DE102005048795B3 - Kraft-Wärme-Kopplungsanlage - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, bestehend aus einem mit einem nachgeschalteten ORC (Organic-Rankine-Cykle) kombinierten Blockheizkraft (BHKW) mit einer Verbrennungskraftmaschine (12) mit Turbolader (17) und Gemischkühlung für das Brenngasgemisch vor dem Eintritt in die Zylinder, einem Wärmetauscher (20) im Kühlkreislauf (21) sowie einem Abgaswärmetauscher (22), dessen Vorlaufleitung mit dem Verdampfer (3) des ORC in Verbindung steht und diesen beheizt. DOLLAR A Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, welche insbesondere aus einem mit einem nachgeschalteten ORC kombinierten Blockheizkraftwerk mit einer Verbrennungskraftmaschine mit Turbolader und Gemischkühlung für das Brenngasgemisch besteht, zu optimieren. DOLLAR A Erfindungsgemäß wird daher das Prozessmedium im ORC über zwei in Reihe der Speisepumpe (2) nachgeschaltete Wärmetauscher (9, 10) erwärmt. Dabei ist der erste Wärmetauscher (9) nach der Speisepumpe (2) als erste Stufe zur Einkopplung von Niedertemperaturwärme und der nachfolgende Wärmetauscher (10) als zweite Stufe zur Einkopplung von Hochtemperaturwärme vorgesehen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung, sogenannte Blockheizkraftwerke (BHKW), sind allgemein bekannt. Es handelt sich dabei um dezentrale, meistens mit Verbrennungskraftmaschinen angetriebene Stromerzeugungsanlagen mit gleichzeitiger Abwärmenutzung. Die bei der Verbrennung über die Kühlmedien ausgetragene Wärme wird dabei möglichst vollständig zur Beheizung geeigneter Objekte genutzt.
  • Weiterhin ist die Anwendung eines ORC (Organic-Rankine-Cycle), also eines organischen Kreisprozesses nach Rankine bekannt. Es handelt sich dabei um einen Dampfprozess, bei dem an Stelle von Wasser organische Medien verdampft werden. Eine Speisepumpe saugt das Prozessmedium an und fördert es durch einen einzigen Wärmeübertrager, in dem die vollständige Erhitzung erfolgt, in einen Verdampfer bzw. Überhitzer. Der entstandene Dampf treibt eine Dampfturbine, einen Kolben- oder Schraubenmotor an, welcher wiederum mit einem elektrischen Generator gekoppelt ist. Nach der Arbeitsmaschine gelangt das Prozessmedium in einen Verflüssiger und wird dort rückgekühlt. Da Wasser unter atmosphärischen Bedingungen bei 100 °C verdampft, kann Wärme auf einem niedrigen Temperaturniveau, wie zum Beispiel Industrieabwärme oder Erdwärme, oftmals nicht zur Stromerzeugung genutzt werden. Verwendet man allerdings organische Medien mit niedrigeren Siedetemperaturen, so lässt sich Niedertemperaturdampf erzeugen.
  • Vorteilhaft in der Anwendung sind ORC-Anlagen auch bei der Verwertung von Biomasse im Zusammenhang mit Kraft-Wärme-Kopplung, insbesondere bei relativ kleinen Leistungen, also wenn die herkömmliche Biomasse-Feuerungstechnik relativ teuer erscheint. Biomasseanlagen besitzen häufig einen Fermenter zur Biogaserzeugung, welcher in der Regel beheizt werden muss.
  • Gattungsgemäße Anlagen zur Kraft-Wärme-Kopplung bestehen aus einem mit einem nachgeschalteten ORC kombinierten BHKW. Aus der DE 195 41 521 A1 geht eine Anlage zur Steigerung des elektrischen Wirkungsgrades bei der Verstromung von Sondergasen mittels Verbrennungsmotoren hervor, bei der die Abwärme des Motors in einer nachgeschalteten Energieumwandlungsanlage zur weiteren Stromerzeugung genutzt wird. Allerdings ist dabei nur die Hochtemperaturwärme aus dem Kühlwasserkreislauf sowie aus dem Abgaswärmetauscher des Motors zur Verwertung vorgesehen.
