteiler 44 wird das Wärmeträgermedium über die Leitung 46 einem Überhitzungs-Wärmetauscher 48 zugeführt. Ebenfalls wird Wärmeträgermedium über die Leitung 50 vom Verteiler 44 einem Zwischen- überhitzungs-Wärmetauscher 52 zugeführt.Starting from the distributor 44, the heat transfer medium is fed via the line 46 to an overheat heat exchanger 48. Also, heat transfer medium is supplied via the line 50 from the distributor 44 to an intermediate superheat heat exchanger 52.
Über die gemeinsame Ablaufleitung 54 wird das aus den Wärmetauschern 48 und 52 austretende Wärmeträgermedium, welches nun eine geringere Temperatur aufweist als vor Eintritt in die jeweiligen Wärmetauscher, einem Verdampfer-Wärmetauscher 56 zugeführt. Das aus dem Verdampfer-Wärmetauscher 56 ablaufende Wärmeträgermedium wird, wiederum mit einer geringeren Temperatur als in der Leitung 54 über die Leitung 58 einem Vor- wärm-Wärmetauscher 60 zugeführt. Vom Vorwärm-Wärmetauscher 60 wird das Wärmeträgermedium über die Leitung 62 wieder in das Erdreich zurückgeführt, wo es erneut Erdwärme aufnimmt. Die Leitungen 42, 46, 50, 54, 58 und 62 bilden somit einen Wärmeträgermedium-Kreislauf.Via the common drain line 54, the heat transfer medium emerging from the heat exchangers 48 and 52, which now has a lower temperature than before entry into the respective heat exchanger, an evaporator heat exchanger 56 is supplied. The heat transfer medium draining out of the evaporator heat exchanger 56, again at a lower temperature than in the line 54 via the line 58, becomes a heat exchanger 60 supplied. From the preheat heat exchanger 60, the heat transfer medium is returned via the line 62 back into the soil, where it receives again geothermal. The lines 42, 46, 50, 54, 58 and 62 thus form a heat transfer medium circuit.
In dem Vorwärm-Wärmetauscher 60 wird Ammoniak als Kreisprozessmedien eines gesonderten Ammoniakkreislaufs vom Punkt 20 zum Punkt 22 von Fig. 1 vorgewärmt. Der vorgewärmte flüssige Ammoniak wird in einer Kesseltrommel 64 gesammelt. Von dort wird der Ammoniak über die Leitung 66 und einer Abschlämmeinrichtung 68 dem Verdampfungs-Wärmetauscher 56 zugeführt und durch diesen zum Punkt 24 von Fig. 1 verdampft. Der Ammoniakdampf wird als Dampfphase ebenfalls in der Kesseltrommel 64 gesammelt und über die Leitung 67 dem Überhitzungs-Wärmetauscher 48 zugeführt. Dort wird der Ammoniakdampf zum Punkt 26 von Fig. 1 überhitzt und über die Leitung 68 der Hochdruckturbinenstufe 70 zugeführt. Von dort kann der Ammoniak, welcher am Ende der Hochdruckturbinenstufe 70 am Punkt 30 von Fig. 1 als Sattdampf vorliegt, entweder durch eine erste Kondensatoreinrichtung 72 kondensiert werden oder/und kann über eine Leitung 74 dem Zwischenüberhitzungs-Wärmetauscher 52 zugeführt werden, wo der Sattdampf zum Punkt 32 von Fig. 1 überhitzt wird und über die Leitung 76 einer Niederdruckturbinenstufe 78 zugeführt wird.In the preheat heat exchanger 60, ammonia is preheated as circular process media of a separate ammonia cycle from point 20 to point 22 of FIG. The preheated liquid ammonia is collected in a boiler drum 64. From there, the ammonia is fed via line 66 and a blowdown 68 to the evaporative heat exchanger 56 and vaporized therethrough to point 24 of FIG. The ammonia vapor is also collected as a vapor phase in the boiler drum 64 and fed via line 67 to the superheat heat exchanger 48. There, the ammonia vapor is overheated to point 26 of FIG. 1 and fed via line 68 to high-pressure turbine stage 70. From there, the ammonia present at the end of the high-pressure turbine stage 70 at point 30 of FIG. 1 may either be condensed by a first condenser 72 or / and may be supplied via a line 74 to the reheat heat exchanger 52 where the saturated steam 1 is overheated to point 32 of FIG. 1 and supplied via line 76 to a low pressure turbine stage 78.
