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Die Erfindung betrifft eine Anordnung mit Wärmeübertragern zur Verdampfung großer Massenströme verflüssigten Erdgases, das auch als LNG (Liquified Natural Gas) bezeichnet wird, und zum Zwecke des Transportes und der Zwischenlagerung verflüssigt wurde und bei Atmosphärendruck je nach Methananteil in flüssigem Zustand eine Temperatur von ca. –161°C aufweist.
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Das Erdgas wird nach der Verdampfung in Wärmeübertragern, die zumindest einen Teil der Vorrichtung darstellen, als überhitzter Dampf in eine Pipeline mit Netzdruck eingespeist.
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Dabei sind die beiden Seiten der Wandung zumindest eines Wärmeübertragers, als Wärmeübertrager-Wandungen bezeichnet, auf der einen Seite mit dem zu verdampfenden kalten flüssigen Erdgas, dem LNG, in Kontakt, die deshalb als LNG-Seite bezeichnet werden soll, und auf der anderen Seite mit dem Heizfluid in Kontakt, die deshalb als Heizfluidseite bezeichnet werden soll.
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Das flüssige Erdgas (LNG) wird mittels Pumpen auf hohen Druck gebracht und danach durch Zufuhr von Wärme verdampft.
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Bekannt sind Anordnungen, bei denen ein Teil des flüssigen Erdgases (LNG) entnommen wird und dieser Teil in einem Gasboiler verbrannt wird, so dass ein Heizfluid aus Verbrennungsgasen vorhanden ist, dessen frei werdende Verbrennungswärme als Verdampfungs- und Überhitzungswärme genutzt wird, um das verbleibende mittels Pumpen auf hohem Druck gebrachte flüssige Erdgas zu verdampfen und zu überhitzen, um es danach mit hohem Druck in die Pipeline einzuspeisen.
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In einer modifizierten Ausführung dieser bekannten Anordnung ist ein zirkulierendes Zwischenwärmeträgerfluid vorhanden, das die Wärme von Wärmeübertragerflächen des Gasboilers zur Heizfluidseite transportiert.
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Nachteilig sind in beiden Ausführungen die CO2-Belastung der Umwelt durch Abgase und der kommerzielle Verlust von LNG, was den Ertrag des Erdgasgeschäftes schmälert.
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In anderen bekannten Anordnungen wird Umgebungswärme zur Verdampfung benutzt.
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Dabei benutzt eine Ausgestaltung einer solchen bekannten Vorrichtung die Wärme aus Oberflächenwasser, die diesem entzogen wird. Das Wasser wird direkt zur Heizfluidseite geführt, oder deren Wärme wird mittels eines zirkulierenden Zwischenwärmeträgerfluids zur Heizfluidseite gebracht. Dem Wasser wird die benötigte Verdampfungs- und Überhitzungswärme entzogen, wodurch es sich stark abkühlt.
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Das unter hohem Druck stehende flüssige Erdgas verdampft dabei und wird überhitzt.
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Nachteilig ist der Einfluss der extremen Wasserabkühlung auf die Umgebung des Standortes eines solchen Verdampfungsapparates, da auch Eisformationen in der Umgebung der Wärmeentnahme und es Wärmeaustausches nicht auszuschließen sind.
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Als Folge werden ökologische Lebensräume verändert oder gar zerstört.
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Weiterhin nachteilig ist, dass der Standort des Verdampfungsapparates im Allgemeinen in Hafennähe angesiedelt ist und sowohl Wasserentnahme als auch -rückgabe hafenfern durchgeführt werden müssen, was zusätzliche Betriebs- und Kapitalkosten verursacht.
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Gemäß Patent
US 6 945 049 B2 wird eine technische Lösung zur Umwandlung von LNG in gasförmiges Erdgas für den Einsatz auf „seegehenden” Schiffen bekannt gemacht.
