DE102006028746B4

DE102006028746B4 - Vorrichtung zur Energieumwandlung nach dem organischen Rankine-Kreisprozess-Verfahren sowie System mit derartigen Vorrichtungen

Info

Publication number: DE102006028746B4
Application number: DE200610028746
Authority: DE
Inventors: Aldo Piacentini-Timm; René Niesner
Original assignee: Gesellschaft fur Motoren und Kraftanlagen Mbh; MOTOREN und KRAFTANLAGEN MBH GES
Current assignee: Gesellschaft fur Motoren und Kraftanlagen Mbh; MOTOREN und KRAFTANLAGEN MBH GES
Priority date: 2006-06-20
Filing date: 2006-06-20
Publication date: 2013-01-31
Anticipated expiration: 2026-06-21
Also published as: DE102006028746A1

Abstract

Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem organischen Rankine-Kreisprozeß-Verfahren (ORC-Verfahren), aufweisend, – einen Verdampfer (1) zur Übertagung der thermischen Energie eines ersten Mediums auf ein zweites Medium unter Verdampfen des zweiten Mediums, wobei des zweite Medium ein organisches Arbeitsfluid ist, – eine Turbine (3) zur Expansion des gasförmigen organischen Arbeitsfluids unter Abgabe von mechanischer Energie, – einen Rekuperator (6) zur Abkühlung des entspannten gasförmigen organischen Arbeitsfluids und – einen Kondensator (7) zur Verflüssigung des abgekühlten gasförmigen organischen Arbeitsfluids mittels eines separaten Kühlwasser- oder Kühlluftkreislaufs, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Arbeitsfluid beim Verdampfen einen Druck von maximal etwa 20 bar bei einer Temperatur von etwa 60 bis 180°C aufweist und das organische Arbeitsfluid Tetramethylsilan ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem organischen Rankine-Kreisprozess-Verfahren (ORC-Verfahren) gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem ORC-Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9, mit mehreren zusammenwirkenden erfindungsgemäßen Vorrichtungen.
Bei dem organischen Rankine-Kreisprozess-Verfahren (ORC – Organic-Rankine-Cycle) handelt es sich um einen thermodynamischen Kreisprozess zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Energie, wobei von einem Primärmedium mit einer hohen Temperatur – wie Wasser, Thermoöl oder Abgas – im Primärkreis eines Verdampfers Wärme auf ein Sekundärmedium mit einer niedrigen Temperatur im Sekundärkreis des Verdampfers übertragen wird, und wobei das Sekundärmedium durch eine Abfolge von Verdampfen bei hohem Druck, Expandieren auf einen niedrigeren Druck, Kondensieren und Komprimleren, eine Dampfturbine antreibt, welche die vom Sekudärmedium aufgenommene thermische Energie in mechanische Energie umwandelt, die wiederum durch Ankopplung eines Generators an die Turbine in elektrischen Strom umgewandelt werden kann.
Im Unterschied zu einem herkömmlichen Dampfkratprozess, bei dem als Sekundärmedium Wasser eingesetzt wird, werden beim ORC-Verfahren organische Flüssigkeiten mit niedriger Siedetemperatur und niedriger spezifischer Verdampfungswärme als Arbeitsmedien oder -fluide verwendet.
Vorrichtungen zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem ORC-Verfahren, oder kurz ORC-Module, ermöglichen somit die Erschließung von Primärmedien zur Stromerzeugung, deren Temperatur nicht für den Betrieb einer mit Wasserdampf angetriebenen Turbine ausreicht. Beispiele für derartige Primärmedien sind insbesondere Endwärme, Sonnenlicht, die bei der chemischen oder physikalischen Umwandlung von Energieträgern entstehende Wärme und Temperaturunterschiede zwischen kalten und warmen Wassermassen in unterschiedlichen Meerestiefen. Letztere werden etwa mit ORC-Modulen mit Ammoniak als Arbeitsfluid erschlossen, wobei das Tiefenwasser im Primärkreis des Verdampfers von 100°C auf das Arbeitsfluid im Sekundärkeis des Verdampfers übertragen wird, das bei 18°C kondensiert.