Am Ausgang der Niederdruckturbinenstufe 78 liegt der Ammoniak als kühler Sattdampf bei Punkt 36 von Fig. 1 vor, wobei der Druck und die Temperatur des Ammoniaks durch den zweiten Kondensator bzw. Hauptkondensator 80 bestimmt wird. Am Kondensator 80 wird der Ammoniak zum Punkt 18 von Fig. 1 kondensiert und dann in flüssiger Phase über eine Pumpenanordnung 82, welche über Leitung 84 mit dem Kondensator 80 in Verbindung steht, auf den Punkt 20 von Fig. 1 mit erhöhtem Druckniveau angehoben und von der Pumpenanordnung 82 über die Leitung 86 in den Vorwärm-Wärmetauscher 60 eingeleitet.At the outlet of the low-pressure turbine stage 78, the ammonia is present as cool saturated steam at point 36 of FIG. 1, the pressure and the temperature of the ammonia being determined by the second condenser or main condenser 80. At the condenser 80, the ammonia is condensed to the point 18 of Fig. 1 and then raised in the liquid phase via a pump assembly 82, which communicates via line 84 with the condenser 80, to the point 20 of Fig. 1 with elevated pressure level and from the pump assembly 82 is introduced via line 86 into the preheat heat exchanger 60.
Am ersten Kondensator 72 kann auch lediglich nur ein Teilstrom des Am- moniaks aus der Hochdruckturbinenstufe 70 entnommen und für eine Femwärmekopplung genutzt werden. Die Turbinenstufen 70 und 78 sitzen auf einer gemeinsamen Turbinenwelle 88, welche über ein Getriebe 90 mit einem Generator 92 mechanisch gekoppelt ist. Durch die Turbinenstufen 70 und 78 wird der Generator 92 in Drehung versetzt und dadurch Strom erzeugt.At the first capacitor 72, only a partial flow of the ammunition moniaks taken from the high-pressure turbine stage 70 and used for a Femwärmekopplung. The turbine stages 70 and 78 are seated on a common turbine shaft 88 which is mechanically coupled via a transmission 90 to a generator 92. By the turbine stages 70 and 78, the generator 92 is rotated and thereby generates electricity.
In Fig. 4 ist schematisch eine geothermische Kraftanlage dargestellt, welche den in Fig. 2 gezeigten Kreisprozess mit Wasser als Kreisprozessmedium ausführt. Gleiche Bauteile wie in Fig. 3 sind dabei mit gleichen Bezugsziffern versehen, jedoch erhöht um die Zahl 100. Im Folgenden wird die Fig. 4 nur insoweit beschrieben werden, als sie sich von Fig. 3 unterscheidet. Ansonsten wird ausdrücklich auf die Beschreibung von Fig. 3 verwiesen.4, a geothermal power plant is shown schematically, which executes the cycle shown in Fig. 2 with water as a cycle process medium. The same components as in Fig. 3 are provided with the same reference numerals, but increased by the number 100. In the following, Fig. 4 will be described only insofar as it differs from Fig. 3. Otherwise, reference is expressly made to the description of FIG. 3.