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Als Wärmequelle für die LNG-Verdampfung wird Seewasser benutzt, dem Wärme entzogen wird, wodurch es sich abkühlt. Als Wärmeträger zwischen Seewasser und LNG wird Propan verwendet, welches die Wärme vom Seewasser zum LNG in einem eigenen abgeschlossenen Kreislauf transportiert. Propan ändert dabei seinen Aggregatzustand von gasförmig infolge Wärmezufuhr im Verdampfer in flüssig infolge Wärmeabfuhr im Kondensator. Zusätzlich wird Wasserdampf für eine weitergehende Erwärmung des Erdgases benutzt, um es bedarfsgerecht zu überhitzen.
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Die Benutzung des Patentes ist nachteilig nur auf seegehenden Schiffen anwendbar, wo Wassermengen unbegrenzt vorhanden sind. Außerdem wird nachteilig zusätzliche Wärme aus Dampf eingesetzt, der durch Verbrennung fossiler Rohstoffe bereitgestellt wird oder als Abwärme auf einem Schiff vorhanden ist. Nachteilig ist zudem die Verwendung von seewasserbeständigen Werkstoffen für die Verdampfer.
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Eine andere bekannte Ausgestaltung benutzt Wärme aus der Umgebungsluft. Die Luft wird direkt zur Heizfluidseite geführt, oder deren Wärme wird mittels eines zirkulierenden Zwischenwärmeträgerfluids zur Heizfluidseite gebracht. Der Umgebungsluft wird die benötigte Verdampfungs- und Überhitzungswärme entzogen, wodurch sie sich stark abkühlt. In einer modifizierten Ausgestaltung dieser bekannten Ausführung ist für Standorte, an denen die Umgebungstemperatur jahreszeitlich bedingt nicht hoch genug ist, um die gewünschte Überhitzungstemperatur zu realisieren, ein Gasboiler als Nacherhitzer zusätzlich angeordnet, um das Erdgas auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Die Nachteile sind dabei denen der erstgenannten bekannten technischen Ausführung ähnlich, da Erdgas verbrannt werden muss, um die gewünschte Gastemperatur zu erreichen.
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Außerdem ist die spezifische Wärme der Luft klein, wodurch große Luftvolumen durch die Wärmeübertrager gefördert werden müssen, so dass relativ große Antriebsleistungen für Ventilatoren erforderlich werden.
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Da diese Wärmeübertrager durch die Ausscheidung der Luftfeuchtigkeit an den kalten Wärmeübertragerflächen auf der Heizfluidseite vereisen, wird der Wärmedurchgang eingeschränkt. Wärmeübertrager müssen daher von Zeit zu Zeit außer Betreib genommen und durch bekannte Methoden abgetaut werden.
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Für kontinuierliche Betriebsweise mit Abtauvorgang ohne Prozessunterbrechungen sind parallel geschaltete Wärmeübertrager nötig, die wechselweise zum Abtauen und zum Verdampfen betrieben werden, wodurch zusätzlicher technischer Aufwand entsteht.
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Die Energiebilanz der bekannten Ausführungen ist negativ, da Antriebsenergie zum Betrieb der beschriebenen Einrichtungen erforderlich ist und zusätzlich Erdgas verbrannt werden muss.
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Der Energieverbrauch für den Betrieb der Pumpen und Gebläse treibt die Betriebskosten in die Höhe. Der Eigenverbrauch an Gas reduziert die Ausbeute.
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Im Patent
US 3 018 634 A wird eine stufenweise Erwärmung bis zur Verdampfung von LNG vorgeschlagen.