Energieumwandlungseinrichtungen auf Basis des ORC-Verfahrens sind seit langem aus dem Stand der Technik bekannt. So wird in der US 3,234,734 A ein Verfahren zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie angegeben, bei dem als Arbeitsfluid Biphenyl, Terphenyl, Toluol oder Naphthalin neben einer Vielzahl anderer organischer Substanzen verwendet werden, die sich insgesamt für ein Überhitzen mittels Ausdehnung in der Gasphase eignen.
In der US 3,516,248 A wird ein Krafterzeugungs-System nach dem Rankine-Zyklus angegeben, dessen Arbeitsmedium der Gruppe der aliphatischen, carbocyclischen, substituierten carbocyclischen, heterocyclischen oder kondensierten ring-organischen Verbindungen angehört und das insbesondere im Vergleich mit ORC-Modulen mit Biphenyl oder aliphatischen Fluorkohlenwasserstoffen als Arbeitsfluid, eine höhere Nutzleistung bei niedrigeren Kosten ermöglicht und darüber hinaus insbesondere für Niedertemperatur-Primärmedien geeignet ist.
Die DE 34 20 293 A1 beschreibt ein Rankine-Zyklus-Kraftwerk mit einem verbesserten organischen Arbeitsfluid aus der Gruppe der bicyclischen Kohlenwasserstoffe, insbesondere Chinolin, Naphthalin, Methylnaphthalin und Tetralin, die bei einer Temperatur von unter 400°C unter konstantem Druck verdampfen.
Die US 4,448,025 A offenbart den Einsatz azeotroper Mischungen aus Toluol oder Benzol und Wasser zur Erhöhung des thermodynamischen Wirkungsgrads des Dampfkreislaufs.
Die US 6,233,938 A beschreibt Methylenchlorid als geeignetes Arbeitsfluid für den Rankine-Zyklus sowie dessen Verwendung in gekoppelten Rankine-Zyklus-Gasturbinenprozessen, wie sie heute in jedem modernen GuD-Kraftwerk mit Wasserdampfturbinen zur Anwendung kommen.
Die DE 198 58 712 A1 beschreibt ein Verfahren zur Umwandlung thermischer Energie in mechanische Arbeit mittels eines Kreisprozesses, wobei der Wärmeträger ein sich in der Dampfphase befindendes Polysiloxan oder ein Polysiloxan-Stoffgemisch darstellt. Die DE 100 08 123 A1 befaßt sich mit einer Vorrichtung zur Energieumwandlung auf der Basis von thermischen ORC-Kreisprozessen, wobei die für den ORC-Kreisprozess notwendige thermische Energie mittels eines oder mehrerer Solarkollektoren bereitgestellt wird und in den Solarkollektoren ein organisches Medium, vorzugsweise Hexamethyldisiloxan, strömt. Die DE 20 2004 013 299 U1 betrifft eine Vorrichtung zum Ausführen eines thermischen Kreisprozesses mit einem Arbeitsmedium nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle zur Umwandlung der Energie einer Wärmequelle in mechanische Energie mit mindestens einem Verdichtungsmittel für das Kondensat, mindestens einem Rekuperator/inneren Wärmeüberträger für die Wärmeübertragung zwischen entspannendem Dampf und verdichtetem Kondensat, mindestens einem Verdampfer für das verdichtete Kondensat und mindestens einem Entspannungsmittel für den Dampf, wobei stromabwärts des Verdichtungsmittels für das Kondensat der Kondensatorstrom aufteilbar, und ein Teil des Kondensatorstroms abzweigbar und dem Verdampfer unter Umgehung des Rekuperators/inneren Wärmeüberträgers zuführbar ist.
Wenngleich sich die im Stand der Technik beschriebenen ORC-Module prinzipiell für die Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem organischen Rankine-Kreisprozess-Verfahren eignen, so weisen sie dennoch ernsthafte Nachteile auf. Keine der im Stand der Technik angegebenen Vorrichtungen eignet sich für den universellen Einsatz bei der Nutzung von Abwärme niedriger Temperatur, ohne dass von dem verwendeten Arbeitsfluid eine Gefahr für die Gesundheit, die Umwelt und/oder eine Explosions- oder Brandgefahr ausginge. Tatsächlich fallen viele der im Stand der Technik angegebenen Arbeitsfluide unter die heute geltende Chemikalien-Verbotsverordung. So etwa die häufig in ORC-Modulen als Arbeitsfluid verwendeten Kältemittel und perfluorierten Alkane, die im Übrigen zwar stabil und schwer entflammbar sind. Aliphatische und aromatische Alkane, wie Isobutan und Toluol, sind gesundheitsschädlich und wassergefährdend sowie unter Prozessbedingungen leicht entflammbar und erfordern daher einen erhöhten technischen Aufwand in Hinblick auf den Brand- und Explosionsschutz.