  • Weiterhin ist aus der US 4 901 531 ein in einen Rankine-Prozess integriertes Diesel-Aggregat bekannt, wobei ein Zylinder der Expansion gemäß Rankine dient und die anderen als Dieselmotor arbeiten. Aus der US 4 334 409 geht eine nach dem Rankine-Prozess arbeitende Anordnung hervor, bei der das Arbeitsfluid mit einem Wärmetauscher vorgeheizt wird, über den die Luft aus dem Auslass eines Kompressors einer Maschine mit innerer Verbrennung geführt ist.
  • Insbesondere bei Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen mit nachgeschaltetem ORC als Abwärmekraftwerk haben sich Maschinen durchgesetzt, die auf Motoren mit einem Abgasturbolader zur Aufladung basieren. Man kommt damit der Forderung nach Maschinen mit sehr hohen elektrischen Wirkungsgraden nach, die sich nur mit Turboaufladung und Rückkühlung des durch die Verdichtung erhitzten Brenngasgemisches erreichen lassen. Generell ist eine Kühlung des Brenngasgemisches erforderlich, weil ansonsten die Füllung der Zylinder relativ schlecht wäre. Mit der Kühlung wird die Dichte des angesaugten Gemisches größer und es verbessert sich der Füllungsgrad. Damit steigen die Leistungsausbeute und der mechanische Wirkungsgrad des Motors.
  • Die Motorenhersteller schreiben für die Gemischkühlung eine Kühlwassereintrittstemperatur von nur etwa 40 bis 50 °C vor, damit das Gemisch genügend abgekühlt werden kann. Da dieses Temperaturniveau relativ niedrig ist, wird die dem Brenngasgemisch entzogene Wärme bei den bisher bekannten Kraft-Wärme-Kopplungsanlagen an die Umgebung abgegeben, beispielsweise mit einem Tischkühler.
    •
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, welche insbesondere aus einem mit einem nachgeschalteten ORC kombinierten Blockheizkraftwerk mit einer Verbrennungskraftmaschine mit Turbolader und Gemischkühlung für das Brenngasgemisch besteht, zu optimieren.
  • Erfindungsgemäß wird dies mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Die Kraft-Wärme-Kopplungsanlage ist dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium im ORC über zwei in Reihe der Speisepumpe nachgeschaltete Wärmetauscher erwärmt wird, wobei der erste Wärmetauscher nach der Speisepumpe als erste Stufe zur Einkopplung von Niedertemperaturwärme und der nachfolgende als zweite Stufe zur Einkopplung von Hochtemperaturwärme vorgesehen ist.
  • Daher ist die Gemischkühlung der Verbrennungskraftmaschine, in der Regel ein Wärmetauscher, über einen Kreislauf mit dem ersten Wärmetauscher nach der Speisepumpe verbunden. Die Wärme aus der Kühlung des von der Verbrennungskraftmaschine angesaugten Brenngasgemisches dient somit zur Vorwärmung des Prozessmediums im ORC und wird als Niedertemperaturwärme im ersten Wärmetauscher nach der Speisepumpe eingekoppelt.
  • Ein zweiter Heizkreislauf, welcher Wärme aus Motorkühlwasser und Abgas der Verbrennungskraftmaschine bezieht, ist mit dem zweiten Wärmetauscher nach der Speisepumpe verbunden. Somit wird die Wärme aus dem Kühlkreislauf und dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine zur Überhitzung, Verdampfung und teilweise Vorwärmung des Prozessmediums im ORC eingesetzt und als Hochtemperaturwärme im zweiten Wärmetauscher nach der Speisepumpe eingekoppelt. Die beiden Wärmetauscher sind so ausgelegt, dass etwa die Hälfte der thermischen Energie zur Vorwärmung des Prozessmediums über den ersten Wärmetauscher nach der Speisepumpe übertragen wird.
  • Vorzugsweise kommt im nachgeschalteten ORC ein Dampf-Schraubenmotor zum Antrieb eines Generators zum Einsatz. Die nach dem zweiten Wärmetauscher nach der Speisepumpe im zweiten Heizkreislauf verbliebene Restwärme kann für externe Heizzwecke, zum Beispiel für die Beheizung eines Fermenters, genutzt werden. Diese Art der Fermenterbeheizung hat den Vorteil, dass das Heizwasser auf einem höheren Temperaturniveau vorliegt, und der Wärmetauscher im Fermenter daher kleiner und kostengünstiger ausgeführt werden kann.