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Die dazu erforderliche Wärmemenge wird Prozessen entzogen, die dadurch gekühlt werden. Alternativ wird Wärme aus Klimaanlagen eingekoppelt. Zusätzlich wird Wärme aus Umgebungsluft als Wärmequelle genutzt, um Erdgases in einer letzten Stufe zu überhitzen. Als Wärmeträgerfluid werden Ethan für tiefe Temperaturen und Propan für höhere Temperaturen in zwei separaten geschlossenen Kreisläufen verwendet, die dabei ihren Aggregatzustand von gasförmig infolge Wärmezufuhr im Verdampfer in flüssig infolge Wärmeabfuhr im Kondensator ändern. Speisepumpen in den beiden Kreisläufen schaffen eine Druckdifferenz zwischen Verdampfer und Kondensator, die eine Temperaturspreizung zwischen Verdampfungs- und Kondensatortemperatur verursachen. Das ermöglicht den Betrieb von Entspannungsturbinen in den beiden geschlossenen Kreisläufen und damit die Auskopplung mechanischer Energie aus dem Prozess der LNG-Verdampfung.
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Nachteilig ist, dass der Betrieb einer solchen Anlage standortgebunden ist, da Wärme aus anderen Prozessen erforderlich ist. Außerdem ist die maximale Erwärmung des Erdgases von der Umgebungstemperatur abhängig, so dass bei tiefen Umgebungstemperaturen eine weitere Erwärmung auf ein gefordertes Temperaturniveau erforderlich wird.
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Das Patent
US 4 716 237 A bezieht sich auf eine Kombination einer Wasserdampfturbine, deren Abwärme, die Kondensationswärme, zur Verdampfung von LNG benutzt wird, während die Wellenleistung der Dampfturbine benutzt wird, um einen Erdgasverdichter anzutreiben.
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In einen Mischungs-Wärmeübertrager wird dieser Erdgasdampf mit LNG, das über eine Vielzahl von Düsen eingespritzt wird, gemischt, so dass ein intensiver Wärmeaustausch zwischen Erdgasdampf und versprühtem LNG stattfindet und LNG vollständig zu Erdgas verdampft. Um die Temperatur dieses Gemisches anzuheben, wird das kalte Erdgas in einem Verdichter auf höheren Druck verdichtet, wodurch die Temperatur steigt.
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Zwei andere Patente mit den Nummern
US 4 231 226 A und
US 3 992 891 A beschreiben Anlagen zur LNG-Verdampfung, die aus einer Kombination von Verdichtern, Expansionsturbinen und Wärmeübertragern besteht, die zu einem geschlossenen Fluidkreislauf gehören, in dem ein separates Arbeitsmedium benutzt wird, dessen Aggregatzustand sich im Kreislauf nicht ändert. Gemäß
US 3 992 891 A wird als Arbeitsmedium Luft eingesetzt. Für den Betrieb dieser Anlagen ist externe Wärme hoher Temperatur im Wärmeübertrager vor der Gasturbine erforderlich, gemäß
US 3 992 891 A sind 1200 K angegeben. Die Turbine treibt die Verdichter an und generiert je nach Maß der Abwärme überschüssige mechanische Leistung, die einen Generator antreibt.
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Aus thermodynamischer Sicht ist es nur dann sinnvoll, mechanische Arbeit einzusetzen, um daraus bloße Wärme zur Heizung von Erdgas zu generieren – wie in den Patenten
US 4 716 237 A ,
US 4 231 226 A und
US 3 992 891 A vorgeschlagen – wenn eine äußere Abwärme-Quellen angezapft werden kann. Die bedarfsgerechte Standortwahl an Abwärme ist ein gravierender Nachteil
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Andernfalls muss zusätzlich Wärme generiert werden, die Rohstoffe erfordert, Betriebskosten verursacht und die Umwelt belastet.
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Die Erfindung hat die Aufgabe, diese Nachteile durch eine neue Anordnung zu beseitigen und nutzbare hochwertige Elektro-Energie auszukoppeln, so dass sich eine positive Energie- und Betriebskostenbilanz ergibt.
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Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Patentanspruch 1.
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Vorteilhafte Ausführungen dazu sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 angegeben.
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Gemäß der Erfindung werden Verdampfung und Überhitzung des LNG in mindestens drei Teilschritten realisiert, die jede für sich unterschiedliche Technologien verwenden.
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Die drei Teilsysteme der Vorrichtung nach den Merkmalen der Erfindung sind auf der LNG-Seite kommunizierend verbunden und werden vom LNG nacheinander durchströmt.