Dabei ist die Auswahl des Arbeitsmediums von überragender Bedeutung bei der Optimierung des organischen Rankine-Kreislaufes, sowohl unter der Maßgabe des maximierten Wirkungsgrades, als auch unter der eines optimierten Anlagendesigns. Nicht zuletzt bestimmt die Auswahl des Arbeitsmediums in entscheidendem Maße die Kosten des Wärmeübertragers. Wegen der geringen Quellentemperaturen werden ORC-Systeme weit mehr noch als die konventionellen Dampfkreisläufe durch die Irreversibilitäten des Wärmeüberganges in den einzelnen Phasen des Kreislaufes limitiert. Somit besteht die Forderung an das Arbeitsmedium, dem Temperaturverlauf der Quelle bzw. der Senke möglichst eng zu folgen, um so Wärmeübergangsverluste zu minimieren. Diese Irreversibilitäten und damit der Wirkungsgrad des gesamten Systems, hängen folglich sehr stark von den thermodynamischen Eigenschaften des Arbeitsmediums und den Rahmenbedingungen des ORC-Prozesses ab.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem organischen Rankine-Kreisprozess-Verfahren (ORC-Verfahren) anzugeben, deren Arbeitsmedium dem Temperaturverlauf des Primärmediums möglichst eng folgt, mithin eine gute Anpassung an die speziellen Temperatur- und Druckeigenschaften des ORC-Verfahrens ermöglicht, und das zudem keine Gefährdung für die Gesundheit und die Umwelt darstellt, wobei die Vorrichtung insbesondere für die Stromerzeugung mit Primärmedien aus dem Bereich der erneuerbaren Energien und der Geothermie mit Temperaturen im Bereich von etwa 100 bis 220°C, insbesondere von etwa 120 bis 170°C geeignet ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie sie in der DE 100 52 414 A1 offenbart ist, als Arbeitfluid Tetramethylsilan enthalten ist, und das Verdampfen des Arbeitsfluids bei einem maximalen Druck von etwa 20 bar und bei einer Temperatur von etwa 60 bis 160°C erfolgt, wobei die für den organischen Rankine-Kreisprozess notwendige thermische Energie durch einstufiges Abkühlen des Primärmediums gewonnen wird, oder gemäß Anspruch 10, durch dessen mehrstufiges Abkühlen.
Das vorgeschlagene spezielle Arbeitsfluid Tetramethylsilan ist chemisch weitestgehend inert und ausgesprochen temperaturstabil, nicht toxisch und halogenfrei und unterliegt somit insbesondere auch nicht den verschärften EU-Richtlinien zur eingeschränkten Nutzung halogenisierter Kohlenwasserstoffe. Das Entstehen von unerwünschten langkettigen Polymeren oder zyklischen Verbindungen ist nahezu ausgeschlossen. Die hohe Dichte des organischen Dampfs und die durch Ausdehnung steigende Strömungsgeschwindigkeit ermöglichen einen optimalen Wärmeübergang bei weiterer, erwünschter Überhitzung und somit einen höheren Wirkungsgrad des ORC-Moduls, im Vergleich zu Modulen mit den aus dem Stand der Technik bekannten Massenchemikalien als Arbeitsmedium. Erfindungsgemäß kann das Arbeitsfluid direkt in einem Verdampfer erwärmt und überhitzt werden.
Somit ermöglicht das erfindungsgemäße Arbeitsfluid eine optimale Anpassung an die speziellen Temperatur- und Druckeigenschaften des ORC-Verfahrens, wie sie in Verbindung mit Primärmedien aus dem Bereich der erneuerbaren Energien und der Geothermie auftreten, ohne jegliche Gefährdung für die Gesundheit und die Umwelt, insbesondere auch im Havariefall.