Die Anlage von Fig. 4 unterscheidet sich von der Anlage gemäß Fig. 3 lediglich dadurch, dass nur eine einzige Turbinenstufe 170 den Generator antreibt. Dementsprechend ist kein Zwischenüberhitzungs-Wärmetauscher erforderlich.The plant of Fig. 4 differs from the plant of FIG. 3 only in that only a single turbine stage 170 drives the generator. Accordingly, no reheating heat exchanger is required.
Je nach den geologischen Verhältnissen, d.h. der aus dem Erdinneren erzielbaren Temperatur des Wärmeträgermediums im Primärkreislauf wird entweder die ammoniakbasierte oder die wasserbasierte geothermische Kraftanlage realisiert.Depending on the geological conditions, i. the recoverable from the earth's interior temperature of the heat transfer medium in the primary circuit either the ammonia-based or the water-based geothermal power plant is realized.
Als wirtschaftliche Grenze zwischen den beiden geschilderten Verfahren hat sich eine erreichbare Kreisprozessmedium-Temperatur von ca. 160° C bis 165° C erwiesen. As an economic boundary between the two described methods, an achievable cycle temperature of about 160 ° C to 165 ° C has been found.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, an welches Erdwärme übertragen wird und welches nachfolgend thermische Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium überträgt, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Strom- erzeugungsvorrichtung Arbeit verrichtet, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen reiner Ammoniak als Kreisprozessmedium verwendet wird.1. A method for converting geothermal energy into electricity by a cycle, with a heat transfer medium to which geothermal energy is transmitted and which subsequently transfers thermal energy to a separate from the heat transfer medium cycle medium, which performs work in the course of the cycle on a power generation device, characterized characterized in that substantially pure ammonia is used as the cycle medium.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur des Kreis- prozessmediums während des Kreisprozesses ca. 1600C nicht übersteigt.2. The method according to claim 1, characterized in that the maximum temperature of the circular process medium during the cycle does not exceed about 160 0 C.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur des Kreis- prozessmediums während des Kreisprozesses nicht unter ca. 900C liegt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the maximum temperature of the circular process medium during the cycle is not less than about 90 0 C.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniak als das Kreisprozess- medium vor einem ersten Durchgang durch eine erste Stromerzeugungsvorrichtung überhitzt wird und nach diesem ersten Durchgang vor einem zweiten Durchgang durch eine von der ersten gesonderte zweite Stromerzeugungsvorrichtung zwischenüberhitzt wird.4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the ammonia is overheated as the Kreisprozess- medium before a first passage through a first power generating device and is reheated after this first passage before a second passage through a separate from the first second power generating device.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniak sich nach dem ersten Durchgang und vor der Zwischenüberhitzung im Sattdampfzustand befindet. 5. The method according to claim 4, characterized in that the ammonia is in the saturated steam state after the first pass and before reheating.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ammoniak als Kreisprozessmedium bei einer Kondensationstemperatur von 200C bis 35°C, vorzugsweise von ca. 300C kondensiert wird.6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the ammonia is condensed as a cycle process medium at a condensation temperature of 20 0 C to 35 ° C, preferably of about 30 0 C.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerzeugungsvorrichtung eine Turbinenanordnung mit einer Turbinenwelle und einem Turbi- nengehäuse ist, wobei einer Durchsetzungsstelle, an welcher die Turbinenwelle das Turbinengehäuse durchsetzt, Stickstoff als Sperrgas zugeführt wird.7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the power generating device is a turbine assembly with a turbine shaft and a turbine nengehäuse, wherein an enforcement point at which the turbine shaft passes through the turbine housing, nitrogen is supplied as a sealing gas.