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Die Vorrichtung nach den Merkmalen der Erfindung nutzt im ersten Teilschritt die Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und extrem tiefer Temperatur des flüssigen Erdgases zur Erzeugung von mechanischer Energie mit Hilfe eines Kraftwerksprozesses. Die mechanische Energie kann vorteilhaft zur Stromerzeugung genutzt werden, und damit ins Netz eingespeist werden. Das niedrige Temperaturniveau des flüssigen Erdgases LNG ist dabei die Wärmesenke gegenüber der Umgebungstemperatur.
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Das erste Teilsystem ist durch Komponenten gekennzeichnet, die einen rechtsläufigen Kraftprozess bilden, mit einem in Bezug auf die Temperatur oberen Wärmeübertrager, der durch die Wärme aus der Umgebung beaufschlagt wird, wodurch das Arbeitsfluid auf nahezu Umgebungstemperatur gebracht wird und sich damit dessen Volumen vergrößert, eine Expansionseinrichtung zur Auskopplung der mechanischen Energie, zum Beispiel mittels einer Turbine, in der das Arbeitsfluid vom Druck im oberen Wärmeübertrager auf einen tieferen Druck entspannt wird, und das entspannte Arbeitsfluid in einem in Bezug auf die Temperatur unteren Wärmeübertrager durch das kalte flüssige Erdgas gekühlt wird, und Mittel zur Druckerhöhung vorhanden sind, mit denen das Arbeitsfluid vom Druck im unteren Wärmeübertrager auf den Druck im oberen Wärmeübertrager, der in etwa dem Zulaufdruck der Turbine entspricht, gebracht wird.
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Als Arbeitsfluide können Stoffe mit und ohne Zustandsänderung beim Durchlaufen der Kreisprozesskomponenten sein.
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Ein Kreisprozess, in dem das Arbeitsfluid beim Durchlaufen der Kreisprozesskomponenten von Dampf zu Flüssigkeit und wieder zu Dampf wechselt, ist als Clausius-Rankine Prozes bekannt.
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Ein anderer Kreisprozess ohne Wechsel des Aggregatzustandes beim Durchlaufen der Kreisprozesskomponenten ist der Brayton-Prozess.
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Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese beiden Prozesse beschränkt.
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Mit Rücksicht auf maximale Energieausbeute ist der Kreisprozess mit Zustandsänderung vorteilhaft.
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Das erste Teilsystem hat daher einen Verdampfer, der durch die Wärme aus der Umgebung beaufschlagt wird, wodurch das Arbeitsfluid verdampft wird, eine Turbine, in der das Arbeitsfluid vom Verdampferdruck auf den tieferen Kondensatordruck entspannt wird, wozu Einrichtungen zur Abkühlung mit Kondensation des entspannten Arbeitsfluids vorhanden sind, durch die das kalte flüssige Erdgas strömt, so dass der Dampf infolge Kondensation vollständig in Flüssigkeit umgewandelt wird, und eine Speisepumpe, mit der das Arbeitsfluid auf Verdampfungsdruck gebracht wird.
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Der Verdampfer wird mit Umgebungsluft beheizt. Der Kondensator wird mit flüssigem Erdgas gekühlt, das sich dabei selbst erwärmt. Der Temperaturanstieg ergibt sich aus der Wärmebilanz zwischen zur Verfügung stehender Enthitzungs- und Kondensationswärme des Kreisprozess und der erforderlichen Wärme zur Aufheizung des LNG.
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Als Resultat wird die Kondensationswärme im ersten Abschnitt zur Heizfluidseite des LNG-Wärmeübertragers an das LNG geliefert, und außerdem wird mechanische Arbeit ausgekoppelt.
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Als Arbeitsfluid werden vorteilhaft Fluide verwendet, deren kritische Temperatur größer als die Kondensationstemperatur ist. Die Wärmequelltemperatur der Umgebung darf auch oberhalb der kritischen Temperatur liegen. Außerdem muss die Wahl von Fluides auch die Komponentenverfügbarkeit berücksichtigen.