  • Die Zuschaltung, Abschaltung und/oder Regelung des ORC ist nach mindestens einem einstellbaren Sollwert für die Temperatur im Kreislauf für die Gemischkühlung der Verbrennungskraftmaschine möglich. Dabei wird eine aktuelle Temperatur im Kreislauf für die Gemischkühlung der Verbrennungskraftmaschine am ersten Wärmetauscher nach der Speisepumpe erfasst und mit dem mindestens einen einstellbaren Sollwert verglichen. Alternativ oder ergänzend dazu kann die Zuschaltung, Abschaltung und/oder Regelung des ORC auch nach mindestens einem einstellbaren Sollwert für den Verdampferdruck im ORC erfolgen. Dann wird ein aktueller Druckwert am Verdampfer im ORC erfasst und mit dem mindestens einen einstellbaren Sollwert für den Verdampferdruck im ORC verglichen.
  • Mit der Erfindung werden Aufbau und Betriebsverhalten einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, welche insbesondere aus einem mit einem nachgeschalteten ORC kombinierten Blockheizkraftwerk mit einer Verbrennungskraftmaschine mit Turbolader und Gemischkühlung für das Brenngasgemisch besteht, optimiert. Einerseits ist ein sicherer, effektiver. Motorbetrieb und eine ausreichende Kühlung des Brenngasgemisches am BHKW, gewährleistet und andererseits erhöht sich der Gesamtwirkungsgrad einer gattungsgemäßen Anlage, weil selbst die auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau von etwa 40 bis 50 °C vorliegende, dem Brenngasgemisch entzogene Wärme nun nicht mehr ungenutzt an die Umgebung abgegeben wird. Sie kann deshalb gut in den ORC zur Vorwärmung eingekoppelt werden, weil das Arbeitsmedium des ORC nach dem Austritt aus dem Verflüssiger mit einer Temperatur um 20 °C vorliegt. Wichtig dabei ist, dass die Erwärmung nach der Verdichtung auf den eigentlichen Verdampfungsdruck erfolgt. Ansonsten käme es zu einer unkontrollierten Verdampfung. Dies würde die Speisepumpe schädigen und den Prozess zum Erliegen bringen.
    •
  • Die Zeichnung stellt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dar und zeigt in einer einzigen Figur den schematischen Aufbau einer Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, bestehend aus einem mit einem nachgeschalteten ORC kombinierten Blockheizkraftwerk.
  • Die für den ORC betriebswichtigen Komponenten sind ein ORC-Kreislauf 1, eine Speisepumpe 2, ein Verdampfer 3, ein Dampf-Schraubenmotor 4 zum Antrieb eines Generators 5, ein Verflüssiger 6 mit einem Kreislauf 7 für die Rückkühlung über einen Wärmeverbraucher 8 sowie die Wärmetauscher 9, 10 zur Vorwärmung des Prozessmediums im ORC-Kreislauf 1.
  • Die beiden Wärmetauscher 9, 10 sind in Reihe der Speisepumpe 2 nachgeschaltet. Dabei dient der erste Wärmetauscher 9 nach der Speisepumpe 2 als erste Stufe zur Einkopplung von Niedertemperaturwärme und der nachfolgende Wärmetauscher 10 als zweite Stufe zur Einkopplung von Hochtemperaturwärme. Der Gemischkühler 11 der Verbrennungskraftmaschine 12 ist über einen Kreislauf 13 mit dem ersten Wärmetauscher 9 verbunden, so dass die dem Brenngasgemisch entzogene Wärme zur Vorwärmung des Prozessmediums im ORC dient. Das Brenngasgemisch wird in einem an eine Gaszufuhr 14 und eine Luftzufuhr 15 angeschlossenen Gas-/Luft-Mischer 16 aufbereitet und erwärmt sich bei der nachfolgenden Verdichtung im Turbolader 17, der auf der anderen Seite mit der Abgasleitung 18 in Verbindung steht.
  • Ein zweiter. Heizkreislauf 19 bezieht Wärme zunächst über einen Wärmetauscher 20 aus dem Kühlkreislauf 21 und nachfolgend über einen Abgaswärmetauscher 22 in der Abgasleitung 18. Dieser zweite Heizkreislauf 19 ist mit seinem Vorlaufbereich mit dem Verdampfer 3 des ORC verbunden, weil das Temperaturniveau im Bereich von etwa 80 bis 100 °C liegt. Danach mündet der zweite Heizkreislauf 19 rücklaufseitig in den zweiten Wärmetauscher 10 und gibt dort noch vorhandene Restwärme an den ORC ab.