Tetramethylsilan siedet unter atmosphärischem Druck bereits bei 26°C, was den Einsatz des erfindungsgemäßen ORC-Moduls insbesondere bei Anwendungen, wie der geothermischen Stromerzeugung mit Thermalwassertemperaturen von etwa 100 bis 220°C, insbesondere von etwa 120 bis 170°C, und der thermischen Nutzung von Abgasen mit Temperaturen von etwa 200 bis 460°C, insbesondere von etwa 350 bis 420°C, sowie der thermischen Nutzung von Abluft mit Temperaturen von etwa 380 bis 460°C in vorteilhafter Weise unterstützt. Im Übrigen ist das erfindungsgemäße Arbeitsfluid großtechnisch leicht synthetisierbar und in seiner Verfügbarkeit nicht beschränkt. Des Weiteren ist Tetramethylsilan nicht explosionsgefährlich.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet zudem einen vollständig automatisierten und weitestgehend wartungsfreien Betrieb, und ermöglicht somit eine deutliche Senkung der Betriebskosten. Von besonderem Vorteil erweist sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch im Hinblick auf die Standortwahl, die weitestgehend keinen Beschränkungen unterliegt. Dadurch eignet sich das erfindungsgemäße ORC-Modul insbesondere auch für die Kopplung mit einem Blockheizkraftwerk (BHKW) zur dezentralen Energiegewinnung.
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein System zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem ORC-Verfahren, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie zuvor erläutert wurde, mit wenigstens einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem wenigstens zweistufigen ORC-Modul zusammenwirkt.
Weitere Vorteile und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sind aus der nachfolgenden Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen.
Die beigefügten Figuren zeigen:
1 ein Strömungsdiagramm der bevorzugten Ausführungsart der erfindungsgemäßen Vorrichtung für Primärmedium, Arbeitsfluid und Kühlmittel, mit Systemkomponenten,
2 ein Strömungsdiagramm der bevorzugten ersten Ausführungsart des erfindungsgemäßen zweistufigen Systems für Primärmedium, Arbeitsfluid und Kühlmittel, mit Systemkomponenten,
3 ein Strömungsdiagramm der bevorzugten zweiten Ausführungsart des erfindungsgemäßen zweistufigen Systems für Primärmedium, Arbeitsfluid und Kühlmittel, mit Systemkomponenten, und
4 ein Strömungsdiagramm der bevorzugten dritten Ausführungsart des erfindungsgemäßen zweistufigen Systems für Primärmedium, Arbeitsfluid und Kühlmittel, mit Systemkomponenten.
1 zeigt in schematischer Darstellung die prinzipielle Anordnung der bevorzugten Ausführungsart der Erfindung und die Strömungsverläufe von Primärmedium, Arbeitsfluid und Kühlmittel beim Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Das Primärmedium – vorzugsweise Thermalwasser, Abgas eines bevorzugt mit Biogas betriebenen Gasmotors oder Abluft einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) – wird durch den Einlass des Primärkreises des Verdampfers 1 dem ORC-Modul zugeführt, zur Verdampfung des Arbeitsfluids mm Sekundärkreis des Verdampfers 1 und mithin zur Ingangsetzung und Aufrechterhaltung des organischen Rankine-Kreisprozesses. Das den Sekundärkreis des Verdampfers 1 durchströmende Arbeitsfluid wird hierbei mittels der Frischdampfleitung 2 zur Turbine 3 geleitet, die über die Turbinenwelle und die Kupplung 4 mit dem Generator 5 zusammenwirkt, durchströmt im Anschluss den Primärkreis des Rekuperators 6 sowie den Primärkreis des Kondensators 7, um von der Speisepumpe 8 über den Sekundärkreis des Rekuperators 6 und den Primärkreis des Vorwärmers 9 zurück zum Verdampfer 1 zu fließen. Wie der Verdampfer 1, ist auch der Vorwärmer 9 vorzugsweise als Rohrbündelwärmetauscher ausgebildet, wobei dessen Primärkreis-Einlass mit dem Auslass des Primärkreises des Verdampfers 1 in fluidmechanischer Verbindung steht zur Rückleitung des ersten Mediums unter Erhöhung seiner Rücklauftemperatur.