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Mögliche Arbeitsfluide wären beispielsweise Tetrafluormethan (CF4, auch als Kältemittel R14 bekannt) oder Methan (CH4, auch als Kältemittel R50 bekannt), jedoch ist die Erfindung nicht darauf begrenzt.
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Eine Vorrichtung nach den Merkmalen der Erfindung nutzt in einem zweiten Teilschritt der Erfindung Umgebungswärme aus der Luft als Wärmequelle zur Verdampfung und zur Überhitzung des LNG, wobei die Wärme von der Umgebung zur Heizfluidseite in einer vorteilhaften Ausgestaltung mittels eines volatilen Wärmeträgerfluids, z. B. Propan, mit den Zustandsänderungen Kondensation an der Heizfluidseite des LNG-Wärmeübertragers und Verdampfung an der Wärmequelle des Luft-Wärmeübertragers nach dem Prinzip eines Wärmerohres transportiert wird, so dass die Druckunterschiede zum Transport des volatilen Wärmeträgerfluids nur der Überwindung von Strömungswiderständen und geodätischen Drücken innerhalb dieses Teilabschnittes dienen.
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Eine Vorrichtung nach den Merkmalen der Erfindung benutzt in einem dritten Teilschritt eine Wärmepumpe, die als linksläufiger Kreisprozess ausgeführt ist, bestehend zumindest aus Verdampfer, Verdichter, Kondensator und Expansionseinrichtung, wobei der Verdampfer Umgebungswärme aus der Luft bezieht und der Kondensator Wärme an die Heizfluidseite des LNG-Wärmeübertragers liefert.
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Vorteilhaft nutzen die Vorrichtungsteile im zweiten und dritten Teilschritt gemäß der Erfindung das gleiche Fluid, z. B. Propan.
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Der zweite und dritte Teilschritt sind vorteilhaft in einem integrierten Teilsystem angeordnet. Die Erfindung ist aber nicht darauf beschränkt.
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Das integrierte Teilsystem beinhaltet damit Wärmerohr und Wärmepumpe.
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Wärmerohr und Wärmepumpe benutzen das gleiche Arbeits- oder auch Kreislauffluid.
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Das Teilsystem ist durch einen einzigen Flüssigkeitsbehälter für das Arbeitsfluid und einen einzigen Luftwärmeübertrager, gekennzeichnet. Vom unterem Sumpfteil des Flüssigkeitsbehälters wird flüssiges Kältemittel mittels Umlaufpumpe zum Luft-Wärmeübertrager gefördert wird, um es dort zu verdampfen.
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Der Dampf gelangt zurück in den Kopfteil des Flüssigkeitsbehälters. Der Kopfteil des Flüssigkeitsbehälters ist einerseits mittels Rohrleitung mit dem Zwischenwärmeübertrager verbunden, wo das Kreislauffluid kondensiert und über den Flüssigkeitsrücklauf wieder in den Flüssigkeitsbehälter gelangt. Der Kopfteil des Flüssigkeitsbehälters ist andererseits mit der Saugleitung des Verdichters verbunden, der das Arbeitsfluid ansaugt und auf einen höheren Druck verdichtet, so dass die Kondensationstemperatur im Nach-Wärmeübertrager hoch genug ist, um das Erdgas wunschgemäß, z. B. auf +2°C zu erhitzen.
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Das Arbeitsfluid wird durch diese Wärmeabgabe verflüssigt. Es läuft über eine Flüssigkeitsleitung und eine geregelte Drosselstelle, zum Beispiel ein Schwimmerventil, auch Hochdruckschwimmer, zurück in den Flüssigkeitsbehälter.
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Die Vorrichtung gemäß der Erfindung benutzt zur Wiederverdampfung des LNG ausschließlich Umgebungswärme aus der Luft.