8. Verfahren zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, an welches Erdwärme übertragen wird und welches nachfolgend thermische Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium überträgt, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung Arbeit verrichtet, dadurch gekennzeichnet, dass im Wesentlichen reines Wasser als8. A method for converting geothermal energy into electricity by a cyclic process, comprising a heat transfer medium to which geothermal energy is transferred and which subsequently transfers thermal energy to a separate from the heat transfer medium Kreisprozessmedium that performs work in the course of the cycle on a power generating device, characterized that essentially pure water as
Kreisprozessmedium verwendet wird.Circular process medium is used.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur des Kreis- prozessmediums während des Kreisprozesses 3050C nicht übersteigt.9. The method according to claim 8, characterized in that the maximum temperature of the circular process medium during the cycle 305 0 C is not exceeded.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Temperatur des Kreis- prozessmediums während des Kreisprozesses nicht unter 1600C liegt.10. The method according to claim 8 or 9, characterized in that the maximum temperature of the circular process medium during the cyclic process is not less than 160 0 C.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser als Kreisprozessmedium bei einer Kondensationstemperatur von 200C bis 35°C, vorzugsweise von ca. 33°C kondensiert wird.11. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the water is condensed as a cycle medium at a condensation temperature of 20 0 C to 35 ° C, preferably of about 33 ° C.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser als Kreisprozessmedium nach dem Durchgang durch die Stromerzeugungsvorrichtung und vor dem Kondensationsvorgang im Nassdampfzustand vorliegt.12. The method according to any one of claims 8 to 11, characterized in that the water is present as a cycle process medium after passing through the power generating device and before the condensation process in the wet steam state.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil des Kreisprozessmediums zur Wärmeerzeugung, insbesondere zur Fernwärmeauskopplung, vor Ende des Arbeitsprozesses zur Stromerzeugung aus diesem entnommen wird und kondensiert wird.13. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that at least a part of the cycle medium for heat generation, in particular for district heating extraction, is removed before the end of the working process for power generation from this and is condensed.
14. Vorrichtung zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, welches Erdwärme aufnimmt, mit einer Wärmeübertragungseinrichtung (48, 52, 56, 60), in welcher Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium übertragen wird, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung (70, 78) Arbeit verrichtet, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreisprozessmedium im Wesentlichen reiner Ammoniak ist.14. A device for converting geothermal energy into electricity by a cyclic process, with a heat transfer medium, which receives geothermal heat, with a heat transfer device (48, 52, 56, 60), in which energy is transferred to a separate from the heat transfer medium cycle medium, in the course the cycle process to a power generating device (70, 78) performs work, characterized in that the cycle medium is substantially pure ammonia.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromerzeugungsvorrichtung (70, 78) eine Turbinenanordnung mit einer Turbinenwelle (88) und einem Turbinengehäuse ist, wobei an einer Durchsetzungsstelle, an welcher die Turbinenwelle (88) das Turbinengehäuse durchsetzt, eine15. The device according to claim 14, characterized in that the power generating device (70, 78) is a turbine assembly with a turbine shaft (88) and a turbine housing, wherein at an enforcement point at which the turbine shaft (88) passes through the turbine housing, a
Labyrinthdichtung vorgesehen ist, der durch eine Stickstoffleitung Stickstoff als Sperrgas zugeführt wird. Labyrinth seal is provided, which is supplied through a nitrogen line nitrogen as a sealing gas.
16. Vorrichtung zur Umwandlung von geothermischer Energie in Strom durch einen Kreisprozess, mit einem Wärmeträgermedium, welches Erdwärme aufnimmt, mit einer Wärmeübertragungseinrichtung (148, 156, 160), in welcher Energie an ein vom Wärmeträgermedium gesondertes Kreisprozessmedium übertragen wird, das im Verlauf des Kreisprozesses an einer Stromerzeugungsvorrichtung (170) Arbeit verrichtet, dadurch gekennzeichnet, dass das Kreisprozessmedium im Wesentlichen reines Wasser ist. 16. A device for converting geothermal energy into electricity by a cycle, with a heat transfer medium, which receives geothermal heat, with a heat transfer device (148, 156, 160), in which energy is transferred to a separate from the heat transfer medium cycle medium, in the course of the cycle on a power generating device (170) performs work, characterized in that the cycle medium is substantially pure water.
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