Die bevorzugte Ausführungsart der Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem organischen Rankine-Kreisprozess-Verfahren (ORC-Verfahren) wie sie in 1 dargestellt ist, umfasst einen Verdampfer 1, zur Übertragung der thermischen Energie eines ersten Mediums oder Primärmediums auf ein zweites Medium oder Sekundärmedium unter Verdampfen des zweiten Mediums, wobei das zweite Medium ein organisches Arbeitsfluid ist, eine Turbine 3 zur Expansion des gasförmigen organischen Arbeitsfluids unter Abgabe von mechanischer Energie, einen Rekuperator 6 zur Abkühlung des entspannten gasförmigen organischen Arbeitsfluids und einen Kondensator 7 zur Verflüssigung des abgekühlten gasförmigen organischen Arbeitsfluids mittels eines separaten Kühlwasser- oder Kühlluftkreislaufs, wobei das organische Arbeitsfluid Tetramethylsilan ist und wobei des Arbeitsfluid beim Verdampfers einen Druck von maximal etwa 20 bar bei einer Temperatur von etwa 60 bis 180°C aufweist.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsart der Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem ORC-Verfahren, weist das organische Arbeitsfluid beim Verdampfen bevorzugt einen Druck von 6 bis 18 bar bei einer Temperatur von etwa 90 bis 150°C auf.
Dabei ist der Verdampfer 1 vorzugsweise in Form eines Rohrbündelwärmetauschers mit einem Primärkreis für die Durchleitung des Primärmediums bzw. ersten Mediums mit einer hohen Temperatur und einem Sekundärkreis für die Durchleitung des Sekundärmediums bzw. Arbeitsfluids mit einer niedrigen Temperatur ausgeführt und bildet mit der Turbine 3, dem Rekuperator 6 und dem Kondensator 7 einen fluidmechanischen Kreislauf für das organische Arbeitsfluid, wobei zur Leitung des gasförmigen organischen Arbeitsfluids eine Frischdampfleitung 2 zwischen dem Verdampfer 1 und der Turbine 3 vorgesehen ist, und wobei zur Rückförderung des kondensierten organischen Arbeitsfluids zum Verdampfer 1 über den Rekuperator 6 und einen Vorwärmer 9, eine Speisepumpe 8 vorgesehen ist.
Vorzugsweise ist die Turbine 3 als Axialturbine ausgebildet und wirkt mit einem Generator 5 über die Turbinenwelle mit Kupplung 4 zur Erzeugung von elektrischer Energie zusammen, der insbesondere als Asynchrongenerator vorgesehen ist.
Das erfindungsgemäße ORC-Modul eignet sich in besonderer Weise für einen Betrieb mit Thermalwasser als Primärmedium, wenn dieses mit einer Temperatur von etwa 100 bis 220°C, insbesondere etwa 120 bis 170°C am Eingang des Verdampfers 1 bereitgestellt wird.
In gleicher Weise vorteilhaft ist die Erzeugung von mechanischer Energie mit dem erfindungsgemäßen ORC-Modul, wenn als Primärmedium Abgas eines vorzugsweise mit Biogas betriebenen Gasmotors mit einer Temperatur von etwa 200 bis 460°C, insbesondere etwa 350 bis 420°C eingesetzt wird.
Weiterhin ist das erfindungsgemäßen ORC-Modul vorteilhaft mit der Abluft einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) als Primärmedium zu betreiben, wobei hierbei ein Temperaturbereich von etwa 380 bis 460°C bevorzugt ist.
2 zeigt in schematischer Darstellung die erste bevorzugte Ausführungsart eines zweistufigen Systems zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem ORC-Verfahren und die Strömungsverläufe von Primärmedium, Arbeitsfluid und Kühlmittel beim Betrieb des erfindungsgemäßen Systems. Zur Weiterleitung des Primärmediums von der ersten Stufe I zur zweiten Stufe II ist die fluidmechanische Verbindung, A-B zwischen dem Auslass des Vorwärmens 91 und dem Einlass des Verdampfers 12 vorgesehen.