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Dadurch haben die einzelnen Wärmeübertrager je nach Anordnung im System in Bezug auf das zu verdampfende Erdgas unterschiedliche Temperaturdifferenzen, da die Temperatur des zu verdampfenden Erdgases (Wärmesenktemperatur) von –161°C bis zu +2°C reicht.
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Die Eisbildung aus Feuchtigkeit der Luft wird in bekannten Lösungen in Kauf genommen.
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In einer vorteilhaften Anordnung der Wärmeübertrager in Abhängigkeit der Wärmesenktemperatur wird Eisbildung an den Wärmeübertragerflächen dadurch vermieden, dass die Erwärmung des Erdgases in Teilabschnitten stufenweise erfolgt und die Wärmeübertrager dementsprechend angeordnet werden.
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An Wärmeübertragerflächen mit Wandtemperaturen an der Luftseite unterhalb von –60°C haftet ausgeschiedene Feuchtigkeit aus der Luft nicht, so dass in diesem Temperaturbereich Abtauen von Eisformationen nicht erforderlich ist.
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Die Energiebilanz der erfindungsgemäßen Anordnung ist positiv, da Antriebsenergie ausgekoppelt und in ein Netz eingespeist werden kann, ohne dass Erdgas verbrannt werden muss.
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Der Energiebedarf für den Betrieb der Nebenaggregate, wie zum Beispiel der Speisepumpe und Gebläse für die Wärmeübertrager wird kostenfrei abgedeckt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ergibt eine positive Energie- und Betriebskostenbilanz.
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Die Erfindung wird an den Beispielen näher erläutert.
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Bild 1 zeigt Verdampfung und Überhitzung des LNG in drei Teilschritten.
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Bild 2 zeigt ein Druck, Enthalpie-Diagramm mit den Zustandsänderungen des Arbeitsfluids für die drei erfindungsgemäßen Teilschritte der Erdgaserwärmung.
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Bild 3 zeigt ein Druck, Enthalpie-Diagramm mit den Zustandsänderungen des Arbeitsfluids für den rechtsläufigen Kreisprozess mit Prozesstemperaturen
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Das Bild 1 zeigt ein vereinfachtes Schaltbild gemäß der Erfindung. Verdampfung und Überhitzung des flüssigen Erdgases, LNG, werden in drei Teilschritten, im dem rechtsläufigen Dampfkraftprozess 1, dem Pumpenkreislauf 2, dem Wärmepumpenkreislauf 3 realisiert, die jede für sich unterschiedliche Technologien verwenden.
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Die drei Teilsysteme der Vorrichtung sind nach den Merkmalen der Erfindung auf der LNG-Seite durch die LNG-Rohrstrecke 13 kommunizierend verbunden und werden vom LNG nacheinander durchströmt.
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Das erste Teilsystem nutzt die Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und Temperatur des flüssigen Erdgases zur Erzeugung von mechanischer Energie mit Hilfe eines Kraftwerksprozesses.
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Das erste Teilsystem, der rechtsläufige Dampfkraftprozess 1, hat einen LT-Verdampfer 4, der durch die Wärme aus der Umgebung beaufschlagt wird, wodurch das Arbeitsfluid verdampft wird, eine Turbine 7, in der das Arbeitsfluid vom Verdampferdruck auf Kondensatordruck entspannt wird. Die Kondensationswärme im LT-Kondensator 9 zur Abkühlung und Kondensation des entspannten Arbeitsfluids wird an das kalte flüssige Erdgas auf der LNG-Seite abgeführt. Der Dampf wird in Flüssigkeit umwandelt, und die Speisepumpe 8 fördert das Arbeitsfluid mit Verdampfungsdruck zum LT-Verdampfer 4, wo das Arbeitsfluid erneut verdampft.
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Auch der LT-Verdampfer 4 wird mit Umgebungsluft beheizt. Der LT-Kondensator 9 wird mit flüssigem Erdgas gekühlt, das sich dabei selbst erwärmt. Der Temperaturanstieg ergibt sich aus der Wärmebilanz zwischen zur Verfügung stehender Enthitzungs- und Kondensationswärme des Kreisprozess und der erforderlichen Wärme zur Aufheizung des LNG.