  • Mit dem Starten des Blockheizkraftwerkes gehen auch alle drei Kreislaufpumpen 23, 23', 23'' in Betrieb. Für die Zuschaltung, Abschaltung und/oder Regelung des ORC nach einer aktuellen Temperatur im Kreislauf 13 ist am ersten Wärmetauscher 9 eine nicht dargestellte Temperaturmesseinrichtung vorgesehen. Alternativ oder ergänzend dazu kann eine Druckmesseinrichtung am Verdampfer 3 angebracht werden.

Claims (10)

  1. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage, bestehend aus einem mit einem nachgeschalteten ORC (Organic-Rankine-Cycle) kombinierten Blockheizkraftwerk (BHKW) mit einer Verbrennungskraftmaschine mit Turbolader und Gemischkühlung für das Brenngasgemisch -vor-dem Eintritt in die Zylinder, einem Wärmetauscher im Kühlkreislauf sowie einem Abgaswärmetauscher, dessen Vorlaufleitung mit dem Verdampfer des ORC in Verbindung steht und diesen beheizt, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessmedium im ORC über zwei in Reihe der Speisepumpe (2) nachgeschaltete Wärmetauscher (9, 10) erwärmt wird, wobei der erste Wärmetauscher (9) nach der Speisepumpe (2) als erste Stufe zur Einkopplung von Niedertemperaturwärme und der nachfolgende Wärmetauscher (10) als zweite Stufe zur Einkopplung von Hochtemperaturwärme vorgesehen ist.
  2. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gemischkühlung der Verbrennungskraftmaschine (12) über einen Kreislauf (13) mit dem ersten Wärmetauscher (9) nach der Speisepumpe (2) verbunden ist, wobei die Wärme aus der Kühlung des von der Verbrennungskraftmaschine (12) angesaugten Brenngasgemisches zur Vorwärmung des Prozessmediums im ORC dient und als Niedertemperaturwärme im ersten Wärmetauscher (9) eingekoppelt wird.
  3. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Heizkresslauf (19) Wärme aus Motorkühlwasser und Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) bezieht und mit dem zweiten Wärmetauscher (10) nach der Speisepumpe (2) verbunden ist, wobei die Wärme aus dem Kühlkreislauf (21) und dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine (12) zur Überhitzung und Verdampfung des Prozessmediums im ORC dient und als Hochtemperaturwärme im zweiten Wärmetauscher (10) nach der Speisepumpe (2) eingekoppelt wird.
  4. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Wärmetauscher (9, 10) so ausgelegt sind, dass etwa die Hälfte der thermischen Energie aus dem BHKW zur Vorwärmung des Prozessmediums über den ersten Wärmetauscher (9) nach der Speisepumpe (2) übertragen wird.
  5. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im nachgeschalteten ORC ein Dampf-Schraubenmotor (4) zum Antrieb eines Generators (5) dient.
  6. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die nach dem zweiten Wärmetauscher (10) nach der Speisepumpe (2) im zweiten Heizkreiskreislauf (19) verbliebene Restwärme für externe Heizzwecke genutzt wird.
  7. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschaltung, Abschaltung und/oder Regelung des ORC nach mindestens einem einstellbaren Sollwert für die Temperatur im Kreislauf (13) für die Gemischkühlung der Verbrennungskraftmaschine (12) erfolgt.
  8. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zuschaltung, Abschaltung und/oder Regelung des ORC eine aktuelle Temperatur im Kreislauf (13) für die Gemischkühlung der Verbrennungskraftmaschine (12) am ersten Wärmetauscher (9) nach der Speisepumpe (2) erfasst und mit mindestens einem einstellbaren Sollwert verglichen wird.
  9. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuschaltung, Abschaltung und/oder Regelung des ORC nach mindestens einem einstellbaren Sollwert für den Verdampferdruck im ORC erfolgt.
  10. Kraft-Wärme-Kopplungsanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass für die Zuschaltung, Abschaltung und/oder Regelung des ORC ein aktueller Druckwert am Verdampfer (3) im ORC erfasst und mit mindestens einem einstellbaren Sollwert für den Verdampferdruck im ORC verglichen wird.
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