Eine weitergehende Nutzung der durch das erste Medium oder Primärmedium bereitgestellten thermischen Energie ergibt sich in besonders vorteilhafter Weise durch Kaskadierung des in 1 dargestellten ORC-Moduls in einer Weise, wie sie 2 zeigt. Dabei bildet jedes Modul einen separaten organischen Rankine-Kreislauf mit Tetramethylsilan als Arbeitsmedium bzw. Arbeitsfluid. Die Verbindung mehrerer, vorzugsweise zweier, dieser Module zu einem mehrstufigen, vorzugsweise zweistufigen, System zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem ORC-Verfahren, erfolgt hierbei über die fluidmechanische Verbindung des Auslasses A des Vorwärmers 91 der vorausgehenden Stufe I mit dem Einlass B des Verdampfers 12 der nachfolgenden Stufe II, wobei des Primärmedium durch den Einlass des Verdampfers 11 der ersten Stufe I dem System zugeführt wird und wobei das Primärmedium über den Auslass des Vorwärmers 92 der letzten Stufe II das System wieder verlässt, nachdem es einen Teil seiner thermischen Energie an das Arbeitsmedium jeder Stufe des Systems abgegeben hat.
3 zeigt den gemeinsamen Kühlkreislauf 71, 72 nach der zweiten bevorzugten Ausführungsart des erfindungsgemäßen mehrstufigen Systems.
Bei einer zweiten bevorzugten Ausführungsart des erfindungsgemäßen mehrstufigen Systems sind die Einlässe und die Auslässe der Kondesatoren 71, 72 der ersten Stufe I und zweiten Stufe II jeweils über eine Speisepumpe 81, 82 mit einem gemeinsamen Kühlwasser- oder Kühlluftreservoir fluidmechanisch verbunden und bilden einen gemeinsamen Kühlkreislauf.
4 zeigt in schematischer Darstellung die dritte bevorzugte Ausführungsart des erfindungsgemäßen mehrstufigen Systems, wobei die Turbinen 31, 32 der ersten Stufe I und der zweiten Stufe II mit einem gemeinsamen Generator 51 zur Stromerzeugung des Systems gekoppelt sind, und wobei der Generator 51 vorzugsweise als Asynchrongenerator ausgebildet ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Anwendungsbeispielen weitergehend erläutert
Beispiel 1:
Das Biogas einer Biogasanlage treibt als Energieträger einen Gasmotor an. Die elektrische Leistung des Gasmotors beträgt 2 MW und die nutzbare Abgasleistung 1 MW. Das dabei entstehende Abgas wird als Primärmedium über den Verdampfer 1 dem ORC-Modul mit einer Temperatur von 220°C zugeführt Das Arbeitsfluid des organischen Rankine-Kreises verdampft mit einem Druck von Ca. 20 bar bei 155°C und wird über eine Axialturbine 3 auf einen Druck von ca. 1,2 bar entspannt Die Austrittstemperatur des entspannten Dampfes nach der Turbine 3 beträgt ca. 100°C. Die Abkühlung und die Kondensation erfolgen in einem Rohrbündelwärmetauscher 6, 7. Die Speisepumpe 8 komprimiert des kondensierte Arbeitsfluid auf den Turbineneintrittsdruck bei einem Massestrom von ca. 3 kg/s. Die Turbine 3 treibt einen Asynchrongenerator 5 mit einer elektrischen Leistung von ca. 150 bis 160 KW an. Durch diese Nutzung der thermischen Energie des Abgases erhöht sich der Wirkungsgrad des Gasmotors um 7,5%, bezogen auf dessen elektrische Leistung.
Beispiel 2:
Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Abluft einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) können als Energieträger Erdgas oder auch Biogas genutzt werden. Dieser Typ einer Hochtemperaturbrennstoffzelle erzeugt eine Abluft von ca. 420°C, die durch den Verdampfer 1 des ORC-Moduls geleitet wird. Da in der Abluft keine korrosiven Bestandteile, wie Schwefeldioxid oder Stickoxide enthalten sind, kann der Verdampfer 1 aus einfachen Stählen hergestellt werden. Der elektrische Wirkungsgrad der Brennstoffzelle beträgt ca. 50%. Eine 1 MW-Brennstoffzelle hat somit eine Abluftwärmeleistung von ebenfalls 1 MW. Das Arbeitsmedium wird mit einem Druck von ca. 19 bar bei 150°C verdampft und über die Turbine 3 auf 1,2 bar bei 100°C entspannt. Die Abkühlung und Kondensation erfolgt im Kondensator 7. Des Kühlmedium ist Wasser oder Luft, je nach Standortbedingungen. Die Turbine 3 treibt einen Asynchrongenerator 5 mit einer Leistung von 140 bis 145 KW an. Durch diese Nutzung der thermischen Energie der Abluft erhöht sich der elektrische Wirkungsgrad der Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle um 14%.