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Als Resultat wird die Kondensationswärme im ersten Abschnitt zur Heizfluidseite des LNG-Wärmeübertragers im LT-Kondensator 9 an das LNG geliefert, und außerdem wird mechanische Arbeit an der Turbine 7 ausgekoppelt. Als Arbeitsfluid wird R14 verwendet, dessen kritische Temperatur größer als die Kondensationstemperatur ist. Die Wärmequelltemperatur der Umgebung liegt bei R14 auch unterhalb der kritischen Temperatur.
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Das zweite Teilsystem, der Pumpenkreislauf 2, hat zwei Wärmeübertrager, den MT-Verdampfer 5 und den MT-Kondensator 11, und die Umlaufpumpe 10.
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Der Wärmeübertrager, der MT-Verdampfer 5, entzieht der Umgebungsluft Wärme, während das Kreislauffluid verdampft. Die Wärme wird mittels Kreislauffluid zum Wärmeübertrager, dem MT-Kondensator 11, transportiert, wo es kondensiert. Die Umlaufpumpe 10 drückt die Flüssigkeit erneut zum MT-Verdampfer 5.
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Der Kreislauf ist damit geschlossen.
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Das dritte Teilsystem, der Wärmepumpenkreislauf 3, hat einen WP-Verdampfer 6, welcher der Umgebungsluft Wärme entzieht, da die Verdampfungstemperatur unterhalb der Umgebungstemperatur gehalten wird, während das Arbeitsfluid verdampft. Das Arbeitsfluid wird im WP-Verdichter 14 auf höheren Druck verdichtet, wodurch die Kondensationstemperatur im WP-Kondensator 12 über Umgebungstemperatur ansteigt. Dadurch kann das Erdgas auf die gewünschte Temperatur aufgeheizt werden.
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Nach Verflüssigung wird das Arbeitsfluid an der WP-Drosselstelle 15 wieder auf Verdampfungsdruck entspannt. Der Kreislauf ist geschlossen.
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In Bild 2 sind die Zustandsänderungen des Arbeitsfluids für die drei erfindungsgemäßen Teilschritte der Erdgaserwärmung von unten nach oben aufgetragen.
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Der Dampfkraftprozess ist der rechtsläufige Kreisprozess 21, auch der Pumpenkreislauf 22 ist ein rechtsläufiger Prozess, während der Wärmepumpenprozess 23 links herum durchlaufen wird.
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Bild 3 zeigt das Druck, Enthalpie-Diagramm für das Arbeitsfluid Methan mit den Zustandsänderungen des Arbeitsfluids für den Dampfkraftkreislauf mit Prozesstemperaturen und Enthalpieänderungen und für das zu erhitzende Erdgas (LNG), deren spezifischer Wärmeinhalt aus Gründen der Vereinfachung dem Arbeitsfluid Methan gleichgesetzt wird.
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Punkt 34 veranschaulicht die LNG-Enthalpie bei 90 bar und –161°C vor der Erwärmung. Die Erwärmung des LNG wird durch die durch Enthitzungs- und Kondensationswärme je nach Außenlufttemperatur bis zum Punkt 35 oder 35a realisiert.
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Punkt 35 zeigt die LNG-Enthalpie bei 90 bar nach erstem Teilschritt bei Außentemperatur –10°C während Punkt 35a die LNG-Enthalpie bei 90 bar und Außentemperatur +30°C zeigt.
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Der Dampfkraftkreislauf ist für zwei extreme Außentemperaturen dargestellt, die dazu führen, dass das Arbeitsfluid unter bestimmten Bedingungen, die hier nicht weiter erläutert werden, im Verdampfer bis zu –20°C oder bis zu +20°C unter hohem Druck verdampft wird. Die Druckerhöhung 49 von 35 bar auf etwa 90 bar des Kondensats (Methan in flüssiger Phase) übernimmt die Speisepumpe 8. Durch Wärmezufuhr aus der Umgebungsluft, die sich dabei abkühlt, folgt die Zustandsänderung Fluiderwärmung 48 bei Lufttemperaturen von ca. –10°C auf –20°C oder die Zustandsänderung Fluiderwärmung 48a bei Lufttemperaturen von ca. +30°C auf +20°C. Das Arbeitsfluid verdampft dabei. Aus der Entspannung des Dampfes in der Turbine resultiert eine mechanische Arbeit, die zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt wird. Es folgt die Zustandsänderung Enthitzung und Kondensation 46 bei Entspannung von –20°C oder die Zustandsänderung Enthitzung und Kondensation 46a bei Entspannung von +20°C. Die LNG-Erwärmung 31 wird durch die Enthitzungs- und Kondensationswärme 32 aufgebracht, wenn von –20°C entspannt wird, oder die LNG-Erwärmung 31a wird durch die Enthitzungs- und Kondensationswärme 32a aufgebracht, wenn von +20°C entspannt wird.
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Damit wird die LNG-Enthalpie angehoben und Punkt 35 nach erstem Teilschritt bei Außentemperatur –10°C erreicht während bei Außentemperatur von +30°C der Punkt 35a erreicht wird.
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Die Energiebilanz der erfindungsgemäßen Anordnung ist positiv, da Antriebsenergie ausgekoppelt und in ein Netz eingespeist werden kann, ohne dass Erdgas verbrannt werden muss.
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Der Energiebedarf für den Betrieb der Nebenaggregate, wie zum Beispiel der Speisepumpe und Gebläse für die Wärmeübertrager wird kostenfrei abgedeckt.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ergibt eine positive Energie- und Betriebskostenbilanz.
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Außerdem wird die Umwelt durch Stromerzeugung ohne Primärenergieaufwand entlastet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- rechtsläufiger Dampfkraftprozess
- 2
- Pumpenkreislauf
- 3
- Wärmepumpenkreislauf
- 4
- LT-Verdampfer
- 5
- Wärmeübertrager, MT-Verdampfer
- 6
- WP-Verdampfer
- 7
- Turbine
- 8
- Speisepumpe
- 9
- LT-Kondensator
- 10
- Umlaufpumpe
- 11
- Wärmeübertrager, MT-Kondensator
- 12
- WP-Kondensator
- 13
- LNG-Rohrstrecke
- 14
- WP-Verdichter
- 15
- WP-Drosselstelle
- 21
- rechtsläufiger Kreisprozess
- 22
- Pumpenkreislauf
- 23
- Wärmepumpenprozess
- 31
- LNG-Erwärmung im ersten Teilschritt
- 32
- Enthitzungs- und Kondensationswärme
- 32a
- Enthitzungs- und Kondensationswärme
- 33
- Expansionsarbeit
- 33a
- Expansionsarbeit
- 34
- LNG-Enthalpie bei 90 bar und –161°C
- 35
- LNG-Enthalpie bei 90 bar nach erstem Teilschritt (Außentemperatur –10°C)
- 35a
- LNG-Enthalpie bei 90 bar nach erstem Teilschritt (Außentemperatur +30°C)
- 44
- LNG-Enthalpie am Turbinenaustritt bei –20°C Dampfeintrittstemperatur
- 44a
- LNG-Enthalpie am Turbinenaustritt bei +20°C Dampfeintrittstemperatur
- 45
- Isotherme für –20°C
- 45a
- Isotherme für +20°C
- 46
- Zustandsänderung Enthitzung und Kondensation
- 46a
- Zustandsänderung Enthitzung und Kondensation
- 47
- Zustandsänderung Fluid-Entspannung (Expansionsarbeit)
- 47a
- Zustandsänderung Fluid-Entspannung (Expansionsarbeit)
- 48
- Zustandsänderung Fluid-Erwärmung
- 48a
- Zustandsänderung Fluid-Erwärmung
- 49
- Druckerhöhung mittels Speisepumpe 8