Beispiel 3:
Ein modernes Geothermiekraftwerk nach dem HDR-Verfahren (Hot-Dry-Rock Verfahren) fördert heißes Thermalwasser mit einer Temperatur von 160 bis 190°C mit einem Massestrom von 27 kg/s. Zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird des heiße Thermalwasser in den Verdampfer 1 des ORC-Moduls eingespeist, wobei das Arbeitsfluid einen Massestrom von 38 kg/s aufweist und mit einen Druck von 10 bar bei ca. 115°C verdampft. Der Dampf wird über eine Axialturbine 3 auf 1,2 bar bei 75°C entspannt. Als besonders vorteilhaft erweist sich hier der Einsatz eines Rekuperators 6. Der nach der Turbine 3 naturgemäß überhitzte Dampf wird mit dem Rekuperator 6 auf 30°C abgekühlt und tritt dann erst in den Kondensator 7 ein, mit dem die Kondensationswärme abgeführt wird. Die Speisepumpe 8 fördert das Kondensat zum Rekuperator 6, den es mit ca. 70°C verlässt und in den Verdampfer 1 zurückfließt. Dadurch kann des Thermalwasser mit einer um ca. 25°C höheren Temperatur wieder reinjiziert werden, wodurch der unterirdische Wärmetauscher langsamer abgekühlt und die Ressource Erdwärme geschont wird. Die Turbine 3 treibt einen Asynchrongenerator 5 mit einer elektrischen Leistung von 1500 KW an. Der Kraftwerkswirkungsgrad liegt zwischen 11 und 12%.
Im Hinblick auf die Verwendung von Thermalwasser als Primärmedium in einer der erfindungsgemäßen Vorrichtungen, repräsentiert 1 ein einstufiges ORC-Kleinkraftwerk, mit direkter Erwärmung des Arbeitsfluids unter Nutzung Abkühlungswärme des Thermalwassers. Die thermische Energie wird der Turbine 3 zugeführt, welche wiederum mit dem Generator 5 bzw. einer dynamoelektrischen Maschine gekoppelt ist Der Rekuperator 6 sowie der Kondensator 7 in Verbindung mit der Speisepumpe 8 dienen der Wiederbereitstellung des Arbeitsfluids im Verdampfer 1. Dabei besteht grundsätzlich die Möglichkeit, überschüssige Wärmeenergie durch Kondensieren des Arbeitsfluids abzuführen. Alternativ besteht aber auch die Möglichkeit, diese Energie einem weiteren Kreisprozess zuzuführen, mithin in einer mehrstufigen Vorrichtung nach der Erfindung als medianische Energie bzw. Strom nutzbar zu machen.
Bezugszeichenliste

1: Verdampfer
2: Frischdampfleitung
3: Turbine
4: Turbinenwelle mit Kupplung
5: Generator
6: Rekuperator
7: Kondensator
8: Speisepumpe
9: Vorwärmer
I: Stufe 1
II: Stufe 2
A: Auslass der Stufe 1
B: Einlass der Stufe 2
11: Verdampfer der Stufe 1
12: Verdampfer der Stufe 2
31: Turbine der Stufe 1
32: Turbine der Stufe 2
51: Generator der ersten und zweiten Stufe
71: Kondensator der Stufe 1
72: Kondensator der Stufe 2
81: Speisepumpe der Stufe 1
82: Speisepumpe der Stufe 2
91: Vorwärmer der Stufe 1
92: Vorwärmer der Stufe 2

Claims

Vorrichtung zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem organischen Rankine-Kreisprozeß-Verfahren (ORC-Verfahren), aufweisend, – einen Verdampfer (1) zur Übertagung der thermischen Energie eines ersten Mediums auf ein zweites Medium unter Verdampfen des zweiten Mediums, wobei des zweite Medium ein organisches Arbeitsfluid ist, – eine Turbine (3) zur Expansion des gasförmigen organischen Arbeitsfluids unter Abgabe von mechanischer Energie, – einen Rekuperator (6) zur Abkühlung des entspannten gasförmigen organischen Arbeitsfluids und – einen Kondensator (7) zur Verflüssigung des abgekühlten gasförmigen organischen Arbeitsfluids mittels eines separaten Kühlwasser- oder Kühlluftkreislaufs, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Arbeitsfluid beim Verdampfen einen Druck von maximal etwa 20 bar bei einer Temperatur von etwa 60 bis 180°C aufweist und das organische Arbeitsfluid Tetramethylsilan ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass des organische Arbeitsfluid beim Verdampfen bevorzugt einen Druck von 6 bis 18 bar bei einer Temperatur von etwa 90 bis 150°C aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) mit der Turbine (3), dem Rekuperator (6) und dem Kondensator (7) einen fluidmechanischen Kreislauf für das organische Arbeitsfluid bildet, wobei zur Leitung des gasförmigen organischen Arbeitsfluids eine Frischdampfleitung (2) zwischen dem Verdampfer (1) und der Turbine (3) vorgesehen ist, und wobei zur Rückförderung des kondensierten organischen Arbeitsfluids zum Verdampfer (1) über den Rekuperator (6) und einen Vorwärmer (9), eine Speisepumpe (8) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (1) eine fluidmechanische Verbindung mit dem Vorwärmer (9) aufweist, wobei die Zuleitung des ersten Mediums über den Verdampfte (1) und die Rückleitung über den Vorwärmer (9) erfolgt, zum Zwecke einer Erhöhung der Rücklauftemperatur des ersten Mediums.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (3) als Axialturbine ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (3) mit einem Generator (5) zur Erzeugung von elektrischer Energie zusammenwirkt, wobei der Generator (5) insbesondere als Asynchrongenerator ausgebildet ist
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium Thermalwasser mit einer Temperatur von etwa 100 bis 220°C, insbesondere etwa 120 bis 170°C ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium Abgas eines, insbesondere mit Biogas betriebenen Gasmotors mit einer Temperatur von etwa 200 bis 460°C, insbesondere etwa 350 bis 420°C ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Medium Abluft einer Schmelzkarbonat-Brennstoffzelle (MCFC) mit einer Temperatur von etwa 380 bis 460°C ist.
System zur Umwandlung von thermischer Energie in mechanische Energie nach dem organischen Rankine-Kreisprozess-Verfahren (ORC-Verfahren), aufweisend eine erste Stufe (I) und wenigstens eine weitere Stufe (II), zur Übertragung der thermischen Energie des ersten Mediums auf das zweite Medium unter Verdampfen des zweiten Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stufe eine Vorrichtung gemäß Anspruch 3 umfasst, wobei die Zuleitung des ersten Mediums über den Verdampfer (11) der ersten Stufe und die Rückleitung über den Vorwärmer (92) der letzten Stufe vorgesehen ist, und wobei zur Weiterleitung des ersten Mediums von der ersten Stufe (I) zur letzten Stufe (II) über jede Zwischenstufe jeweils zwischen dem Auslass des Vorwärmers (91) der vorausgehenden Stufe und dem Einlass des Verdampfers (12) der nachfolgenden Stufe eine fluidmechanische Verbindung vorgesehen ist.
System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Stufen vorgesehen sind, wobei die Zuleitung des ersten Mediums über den Verdampfer (11) der ersten Stufe und die Rückleitung über den Vorwärmer (92) der zweiten Stufe vorgesehen ist, und wobei zur Weiterleitung des ersten Mediums von der ersten Stufe (I) zur zweiten Stufe (II) zwischen dem Auslass des Vorwärmers (91) der ersten Stufe und dem Einlass des Verdampfers (12) der zweiten Stufe eine fluidmechanische Verbindung vorgesehen ist.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlässe und die Auslässe der Kondesatoren (71, 72) der ersten und zweiten Stufe jeweils eine fluidmechanische Verbindung aufweisen und über jeweils eine Speisepumpe (81, 82) zu einem gemeinsamen Kühlwasser- oder Kühlluftkreislauf verbunden sind.
System nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinen (31, 32) der ersten und zweiten Stufe mit einem gemeinsamen Generator (51) zur Erzeugung von elektrischer Energie zusammenwirken, wobei der Generator (51) vorzugsweise als Asynchrongenerator ausgebildet ist.